MXPA02000712A - Controlador de sistema de celda de combustible. - Google Patents

Controlador de sistema de celda de combustible.

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MXPA02000712A
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Abstract

Se proporciona un sistema (10) de celda de combustible que incluye un sistema (30) de control para regular la energia producida por el sistema (10) de celda de combustible. El sistema (10) de celda de combustible incluye un apilamiento (14) de celda de combustible adaptado para producir energia electrica de una alimentacion (102). En algunas modalidades, el sistema (10) de celda de combustible incluye un ensamblado (16) de procesamiento de combustible adaptado para producir la alimentacion para el apilamiento (14) de celda de combustible de una o mas materias primas. El sistema (30) de control regula la energia producida por el sistema (10) de celda de combustible para evitar dano o falla del sistema (10).

Description

CONTROLADOR DE SISTEMA DE COMBUSTIBLE CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se relaciona generalmente con sistemas de celda de combustible, y más particularmente con un controlador para sistemas de celda de combustible y sistemas de celda de combustible que incorporan los mismos.
DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN Una celda de combustible es un dispositivo que convierte hidrógeno gaseoso en energía eléctrica a través de una reacción electroquímica. Un apilamiento de celdas de combustible son varias celdas de combustible acopladas juntas en una unidad. Cuando se daña una de las celdas en un apilamiento de celdas de combustible, altera el funcionamiento de todo el apilamiento, lo que habitualmente provoca que todo el apilamiento falle. Se puede incorporar una celda de combustible o un apilamiento de celdas dentro de un sistema de celdas de combustible, el cual también incluye un procesador de combustible, tal como un convertidor de vapor. El sistema también incluye un banco de batería, el cual almacena la energía eléctrica producida, y una fuente de aire, la cual suministra oxígeno a la celda de combustible. En tal sistema, existe la necesidad de controlar el suministro de energía desde la celda dé combustible para evitar daño a la misma. También existe la necesidad de un sistema de control para regular el funcionamiento del sistema y evitar daño al mismo, y optimizar el funcionamiento del mismo en respuesta a las cargas aplicadas. La presente invención proporciona tal sistema de control, el cual se puede utilizar para satisfacer ambas necesidades, juntas o por separado. Muchas características de la presente invención se volverán evidentes para aquellos conocedores de la técnica al hacer referencia a la descripción detallada que sigue y las hojas de dibujos anexas en las cuales se describen modalidades preferidas que- incorporan los principios de la invención, únicamente como ejemplos ilustrativos.
DESCRIPCIÓN BREVE DE LOS DIBUJOS La figura 1 es un diagrama esquemático de un sistema de celda de combustible que incluye un sistema de control, de acuerdo con la presente invención. La figura 2 es una curva de polarización gráfica de una celda de combustible que muestra el voltaje de la celda graficado como una función de la densidad de corriente. La figura 3 es un diagrama esquemático de otra modalidad del sistema de celda de combustible de la figura 1. ????éi?AátL?M^i±?M,»*^.
La figura 4 es un diagrama esquemático de otra modalidad del sistema de celda de combustible de la figura 3. La figura 5 es un diagrama esquemático de otra modalidad del sistema de celda de combustible de la figura 3. 5 La figura ß es un diagrama esquemático de otra modalidad del sistema de celda de combustible de la figura 3. La figura 7 es un diagrama esquemático de otra modalidad del sistema de celda de combustible de la figura 3. La figura 8 es un diagrama esquemático del ensamblado 10 de procesamiento de combustible.
DESCRIPCIÓN DETALLADA Y MEJOR MODO DE LA INVENCIÓN Un sistema de celda de combustible se muestra en la 15 figura 1 y se indica generalmente con el número 10. El sistema 10 incluye un apilamiento 14 de celdas de combustible y un ensamblado 16 de procesamiento de combustible. El apilamiento 14 de celda de combustible se adapta para producir energía eléctrica de una alimentación, y el ensamblado 16 de procesamiento de 20 combustible se adapta para producir una corriente 18 de alimentación correspondiente para el apilamiento de celda de combustible desde una o más materias primas. Una corriente de alimentación adecuada es una corriente que contiene, o que se forma por lo menos sustancialmente de hidrógeno gaseoso, aunque 25 también se pueden utilizar otros materiales, por ejemplo, de la configuración y estructura del apilamiento 14 de celda de combustible. Como se utiliza en la presente, el ensamblado de procesamiento de combustible y el apilamiento de celda de combustible se denominan colectivamente como un sistema de procesamiento de combustible y generalmente se indican con el número 11 en la figura 1. El sistema 11 incluye además bombas asociadas, líneas de transporte de fluido, equipo de almacenamiento o suministro de alimentación y dispositivos relacionados . El apilamiento 14 de celda de combustible incluye una o más celdas 15 de combustible, habitualmente en forma de un apilamiento 14 de celda de combustible que incluye una pluralidad de celdas de combustible acopladas juntas operativamente. Aunque en la presente se hace referencia a un apilamiento de celdas de combustible, está dentro del alcance de la presente invención que el apilamiento 14 de celdas de combustible puede incluir únicamente una celda de combustible única, una pluralidad de celdas de combustible operacionales separadamente o una pluralidad de apilamiento de celdas de combustible operacionales separadamente o interconectadas . Los ejemplos de celdas de combustible adecuadas incluyen celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) y celdas de combustible alcalinas . El sistema 10 incluye un ensamblado 16 de procesamiento de combustible, el cual incluye uno o más procesadores 17 de combustible. Un ejemplo de un procesador de combustible adecuado es un reformador de vapor el cual produce hidrógeno gaseoso a través de una reacción termoquímica, que habitual ente involucra una materia prima que comprende un alcohol o un hidrocarburo. Los ejemplos de convertidores de vapor adecuados se describen en la Patente de E.U.A. No. 5,861,137 y en las Solicitudes de Patente de E.U.A. Nos. de Serie 08/951,091 y 09/291,447, cuyas descripciones se incorporan en la presente como referencia. En la figura 8 se muestra un diagrama esquemático de un ensamblado 16 de procesamiento de combustible adecuado. Como se muestra, el ensamblado 16 de procesamiento de combustible incluye un ensamblado 100 de alimentación que se adapta para suministrar una o más corrientes 102 de alimentación a un procesador 17 de combustible. El procesador 17 de combustible recibe las corrientes de alimentación y produce una corriente 18 de producto de hidrógeno desde la misma. Además de producir una corriente 18 de hidrógeno, el procesador 17 de combustible también puede producir uno o más corrientes 104 de subproductos. Estas corrientes de subproductos se pueden utilizar para combustible, intercambio de calor o alimentación. Alternativamente, estas corrientes se pueden cosechar para uso en otras aplicaciones. El procesador 17 de combustible incluye una región 106 que produce hidrógeno, en la cual se produce una corriente que contiene hidrógeno, o una corriente de gas mixta, 108 desde las corrientes de alimentación. La corriente que contiene hidrógeno • "4 - 6 - habitualmente contiene impurezas, y por lo tanto se suministra a una región de separación, o una región de purificación 110 en donde la corriente se purifica. En la región 110 de separación, la corriente que contiene hidrógeno se separa en una corriente 18 de producto de hidrógeno y una corriente 104 de subproducto. La región 110 de separación incluye un módulo 112 de membrana, el cual contiene una o más membranas metálicas permeables al hidrógeno, de manera que tales membranas se forman de paladio y aleaciones de paladio. Un ejemplo de un módulo 112 de membrana formado de una pluralidad de membranas metálicas selectivas para hidrógeno se describe en la Solicitud para Patente de E.U.A. Número de serie 09/291,447, la cual se presentó el 13 de abril de 1999, y es intitulada "fuel processing system", (sistema de procesamiento de combustible) , y cuya descripción completa de la misma se incorpora en la presente como referencia. En esa solicitud se unen por ensamblado una pluralidad de membranas generalmente planas en un módulo de membrana que tiene canales de flujo a través de los cuales se suministra una corriente de gas impuro a las membranas, se cosecha una corriente de gas purificado de las membranas y se remueve una corriente de subproducto de las membranas . Está dentro del alcance de la presente invención que el ensamblado 16 de procesamiento de combustible puede incluir cualquier dispositivo adecuado o ensamblado de dispositivos para producir una corriente de hidrógeno gaseoso. Los ejemplos de otros mecanismos adecuados que se pueden utilizar para producir una corriente 18 de hidrógeno gaseoso son por conversión autotérmica, por oxidación parcial de un hidrocarburo o vapor de alcohol, por combinación de una oxidación parcial y conversión de vapor de un hidrocarburo o un vapor de alcohol, por pirólisis de un hidrocarburo o un vapor de alcohol y por electrólisis de agua. Debe entenderse que la materia prima para el procesador 12 de combustible variará en base en la forma particular del procesador de combustible que se utilice. Por ejemplo, cuando el procesador 76 de combustible produce hidrógeno a través de conversión de vapor, la materia prima habitualmente incluirá agua y un alcohol o un hidrocarburo. La conversión autotérmica también incluirá un componente de agua o una corriente como una parte de la materia prima, sin embargo la pirólisis y la oxidación parcial no. En la figura 1, se muestra el sistema 10 que incluye una fuente 19 de aire, tal como un ventilador o compresor, para suministrar aire al ensamblado de procesamiento de combustible y al apilamiento de celdas de combustible. La fuente 19 de aire puede ser una o más unidades separadas, o se pueden incorporar en un apílamiento de celdas de combustible o al ensamblado de procesamiento de combustible, o a ambos. Debe entenderse que algunas modalidades del sistema de celda de combustible inventado pueden no incluir una fuente 19 de aire. Por ejemplo, el ensamblado 16 de procesamiento de combustible puede no tener una corriente de aire suministrada al mismo. Similarmente, el apilamiento 14 de celda de combustible puede tener una corriente de oxígeno gaseoso, en oposición a una corriente de aire, suministrada al mismo. El hidrógeno gaseoso producido por el ensamblado 16 de procesamiento de combustible y el oxígeno de la fuente 19 de aire se suministran al apilamiento 14 de celdas de combustible, la cual produce energía eléctrica y agua de la misma. La energía eléctrica producida por el apilamiento 14 de celda de combustible se utiliza para satisfacer las demandas eléctricas o se almacena en un banco 20 de batería. Los ejemplos de dispositivos que pueden extraer energía del apilamiento de celdas de combustible influyen las instalaciones 22 descritas subsecuentemente, así como el sistema de celdas de combustible mismo, el cual extrae energía de sus propios componentes impulsados eléctricamente. Como se utiliza en la presente, el dispositivo de extracción de energía de un sistema de celda de combustible también se puede denominar como un dispositivo que aplica una carga al sistema. El sistema 10 incluye además un banco 20 de batería, el cual almacena energía eléctrica producida por el apilamiento 14 de celda de combustible. El banco 20 incluye uno o más baterías u otros dispositivos adecuados adaptados para almacenar energía eléctrica. El banco 20 de batería se puede utilizar para aumentar la energía proporcionada por el apilamiento 14 de celda, o alternativamente, se puede utilizar para satisfacer las demandas de energía cuando el ensamblado 16 de procesamiento de combustible y el apilamiento 14 de celda de combustible no se _ utilizan para producir energía eléctrica. El banco 20 de batería tiene una carga máxima, o una cantidad máxima de energía almacenada, y en cualquier momento particular tiene un nivel de corriente de carga que varía entre la energía no almacenada y la cantidad máxima de energía almacenada. Habitualmente, el apilamiento 14 de celdas de combustible y el banco 20 de batería se comunican y por lo tanto satisfacen la carga eléctrica de una o más instalaciones 22 que consumen energía, tales como estructuras residenciales, comerciales o industriales y dispositivos. Los ejemplos de tales instalaciones incluyen casas y otras viviendas, edificios comerciales y de industrias pequeñas, automóviles, autobuses, vehículos de recreación y comerciales, embarcaciones, torres de icroondas, señales eléctricas y dispositivos de señalización, estaciones de retransmisión para comunicaciones tales como teléfonos móviles y cualquier otro dispositivo el cual pueda ser impulsado por un generado o cualquier otra fuente de energía eléctrica. Bajo condiciones de operación normales, el sistema 10 satisfará los requerimientos de energía de la instalación 22. Sin embargo, pueden surgir problemas cuando el sistema no es capaz de satisfacer la carga demandada por la instalación sola o en combinación con otros dispositivos que consumen energía, tal como el equilibrio de componentes de planta descrito aquí. Se presentan problemas debido a que la cantidad máxima de energía eléctrica disponible de un apilamiento de celda de combustible por unidad de tiempo es finito, pero la carga eléctrica aplicada puede exceder de la capacidad del sistema. Cuando sucede esto, existen dos resultados habituales, el primero es que el ensamblado de procesamiento de combustible o la fuente de aire no pueden satisfacer las demandas de los apilamientos de celdas de combustible para las necesidades de hidrógeno y oxígeno que se necesitan para satisfacer la carga eléctrica aplicada (producir la energía demandada) . Esta situación resulta en un apilamiento de celdas de combustible que esencialmente carece de reactivos, lo que resulta en una energía eléctrica producida por el apilamiento de celda de combustible que disminuye hasta cero. El otro resultado se presenta cuando el ensamblado de procesamiento de combustible y la fuente de aire son capaces de suministrar hidrógeno y oxígeno suficientes al apilamiento de celda de combustible para que el apilamiento de celda de combustible exceda su rendimiento nominal de energía eléctrica en respuesta a la carga aplicada. Lo que se obtiene de este segundo resultado se puede explicar de alguna manera con mayor detalle con referencia a la curva de polarización que se muestra en la figura 2, en la cual el voltaje de celda se gráfica como una función de la densidad actual. Dado que el apilamiento 14 de celda de combustible se ha constituido de varias celdas similares, la curva es representativa del funcionamiento de todas las celdas. Conforme se incrementa la demanda de energía eléctrica, la corriente se incrementa y el voltaje de celda de combustible individual disminuye. Por ejemplo, se muestra con el número 24 una condición de operación representativa, la cual está dentro del intervalo operacional de una celda de combustible individual. Conforme la corriente continúa aumentando, el potencial de celda puede incluso ser negativo, tal como se indica en el número 26. Cuando esto sucede, la celda consume energía y se producirá un daño irreparable a la celda de combustible individual en cuestión de segundos. Como se ha establecido en lo anterior, el daño a sólo una de las celdas de combustible individual puede provocar que falle la totalidad del apilamiento de celdas de combustible. Ninguno de estos resultados es deseable. Desde el punto de vista de usuario final, ambas condiciones anteriores son fallas del sistema simplemente debido a que no se suministra energía. Sin embargo, uno puede apreciar cuanto más costoso y destructivo es el segundo resultado, en comparación con el primer resultado. En el primer resultado, el apilamiento de celdas de combustible se inactiva de manera segura conforme carece de reactivos. En el segundo resultado, el apilamiento opera fuera de los parámetros de operación para el cual se diseñó. Para evitar que se presente cualquiera de estos dos resultados, el sistema 10 incluye además un sistema 30 de control el cual protege al apilamiento 14 de celda de combustible de tener una salida de energía nominal mayor extraída de la misma, y al mismo tiempo regular la producción de hidrógeno del ensamblado 16 de procesamiento de combustible para satisfacer las demandas de hidrógeno del apilamiento de celda de combustible. Por lo tanto, el sistema de control proporciona un control doble del sistema de celda de combustible. Sin embargo, está dentro del alcance de la presente invención que cada tipo de controlar descrito subsecuentemente pueda tener una utilidad separada y se pueda utilizar independiente de otro tipo de controlador, aunque la modalidad preferida de la invención incorpora ambos controladores en el sistema 30 de control. El sistema 30 de control, el cual también se denomina como un circuito de control, controla la demanda de energía eléctrica en forma de cargas eléctricas colocadas en el sistema sin provocar daño al apilamiento 14 de celda de combustible. Se hace esto al controlar activamente la cantidad de energía extraída del apilamiento de celda de combustible al vigilar el voltaje y la corriente en el apilamiento de celda de combustible. El sistema 30 también asegura una generación eficiente de energía al monitorear y controlar la producción del hidrógeno en el procesador de combustible y el suministro disponible de oxígeno. Como se muestra en la figura 1, el sistema 30 de control incluye un controlador 32 de sistema de procesamiento de combustible y un controlador 34 de carga. Aunque los controladores 32 y 34 se pueden implementar como una unidad o por separado, se describirán en la presente por separado con propósitos de ilustración. Los controladores se comunican entre sí por medio de un enlace 35. Por supuesto, cuando los controladores se implementan como una sola unidad, no es necesario tal enlace. Debe entenderse que el sistema 30 de control puede incluir uno o más circuitos o procesadores analógicos o digitales, y puede incluir una o más unidades separadas en comunicación entre sí. El sistema 30 de control también puede incluir o comunicarse con detectores, conmutadores y otros circuitos eléctricos o mecánicos, detectores, mecanismos de retroalimentación y similares. Como se muestra en la figura 1, el controlador 32 de sistema de procesamiento de combustible se comunica con el apilamiento 14 de celda de combustible, el ensamblado 16 de procesamiento de combustible y una fuente 19 de aire por medio de los enlaces 36, 37 y 38, respectivamente. Los enlaces 36-38 preferiblemente permiten la comunicación bidireccional con el controlador, por lo que permiten que el controlador mide o vigile los valores seleccionados o las variables seleccionadas, de las unidades 14-19, aunque también controla el funcionamiento de estas unidades, habitualmente en respuesta a los valores medidos. Los ejemplos de valores que se pueden vigilar para el ensamblado 16 de procesamiento de combustible son el modo de operación del procesador de combustible o los procesadores 17 de combustible t* * - 14 - que forman el ensamblado 16 de procesamiento de combustible, el suministro de materia prima, la velocidad a la cual se produce el • hidrógeno gaseoso y la temperatura de operación de los procesadores de combustible. Los modos de operación habituales para el ensamblado 16 de procesamiento de combustible son el arranque, apagado, modo libre, normal (activo) e inactivación. Los valores vigilados por el apilamiento 14 de celda de combustible incluyen el voltaje y la corriente dentro de las celdas 15 apiladas o individuales, así como la carga aplicada. Un ejemplo de un valor vigilado para la fuente de aire es la velocidad a la cual se suministra aire al ensamblado de procesamiento de combustible y al apilamiento de celda de combustible. Cuando se incorpora la fuente 19 de aire dentro de uno o de ambos del ensamblado de procesamiento de combustible o del apilamiento de celda de combustible, su funcionamiento y medición habitualmente se incorpora dentro del enlace correspondiente para la unidad dentro de la cual se incorpora. Debe entenderse que no todos estos valores son necesariamente esenciales y que también se pueden medir otros valores, en base en los requerimientos particulares y en la configuración del sistema de celda de combustible, la complejidad del sistema y el nivel de control deseado, así como las preferencias particulares del usuario. Debe entenderse además que los enlaces pueden incluir cualquier interfaz o detector adecuado para llevar a cabo la vigilancia y control deseados.
El control 34 de carga regula el almacenamiento y salida de energía eléctrica producida por el apilamiento 14 de celda de combustible. Como se muestra en la figura 1, el controlador 34 de carga se adapta para suministrar la energía eléctrica producida por el banco 20 de batería para almacenamiento, suministro de la energía para uso por la instalación 22 o el suministro de energía al sistema 11 de procesamiento de combustible. El controlador 34 de carga recibe energía eléctrica del apilamiento 14 de celda de combustible e incluye una salida 39 desde la cual se suministra energía eléctrica a la instalación 22. La energía eléctrica producida con frecuencia, pero no necesariamente, se suministra a uno o más inversores 40 de corriente directa a corriente alterna antes de ser recibida por la instalación 22 o suministrada al sistema 11 de procesamiento de combustible para que realice su equilibrio de los circuitos electrónicos de la planta. Como se utiliza en la presente, el equilibrio de los componentes de la planta se refiere en general a las bombas, detectores impulsores eléctricamente y otros dispositivos eléctricos asociados con el sistema 11 de procesamiento de combustible. Está dentro del alcance de la presente invención que se puedan omitir los inversores 40, por ejemplo cuando la instalación 22 se adapta para recibir energía de corriente directa. Los ejemplos de tal instalación incluyen cargadores de .í. , ..i i -j¿a¿_fc-jt- ^¿É^^¡^ . dfcat '* -& ' - 16 - batería, embarcaciones de recreación y estaciones de retransmisión de microondas. Los inversores 40 también se pueden incluir dentro del controlador 34 de carga o la instalación 22. En la figura 1 se muestran dos inversores, sin embargo, como se discute en lo anterior, el sistema 10 puede incluir algunos o ninguno de un inversor, o puede incluir inversores múltiples, en base en los requerimientos del sistema particular y la instalación o instalaciones a las cuales se les proporciona energía eléctrica. En la figura 1 se muestra el controlador 34 de carga que incluye una unidad 42 de cargado, la cual puede utilizar el método de modulación de anchura de pulso de tres etapas o cualquier otro método adecuado para cargar el banco 20 de baterías. El controlador 34 también incluye un procesador 44 que se comunica con el controlador 32 procesador de combustible. Habitualmente, esta comunicación incluye la recepción de señales de control de la misma y vigilancia del retorno y de las señales de retroalimentación al mismo. La unidad 42 de cargado extrae energía del apilamiento 14 de celda de combustible en respuesta a las señales de control del sistema 30 de control. Habitualmente, las señales de control se envían por el control 32 en respuesta a la velocidad de producción de hidrógeno en el ensamblado 16 de procesamiento de combustible. Por lo tanto, se regula la cantidad de energía extraída por la unidad 42 de cargado, que incluye el ser limitada, en respuesta al suministro »* - disponible de hidrógeno para el apilamiento 14 de celda de combustible. La cantidad de energía extraída del apilamiento 14 ^ de celda de combustible también se regula por el controlador 34 de carga, vía la unidad 42 de cargado, para asegurar que el rendimiento nominal del apilamiento 14 de celda de combustible no se exceda. El controlador 34 de carga también incluye un enlace común 46 eléctrico que interconecta a la unidad 42 de cargado, el banco 20 de batería y la salida 39. El banco 20 de batería se puede configurar para que corresponda al voltaje de la salida del apílamiento de celda de combustible y la entrada del inversor. El controlador 34 de carga también puede incluir varios interruptores de circuito u otros conmutadores, mecanismos de seguridad, contactos, detectores y circuitos de retroalimentación en comunicación con el procesador 44. Por ejemplo, como se muestra en la figura 1, el controlador 34 incluye un interruptor 50 de entrada que preferiblemente está ajustado a una cantidad determinada mayor que la salida de energía nominal máxima del apilamiento 14 de celda de combustible. Habitualmente el interruptor 50 se encuentra nominal entre aproximadamente 105% y aproximadamente 150% de la salida nominal máxima del apilamiento 14 de celda de combustible, con intervalos entre aproximadamente 110% y aproximadamente 135% como los preferidos y un valor de 125% (por las regulaciones del National Electrical Code (NEC) actuales en base en la salida de energía del sistema de celda de combustible) demuestran ser efectivos en las pruebas experimentales. Se pueden utilizar otras clasificaciones, tales como las requeridas por las regulaciones locales, estatales y otros códigos y regulaciones. El interruptor 50 también puede incluir un contacto en contacto en comunicación con el procesador 44. Si se recibe un pico de energía eléctrica del apilamiento 14 de celda de combustible que exceda este umbral por encima de la salida máxima nominal del apilamiento, funcionará el interruptor 50, por lo que detendrá el suministro de energía eléctrica al controlador 34 de carga. Preferiblemente, el interruptor 50 se comunica con el controlador 32 del sistema de procesamiento de combustible (directamente o a través del controlador 34 de carga) para indicar cuando se ha accionado el interruptor. Ante la recepción de tal señal, el controlador 32 después para ajustar el funcionamiento del apilamiento 14 de celda de combustible o el ensamblado 16 de procesamiento de combustible, o ambos, con el fin de evitar daño al sistema. En la figura 1 también se muestra un par de interruptores 52 y 54 de salida. Los interruptores 52 y 54 de salida preferiblemente son nominales para la capacidad de energía de los inversores 40. Aunque en la figura 1 se muestran una pluralidad de interruptores de salida, está dentro del alcance de la presente invención que uno o más de tales interruptores se puedan utilizar. Por ejemplo, el número de interruptores puede corresponder al número de inversores que se utilicen. Los interruptores 52 y 54 de salida proyectan los inversores desde la energía eléctrica receptora que excede la capacidad de los inversores. Los interruptores 52 y 54 también pueden incluir contactores. Alternativamente, los interruptores 52 y 54 pueden en su lugar ser contactores. Los elementos del controlador 34 de carga preferiblemente están como en comunicación con el procesador 44 el cual a su vez está en comunicación con el controlador 32. Esto permite al sistema de control vigilar y dirigir el funcionamiento de los elementos individuales que se describen aquí. La comunicación directa con el controlador 32 también se encuentra dentro del alcance de la invención. Debe entenderse que no se requiere la comunicación bidireccional para todos los elementos y que algunos elementos únicamente pueden tener comunicación unidireccional (ya sea de vigilancia o control), o pueden estar sin comunicación alguna. Por ejemplo, típicamente los interruptores no tendrán comunicación directa con el sistema 30 de control. Sin embargo, está dentro del alcance de la invención que cualquiera o la totalidad de los interruptores se pueda asociar con un contactor. Los contactores también pueden tener únicamente comunicación de vigilancia de manera que el sistema de control pueda detectar cuando cualquiera de los interruptores ha sido accionado y dirigir el funcionamiento del sistema de celda de combustible en consecuencia. Sin embargo, se puede preferir la comunicación bidireccional con el fin de permitir un control aumentado del sistema de celda de combustible. Por ejemplo, la comunicación bidireccional con los contactores puede permitir al sistema de control provocar que se accionen los interruptores, lo cual puede ser necesario en situaciones de emergencia o cuando un elemento de los sistemas no está funcionando bien o no se esta comunicando con el sistema de control. Ahora se describirá con mayor detalle el funcionamiento del sistema 10 de celda de combustible, a partir de una posición en la cual el banco 20 de batería está sin carga y el ensamblado 16 de procesamiento de combustible está apagado. Después de que el ensamblado 16 de procesamiento de combustible completa su modo de arranque y alcanza una temperatura deseada de funcionamiento, el ensamblado de procesamiento de combustible comienza a producir hidrogeno gaseoso, el cual se suministra al apilamiento 14 de celda de combustible. El apilamiento 14 recibe el flujo de hidrogeno gaseoso del ensamblado 16 de procesamiento de combustible y un flujo de oxígeno (habitualmente en forma de aire) de una fuente de aire 19, y produce energía eléctrica desde el mismo. Esta energía se suministra al controlador 34 de carga. La energía pasa a través de un interruptor 50 de entrada a la unidad 42 de cargado y después a un enlace común 46 eléctrico. Desde el enlace común 46, la energía se desplaza ya sea al banco 20 de batería o a la salida 39, como se indica por las leyes de Ohm y de Kirchhoff, o ambas. Por lo tanto, si existe una carga eléctrica aplicada al sistema, tal como desde la instalación 22, la energía producida se dirigirá para satisfacer la demanda. Si la producción de energía excede la demanda, o si no hay demanda, la energía producida se almacena en el baño 20 de batería. Una vez que el banco 20 de batería se ha cargado por completo, se envía una señal al controlador 32 el cual a su vez dirige el ensamblado 16 de procesamiento de combustible para desviarlo a un modo de operación libre o de rendimiento reducido. En este modo de operación, el procesador de combustible mantiene esencialmente su temperatura de operación y otras condiciones mientras que produce únicamente una cantidad mínima de hidrógeno. Este flujo de hidrógeno nominal se convierte a energía eléctrica utilizada para hacer funcionar el sistema 10 de celda de combustible y para mantener el banco de batería en su estado de carga completo. Debido a que se mantiene en sus condiciones de operación, el ensamblado 16 de procesamiento de combustible puede activarse rápidamente a su modo de operación de producción normal de hidrógeno sin que se requiera tiempo de arranque y un procedimiento necesario si el procesador de combustible se hubiese apagado. Por lo tanto, el procesador de combustible puede responder de manera relativamente rápida a cambios en las demandas de hidrógeno en el sistema. Cuando el banco 20 de batería se carga por completo y el ensamblado 16 de procesamiento de combustible se apaga o se encuentra en el modo de operación libre, cualquier carga *^ - 22 - eléctrica aplicada al sistema será satisfecha desde el banco 20 de batería. El estado, o nivel de carga del banco 20 de batería se vigila por el sistema 30 de control, ya sea por el controlador 34 de carga o por el controlador 32 de ensamblado de procesamiento de combustible. Cuando la carga disminuye hasta un nivel mínimo seleccionado, el controlador 32 dirige el ensamblado 16 de procesamiento de combustible para volver a adquirir su modo de operación de producción normal de hidrógeno. Habitualmente, esto implica un desplazamiento desde el modo libre a su modo normal o desde su modo apagado a su arranque y después a los modos de operación normales. Si el ensamblado 16 de procesamiento de combustible de antemano está en su modo de operación normal cuando se ha alcanzado este nivel mínimo, el sistema 30 de control limita la cantidad de energía extraída sobre el apilamiento 14 de celda de combustible para evitar el daño al apilamiento de celda de combustible, tal como ocurriría si la carga aplicada excede la capacidad del sistema. Por ejemplo, el controlador 32 puede dirigir al controlador 34 de carga directa para limitar la velocidad a la cual la unidad de cargado suministra energía al enlace común 46. El nivel mínimo de carga a la cual el sistema 30 de control dirige el ensamblado 16 de procesamiento de combustible está en su modo normal de operación y se puede seleccionar como una función de factores tales como el tiempo necesario para que el procesador de combustible alcance su modo de operación normal, la carga remanente del banco 20 de batería, la magnitud de la carga aplicada, etcétera. Por lo tanto, el nivel mínimo de carga puede variar en base en el modo de operación particular del procesador de combustible. Debido a que el procesador de combustible alcanzará su modo de operación normal mucho más rápido desde su modo calentado libre, entonces cuando el procesador de combustible se apaga, lo que sigue es que se requiere un nivel mínimo mayor cuando el procesador de combustible se enciende. Básicamente, el valor mínimo se puede seleccionar para asegurar que el procesador de combustible alcanza su modo de operación normal antes de que se agote la carga del banco de batería (o de que alcance un nivel base seleccionado de carga) . Preferiblemente, el valor de carga mínimo ícluye una reserva para proporcionar un margen de seguridad en caso de que factores tales como errores humanos u otros errores retarden al procesador de combustible para alcanzar su modo de operación normal, incrementos en la carga aplicada, etcétera. La reserva puede ser un porcentaje de un nivel de carga mínimo teórico, por ejemplo en el intervalo de aproximadamente 10% y aproximadamente 100% del nivel mínimo teórico, prefiriéndose valores en el intervalo de aproximadamente 25% y aproximadamente 75% y un valor de aproximadamente 50% del nivel mínimo teórico de la carga demostrando ser suficiente. Por ejemplo, si se determina un nivel de carga de 20% como el nivel mínimo teórico de carga necesaria para proporcionar energía para satisfacer una carga aplicada hasta que el apilamiento 14 de celda de combustible puede producir energía adicional, se puede utilizar un valor de 30% por el sistema 30 de control para proporcionar una reserva de seguridad. El sistema 30 puede utilizar un valor de carga mínimo único que se selecciona para proporcionar tiempo suficiente para que el ensamblado 16 de procesamiento de combustible alcance su modo de operación normal sin importar su estado de operación actual. Se puede determinar tal valor como el nivel requerido de . carga del banco 20 de batería para satisfacer la carga aplicada máxima durante el tiempo necesario para que el ensamblado 16 de procesamiento de combustible alcance su modo de operación normal desde un arranque en frío. Con un valor de carga mínimo único que se selecciona como suficiente para todas las condiciones de operación, se sigue que, bajo la mayor parte de las condiciones de operación el banco de batería tendrá más antes de que se agote el margen de seguridad suficiente. El sistema 30 también puede utilizar valores de carga mínimos múltiples y diferentes que reflejen los patrones de uso de energía de la instalación 22, como se discute con mayor detalle en lo siguiente. Una vez que el sistema 30 de control dirige el ensamblado 16 de procesamiento de combustible para desviarlo a su modo de operación normal y cuando se alcance este modo de operación, el ensamblado 16 de procesamiento de combustible comienza a producir hidrógeno, lo que permite que el apilamiento 14 de celda de combustible produzca energía eléctrica adicional. La energía recién producida se desplaza, por medio de la trayectoria descrita previamente, al enlace común 46, en donde se puede utilizar para satisfacer la carga aplicada, recargar el banco 20 de batería, o ambas cosas. Esencialmente, la energía seguirá la trayectoria de mínima resistencia desde el enlace común 46, entre ninguna y la totalidad de la energía desplazándose al banco de batería y a la salida del controlador de carga, dependiendo de la carga actual del banco de batería y la carga que se aplique. Una característica importante del controlador 32 de procesador de combustible es que evita que más de la energía nominal máxima sea producida por el apilamiento 14 de celda de combustible, por lo que se evitan ambas fallas de sistema descritas anteriormente. Por lo tanto, cuando la carga aplicada es mayor que en la producción de energía máxima del apilamiento 14 de celda de combustible, el sistema de control limita la producción de la energía eléctrica para evitar que el apilamiento de celda de combustible exceda su máximo nominal. Debe entederse que la producción máxima definida por el controlador 32 de procesador de combustible puede tener cierto valor diferente de la velocidad de producción máxima nominal del apilamiento 14 de celda de combustible. Por ejemplo, puede ser deseable limitar la producción a un valor menor que el máximo nominal, tal como 95%, 90% u otro valor menor del máximo. El sistema 30 de control también puede limitar la velocidad a la cual el apilamiento 14 de celda de combustible produce energía eléctrica en respuesta a la capacidad del ensamblado 16 de procesamiento de combustible y a la fuente 19 de aire para proporcionar el apilamiento de celda de combustible con las alimentaciones necesarias de hidrógeno y oxígeno. Por lo tanto, si está disponible únicamente el 75% de la materia prima necesaria para satisfacer la salida máxima teórica del apilamiento de celda de combustible, entonces el controlador de celda de combustible puede limitar la producción de energía eléctrica a la velocidad/disponibilidad de producción actual de hidrógeno y oxígeno. Como se describe en lo anterior, el sistema 30 de control limita la producción de energía eléctrica para asegurar que el apilamiento de celda de combustible no excede su salida máxima nominal o la disponibilidad de materia prima de hidrógeno y oxígeno, por ejemplo a partir del ensamblado 16 de procesamiento de combustible, la fuente 19 de aire u otra fuente adecuada. En otras palabras, el sistema de control limita la porción de carga aplicada que se aplica al apilamiento de celda de combustible. Sin embargo, esto no significa que el sistema 10 de celda de combustible no pueda satisfacer de manera segura, por lo menos temporalmente, cargas que excedan la salida nominal máxima del apilamiento 14 de celda de combustible. Debido a que el banco 20 de batería almacena energía eléctrica, esencialmente genera una reserva de energía que se puede utilizar en lugar de energía eléctrica recién producida, como se describe en lo anterior, o como un suplemento a la energía eléctrica producida. Por lo tanto, si la carga aplicada excede a la capacidad del apilamiento 14 de celda de combustible, el banco de batería también puede suministrar energía para satisfacer esta carga. La distribución real de la carga satisfecha por el apilamiento 14 de celda de combustible y el banco 20 de batería puede variar, en base en factores tales como la magnitud de la carga aplicada, la carga remanente del banco de batería, el modo de operación del procesador de combustible, etcétera. Por supuesto, es posible que una carga aplicada exceda el rendimiento total combinado del apilamiento 14 de celda de combustible y el banco 20 de batería. Si esto ocurre, el sistema 30 de control evitará que se extraiga demasiada energía del apilamiento de celda de combustible, por lo que se evita el daño a cualquier componente del sistema. Otra manera para describir la relación entre el sistema 30 de control con respecto al ensamblado de procesamiento de combustible, el apilamiento de celda de combustible y la instalación u otro dispositivo de consumo de energía eléctrica es como sigue: El ensamblado 16 de procesamiento de combustible tiene una velocidad de producción máxima de corriente 18, y una velocidad de producción disponible actualmente de corriente 18. La velocidad de producción máxima de la corriente 18 es la ; velocidad máxima a la cual el ensamblado de procesamiento de combustible puede producir la corriente 18 dentro de las condiciones de operación nominales o seguras suponiendo un • suministro abundante de toda la materia prima necesaria. La velocidad de producción disponible actualmente de la corriente 18 es la velocidad a la cual se puede producir la corriente 18 por en ensamblado de procesamiento de combustible en el momento particular en cuestión. Los ensamblados de procesamiento de combustible habitualmente tienen una configuración de apagado o inactivación, o sobre la configuración de operación, y algunas veces incluye una configuración libre o en espera. En las configuraciones de apagado o de inactivación, el procesamiento de combustible no consume ninguna materia prima, y no produce ninguna corriente de salida y se encuentra a temperatura ambiente. En las configuraciones de encendido o de funcionamiento, el ensamblado de procesamiento de combustible consume materia prima y produce una corriente de salida 18 dentro de sus parámetros de operación (temperatura, presión, etcétera) . En la configuración en espera o libre, el procesador de combustible únicamente consume materia prima suficiente y por lo tanto produce una corriente 18 correspondiente) para mantener el procesador de combustible en o cerca de los parámetros de operación para sus configuraciones de encendido o de operación. En la configuración de encendido, la velocidad de producción disponible actualmente de la corriente 18 es aquella velocidad a la cual actualmente se produce la corriente 18, mientras que las configuraciones de apagado y libre, la velocidad de producción disponible actualmente es cero o casi de cero, respectivamente. La velocidad de producción disponible actualmente de la totalidad de las tres configuraciones teóricamente se puede incrementar hasta una velocidad de producción máxima, sin embargo, el tiempo necesario para alcanzar esta velocidad máxima o máxima disponible diferida entre estas configuraciones. En la totalidad de las tres configuraciones, la velocidad de producción máxima de la corriente 18 es la misma. El apilamiento de celda de combustible tiene una salida de combustible nominal máxima y una salida de energía disponible actualmente. La salida de energía nominal máxima es la salida de energía máxima del apilamiento en condiciones de operación seguras y supone una alimentación abundante, tal como la corriente 18. La salida de energía disponible actualmente es el apilamiento 14 de celda de combustible de energía que es capaz de producir en base en la alimentación actual, específicamente en la corriente 18. Por lo tanto, la salida de energía disponible actualmente depende de la velocidad a la cual se suministra la corriente 18 y por lo tanto se puede controlar al variar la velocidad de flujo de la corriente 18. Finalmente, el sistema de celda de combustible también tiene una salida de energía de sistema nominal máxima y una salida de energía de sistema disponible actualmente. La salida de energía del sistema nominal máxima es el total de la salida de energía nominal máxima de el o los apilamientos de celdas de combustible y la carga máxima (energía almacenada máxima) o el banco de batería. La salida de energía del sistema disponible actualmente es la combinación de la salida de energía disponible actualmente del apilamiento o apilamientos de celdas de combustible y el nivel actual de carga (energía almacenada actual) del banco 20 de batería. Si la velocidad de producción demandada por el apilamiento 14 de celda de combustible excede la velocidad de producción máxima de la corriente 18, el ensamblado de procesamiento de combustible simplemente no puede proporcionar los requerimientos de administración del sistema 14 de celda de combustible. Por otra parte, si la velocidad de producción demandada por el apilamiento de celdas de combustible excede la velocidad de producción disponible actualmente de la corriente 18, el ensamblado de procesamiento de combustible no puede satisfacer los requerimientos de alimentación del sistema 14 de celda de combustible a menos que ataque la velocidad de producción disponible actualmente y se incremente o disminuyan los requerimientos de alimentación. En respuesta a los diversos valores almacenados o medidos, o ambos, el sistema 30 de control regula la energía producida por el sistema 10 de celda de combustible para evitar un fallo o un daño al sistema. Esta regulación puede incluir limitar la cantidad de energía producida. También puede incluir provocar que un componente del sistema cambie sus velocidades disponibles actualmente. Por ejemplo, el sistema 30 de control puede dirigir el ensamblado 16 de procesamiento de combustible para que produzca más gas hidrógeno, por lo que se incrementa la salida de energía disponible actualmente del apilamiento 14 de celda de combustible y el sistema 10 de celda de combustible. El sistema 30 de control también puede limitar la velocidad a la cual se produce la corriente 18 para disminuir la salida de energía disponible actualmente del apilamiento de celda de combustible y de esta manera disminuir la salida de energía disponible actualmente del sistema de celda de combustible. El sistema de control también puede ajustar la salida de energía disponible actualmente del apilamiento 14 de celda de combustible para incrementar la energía extraída del banco 20 de batería o para incrementar el nivel actual de carga (energía almacenada) en el banco de batería. La interacción y la superación del sistema 30 de control se describen con mayor detalle en la presente.
Otra modalidad del sistema 30 de control se muestra en la figura 3. Como se muestra, el controlador 34 de carga incluye un convertidor 43 paulatino en lugar de la unidad 42 de cargado y el enlace común 46 de corriente directa que se muestra en la figura 1. Debe entenderse que las modalidades de celda de combustible que se muestran en las figuras 4-6 que se discuten posteriormente puede incluir un convertidor paulatino de la figura 3 o una unidad de cargado y un enlace común de corriente directa de la figura 1. El sistema 10 de celda de combustible también proporciona energía térmica, específicamente del ensamblado 16 de procesamiento de combustible, el cual se puede cosechar para satisfacer los requerimientos de energía térmica de la instalación 22. Debido a que el ensamblado 16 de procesamiento de combustible habitualmente funciona a una temperatura elevada de por lo menos 200°C, y generalmente funciona en un intervalo de entre aproximadamente 200°C y aproximadamente 700°C, uno puede apreciar que esta energía térmica se puede utilizar para satisfacer la carga térmica de la instalación 22. Por ejemplo, se puede utilizar la energía térmica para calentar agua u otro fluido, tal como aceite o aire, el cual después se puede utilizar para calentar una instalación 22, u otra instalación anexa o adyacente. Otra manera para satisfacer las cargas térmicas es producir energía eléctrica y después suministrar la energía a un ensamblado 63 resistor para obtener calor. El ensamblado 63 habitualmente incluirá uno o más resistores. Otra manera adicional es quemar el hidrógeno producido para generar calor, el cual se puede recolectar directamente o a través de intercambio de calor para satisfacer las demandas térmicas que se coloquen en el sistema 10. Por ejemplo, en la figura 4, se muestra el sistema 10 que incluye una derivación 60 a través de la cual el hidrógeno gaseoso producido por el ensamblado 16 de procesamiento de combustible se suministra a una cámara 62 de combustión en vez de ser suministrado al apilamiento 14 de celda de combustible. La cámara 62 de combustión puede incluir un catalizador de combustión, un quemador, encendedor o cualquier otro mecanismo de cargo para quemar el hidrógeno gaseoso suministrado al mismo. La cámara 62 de combustión puede incluir una fuente de aire. Cuando it es deseable una fuente de aire, la fuente de aire 19 también se puede utilizar para proporcionar un flujo de aire a la cámara de combustión. Otra manera adicional para satisfacer las cargas térmicas es simplemente incrementar la velocidad de suministro de combustible que se va consumir en el ensamblado 16 de procesamiento de combustible, lo que incrementará la temperatura de operación del procesador de combustible. La derivación 60 permite que el hidrógeno gaseoso se recolecte del procesador de combustible sin producir energía eléctrica desde el mismo. Esto es particularmente útil cuando la energía eléctrica producida de otra manera sobrecargaría el banco «.;- - 34 - 20 de batería debido a que la energía producida excede la carga aplicada a la instalación 22 y la energía necesaria para cargar el banco 22 de batería. La derivación 60 puede aceptar nada, la totalidad o cualquier porción entre las mismas del hidrógeno producido por el ensamblado 16 de procesamiento de combustible. Por ejemplo, en la figura 4, la derivación 60 se muestra en comunicación vía un enlace 65 con el controlador 32 del sistema de procesamiento de combustible, el cual puede vigilar y ' controlar la porción del hidrógeno producido que se envía a la cámara 62 de combustión. Al controlar la cantidad de hidrógeno que se suministra al apilamiento 14 de celda de combustible, es posible que el ensamblado 16 de procesamiento de combustible funcione a su velocidad completa normal de producción de hidrógeno, aunque el banco 20 de batería y la instalación 22 no requieran la cantidad de energía que de otra manera se produciría por el hidrógeno producido. En vez de esto, el exceso de hidrógeno se puede recolectar para otras aplicaciones. Esto también puede incluir almacenamiento del hidrógeno producido para uso posterior o para transporte a otros sistemas o aplicaciones que consumen hidrógeno. El sistema 10 se puede optimizar en respuesta a las demandas promedio de la instalación 22 con respecto al tiempo. Con este conocimiento, el sistema puede automáticamente ascender o descender paulatinamente para satisfacer eficientemente las demandas de la instalación. Por ejemplo, el sistema 30 de control se puede programar con demandas eléctricas o térmicas de la instalación 22 como una función de tiempo. Estas demandas se pueden preprogramar en base en el funcionamiento anterior, en mediciones experimentales o teóricas, en las demandas promedio para instalaciones similares, etcétera. Por ejemplo, si la instalación 22 tiene altas demandas de energía (eléctrica o térmica, o ambas) durante un período de tiempo de tres horas cada día, el sistema 30 de control y habitualmente el control 32 de procesamiento de combustible se pueden programar para incrementar paulatinamente el ensamblado 16 de procesamiento de combustible durante un tiempo suficiente para que el sistema 10 suministre esta demanda. Preferiblemente, esta planeación por adelantado de las demandas habituales puede permitir que el sistema de celda de combustible satisfaga eficientemente estas demandas sin tener que limitar la producción de energía debido a un problema que de otra manera se presentaría con la planeación por avanzado. Por ejemplo, en ensamblado 16 de procesamiento de combustible puede incrementar paulatinamente su modo de operación normal durante un tiempo suficiente para asegurar que el banco 20 de batería se carga completamente antes del período de alta demanda y que el ensamblado 16 de procesamiento de combustible está listo para satisfacer las demandas de hidrógeno del apilamiento 14 de celda de combustible. Como otro ejemplo, la instalación 22 puede tener demandas de energía térmica elevadas recurrentes durante otro -* - 36 - periodo de tiempo. Para anticipar estas demandas, el controlador 32 puede provocar que el ensamblado 16 de procesamiento de combustible se incremente paulatinamente (es decir, aumenta la velocidad de suministro del combustible de la materia prima) antes de que este período de tiempo produzca calor, el cual se puede cosechar a través del intercambio de calor con el ensamblado 16 de procesamiento de combustible, para producir hidrogeno adicional, el cual se puede quemar para producir calor adicional o para producir energía eléctrica adicional, la cual se puede hacer pasar a un resistor para producir calor. Anticipando las demandas eléctricas y térmicas recurrentes de la instalación 22, el sistema 30 de control permite que el sistema de celda de combustible satisfaga eficientemente estas demandas. Además, esta anticipación incluso permite que el sistema 10 satisfaga las demandas que de otra manera excedería la capacidad del sistema. Por ejemplo, si la instalación 22 tiene un período de demandas térmicas y eléctricas recurrentes, las demandas térmicas se pueden disminuir o satisfacer mediante el intercambio de calor o producción de calor además de la energía suministrada a la instalación 22. Al sustituir parte o la totalidad de las demandas térmicas con calor generado por el ensamblado 16 de procesamiento de combustible, el sistema puede utilizar su capacidad eléctrica completa para satisfacer la carga eléctrica aplicada, algo que de otra manera no sería posible si parte de esta energía se utilizara para satisfacer la carga térmica de la instalación. ? .-..,_*' - 37 - Como se discutió, el sistema de celda de combustible puede incluir más de un procesador de combustible. Un ejemplo de tal sistema se muestra en la figura 5 y se indica generalmente con el número 70. A menos que se especifique de otra manera, el sistema 70 incluye los mismos elementos, subelementos y variaciones posibles al sistema 10 de celda de combustible descrito previamente. El sistema 70 difiere del sistema 10 en que se acoplan una pluralidad de procesadores de combustible 17 y 17' a un apilamiento 14 de celda de combustible único. Debe entenderse que el sistema 70 puede incluir más de dos procesadores de combustible. Por ejemplo, puede ser deseable tener por lo menos un procesador de combustible adicional a lo necesario para satisfacer cualquier demanda de hidrógeno del apilamiento 14 de celda de combustible. Esto permite que el sistema continúe funcionando incrementando hasta su capacidad nominal máxima incluso si uno de los procesadores de combustible no está funcionando correctamente o si se inactiva para mantenimiento o reparaciones. Por supuesto, al tener una pluralidad de procesadores de combustible el modo de operación normal incrementará la capacidad del sistema para producir hidrógeno, lo cual permite que se utilice una pluralidad de apilamientos de celdas de combustible para convertir este hidrógeno a energía eléctrica. Cuando la capacidad para producir hidrógeno excede los requerimientos de hidrógeno del apilamiento o apilamientos de celdas de combustible, el hidrógeno remanente se puede almacenar, por ejemplo en un lecho de hidruro o en un recipiente/tanque de, almacenamiento, se puede quemar para combustible, o se puede transportar a otro dispositivo que consuma hidrógeno. Como se ha discutido en lo anterior, el sistema de celda de combustible puede incluir una pluralidad de apilamientos 14 de celda de combustible. Por ejemplo, en la figura 6 se presentan dos apilamientos de celdas de combustible 14 y 14', cada uno de los cuales puede incluir una o más celdas 15 de combustible, y habitualmente incluyen una pluralidad de celdas de combustible. Cuando se utilizan apilamientos de celdas de combustibles múltiples, se pueden conectar en serie, paralelo o combinaciones de ambas para proporcionar un nivel de corriente manejable. Cuando se utiliza más de un apilamiento de celda de combustible, tal como el que se muestra en la figura 6, el sistema puede incluir (indicado generalmente con el número 80) un múltiple 82 de distribución, el cual regula el flujo de hidrógeno desde uno o más procesadores de combustible a uno o más apilamientos de celdas de combustible. Como se muestra en la figura 6, el múltiple 82 se comunica con el controlador 32 vía el enlace 81, el cual permite al controlador vigilar y dirigir la distribución de hidrógeno desde los procesadores de combustible. El múltiple 82 también puede suministrar selectivamente hidrógeno a la cámara 62 de combustión, si la modalidad particular del sistema de celdas de combustible incluye o está en comunicación con una cámara de combustión. Aunque en la figura 6 se muestran dos procesadores de combustible y apilamientos de celdas de ? combustible, debe entenderse que el sistema puede incluir también más de dos cada unidad, y que puede incluir números diferentes de cada tipo de unidad. En la figura 7, se muestra una modalidad adicional del sistema de celda de combustible y controlador, de acuerdo con la presente invención, indicado generalmente con el número 90. Como se muestra, el sistema 90 de celda de combustible incluye un sistema 11 de procesamiento de combustible, el cual puede incluir cualquiera de las modalidades y variaciones que se muestran y que se discuten previamente. En la figura 7, el controlador 32 del sistema de procesamiento de combustible se muestra incorporado dentro del sistema 11. De manera similar a las modalidades discutidas previamente, el controlador 32 se comunica con el procesador 44 o el controlador 34 de carga vía la línea 35 de comunicación. En la figura 7 también se muestra el convertidor 43 por etapas discutido previamente, el inversor 40, el banco 20 de batería y los contactores 52 y 54. El controlador 32 ajusta la salida del convertidor 43 de etapas para evitar que la corriente extraída del apilamiento de celda de combustible exceda un umbral seleccionado. El controlador 32 también regula el flujo de hidrógeno gaseoso en la corriente 18 proporcional a la corriente desde el apilamiento 14 (u otra medida adecuada del hidrógeno gaseoso consumido en el apilamiento 14) . Los contactores 52 y 54 están adaptados para desconectar selectivamente la carga de corriente alterna al apilamiento 14 de celda de combustible, por ejemplo como respuesta a las señales desde el sistema 30 de control. Como se discutió, el sistema 30 de control puede incluir diversos detectores. En la figura 7 se muestran ejemplos ilustrativos de detectores adecuados. Por ejemplo, se muestra un detector 83 que mide la corriente 84 de energía eléctrica producida por el sistema 11, y un detector 83 se comunica con el procesador 44. De manera similar, se muestra otro detector 87 que mide la corriente 88 de energía eléctrica a partir del banco 20 de batería y que se comunica con el controlador 32. Un inversor 40 adecuado se encuentra nommalmente a 5.5 kW y produce un voltaje de salida de 110V de corriente alterna. Debe entenderse que los inversores con velocidades de energía y voltajes de salida se pueden utilizar también, dependiendo, por ejemplo, de la configuración de los dispositivos activados por la energía eléctrica del apilamiento 14 de celda de combustible. Por ejemplo, se puede utilizar un segundo inversor para proporcionar 110-220V de corriente alterna. En un sistema 90 ejemplar, el equilibrio de los componentes de la planta extraen aproximadamente 0.8 kW, por lo que dejan por lo menos 4.7 kW para que se suministren a la instalación 22.
Un convertidor 43 por etapas adecuado suministra hasta 3.8 kW de energía de corriente directa de 24 voltios nominal desde el o los apilamientos 14 de celdas de combustible al banco 20 de batería. El banco 20 debe tener la capacidad de proporcionar energía de arranque para el sistema 11 y proporcionar la energía adicional necesaria durante las salidas pico. Como un ejemplo, cuatro baterías de 12 voltios capaces de proporcionar 5 kW durante por lo menos una hora han demostrado ser efectivas.
Aplicabilidad Industrial Los sistemas de celdas de combustible y los sistemas de control descritos en la presente son aplicables en cualquier situación en donde se va a producir energía por un apilamiento de celda de combustible. Es aplicable particularmente cuando el apilamiento de celda de combustible forma parte de un sistema de celda de combustible que incluye un ensamblado de procesamiento de combustible que proporciona una alimentación para el apilamiento de celda de combustible. Se considera que la descripción que se establece en lo anterior abarca invenciones distintas múltiples con utilidad independiente. Aunque cada una de estas invenciones se ha descrito en su forma preferida, las modalidades específicas de las mismas se describen e ilustran en la presente y no se consideran en un sentido limitante, pues son posibles numerosas variaciones. La materia objeto de las invenciones incluye todas las combinaciones novedosas y no obvias así como subcombinaciones de los diversos elementos, características, funciones o propiedades que se describen aquí. Cuando en las reivindicaciones se menciona los términos "un" o "un primer" elemento o un equivalente del mismo, se debe entender que tales reivindicaciones incluyen la incorporación de uno o más de tales elementos, sin que se requiera o sin que se excluyan dos o más de tales elementos. Las siguientes reivindicaciones mencionan ciertas combinaciones y subcombinaciones que están dirigidas a una de las invenciones descritas y se considera que son novedosas y no obvias. Las invenciones constituidas en otras combinaciones y subcombinaciones de características, funciones, elementos o propiedades se pueden reivindicar a través de la enmienda de las presentes reivindicaciones o la presentación de reivindicaciones nuevas en esta solicitud o en solicitudes relacionadas. Tales reivindicaciones enmendadas o nuevas, ya sea que se dirijan a una invención diferente o que se dirijan a la misma invención pueden ser diferentes, más amplias, más estrechas o iguales en su alcance a las reivindicaciones originales, y también se considera que se incluyen dentro de la materia objeto de las invenciones de la presente descripción.

Claims (40)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de celda de combustible, que comprende: un ensamblado de procesamiento de combustible adaptado para producir una corriente de alimentación de una o más materias primas; un apilamiento de celda de combustible que incluye por lo menos una celda de combustible, en donde el apilamiento de celda de combustible está adaptado para recibir la corriente de alimentación del ensamblado de procesamiento de combustible y producir energía eléctrica desde el mismo; un sistema de control adaptado para regular la energía nominal que se produce por el apilamiento de celda de combustible en respuesta a por lo menos una variable seleccionada.
2. El sistema como se describe en la reivindicación 1, en donde el ensamblado de procesamiento de combustible tiene una velocidad de producción máxima de la corriente de alimentación, y además en donde por lo menos una variable seleccionada incluye la velocidad de producción máxima de la corriente de alimentación.
3. El sistema como se describe en la reivindicación 1, en donde el ensamblado de procesamiento de combustible tiene una velocidad de producción disponible actualmente de la corriente de alimentación, y además en donde por lo menos una variable seleccionada incluye la velocidad de producción disponible actualmente de la corriente de alimentación.
4. El sistema como se describe en la reivindicación 1, en donde el apilamiento de celda de combustible tiene una salida de energía nominal máxima y además en donde por lo menos una variable seleccionada incluye la salida de energía nominal máxima del apilamiento de celda de combustible.
5. El sistema como se describe en la reivindicación 1, en donde el apilamiento de celda de combustible tiene una salida de energía disponible actualmente, y además en donde por lo menos una variable seleccionada incluye la salida de energía disponible actualmente del apilamiento de celda de combustible.
6. El sistema como se describe en la reivindicación 1, que incluye además un banco de batería adaptado para almacenar energía eléctrica, en donde el banco de batería tiene una carga de almacenamiento máxima, y ademas en donde por lo menos una de las variables seleccionadas incluye la carga almacenada máxima del banco de batería.
7. El sistema como se describe en la reivindicación 1, que incluye además un banco de batería adaptado para almacenar energía eléctrica, en donde el banco de batería tiene un nivel de corriente de energía almacenada, y además en donde por lo menos una variable seleccionada incluye el nivel de corriente de energía almacenada del banco de batería.
8. El sistema como se describe en la reivindicación 1, en donde el sistema de control incluye por lo menos un valor umbral para cada uno de por lo menos una variable seleccionada.
9. El sistema como se describe en la reivindicación 8, en donde el sistema de control se adapta para regular la energía nominal que se produce por el sistema de celda de combustible si una o más de las variables seleccionadas excede por lo menos un valor umbral correspondiente.
10. El sistema como se describe en la reivindicación 1, en donde el sistema de control está adaptado para regular la velocidad de producción de energía por el sistema de celdas de combustible al limitar la salida de energía disponible actualmente del apilamiento de celda de combustible.
11. El sistema como se describe en la reivindicación 1, en donde el sistema de control se adapta para regular la velocidad de producción de energía por el sistema de celda de combustible al ajustar la velocidad de producción disponible actualmente de la corriente de alimentación.
12. El sistema como se describe en la reivindicación 1, en donde el sistema está en comunicación con una o más instalaciones adaptadas para cargar el sistema para extraer energía del mismo.
13. El sistema como se describe en la reivindicación 12, en donde por lo menos una variable seleccionada incluye la carga en el sistema de una o más instalaciones.
14. El sistema como se describe en la reivindicación 12, en donde la carga incluye una carga térmica.
15. El sistema como se describe en la reivindicación 14, en donde el sistema de control está adaptado para regular al sistema de celda de combustible para satisfacer la carga térmica.
16. El sistema como se describe en la reivindicación de una salida de energía disponible actualmente del apilamiento de celda de combustible.
17. El sistema como se describe en la reivindicación 1, en donde el sistema de celda de combustible incluye un banco de batería adaptado para almacenar energía producida del apilamiento de celda de combustible.
18. El sistema como se describe en la reivindicación 17, en donde el banco de batería incluye una carga de energía almacenada, y además en donde el sistema de control está adaptado para regular al sistema de celda de combustible para producir energía para incrementar la carga de la energía almacenada cuando la carga de la energía almacenada disminuye por debajo de un umbral seleccionado.
19. El sistema como se describe en la reivindicación 1, en donde la corriente de alimentación incluye hidrógeno , gaseoso.
20. El sistema como se describe en la reivindicación 19, en donde el ensamblado de procesamiento de combustible incluye por lo menos un procesador de combustible adaptado para producir la corriente de alimentación por electrólisis de agua.
21. El sistema como se describe en la reivindicación 19, en donde el ensamblado de procesamiento de combustible incluye por lo menos un procesador de combustible adaptado para producir la corriente de alimentación por conversión de vapor en por lo menos uno de un hidrocarburo y un alcohol.
22. El sistema como se describe en la reivindicación 21, caracterizado porque el ensamblado de procesamiento de combustible se adapta para producir una corriente de gas mixto desde una o más de las materias primas, y además en donde el ensamblado de procesamiento de combustible incluye una región de purificación en la cual se separa una corriente de gas mixto en la corriente de alimentación y por lo menos una corriente de subproducto .
23. El sistema como se describe en la reivindicación 22, caracterizado porque la región de purificación incluye un módulo de membrana que incluye por lo menos una membrana selectiva para hidrógeno.
24. Un sistema de celda de combustible, que comprende: un apilamiento de celda de combustible que incluye por lo menos una celda de combustible adaptada para producir energía eléctrica desde una alimentación, en donde el apilamiento de celda de combustible tiene una salida de energía nominal máxima y una A * salida de energía disponible actualmente; un sistema de control adaptado para regular la energía producida por el apilamiento de celda de combustible para evitar que la salida de combustible exceda un umbral seleccionado.
25. El sistema como se describe en la reivindicación 24, en donde el umbral seleccionado es por lo menos uno de la salida de energía nominal máxima del apilamiento de celda de combustible o la salida de energía disponible actualmente del apilamiento de celda de combustible.
26. El sistema como se describe en la reivindicación 24, en donde el umbral seleccionado es un porcentaje seleccionado de por lo menos una salida de energía nominal máxima del apilamiento de celda de combustible o la salida de energía disponible actualmente del apilamiento de celda de combustible.
27. El sistema como se describe en la reivindicación 24, que incluye además un banco de batería que tiene una carga disponible actualmente de energía almacenada y una carga máxima de energía almacenada.
28. El sistema como se describe en la reivindicación 27, en donde el sistema de control está adaptado para regular al sistema de celda de combustible en respuesta a por lo menos en parte a la carga disponible actualmente de energía almacenada del banco de batería.
29. El sistema como se describe en la reivindicación 24, que incluye además un ensamblado de procesamiento de combustible adaptado para producir la alimentación desde por lo menos una materia prima.
30. El sistema como se describe en la reivindicación 29, en donde el ensamblado de procesamiento de combustible incluye una velocidad disponible actualmente para producir la alimentación y una velocidad máxima para producir la alimentación.
31. El sistema como se describe en la reivindicación 30, en donde el sistema de control está adaptado para regular al sistema de celda de combustible en respuesta por lo menos en parte a la velocidad disponible actualmente de producción de alimentación.
32. El sistema como se describe en la reivindicación 30, en donde el sistema de control se adapta para regular el sistema de celda de combustible que responde a por lo menos en parte a la velocidad máxima de producción de alimentación.
33. El sistema de la reivindicación 29, en donde la #•**, alimentación incluye hidrógeno gaseoso.
34. El sistema como se describe en la reivindicación 24, en donde el sistema de control está adaptado para regular el sistema de celda de combustible que responde por lo menos en parte a una carga aplicada al sistema de celda de combustible.
35. El sistema como se describe en la reivindicación 34, en donde la carga incluye una demanda por energía eléctrica.
36. El sistema como se describe en la reivindicación 34, en donde la carga incluye una demanda por calor.
37. Un sistema de celda de combustible, que comprende: un medio para producir energía eléctrica a partir de una alimentación; un medio para controlar el sistema de celda de combustible para evitar que la energía eléctrica producida por el sistema exceda ya sea la salida de energía nominal máxima del sistema o una salida de energía disponible actualmente del sistema.
38. El sistema como se describe en la reivindicación 37, que incluye además un medio para producir la alimentación.
39. El sistema como se describe en la reivindicación 38, que incluye además un medio para producir calor en respuesta a una demanda por energía térmica.
40. El sistema como se describe en la reivindicación 38, en donde el medio para controlar incluye por lo menos un controlador adaptado para medir por lo menos una variable seleccionada y para regular el sistema de celda de combustible si por lo menos una variable seleccionada excede uno o más valores umbral correspondientes. «! - 53 - RESUMEN Se proporciona un sistema (10) de celda de combustible que incluye un sistema (30) de control para regular la energía producida por el sistema (10) de celda de combustible. El sistema (10) de celda de combustible incluye un apilamiento (14) de celda de combustible adaptado para producir energía eléctrica de una alimentación (102). En algunas modalidades, el sistema (10) de celda de combustible incluye un ensamblado (16) de procesamiento de combustible adaptado para producir la alimentación para el apilamiento (14) de celda de combustible de una o más materias primas. El sistema (30) de control regula la energía producida por el sistema (10) de celda de combustible para evitar daño o falla del sistema (10) .
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