ES2954601T3 - Sistema de diagnóstico para el mantenimiento basado en el estado de filtros de pilas de combustible - Google Patents

Sistema de diagnóstico para el mantenimiento basado en el estado de filtros de pilas de combustible Download PDF

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Abstract

La invención se refiere a un sistema de diagnóstico para un filtro de una pila de combustible, cuyo sistema se caracteriza porque el filtro está dispuesto en un conducto de entrada de aire en el que se puede alimentar una corriente de aire entrante a la pila de combustible, y está dispuesta una disposición de diagnóstico. en el conducto de entrada de aire, detrás del filtro en la dirección del flujo del aire entrante, pudiendo determinarse mediante el dispositivo de diagnóstico la carga del filtro con al menos un material predefinido. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de diagnóstico para el mantenimiento basado en el estado de filtros de pilas de combustible
La invención se refiere a un sistema de diagnóstico para un filtro en la corriente de suministro de una pila de combustible y a un procedimiento para diagnosticar un filtro de una pila de combustible. Las pilas de combustible, en particular las denominadas pilas de combustible PEM (pila de combustible de membrana de intercambio protónico o, en inglés, Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), reaccionan sensiblemente a sales, óxidos de nitrógeno o compuestos con azufre o amoníaco que entran en el proceso a través del aire de suministro. Para el uso eficiente de pilas de combustible móviles se utilizan, por lo tanto, filtros. Una filtración eficaz es esencial para proteger los componentes sensibles de la pila de combustible y garantizar una vida útil más larga. Estos filtros protegen permanentemente el material catalizador y las membranas utilizadas en los componentes de la pila y del sistema frente a los gases nocivos y partículas.
Tales filtros son conocidos, por ejemplo, por el documento DE 102 30 283 A1. Los filtros tienen varias capas, en particular un filtro de partículas para la sorción de partículas y polvos y un filtro químico posterior para la absorción y enlace de contaminantes gaseosos o vaporosos. Un rasgo es un sistema de filtrado con capas de filtrado de partículas en combinación con carbones activados especialmente impregnados. De este modo, el sistema de filtrado reduce la cantidad de gases y partículas nocivos procedentes del aire de suministro que pueden entrar en la pila de combustible.
El documento JP 2009 080962 A describe un sistema de diagnóstico para un filtro, en el que el filtro está dispuesto en un conducto de suministro de aire, y un dispositivo de diagnóstico está dispuesto después del filtro en el conducto de suministro de aire en dirección de flujo del aire de suministro.
Los conceptos de mantenimiento habituales prevén un cambio regular de los filtros tras un intervalo definido. Sin embargo, debido a los intervalos cortos y fijos de sustitución de los filtros, se incurre en costes elevados en el mantenimiento de la pila de combustible.
Para determinar la necesidad de regeneración o de mantenimiento de los filtros, el documento DE 102 30 283 A1 propone ahora varios sensores de gas o de contaminantes situados detrás del sistema de filtros, que están configurados para medir los contaminantes que deben separarse y cuyos valores medidos se comparan cada uno con un valor límite, cuya superación genera un mensaje.
La invención se basa en el objetivo de reducir los costes de funcionamiento de la pila de combustible.
El objetivo se logra mediante las características de las reivindicaciones de patente independientes. Otros desarrollos avanzados y configuraciones de la invención pueden encontrarse en las características de las reivindicaciones dependientes.
Un sistema de diagnóstico según la invención para un filtro de una pila de combustible se caracteriza porque el filtro está dispuesto en un conducto de aire de suministro en el que se puede guiar un flujo de aire de suministro hacia la pila de combustible, y porque un dispositivo de diagnóstico está dispuesto en el conducto de aire de suministro después del filtro en dirección del flujo del aire de suministro, en cuyo caso es posible determinar una carga del filtro con al menos una sustancia predeterminada por medio de la disposición de diagnóstico.
Según la invención, la disposición de diagnóstico comprende al menos un indicador para anunciar una carga del indicador con al menos una sustancia predeterminada.
Por indicador se entiende una sustancia para vigilar un estado químico. Los indicadores suelen mostrar un estado mediante un color específico, un cambio de estado mediante un cambio de color. Sustancia se designa un elemento, un compuesto o una mezcla con determinadas propiedades. Los fluidos son sustancias que fluyen, especialmente gases y líquidos, pero también plasma, suspensiones y aerosoles.
El indicador cambia de color, por ejemplo, al ser cargado con al menos una sustancia predeterminada, en particular un gas, y de este modo muestra indirectamente el estado del filtro antepuesto, que a su vez está diseñado para filtrar la al menos una sustancia predeterminada del flujo de suministro de la pila de combustible. Esto se denomina reacción indicadora. Por carga se entiende aquí un número predeterminado de partículas de la sustancia.
Sin embargo, si el filtro ya está al menos parcialmente obstruido, ya no puede realizar adecuadamente esta tarea, por lo que las partículas de la al menos una sustancia predeterminada pueden fluir a través del filtro, al menos en un número suficiente de partículas para provocar la reacción indicadora, en la que se encuentran posteriormente. Un filtro completamente funcional retiene las partículas de al menos una sustancia predeterminada en una medida suficiente para que no se produzca una reacción indicadora suficiente, en particular durante un período de tiempo predeterminado.
Dicho periodo de tiempo se refiere en particular a la vida útil del filtro.
Según un desarrollo avanzado del primer aspecto, el al menos un indicador está adaptado al filtro de tal manera que refleja el estado de carga del filtro. Si la carga del indicador supera un nivel predeterminado, en particular la carga con un número predeterminado de partículas de la al menos una sustancia predeterminada, se produce una reacción del indicador, tal como se ha descrito anteriormente.
Ahora bien, el indicador se ajusta al filtro de tal manera que la reacción del indicador sólo se efectúa cuando ya no funciona suficientemente el filtro. Este es el caso, como se ha descrito anteriormente, cuando la carga del filtro supera una medida crítica. La reacción indicadora indica así la carga del filtro por encima de una medida predeterminada, en particular la carga del filtro con un número predeterminado de partículas de la al menos una sustancia predeterminada.
El filtro y el indicador están adecuadamente diseñados y adaptados entre sí. Por lo tanto, en este caso, también es posible hablar de una determinación indirecta de la carga del filtro mediante el indicador, en cuyo caso el indicador indica un estado del filtro.
La al menos una sustancia predeterminada es por tanto indeseable en la pila de combustible. Por ejemplo, se trata de una sustancia perjudicial para la pila de combustible, como el monóxido de carbono (CO), el amoníaco (NH3), un óxido de nitrógeno (NOx), otras amidas como la urea (CH4N2O) o una sustancia del grupo de los compuestos con azufre como, por ejemplo, el dióxido de azufre (SO2) o el sulfuro de hidrógeno (SH2).
El filtro o los filtros antepuestos a la pila de combustible son correspondientemente adecuados para filtrar las sustancias nocivas para la pila de combustible, provenientes del flujo de suministro y retenerlas.
Según otro desarrollo avanzado del primer aspecto, el al menos un indicador está dispuesto inmediatamente después del filtro en el flujo de suministro hacia la pila de combustible. También sería concebible una disposición directamente sobre el filtro, en su lado enfrentado hacia la pila de combustible. Por consiguiente, la invención también puede referirse a un filtro para su uso en un sistema de diagnóstico según la invención, en donde el filtro comprende al menos un indicador que está dispuesto, en particular directamente aplicado, en un lado de salida del filtro. En el estado de instalación operativa, el lado de salida del filtro está orientado hacia la pila de combustible, de modo que el indicador está dispuesto después del filtro. Un lado de entrada está correspondientemente orientado en contra del flujo en el flujo de suministro.
El propio indicador puede comprender un sustrato u otro material de soporte adecuado al que se aplica el material del indicador.
Ventajosamente, según otro desarrollo avanzado del primer aspecto, el sistema de diagnóstico comprende varios indicadores diferentes entre sí para indicar cargas de los indicadores con varias sustancias predeterminadas, diferentes unas de otras.
Otro desarrollo avanzado del primer aspecto proporciona un soporte en el conducto de aire de suministro de la pila de combustible, que en particular está instalado allí de forma permanente, con el que el al menos un indicador se sujeta de forma intercambiable y, por lo tanto, se instala de forma intercambiable en el flujo de suministro de la pila de combustible. El indicador y el soporte pueden tener interfaces mutuamente complementarias.
Si se dispone de varios indicadores que difieren entre sí, éstos pueden estar dispuestos sobre un material portador común y mantenerse juntos mediante el soporte en el flujo de suministro de la pila de combustible y, de este modo, pueden intercambiarse, o bien están dispuestos individualmente en un sistema de cámaras dispuesto en el flujo de suministro de la pila de combustible, en cuyo caso una cámara individual del sistema de cámaras sirve como soporte para un indicador individual, que entonces también puede intercambiarse individualmente de forma independiente entre sí.
Según la invención, el sistema de diagnóstico comprende al menos un detector óptico, por ejemplo, un fotosensor, en particular una cámara, para la detección óptica de una reacción indicadora del al menos un indicador. El detector óptico está correspondientemente alineado con el al menos un indicador y adecuado para detectar una reacción del indicador. El sistema de diagnóstico puede comprender además una interfaz persona-máquina, en particular en forma de pantalla, por ejemplo, un monitor, para mostrar el al menos un indicador detectado mediante el detector óptico. De este modo, el indicador detectado puede ser inspeccionado indirectamente por el personal responsable del funcionamiento de la pila de combustible, por ejemplo, un empleado del servicio técnico. Acto seguido puede efectuarse una evaluación para cargar el filtro y sustituir el filtro. En principio, también sería concebible una evaluación automática de la información óptica registrada por el detector óptico mediante una unidad de evaluación adecuadamente diseñada. Cuando se alcanza una carga crítica del indicador, indicada por el propio indicador, puede generarse una señal correspondiente, que haga que el personal responsable sustituya el filtro.
Alternativamente, el indicador puede ser comprobado por el personal responsable durante un servicio que se lleva a cabo a intervalos regulares.
Según un segundo aspecto, la disposición de diagnóstico comprende, alternativamente o de manera complementaria al primer aspecto, al menos una cerámica conductora de iones. En particular, la cerámica se configura ventajosamente como una cerámica de capa fina conductora de iones que tiene la propiedad de mostrar una resistencia diferente dependiendo de la carga de la superficie con partículas. Este cambio de resistencia se debe al hecho de que las partículas depositadas en la superficie de la cerámica impiden la conversión de moléculas de oxígeno en iones de oxígeno, lo que aumenta la resistencia.
Según un desarrollo avanzado del segundo aspecto, la disposición de diagnóstico comprende al menos una disposición de medición de la resistencia dispuesto en particular fuera del conducto de aire de suministro para medir una resistencia dependiente de la carga de la cerámica conductora de iones.
Mediante una medición en particular continua de la resistencia y una relación conocida de la resistencia con una curva característica del filtro que refleja la carga del filtro, puede concluirse el estado de carga del filtro. La evaluación de la resistencia medida puede llevarse a cabo según las explicaciones anteriores por el personal de servicio, que compara un valor de resistencia emitido por medio de una interfaz persona-máquina adecuada con la curva característica conocida del filtro y, si es necesario, determina la carga real del filtro por medio de una inspección del filtro. A partir de esta información, el personal de servicio puede determinar la necesidad de una sustitución oportuna o un plazo objetivo para la sustitución del filtro. Alternativamente puede llevarse a cabo a su vez una evaluación automática, por ejemplo, mediante una comparación particularmente periódica de la resistencia medida con un valor umbral predefinido en una unidad de evaluación adecuadamente diseñada, en cuyo caso la unidad de evaluación puede implementarse a su vez como un componente integral de la disposición de medición de resistencia o de un dispositivo de control que controle la función de la pila de combustible. Si se supera el valor umbral predefinido, puede emitirse la información correspondiente a través de una interfaz persona-máquina, de modo que el personal de servicio pueda detectarlo. Alternativamente, la información sobre la resistencia medida también puede enviarse periódicamente o cuando se supera el valor umbral predefinido a una unidad central situada fuera del vehículo en el que se encuentra la pila de combustible, si es necesario junto con otra información relativa a la función de la pila de combustible. Esta unidad central o la información emitida por ella a través de una interfaz persona-máquina puede servir entonces para iniciar la sustitución del filtro o, al menos, una inspección del filtro por parte del personal de servicio.
La invención se refiere además a un vehículo que comprende al menos una pila de combustible y al menos un sistema de diagnóstico según la invención.
En particular, el vehículo puede implementarse como vehículo ferroviario según un desarrollo posterior.
Además, la invención se refiere a un procedimiento para diagnosticar al menos un filtro de una pila de combustible, que se caracteriza porque el filtro y una disposición de diagnóstico están dispuestos en un conducto de aire de suministro en el que un flujo de aire de suministro puede ser guiado a la pila de combustible, y la disposición de diagnóstico está dispuesta en el conducto de aire de suministro después del filtro en la dirección del flujo del aire de suministro, y, para diagnosticar una carga del filtro con al menos una sustancia predeterminada, se vigila una carga de la disposición de diagnóstico con la al menos una sustancia predeterminada.
Según un desarrollo avanzado del procedimiento, la disposición de diagnóstico comprende al menos un indicador y/o al menos una cerámica conductora de iones para indicar una carga respectiva con al menos una sustancia predeterminada.
Según otro desarrollo avanzado del procedimiento, cuando se supera una carga predeterminada del indicador, en particular indicado por el propio indicador mediante una reacción del indicador como, por ejemplo, un cambio de color, se indica el mantenimiento que debe realizarse. De este modo se puede generar y emitir una señal correspondiente. Lo correspondiente es válido si se supera un valor de resistencia predeterminado de la cerámica conductora de iones. A continuación, el filtro se limpia o, preferiblemente, se sustituye durante el mantenimiento.
Si el filtro está dispuesto en un conducto de suministro de aire de una pila de combustible a bordo de un vehículo, por ejemplo, un vehículo ferroviario, el mantenimiento del filtro puede llevarse a cabo, perfeccionado, dependiendo de la ruta que vaya a recorrer el vehículo. Por lo tanto, si es necesario, puede posponerse la sustitución de un filtro en una ruta conocida por ser menos contaminada, mientras que un filtro en un vehículo que tiene que recorrer una ruta conocida por ser contaminada debe ser sustituido.
Tanto los indicadores, como también los detectores ópticos para detectar el indicador o indicadores, son significativamente menos susceptibles que los sensores de gas que miden las concentraciones de sustancias predeterminadas en su entorno inmediato, particularmente con respecto a las interferencias externas. Además, las concentraciones de las sustancias en el flujo de suministro que son perjudiciales para la pila de combustible y, por tanto, deben filtrarse, son extremadamente pequeñas: a menudo se sitúan en el rango de la milmillonésima parte de una partícula ("parts per billion" o "partes por mil millones", abreviado "ppb"). Dependiendo de la sustancia que deba medirse, actualmente no se dispone de sensores de gas para medir concentraciones tan pequeñas, son relativamente imprecisos o, comparativamente, propensos a fallar. En este caso, el sistema de diagnóstico según la invención con indicadores fácilmente intercambiables ofrece ventajas significativas en cuanto a manejo, costes, precisión y fiabilidad.
El mantenimiento orientado al estado puede reducir significativamente los costes de mantenimiento, independientemente del estado técnico respectivo, aprovechando al máximo el ciclo de vida de los filtros en lugar de sustituirlos de forma generalizada tras un intervalo fijo. El sistema de diagnóstico según la invención hace posible la comprobación de los filtros durante su funcionamiento.
Una ventaja de utilizar el sistema de diagnóstico según la invención para determinar el estado de los filtros es que se utilizan hasta que su reserva de desgaste se ha alcanzado casi por completo. Al omitir el mantenimiento dependiente del intervalo a intervalos fijos regulares, el mantenimiento dependiente del estado crea así las condiciones para poder utilizar la vida útil máxima de los filtros. Si, por ejemplo, los filtros que se sustituyen regularmente cada 3 meses, independientemente de su estado técnico, sólo pudieran sustituirse cada 6 meses de media mediante el cambio al mantenimiento en función del estado, esto correspondería a una duplicación de su vida útil.
De este modo, no sólo se ahorran los costes de los filtros que deben sustituirse a lo largo del ciclo de vida, que en el caso de los vehículos ferroviarios suele corresponder a unos 30 años, sino que también se reducen ventajosamente las existencias de repuestos de filtros que deben mantenerse en stock.
La invención permite numerosas formas de realización. Se explica con más detalle con referencia a la siguiente figura en la que se muestra un ejemplo de una realización.
En la figura, se muestra esquemáticamente la estructura de un sistema de filtro con indicadores. La pila de combustible y los componentes mostrados se utilizan en un vehículo ferroviario.
Se muestra un conducto de suministro de aire 1 de una pila de combustible. El flujo de suministro de fluido, en este caso un gas o una mezcla de gases, por ejemplo, aire ambiente, se ilustra mediante flechas en dirección de flujo del gas o la mezcla de gases. Se guía por el conducto de suministro de aire 1. No se muestra la pila de combustible propiamente dicha, que está dispuesta después. El aire aspirado fluye a través del conducto de aire de suministro 1 en dirección de la pila de combustible.
Un filtro 2 antepuesto en el conducto de aire de suministro 1 sirve para filtrar contaminantes no deseados del aire de suministro y limpiar así el flujo de fluido suministrado a la pila de combustible. Un componente químico filtrante del filtro 2 a controlar puede comprender carbón activado. Las sustancias filtradas se depositan en su superficie.
La disposición comprende después del filtro, es decir, puesto después del mismo, un sistema de indicadores 3 como disposición de diagnóstico. En este caso, el sistema consta de varias capas de indicadores 3, que están diseñados específicamente para los gases nocivos relevantes para la vida útil. Los indicadores 3 se sostienen de manera intercambiable en un soporte. La carga química se determina mediante los indicadores 3.
Por ejemplo, los gases contaminantes que contienen amoníaco pueden identificarse mediante indicadores reactivos ácido-base. Para esto, una simple medición del pH de esta capa durante un intervalo de mantenimiento regular proporcionaría información sobre el estado de carga del filtro.
Se han desarrollado indicadores similares para contaminantes como CO, SO2 o NOx u otros. La reacción química con estos contaminantes puede utilizarse para generar un cambio de color del indicador 3. El estado técnico se evalúa mediante este cambio de color del indicador 3. Este se detecta, por ejemplo, mediante un sensor UV, y proporciona así al personal del servicio técnico información sobre el estado de carga del filtro. Aquí, una cámara 4 alineada con los indicadores 3 está dispuesta detrás de los indicadores 3 en el flujo de suministro y detecta cualquier cambio de color eventual.
El personal de servicio puede utilizar esta información para ordenar la sustitución del filtro o, en función de la ruta recorrida por el vehículo ferroviario, por ejemplo, rutas conocidas por su bajo contenido en contaminantes, seguir utilizando el filtro y llevar a cabo una sustitución del filtro sólo en un momento posterior.
Alternativamente o como complemento a uno o más indicadores, puede disponerse una cerámica conductora de iones en el conducto de aire de suministro, en dirección del flujo del aire de suministro después del filtro. La cerámica puede configurarse como una cerámica de capa fina. Mediante una medición de la resistencia, que es representativa de la carga de la superficie cerámica con partículas, se puede concluir el estado de carga del filtro por comparación con una curva característica del filtro.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Sistema de diagnóstico para un filtro (2) de una pila de combustible, el filtro (2) está dispuesto en un conducto de aire de suministro (1) en el que se puede guiar un flujo de aire de suministro hacia la pila de combustible, y un dispositivo de diagnóstico está dispuesto en el conducto de aire de suministro (1) en dirección de flujo del aire de suministro después del filtro (2), en donde es posible determinar una carga del filtro con al menos una sustancia predeterminada por medio de la disposición de diagnóstico,
caracterizado porque
la disposición de diagnóstico comprende al menos un indicador (3) para indicar una carga del indicador (3) con al menos una sustancia predeterminada, y la disposición de diagnóstico comprende al menos un detector óptico (4) para detectar ópticamente una reacción indicadora del al menos un indicador (3).
2. Sistema de diagnóstico según la reivindicación 1
caracterizado porque
el al menos un indicador (3) está adaptado al filtro (2) de tal manera que refleja el estado de carga del filtro (2).
3. Sistema de diagnóstico según la reivindicación 1 o 2,
caracterizado porque
el al menos un indicador (3) está dispuesto inmediatamente después del filtro (2) en el flujo de aire de suministro de la pila de combustible.
4. Sistema de diagnóstico según una de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado porque
la disposición de diagnóstico tiene varios indicadores (3) diferentes unos de otros para indicar una carga de los indicadores (3) con varias sustancias predeterminadas diferentes unas de otras.
5. Sistema de diagnóstico según una de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque
tiene al menos un soporte en el conducto de aire de suministro (1) de la pila de combustible en el que el al menos un indicador (3) se sostiene de manera intercambiable.
6. Sistema de diagnóstico según una de las reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado porque
la disposición de diagnóstico comprende al menos una cerámica conductora de iones.
7. Sistema de diagnóstico según la reivindicación 6,
caracterizado porque
la disposición de diagnóstico comprende al menos una disposición de medición de la resistencia dispuesta en particular fuera del conducto de suministro de aire (1) para medir una resistencia dependiente de la carga de la cerámica conductora de iones.
8. Vehículo que comprende
al menos una pila de combustible y al menos un sistema de diagnóstico según una de las reivindicaciones 1 a 7.
9. Vehículo según la reivindicación 8,
caracterizado porque
está diseñado como vehículo ferroviario.
10. Procedimiento para diagnosticar al menos un filtro de una pila de combustible, en donde el filtro (2) y una disposición de diagnóstico están dispuestos en un conducto de aire de suministro (1) en el que se puede guiar un flujo de aire de suministro hacia la pila de combustible, en donde la disposición de diagnóstico está dispuesta en el conducto de aire de suministro (1) en dirección del flujo del aire de suministro después del filtro (2) y, para diagnosticar una carga del filtro con al menos una sustancia predeterminada, se vigila una carga de la disposición de diagnóstico con la al menos una sustancia predeterminada,
caracterizado porque
la disposición de diagnóstico comprende al menos un indicador (3) para anunciar una carga del indicador (3) con al menos una sustancia predeterminada, y la disposición de diagnóstico comprende al menos un detector óptico (4) mediante el cual se detecta ópticamente una reacción indicadora del al menos un indicador (3).
11. Procedimiento según la reivindicación 10,
caracterizado porque
la disposición de diagnóstico comprende al menos una cerámica conductora de iones para anunciar una carga respectiva con al menos una sustancia predeterminada.
12. Procedimiento según la reivindicación 10 u 11,
caracterizado porque
el filtro (2) se sustituye cuando se supera una carga predeterminada del indicador y/o cuando se supera un valor de resistencia predeterminado.
13. Procedimiento según una de las reivindicaciones 10 a 12,
caracterizado porque
el filtro está dispuesto en un conducto de aire de suministro (1) de una pila de combustible de un vehículo, en particular de un vehículo ferroviario, en donde el filtro se sustituye en función de un trayecto a recorrer por el vehículo.
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