PT2320504E

PT2320504E - Método de funcionamento de uma fonte de alimentação híbrida passiva celular/bateria a combustível

Info

Publication number: PT2320504E
Application number: PT91755470T
Authority: PT
Inventors: Jerome Bernard; Marcel Hofer; Felix Buechi; Philipp Dietrich
Original assignee: Belenos Clean Power Holding Ag
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2014-01-10
Also published as: CN102097669A; DK2320504T3; EP2320504B1; JP5480107B2; EP2320504A1; JP2011103300A; CN102097669B; ES2438007T3; US20110111318A1; PL2320504T3

Description

DESCRIÇÃO

MÉTODO DE FUNCIONAMENTO DE UMA FONTE DE ALIMENTAÇÃO HÍBRIDA PASSIVA CELULAR/BATERIA A COMBUSTÍVEL

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção diz respeito a um método para limitar a tensão de saída uma fonte de alimentação híbrida passiva celular/ba teria a combustível operando a, ou perto de, condições de carga zero, de tal forma que tanto a não exceder o limite de tensão s uperior da bateria, sem que seja necessário parar a célula de combustível ou para desligá-lo da bateria. A invenção, roais particularmente, diz respeito a um método em que as células de combustível da fonte de alimentação são de um tipo concebido para a utilização de hidrogénio corno combustível e oxigénio puro como oxidante.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

As células de combustíveis electroquímicas do tipo anteriormente mencionado reagentes de conversão, ou seja, uma corrente de hidrogénio, e uma corrente de oxigénio, em energia eléctrica e água. As células de combustível de membrana de permuta de protões (PEMFC) compreendem geralmente uma membrana de electrólito de polímero sólido, disposta entre duas camadas de eléctrodos electricamente condutores porosas, de eléctrodo de membrana (ME reacção electroquímica, o cátodo compreender, cada, modo a formar um conjunto de A) . De modo a induzir a desejada eléctrodo ânodo e o eléctrodo de um ou roais catalisadores. Estes catalisadores são normalmente dispostos interface com a camada de membrana/eléctrodo. é oxidado pelo catalisador para 5 electrões. Os pr otões migram atra polímero sólido para o cát odo.

No ânodo, o hidrogénio move-se através da camada de eietrodo porosa e é oxidado pelo catalisador para a produção de protõe: do electrólito d< oxigénio, por sua vez, move-se através do cátodo poroso e reage com 0s protões vindos através da membrana no eiectrocacalisac]or cátodo. Os electrões viajam a partir do ânodo para o cátodo através do circuito externo, produzindo uma corrente eléctrica. A figura i ilustrei, em vista explodida, uma pilha de células de combustível de membrana de troca da técnica anterior: 10. pilha 10 inclui um par de conjuntos de placas de extremidade 15, 20 e uma pluralidade de conjuntos de células de combustível 25. Neste exemplo em partieulcir, .ectricamente isolantí :irantes 30 estendem-se entre grupos de placas de extremidade 15, 20 para reter e fixar o conjunto de pilha 10 no seu estado de montada com porcas de fixação 32. Molas 34 enroscadas em tirantes 30 interpostas entre o aperto das porcas 32 e a placa de extremidade 2 0 que aplica força de compressão resistente à pilha 10 no sentido longitudinal. Fluxos de fluido de arrefecimento e reagente são fornecidos a partir de colectores internos e passagens em pilha 10 através de portas de entrada e saída (não mostrados) na placa de extremidade 15.

Cada conjunto de células de combustível 25 inclui uma placa de campo fluxo de ânodo 35, uma placa de campo fluxo de cátodo 40 e um ME A 45 interposta entre as placas 35 e 40. As Placas de campo do fluxo de cátodo e ânodo 35 e 40 são teitas de um. material electricamente condutor e actuam como colectores de corrente. Â medida que a placa de campo de fluxo do ânodo de uma célula fica de costas com a placa de campo de fluxo do cátodo da célula vizinha, a corrente 2 eléctrica pode fluir a partir de uma célula para a outra e, assim, através de toda a pilha 10. Outras pilhas de células de combustível da técnica anterior são conhecidas em que as células individuais são separadas por uma única placa de campo de fluxo bipolar em vez de por meio cie placas de ânodo separado e campo de fiuxo do cátodo.

Placas de campo fluxo 35 e 40 proporcionam ainda uma. barreira de fluido entre os conjuntos adjacentes de células de combustível, de modo a manter fluido de reagente fornecido para o ânodo de uma célula a partir do fluido de reagente contaminado fornecido ao cátodo de uma outra célula. Na interface entre o MEA 45 e as placas 35 e 40, os campos de fluxo de fluido 50 encaminham os fluidos reagentes para os eléctrodos. Campo de fluxo de fluido 50 compreende tipicamente uma pluralidade de canais de fluxo de fluido formada nas superfícies principais de placas 35 e 40 de frente para a MEA 45. Um dos propósitos do campo de fluxo de fluido 50 é a de distribuir o fluido reagente por toda a supertície dos eléctrodos respectivos, ou sejci, o ânodo no lado do hidrogénio e o cátodo sobre o lado do oxigénio.

Um problema conhecido com PEMFC é a degradação progressiva ao desempenho ao longo do tempo. Na verdade, a operação de longo prazo de células de combustível de polímeros sólidos xoi comprovada, mas apenas sob condições relativamente ideais. Em contraste, quando a célula de combustível tem de operar numa arnpra gama de condições, como é o caso para aplicações auuomotivas, em particular, as condições em constante mudança (muitas vezes modeladas como ciclos de carga e ciclos de arranque), mostraram reduções drásticas de durabilidade e vida útil. 5

Diferentes tipos de condições não ideais, foram identrficados na literatura. Uma primeira dessas condições é referida como "voltagem elevada da célula"; sabe-se que a exposição de uma célula de combustível a condições de correntes baixas ou nulas, leva a taxas de degradação elevadas em comparação com a operação a uma corrente média constante. A segunda condição não ideal é "tensão de célula baixa", que é conhecida ainda por desenhar um pico de corrente a partir da célula de combustível também leva ao aumento das taxas de degradação. Decorre do exposto que, a fim de preservar a vida útil de uma célula de combustível, é preferível evitar tanto "tensão de célula alta" e as condições de funcionamento "tensão da célula baixa". No caso dos tipos vulgarmente conhecidos de PEMFC, um limite razoável de segurança superior para garantir contra a ocorrência de células de alta tensão de ve ser definida n CL O superiores a ( 3,9 0 volts, de prefe rência n ã o s u p e r i o r a 0, 8 5 volts, e um limite inferior de segurança para garantir contra tensão da célula de baixo deve ser definido não inferior a 0,65 volts, de preferência não inferior a 0,70 volts. Por outras palavras, a célula de combustível deve ser utilizada, apenas na raixa. oe tensão .1 imitacia. enrre 0, 6o e 0,90 volts, de preferência entre 0,70 e 0,85 volts.

Aplicações automotivas são caracterizadas por mudanças abruptas em particular da energia de carga. Por esta razão, as fontes de alimentação concebidas para aplicações em automóveis compreendem geralmente uma bateria de armazenamento de energia, tal como uma bateria electroquímica ou um super condensador, associado ao sistema de célula de combustível. Neste tipo de fonte de alimentação (chamado daqui em diante de uma fonte de alimentação híbrida passiva celular/bateria a combustível) a bateria pode funcionar como um buffer: o fornecimento de 4 por outro energia eletrica guando há um pico na carga e, caso de 1 ciCtO, armazenando o excesso de 0neroia ^ 10rica em condições de carga baixas ou nulas.

As £ iguras 2A e 2B são dois diagramas de blocos, respectivamente, mostrando uma fonte de alimentação híbrida a ui \/a e uma passiva. Numa fonte de alimentação híbrida ativa células/bateria de combustível, o sistema de célula de combusuíver é xigado ao circuito de carga por meio de um conversor DC/DC, e a bateria esta ligado ao circuito de carga em paralelo com o conversor DC/DC, como mostrado na figura 2A. ao controlar o ganho do conversor DC/DC, é possível ajustar de forma activa a distribuição de energia dentro da fonte de alimentação híbrida. Uma fonte de alimentação híbrida passiva de células/bateria de combustível Q mais simples. 0 sistema de célula de combustível e da bateria estão electricamente liga. dos directamente em paralelo, conforme ilustrado na figura 2B. operacionais da fonte Em particular, a tema de célula de A desvantagem é que muitas variáveis de alimentação são descontroladas separação existente entre o sis combustível e a bateria é imposta pela impedância interna de cada dispositivo. Além disso, uma vez que a bateria e o sistema de célula de combustível estão directamente ligados, a suas tensões são sempre as mesmas.

Em princípio, o uso de uma fonte de fornecimento híbrido de células/bateria de combustível permite operar as células de combustível numa gama de tensão limitada desejada. No entanto, uma vez que a bateria está completamente carregada, obviamente, deixa de estar disponível para armazenar o excesso de energia elétrica fornecido pelas células de combustível. As soluções conhecidas para este último problema é, desligar a pilha de células de 5 combustível (em particular no caso de um híbrido passivo), definindo o ganho do conversor DC/DC praticamente a zero (no caso de um híbrido a ctivo) , Ol. i desligando as combustível ate ο πινβ i de carga da. bateria que limiar mais baixo. No entanto, OS f·» i c 1 oq de arranque- o paragem, também contribuem para a degradação do desempenho ao sistema de célula de combustível, ao mesmo tempo qu^ desligam, o sistema de célula de combustível, sem desligá-i reaue r a utilização de uma cargu resistiva para dissipj r energia produzida pela pilha. Isso equivale a uma perda considerável de energia. A US 2002/0034669 descreve Um aparelho e método para controlar o fornecimento de gasag reagentes para uma célula de combustível.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO inveriosu AVao proporcionar um método para limitar a tensão de saída d ronte de alimentação híbrida passiva celular/bateria a combustível operando em, ou perto de, condições de car

Por conseguinte, é um objecto da presente

Ua tensão i desejada adequada par :ero, a uma gama limitada de d. a bateria, tem c.om.o para o sistema de célula combustível, sem a necessidade de desligar, ou encerra; reiniciar o sistema de célula de combustível. ao O método da presente invenção é definido pela reivindicao* anexa 1

De acordo com a presente invenção, limitar os fluxos ^ hidrogénio e de oxigénio fornecido à célula de combustível enquanto o accionamento das bombas de recirculação d hidrogénio e oxigénio faz com que seja possível manter a tenscio de saída abaixo de um limite máximo Oré-determin^u De acorao com a invenção, o limite máximo é menor do que ^ b o limite máximo de combustível (0,90 limite de tensão máxima da bateria o; tensão do sistema de células de volts/célula).

Uma vantagem do método da presente invenção é que ela permite ajustar a distribuição de energia dentro da fonte de alimentação híbrida passiva, sem a necessidade de um ganho variável conversor DC/DC tal como o utilizado no fornecimento de energia híbrida activa. Em particular, o método da presente invenção permite a manutenção de uma tensão de saída baixa, mesmo em quase zero de condições de carga. Mais geralmente, o método da presente invenção permite a operação de uma fonte de energia passiva híbrido de células/bateria de combustível com a mesma eficiência global como a de uma fonte de alimentação activa híbrida mais cara e mais complicada, pesada e maior. de acordo com a presente de hidrogénio entre 70 e método da invenção evita através da membrana das particular de uma pressão evita insuficiência de

Além disso, uma vai entender que, invenção, mantendo-se a pressão 130% da pressão de oxigénio, o grandes diferenças de pressão células de combustível e, no caso mais elevada cie hidrogénio, combustível no ânodo. mantém a. tensão da corresponde a entre

De preferência, o método da invenção, célula de combustível numa gama que 0,70 e 0,85 volts/célula.

Outra vantagem do método da presente invenção é que ela permite operar: a fonte de alimentação híbrida em condições de carga de saídas líquidas a zero mesmo quando a saída de carga da bateria de armazenamento se encontra completamente carregada. De facto, reduzindo a pressão de pelo menos um dos reagentes abaixo de 0,7 barabSoiuto a potência de saida da fonte de alimentação híbrida pode ser reduzida para não mais do que aquilo que é necessário para alimentar os a. u x 111 a r e s (a. c a r g a par a. s i o a. r i a j . BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOí

Outras características e vantagens da presente invenção aparecerão com a leitura da seguinte descrição, dadas unicamente a título de exemplo não limitativo, e feitas com referência aos desenhos em anexo, em que: Ά Figura 1 é uma vista explodida de uma pilha de células de combustível convencional (técnica anterior);

Figura 2A e 2B são dois diagramas de blocos, respectivamente, mostrando uma fonte de alimentação híbrida passiva e activa num nível conceptual (técnica anterior); A Figura 3 é um diagrama que mostra uma forma de realização particular de uma fonte de alimentação passiva híbrido de células/ bateria de combustível compreendendo uma pilha de células de combustível fornecido com hidrogénio e oxigénio puro; A Figura 4 é um diagrama funcional maiis pormenorizado da fonte de alimentação híbrida passiva da figura 3; A Figura 5A é um diagrama que mostra as curvas de corrente/tensão de uma célula de combustível electrólito de polímero a diferentes pressões;

Q A Figura 5B é um diagrama que mostra as tensões de bateria máximas e mínimas como função do estado de carga (SOC) de uma bateria de armazename nto; A Figura 6 é um diagrama geral que mostra a forma como a carga pode ser partilhada entre o sistema de célula de combustível e a bateria de armazenamento,. e, particularmente, como a fonte de alimentação passiva híbrida torna possível dispensar o desligar o sistema de célula de combustível em condições de opercição de carga ligada a zero, mesmo se nenhuma capacidade de armazenagem de energia se encontre disponível na bateria.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO limentação concebido e oxigénio 130, 140, A pilha de célula de combustível 1 da fonte de a híbrida passiva ilustrada na Figura 3 é do tipo para a utilização de hidrogénio como combustível puro como oxidante. Ele inclui placas terminais uma porta de entrada de hidrogénio 150 na placa de extremidade 130 e uma porta de entrada de oxigénio 155 na placa de extremidade 140, A pilha 1 inclui ainda um colector de fornecimento de hidrogénio 160 e um colector de fornecimento de oxigénio 165, respectivamente, para fornecimento de um fluxo de hidrogénio e um fluxo de oxigénio para uma pluralidade de células de combustível axs. indi\ a cada 170 e lector ados e

Campos de fluxo de hidrogénio e oxigénio associados célula de combustível são representados por setas 175. Um colector de escape de hidrogénio 180 e um co de escape de oxigénio 185 remover os reagentes esgot os produtos da reação da pilha através de uma porta de 9 saída de hidrogénio 190 e uma porta de saída de oxigénio 195.

Tal como ilustrado, o sistema de célula de combustível compreende um recipiente de armazenamento de hidrogénio 60 ligado a ent] cada de hidrog íénio 150 da pilhei uma linha de fornecimento equipada com uma fornecimento de hidrogénio 110 e un na bomba . Um sensor de pressão de hidrogéni o 111 é aisposto na linha de alimentação próximo da entrada de hidrogénio 150, de modo a medir a pressão do hidrogénio fornecida à pilha de célula de combustível 1. Uma primeira Imna de recirculaçâo de Hidrogénio 11 R liga-se à porta de saída 190 da pilha para a linha de fornecimento de hidrogénio, a jusante da válvula de fornecimento 110. A bornba ejetora 113 fornece para recirculaçâo o restante hidrogénio a sobra e para misturá-lo com hidrogénio fresco.

De um modo semelhante, o sistema de célula de combustível compreende um reservatório de armazenamento de oxigénio pressurizado 65 ligado a entrada de oxigénio 155 da pilha por meio ae uma linha de fornecimento de oxigénio equipado com uma válvula de alimentação de oxigénio 120 e uma bomba ejectora de vácuo 123. Um sensor de pressão de oxigénio 121 é disposto na linha de alimentação próximo da entrada de oxigénio 155, de modo a medir a pressão do oxigénio rornecido à pilha de célula de combustível 1. Uma linha de recirculaçâo de oxigénio 12R liga-se à porta de saída 195 aà pilha para a linha de fornecimento de oxigénio, a jusante da válvula de fornecimento 120. A bomba ejectora 123 (ou qualquer outro tipo adequado de bomba de vácuo), providencia para a recirculaçâo e para misturar o oxigénio usado com oxigénio fresco. 10 do sistema de cél •7? compreen d0 3.Λ.Ώ

Figura 3 compreende ainda uma entrada de hidrogénio auxiliar 200 e uma saída auxiliar de hidrogénio 210 ligada um. ao outro por uma segunda, linha de recirculação de hidrogénio 211 R. Linha 211 R é equipado com uma bomba de hidrogénio auxiliar 2i3 previstos completando bombsi ejetora 113. A pilha 1 também compreende uma entrada auxiliar de oxigénio 205, uma saída de oxigénio auxiliar 215 e uma bomba de oxigénio auxiliar 223, dispostos em uma segunda linha de recirculação de oxigénio 212R. Bomba auxiliar 223 é fornecido para completar bomba ejetora 123. 0 sistema de célula de combustível mostrado na Figura 3 compreende ainda meios de gestão de humidade (não mostrados) . Como a água do produto é formada no lado do cátodo das células de combustível por urna combinação de iões de hidrogénio e de oxigénio, o produto água deve ser desviada do lado do cátodo das células de combustível. Em particular, a fim de evitar a inundação, os meios de gestão da humidade normalmente compreendem um separador de gás-líquido disposto na linha de recirculação de oxigénio 12R. Um. segundo separador de gás-líquido é de preferência também disposto na linha de recirculação de hidrogénio 11 R. Ao mesmo tempo, a humidade deve ser fornecida a ambos, o ânodo e do lado do cátodo das células em quantidades que irão prevenir a membrana de secar.

Como pode ainda ser visto na Figura 3, a pilha 1 está associada a uma bateria 18 ligada em paralelo, de modo a formar uma fonte de alimentação híbrida passiva de células/bateria de combustível para o fornecimento de energia eléctrica a um circuito de carga 17. De preferência, a bateria de armazenamento 18 é uma bateria de iões de lítio. No entanto, de acordo com outras formas de 11 realização da invenção, qualquer outro tipo de bateria de armazenamento pode ser usada. Referindo-nos agora à Figura 4, o funcionamento da fonte de alimentação passiva híbrida do presente exemplo será explicado em grande detalhe. Como na Figura 3, o número de referência 1 refere-se à pilha de célula de combustível, o número 18 refere-se à bateria de armazenamento, e o número 17 refere-se ao circuito de carga.

Como já foi explicado, a pilha de célula de combustível é parte de um sistema de célula de combustível 14 que compreende um circuito de oxigénio 52, um circuito de hidrogénio 54, e um circuito de arrefecimento 56. 0 sistema, de célula de combustível também inclui um controlador de célula de combustível 58 que gere o oxigénio, hidrogénio e circuitos de arrefecimento. Além dos sensores de pressão (não mostrados na Figura 4) já descritos em relação à figura 3, o sistema de célula de combustível compreende um sensor de corrente da pilna 6i, um sensor de temperatura da pilha 62 e, pelo menos, um sensor de tensão da célula de combustível 64. 0 controlador de célula de combustível 58 utiliza os dados fornecidos por todos os sensores, de modo a gerir o funcionamento do sistema de célula de combustível.

Ainda com referência à Figura 4, o número 66 refere-se a um interruptor usado para desligar o sistema de células de combustível 14, a partir da bateria 18 e do circuito de carga 17, o número 67 é um sensor de corrente de bateria, o número 71 é um sensor de corrente de carga, e o número 13 é o sensor de tensão da bateria também mostrado na Figura 3. De acordo com a presente invenção, o interruptor 66 destina-se a ser utilizado apenas durante o arranaue e paragem do sistema de células de combustível. Como 12 mencionado ante riormente, desde que a bateria de armazenamento 18 e o sistema de células de combustível 14 são ligados, as tensões são idênticas. Por conseguinte, a tensão de pilha, medida peio < sensor de tensão da célula de combustível 64 e a tensão da bateria medida pelo sensor de tensão da bateri a 13 sao se mpre as mesmas , desde que 0 interruptor 66 es teja fechado,

Ainda referindo a Figura 4, pode-se ver que o circuito de carga 17 é composto de uma máquina eléctrica 7 3 que se destincL a funcionar como um motor, durante as fases de tracção para trabalhar como um gerador, durante as fases de paragem regenerativa. Além disso, o número 75 refere-se a um sensor da corrente do motor, o número 77 refere-se a um sensor de tensão do motor, o número 79 refere-se a um controlador do motor, e o número 81 refere-se a um conversor de energia. Dependendo do tipo de equipamento eiéctrico usado, o tipo de conversor utilizado para o conversor de energia 81 pode variar. Se, por exemplo, o motor 73 é um motor DC sem escoveis controlado por modulação de irnpuiso largc o conversor de potência 81 irá ser um conversor DC/DC que fornece uma tensão de saída constante. Em contraste, se, por exemplo, o motor eiéctrico 73 é um motor síncrono, o conversor de potência 81 irá ser um conversor DC/AC. A Figura 4 mostra também um controlador de gestão de energia 8t, que controla o controlador de célula de combustrvel 58, o controlador de motor 7 9, bem como o interruptor 66. 0 controlador de gestão de energia 85 regula a circuxação ae energia como uma função da posição ae um pedal acelerador de um veiculo (não mostrado) e em função das condições prevalecentes no sistema de abastecimento de electricidade. 13 0 sistema de célula de combustível 14 é controlado pelo controlador de célula de combustível 58, Controlador 58 recebe a informação a partir do sensor de pressão de hidrogénio 111 (Figura 3) e o sensor de pressão de oxigénio 121 (Figura 3) , bem como a partir do sensor de tensão da célula de combustível 64, De acordo com o exemplo ilustrado, o sensor de tensão da célula de combustível mede a tensão de saída a partir da pilha de célula de combustível 1 como um todo, Assim, a tensão de saída medida corresponde a soma das contribuições de todas as células de combustível individuais na pilha. À medida que as células de combustível são todos sujeitas, substancialmente as mesmas condições de funcionamento, produzem aproximadamente a mesma tensão de saída. Portanto, a tensão de saída medida da pilha pode ser utilizada para calcular uma tensão estimada para uma célula de combustível individual. No entanto, é também possível medir as tensões de saída das células individuais separadamente, ou então para dividir as células individuais da pilha em vários grupos, cada um tendo uma tensão de saída.

0 controlador: de célula de combustível 58 (Figura. 4) controla a pressão de ambos o hidrogénio e o oxigénio fornecidos à pilha de células de combustível, ajustando as válvulas de fornecimento de hidrogénio e de oxigénio 110, 120 e, se necessário, por controlar di.rectam.ente a operação de das bombas de recircuiação auxiliares 213, 223. O processo que permite controlador de célula de combustível 58 controlar a pressão reagente nas células de combustível vai agora ser explicado em pormenor. Os reagentes são consumidos nas células de combustível a uma taxa crue corresponde à quantidade da corrente eléctrica fornecida pela pilha 1. Quando, na ausência de uma alteração de carga, o controlador de célula de combustível ajusta uma 14 das válvulas de abastecimento 110, 120 em direcção à posição aberta, o fluxo fornecido de hidrogénio ou de oxigénio aumenta e excede a quantidade de hidrogénio ou de oxigénio consumido nas células que a pressão no ânodo ou de combustível, .isto faz com no cátodo das células de combustível controlador válvulas de fechada, o aumentem igualmente. Em contraste, quando o de célula de combustível 5 8 ajusta uma das alimentação 110, 12 0 em. direcção à posição fluxo fornecido de hidrogénio ou de oxigénio diminui e aeixa de ser suficiente para compensar a quantidade de hidrogénio ou de oxigénio consumido no nas células de combustíví rei. Isto faz com que a pressão no ânodo lulas de combustível diminuam. Tal como ionado, de acordo com a presente nio e o oxigénio fornecido à pilha de invenção, o hidrogéni células de combustível são substancialmente hidrogénio puro e substancialmente oxigénio puro, respectivamente. Este recurso permite que o hidrogénio e o oxigénio apresentem na célula de combustível a ser quase totalmente consumida. Assim, e possível que a pressão no cátodo e ao ânodo da celuld de combustível para diminuir muito abaixo da pressão aonosferica externa, aproximadamente até a pressão de vapor de água. Portanto, no caso de uma pilha de células de combustível que opera a uma temperatura de aproximadamente a pressão pode ir tão baixo quanto bar·; É necessário ter cuidado para que a pressão de hidroaénio seja de pelo menos 70% da pressão de oxigénio, de Pi.ef^j.ência pelo menos 100% da pressão de oxigénio, de modo a não induzir nas células de combustível, o estado conhecido com. Insuficiência " i n s u f i c i ê n c i a de de combustível, se for momentânea, é sabido que deteriora cornoustivel. No entanto, c o mb u s t í v e1"· ma is do que as células de outras condições de funcionamento em que a pressão de hidrogénio é inferior a 100% da pressão de oxigénio também podem ser vantajosas, em particular no caso em que é desejável para aumentar o teor de água da membrana. Além disso, de modo a evitar o aparecimento de uma grande diferença de pressão entre o ânodo e do cátodo das células de combustível, a pressão de hidrogénio é de preferência ajustada para seguir a pressão de oxigénio. De qualquer forma, a pressão de hidrogénio está confinada numa gama compreendida entre +/- 30% da pressão de oxigénio. A Figura 5A é um diagrama que mostra curvas de polarização (curvas de corrente/tensão referenciado 251 a 256) para uma célula de combustível de electrólito de polímero que opera a uma temperatura de aproximadamente 60 °C e em seis diferentes pressões (2,5, barabS( 1,5 barabs, 0,62 barab3, 0,4 barabs, 0,22 barabf:) . A Figura 5A mostra que, para urna tensão de operação constante da célula de combustível (ou por outras palavras, para uma voltagem constante da bateria de armazenamento associada) a corrente muda consideravelmente com a pressão, permitindo assim a potência fornecida pela célula de combustível a ser ajustada. Na verdade, ela pode ser calculada a partir das curvas da Figura 5A, que, para uma tensão de operação constante de 0,85 volts, a potência de saída é reduzida por apenas um factor 10 quando a pilha é operada a uma pressão de 0,4 bar, em vez de 2,5 bar. Este exemplo ilustra uma das vantagens da utilização de um sistema de célula de combustível fornecido com o gás de oxigénio substancialmente puro em vez de ar. Com efeito, o ar é um gás rico em azoto e na presença de azoto faz alcançar pressões de operação substancialmente abaixo da temperatura ambiente consideravelmente mais difícil.

Figura 5B é um diagrama que mostra as tensões mínima e máxima da bateria de armazenamento como função do estado de 16 carga (SOC) da bateria. Como é bem conhecida, a tensão de circuito fechado de uma bateria num determinado SOC é determinada tanto pela sua tensão de circuito aberto (OCV) e por a perda de tensão devido ao fluxo de corrente através da bateria. A Figura 5B mostra que a tensão máxima permitida para uma bateria num det rmmacto

>0C determinada por adição de a perda de tensão associada com a corrente de carga máxima permitida para o OCV. De forma equivalente, a tensão mínima permitida é determinada mediante a dedução da perda de tensão associada à corrente de descarga máxima permitida o OCV. Naturalmente, as correntes máximas de carga e descarga são também funções da SOC. Em particular, quando o SOC é de 100% da carga máxima de utilização, a corrente máxima permitida de carga é zero, e quando o SOC é de 0% da carga máixima de utilização, a corrente de descarga máxima permitida é zero. A área sombreada na Figura 5B corresponde à área de operação da bateria permitida.

Como for referido anteriormente, uma vez que a bateria de armazenamento e a pilha de células de combustível estão directamente ligados, suas tensões são as mesmas. Portanto, se a tensão da pilha de células de combustível de saída é superior a OCV da bateria e a tensão de saída aumenta ainda rnais, a corrente de carga fornecida pela pilha de bateria aumenta também.. Por outro lado, se a tensão da pilha de saída é inferior a OCV da bateria e a tensão de saída diminui, a corrente de descarga fornecida pela bateria faz aumentar . Por outras palavras, a bateria de armazenamento

age como um amortecedor para limitar as variações da potência total de carga ligada à pilha. Um vai compreender que, uma vez que a bateria de armazenamento e a pilha partilham a mesma tensão, a dimensão da pilhei. de armazenagem deve ser escolhida de modo que a sua OCV 17 corresponde a uma voltagem de célula de combustível média que se encontra dentro de um intervalo entre os limites de segurança superiores e inferiores anteriorrnente mencionados. No presente exemplo, os limites de segurança para assegurar contra as tensões elevadas e baixas de células são 0,90 volts e 0,65 volts respectivamente. De ^ * λ ^ f tensão media de célula de combustível oiie corresponde à OCV deve permanecer entre os referidos limites superior e inferior de segurança para qualquer SOC permissível da bateria; isto é para qualquer SOC da bateria no intervalo entre o SOC correspondendo a 0% do máximo utilizável earga, ao SOC correspondente a 10 0% da carga maxima de utilização, de acordo com as especificações da bateria de armazenamento. O controlador de célula de combustível 58 encontra-se disposto de modo a reduzir a pressão dos gases reagentes fornecidos à pilha de células de combustível por parcialmente ou totalmente fechar as válvulas de fornecimento de hidrogénio e de oxigénio 110, 12 0. No entanto, se uma das válvulas de abastecimento de 110 ou 120 é totalmente ou quase fechado, a bomba ejectora correspondente 113 ou 123 torna-se inútil, e o fluxo de gás utilizado através da linha de recirculação 11R ou 12R chega a um impasse. Em tal situação, as pressões na alimentação (160 ou 165) e os colectores de escape (180 ou 185) tendem a igualar e a queda de pressão necessária para a condução de gás reagente ao longo dos ca .mpos de fluxo de 17Π Γ\π 1 -í. / V Ou _h 75 desaparece, A fim de permitir que a ; pilha de células de combustível para continuar a funcior iar mesmo quando a válvula de alimentação 110 ou 120 está fechada, a unidade de controlo 15 liga a bomba auxiliar correspondente 213 ou 223. Quando qualquer uma das bombas 213 ou 223 está a funcionar, ela re-injecta o restante gás reagente presente -L <w> no colector de escape 180 ou 185 para o colector de aiimentaçao correspondente 160 e 165. O uso de bombas auxiliares nec6ssária 213 e 223 permite manter a diferença de pressão entre fornecimento e os colectores de escape.

Como descrito acima, o sistema de célula de combustível da fonte de alimentação passiva híbrida em que o método da presente invenção é implementado, é composto por controlos electronicos, válvulas de fornecimento 110, 120 controlado pelo controlador de célula de combustível 58, bombas 213, 223, e um separador de gás-líquido. O sistema de célula de combustível compreende também um circuito de arrefecimento 56 por meio de bombas de água, e que pode também possivelmente comp>reender meios de aquecimento eléctrico.

Todoí esces elementos, entre outros formam o aue são chamados auxiliares tíst iuxi liares vj LA I--LVJO/ scisam de tuem o que 0 geralmente do sistema de célula de sistema de célula de eletricidade para operar e consti referido como a carga parasitária combustível. Portanto, quando o combustível está a trabalhar, a procura de energia nunca é zero, mesmo quando num estado inactivo (isto é, quando a zero ligado em condições de funcionamento de carga) . No presente exemplo, um número realista para a potência da carga parasitária é de aproximadamente 600 watts. A Figura 6 é um diagrama, mostrando a forma como a carga pode ser partilhada entre o sistema de célula de combustível e a bateria de armazenamento. As linhas horizontais no centro do diagrama são linhas de iso-energia de uma bateria completamente carregada (SOC = 100%) . As linhas finas quase verticais são linhas de iso-energia da pilha de célula de combustível. A linha a negrito quase vertical à esquerda do diagrama é uma linha de iso-energia correspondente a 600 Watts (a potência da carga 19 parasitáriai) . A Figura 6 mostrei que, através do controlo da pressão de reagente nas células de combustível, é possível lidar com as condições de carga de salda enquanto é evitada a voltagem elevada da célula, mesmo quando o estado de carga da bateria de armazenamento é já de 100%, Na verdade, o diagrama mostra que a OCV para carregar totalmente a bateria corresponde a 0,85 volts/celulares, Se a pressão na célula de combustível é reduzida para 0,5 bar, mantendo a tensão da célula de combustível constante, a quantidade de energia produzida pela pilha de células de combustível é reduzida até cerca de 300 Watts. Neste caso, outros 300 Watts devem ser obtidos da bateria de armazenamento para satisfazer a demanda dos auxiliares. Outra possibilidade é a de aumentar ligeiramente a pressão, até que a pilha produz 600 Watts de energia eléctrica. A i n d a r e f e r i n d o - s e a Fi gura 6, ninguém vai notar que o ponto de operação nc ! cruzamento da linha de 2,5 bar com a linha de iso-energia de 60 0 Wat- ts corresponde a uma tensão de célula de combu stível de quaLse 1 volt. Por outras palavras, não é poss ível e v i t a r a tensão elevada da c 01 u 1 ci sem diminuir a pres são de fu n c i o n ame n t o de uma fonte de energia híbrida passiva. Por oi atras palavras, a Fi gura 6 ilustrai como sl presente invenção faLZ com que seja possível prescindir de desligar o sistema de célula de combustível em condições de operação zero ligado a condições de funcionamento de carga, mesmo que não haja nenhuma capacidade de armazenagem de energia disponível na bateria.

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Um híbrida método de funcionamento de uma passiva ligada uma carga variável, fonte de energia em condições onde (18) ligados em paralelo a uma de célula de combustível PEM, de células de combustível PEM carga variável (17), o sistema compreendendo uma pluralidade individuais ligadas em série e a carga variavel é zero o alimentação híbrido passiva célula de combustível PEM (l) perto de zero, a fonte de que compreende um sistema de e uma bateria de armazenamento auxiliares que compreende hidrogénio controlável (213) oxigénio controlável (223) uma bom ba de circulação de e uma bo rnba de recirculação de o método que compreende: fornecimento de uma corrente de hidrogénio substancialmente puro para os ânodos das referidas células de combustível; tornecimento de um fluxo de oxigénio substancialmente puro para o a moni cátodo das referidas células de combustível; orização de uma corrente eléctrica fornecida pela bateria de armazenagem; uma tensão de de combustível a monitorização de pluralidade de células saída partilhada pela ndividuais ligadas em série e pela bateria; a de acordo de saída; nas células avaliar um estado de carga (SOC) da bateri com a referida corrente eléctrica e a dita tensão monitorização de uma pressão de hidrogénio de c ombus t íve1; monitorização de uma pressão de oxigénio nas células de combustível; limitar a corrente de oxigénio e accionar as bombas hidrogénio e a corrente de de recirculação de hidrogénio e pressões mantendo referida de oxigénio, de tal forma que a trazer e manter as de hidrogénio e de oxigénio abaixo de 0,7 bar absolutos/· a referida pressão de hidrogénio entre 70 e 130% da pressão de oxigénio, de tal fornia a assegurar que a tensão de saida é mantida a um nível correspondente a menos do que 0,90 volts/célula e não deve exceder o limite máximo de tensão da bateria.
2. O método da reivindicação 1, em que o referido método compreende o ajuste da referida corrente de hidrogénio e a referida corrente de oxigénio de tal maneira que a dita tensão de saida se mantém a um nível correspondente a entre 0,70 e 0,85 volts/célula.
3. O método a rmaz e n ame n t o corresponde a quando o estad oa reivinoicaçao ou em ie tem uma tensão de circuito entre 0,75 e 0,80 volts/célula de o de carga da bateria é de 50% z a bateria de aberto que combustível,