ES2254986T3 - Dispositivo y procedimiento de regulacion del caudal de aire en una pila de combustible. - Google Patents
Dispositivo y procedimiento de regulacion del caudal de aire en una pila de combustible.Info
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Abstract
Procedimiento de regulación del caudal de aire admitido en el cátodo (16) de una pila de combustible (12) montada en un vehículo automóvil, del tipo en el que la pila de combustible (12) comprende un conducto (36) de alimentación catódica que alimenta el cátodo (16) con aire, y, en particular, con oxígeno (O2), y un conducto (58) de evacuación catódica que evacua el aire después del consumo de oxígeno (O2) por parte del cátodo (16), y en el que el conducto (36) de alimentación catódica comprende un órgano controlado (32) de regulación del caudal de aire de admisión, en particular, en función de parámetros de funcionamiento del motor, caracterizado porque comprende: a) una etapa (E1) de medición de la diferencia (Omed) de concentración de oxígeno (O2) entre un gas de referencia y el aire que circule en el conducto (58) de evacuación catódica; b) una etapa (E2) de cálculo de la diferencia (Omed-Oref) entre dicho valor medido (Omed) y un valor de referencia (Oref); c) una etapa (E3) de determinación de un caudal óptimo de aire de admisión en función del resultado (Ome-Oref) de dicho cálculo; y d) una etapa (E4) de control del órgano de regulación (32) para la obtención de dicho caudal de aire óptimo.
Description
Dispositivo y procedimiento de regulación del
caudal de aire en una pila de combustible.
La invención se refiere a un procedimiento de
regulación del caudal de aire admitido en el cátodo de una pila de
combustible.
La invención se refiere, más concretamente, a un
procedimiento de regulación del caudal de aire admitido en el
cátodo de una pila de combustible montada en un vehículo automóvil,
del tipo en el que la pila de combustible comprende un conducto de
alimentación catódica que alimenta el cátodo con aire y, en
particular, con oxígeno, y un conducto de evacuación catódica que
evacúa el aire después del consumo de oxígeno por parte del cátodo,
y en el que el conducto de alimentación catódica comprende un órgano
controlado de regulación del caudal de aire de admisión, en
particular, en función de parámetros de funcionamiento del
motor.
Una pila de combustible está constituida,
principalmente, por dos electrodos, un ánodo y un cátodo, separados
por un electrolito. Este tipo de pila permite la conversión directa
en energía eléctrica de la energía generada por las reacciones de
óxido-reducción siguientes:
- una reacción de oxidación de un combustible, o
carburante, que alimenta el ánodo de modo continuo; y
- una reacción de reducción de un comburente que
alimenta el cátodo de modo continuo.
Las pilas de combustible utilizadas para
alimentar energía eléctrica en vehículos automóviles son
generalmente del tipo de electrolito sólido, en particular, de
electrolito de polímero. Una pila de este tipo utiliza, en
especial, hidrógeno (H_{2}) y oxígeno (O_{2}) a modo de
combustible y de comburente, respectivamente.
A diferencia de los motores térmicos, que
expulsan con los gases de escape una cantidad no despreciable de
sustancias contaminantes, la pila de combustible ofrece, en
particular, la ventaja de expulsar solamente el agua producida por
la reacción de reducción en el cátodo. Además, el comburente de una
pila del tipo descrito en lo que antecede puede ser aire ambiente
cuyo oxígeno (O_{2}) esté reducido.
La potencia eléctrica generada por la pila es
proporcional a los caudales de comburente y de carburante.
Para regular la potencia eléctrica generada por
la pila de combustible, es conocido hacer variar los caudales de
aire y de hidrógeno que la alimenten. Los caudales de aire y de
hidrógeno son predeterminados, generalmente, en función de la
potencia eléctrica requerida por el vehículo.
La patente "Patent Abstract of Japan vol. 0164,
nº 01" & JP 4.133.271 A presenta una pila de combustible que
comprende un cátodo alimentado con aire que contenga oxígeno. Dicha
patente propone regular el aire admitido en el cátodo mezclándolo
con un segundo gas rico en oxígeno. Uno de los problemas de este
sistema consiste en que la regulación del caudal de aire admitido
en el cátodo no es eficaz.
Por otra parte, la patente DE 19.629.265 A
presenta un procedimiento para regular la presión del gas admitido
en el cátodo de una pila de combustible en función de la potencia
eléctrica o térmica que la pila de combustible tenga que entregar.
En este procedimiento, el caudal de aire y el contenido de oxígeno
del aire son regulados de manera que la pila de combustible
entregue una potencia eléctrica determinada. Uno de los problemas de
este sistema es que el caudal de aire está mal regulado.
Como se ha descrito en lo que antecede, la pila
de combustible consume, únicamente, el oxígeno (O_{2}) contenido
en el aire. Al hacer corresponder un caudal de aire determinado en
función de la potencia eléctrica solicitada a la pila, se considera
que el aire comprende una proporción de oxígeno sensiblemente
constante.
Pero la proporción de oxígeno (O_{2}) presente
en el aire varía de acuerdo con el lugar en el que se encuentre el
vehículo. Así, en un sitio cerrado, tal como un aparcamiento
subterráneo, el aire puede ser más pobre en oxígeno que en una
carretera rural.
Además, cuando el vehículo se desplace en un
entorno en el que el aire esté empobrecido en oxígeno (O_{2}), el
caudal de aire determinado en función de un aire que contenga una
proporción de oxígeno normal no permite una alimentación suficiente
de la pila de combustible con oxígeno. En consecuencia, la pila de
combustible no puede entregar la potencia eléctrica solicitada.
Con el fin de resolver este problema, la presente
invención propone un procedimiento del tipo descrito en lo que
antecede, caracterizado porque comprende:
- a) una etapa de medición de la diferencia de
concentración de oxígeno entre un gas de referencia y el aire que
circule en el conducto de evacuación catódica;
- b) una etapa de cálculo de la diferencia entre
dicho valor medido y un valor de referencia;
- c) una etapa de determinación de un caudal
óptimo de aire de admisión en función del resultado de dicho
cálculo; y
- d) una etapa de control del órgano de
regulación para la obtención de dicho caudal de aire óptimo.
De acuerdo con otras características de la
invención:
- la medición, en la etapa de medición, se
realiza por medio de una sonda lambda situada en el conducto de
evacuación catódica y que mide la diferencia de concentración de
oxígeno entre el aire atmosférico y el aire que circule en el
conducto de evacuación catódica;
- el órgano de regulación del caudal de aire
consiste en una instalación de compresión del aire situada aguas
arriba del cátodo;
- el órgano de regulación del caudal de aire es
un motoventilador previsto en el conducto de alimentación
catódica;
- si el valor medido es inferior a un umbral
determinado, entonces, una señal de alerta es emitida en el
habitáculo del vehículo;
- si el valor medido es inferior a un umbral
determinado, el funcionamiento de la pila de combustible es
interrumpido.
La invención se refiere, además, a un dispositivo
de regulación del caudal de aire admitido en el cátodo de una pila
de combustible montada en un vehículo automóvil, del tipo en el que
la pila de combustible comprende un conducto de alimentación
catódica que alimenta el cátodo con aire, y, en particular, con
oxígeno (O_{2}), y un conducto de evacuación catódica que evacúa
el aire después del consumo de oxígeno (O_{2}) por parte del
cátodo, y en el que el conducto de alimentación catódica comprende
un órgano controlado de regulación del caudal de aire de admisión,
en particular, en función de parámetros de funcionamiento del motor,
caracterizado porque está configurado con el fin de medir la
diferencia (O_{med}) de concentración de oxígeno (O_{2}) entre
un gas de referencia y el aire que circule en el conducto de
evacuación catódica.
Otras características y ventajas de la invención
se pondrán de manifiesto durante la lectura de la descripción
detallada que sigue, para cuya comprensión se hará referencia a la
figura única adjunta, que representa, esquemáticamente, una
instalación de generación de electricidad dotada de una pila de
combustible y que comprende un dispositivo para poner en práctica
el procedimiento de acuerdo con las enseñanzas de la invención.
Se ha representado en la figura una instalación
de generación de electricidad 10 montada en un vehículo automóvil.
La instalación 10 comprende, en particular, una pila de combustible
12 que genera electricidad cuando es alimentada con comburente y
con carburante.
La pila de combustible 12 comprende un ánodo 14 y
un cátodo 16 que, en este caso, están separados mediante una
membrana de polímero 18 que hace de electrolito.
El cátodo 16 comprende un orificio 20 de
alimentación catódica, mediante el cual es alimentado con
comburente, aire en este caso, y comprende un orificio 22 de
evacuación catódica, mediante el cual es evacuado el exceso de
comburente.
Asimismo, el ánodo 14 comprende un orificio 24 de
alimentación anódica, mediante el cual es alimentado con
carburante, en este caso un reformado constituido, en particular,
por hidrógeno (H_{2}), y comprende un orificio 26 de evacuación
anódica mediante el cual es evacuado el exceso de carburante.
La instalación 10 comprende un primer circuito 28
de alimentación del cátodo 16 con comburente, y, en particular con
aire, y comprende un segundo circuito 30 de alimentación del ánodo
14 con carburante y, en particular, con hidrógeno (H_{2}).
El primer circuito 28 de alimentación del cátodo
16 se compone, en particular, de un módulo 32 de admisión de aire
atmosférico, en el que el aire atmosférico es admitido a través de
una sección de entrada 34 y que alimenta el cátodo 16 con aire por
medio de un conducto 36 de alimentación catódica, conectado con el
orificio 20 de alimentación catódica.
En particular, el módulo 32 de admisión de aire
está destinado a regular el caudal de aire admitido en el cátodo
16. El módulo 32 de admisión de aire comprende, de acuerdo con este
modo de realización de la invención, un compresor (no
representado).
En otro modo de realización de la invención no
representado, el módulo 32 de admisión de aire comprende un
motoventilador, previsto en el conducto 36 de alimentación
catódica.
El segundo circuito 30 de alimentación del ánodo
14 se compone, principalmente, de un depósito 38 que contiene un
hidrocarburo tal como gasolina, y de un reformador 40.
Un tubo 42 de alimentación con hidrocarburo está
conectado, mediante un primer extremo 44, con el depósito 38, y,
mediante un segundo extremo, con un orificio 46 de entrada del
reformador 40.
En este caso, el reformador 40 está destinado a
extraer el hidrógeno (H_{2}) contenido en el hidrocarburo.
Después de la extracción del hidrógeno (H_{2}), expulsa, a través
de un orificio de salida 48, un carburante, o reformado, que
contiene hidrógeno (H_{2}), a un tubo 50 de alimentación del ánodo
14 conectado con el orificio 24 de alimentación anódica.
Durante el funcionamiento de la pila de
combustible 12 el ánodo 14 consume parte del hidrógeno (H_{2})
contenido en el reformado, siendo expulsado el reformado en exceso
a través del orificio 26 de evacuación anódica.
El orificio 26 de evacuación anódica desemboca en
un tubo 52 de evacuación anódica que conduce el reformado en exceso
hasta un orificio 54 de alimentación de un quemador 56 integrado en
el reformador 40. El quemador 56 está destinado, en particular, a
consumir el reformado en exceso con el fin de proporcionar el calor
necesario para el funcionamiento del reformador 40.
Durante el funcionamiento de la pila de
combustible 12, el cátodo 16 consume parte del oxígeno (O_{2})
contenido en el aire, siendo expulsado el aire en exceso a través
del orificio 22 de evacuación catódica.
El orificio de evacuación del cátodo 16 desemboca
en un conducto 58 de evacuación catódica que expulsa el aire en
exceso a la atmósfera. De acuerdo con las enseñanzas de la
invención, una sonda 60 de detección de oxígeno, que en este modo
de realización de la invención consiste en una sonda de tipo lambda,
se intercala en el conducto 58 de evacuación catódica.
De acuerdo con una utilización tradicional
conocida por los expertos en la técnica, una parte de referencia 62
de la sonda lambda 60 está en contacto con el aire ambiente que, en
este caso, es conducido mediante un conducto 64 de aire.
La instalación 10 comprende, también, una unidad
66 de control electrónico, destinada a pilotar el funcionamiento de
la pila de combustible 12. En particular, la unidad 66 de control
electrónico está conectada por medio de conductores eléctricos,
representados mediante línea discontinua en la figura, con la sonda
lambda 60, con el reformador 40, con el módulo 32 de admisión de
aire y con un dispositivo 68 de control de potencia situado en el
habitáculo del vehículo y que puede ser, por ejemplo, un pedal de
aceleración.
De ese modo, cuando el conductor del vehículo
requiera potencia eléctrica por medio del pedal 68, la unidad 66 de
control electrónico acciona el módulo 32 de admisión de aire, por
una parte, y el reformador 40, por otra, con el fin de proporcionar
caudales de comburente y de carburante determinados en función de la
potencia eléctrica requerida.
Vamos a describir ahora el procedimiento que pone
en práctica una instalación 10 de este tipo de acuerdo con las
enseñanzas de la invención. Este procedimiento está destinado a
ajustar el caudal de aire en función de su contenido de oxígeno
cuando el conductor requiera potencia eléctrica a la pila de
combustible 12 para el motor del vehículo. Entonces, la pila de
combustible 12 es alimentada con comburente y con carburante y
expulsa, a través de los orificios de evacuación anódica y
catódica, el exceso de reformado y de aire, respectivamente.
El procedimiento comprende, en este caso, cuatro
etapas principales:
- a) una primera etapa E_{1} de medición de la
diferencia O_{med} de concentración de oxígeno entre el aire
ambiente y el aire que circule en el conducto 58 de evacuación
catódica;
- b) una segunda etapa E_{2} de cálculo de la
diferencia (O_{med}-O_{ref}) entre dicho valor
medido O_{med} y un valor de referencia O_{ref};
- c) una tercera etapa E_{3} de determinación
de un caudal óptimo de aire de admisión en función del resultado
(O_{med}-O_{ref}) de dicho cálculo; y
- d) una cuarta etapa E_{4} de control del
órgano de regulación para la obtención de dicho caudal de aire
óptimo.
Durante la primera etapa E_{1}, el conducto 58
de evacuación catódica guía, hasta la sonda lambda 60, el aire
expulsado a través del orificio 22 de evacuación catódica, después
del consumo de parte de su oxígeno por parte de la pila de
combustible 12. Entonces, la sonda lambda 60 transmite a la unidad
66 de control electrónico una señal eléctrica que constituye la
medición O_{med} de la diferencia de concentración de oxígeno
entre el aire atmosférico y el aire que circule en el conducto 58
de evacuación catódica. En efecto, la señal eléctrica tiene una
intensidad proporcional a la diferencia de concentración de oxígeno
entre el aire atmosférico y el aire que circule en el conducto 58
de evacuación catódica.
A continuación, durante la segunda etapa E_{2},
la unidad 66 de control electrónico resta del valor de la medición
O_{med} emitida por la sonda lambda 60 un valor de referencia
O_{ref}. El valor de referencia O_{ref} es introducido en la
memoria de la unidad 66 de control electrónico. El valor de
referencia O_{ref} es, en este caso, el valor teórico de la
diferencia de concentración de oxígeno entre el aire atmosférico y
el aire que circule en el conducto 58 de evacuación catódica cuando
el aire atmosférico contenga una proporción normal de oxígeno, es
decir, aproximadamente, un 21%.
Así, cuando la proporción de oxígeno del aire
ambiente sea inferior a la proporción normal, el valor medido
O_{med} difiere de manera significativa del valor de referencia
O_{ref}.
Durante la tercera etapa E_{3}, la unidad 66 de
control electrónico determina un caudal de aire óptimo a partir de
un diagrama registrado en memoria en función del resultado de la
resta (O_{med}-O_{ref}) efectuada durante la
segunda etapa E_{2}. El caudal óptimo de aire se define de manera
que el caudal de oxígeno que atraviese la pila de combustible 12
sea, al menos, suficiente para que la pila 12 entregue la potencia
eléctrica requerida por el conductor.
Por último, durante la cuarta etapa E_{4}, la
unidad 66 de control electrónico pilota el módulo 32 de admisión de
aire de manera que el caudal de aire admitido sea, sensiblemente,
igual al caudal de aire óptimo.
De acuerdo con una variante de la invención,
cuando la diferencia (O_{med}-O_{ref}) calculada
durante la segunda etapa E_{2} sea inferior a un umbral de
alerta, una señal de alerta es emitida en el habitáculo del
vehículo, con el fin de advertir al conductor de que el aire
ambiente es demasiado pobre en oxígeno para poder alimentar de
manera satisfactoria la pila de combustible 12, aún cuando se
aumente el caudal de aire en las proporciones permitidas por las
capacidades del módulo 32 de admisión de aire.
De acuerdo con otra variante de la invención,
cuando la diferencia (O_{med}-O_{ref}),
calculada durante la segunda etapa E_{2}, sea inferior a un
umbral de alerta, el funcionamiento de la pila de combustible 12 es
interrumpido, automáticamente, mediante la unidad 66 de control
electrónico.
Claims (7)
1. Procedimiento de regulación del caudal de aire
admitido en el cátodo (16) de una pila de combustible (12) montada
en un vehículo automóvil, del tipo en el que la pila de combustible
(12) comprende un conducto (36) de alimentación catódica que
alimenta el cátodo (16) con aire, y, en particular, con oxígeno
(O_{2}), y un conducto (58) de evacuación catódica que evacúa el
aire después del consumo de oxígeno (O_{2}) por parte del cátodo
(16), y en el que el conducto (36) de alimentación catódica
comprende un órgano controlado (32) de regulación del caudal de
aire de admisión, en particular, en función de parámetros de
funcionamiento del motor,
caracterizado porque comprende:
- a) una etapa (E_{1}) de medición de la
diferencia (O_{med}) de concentración de oxígeno (O_{2}) entre
un gas de referencia y el aire que circule en el conducto (58) de
evacuación catódica;
- b) una etapa (E_{2}) de cálculo de la
diferencia (O_{med}-O_{ref}) entre dicho valor
medido (O_{med}) y un valor de referencia (O_{ref});
- c) una etapa (E_{3}) de determinación de un
caudal óptimo de aire de admisión en función del resultado
(O_{med}-O_{ref}) de dicho cálculo; y
- d) una etapa (E_{4}) de control del órgano de
regulación (32) para la obtención de dicho caudal de aire
óptimo.
2. Procedimiento según la reivindicación
precedente, caracterizado porque la medición (O_{med}), en
la etapa de medición (E_{1}), se realiza mediante una sonda
lambda (60) situada en el conducto (58) de evacuación catódica y
que mide la diferencia de concentración de oxígeno entre el aire
atmosférico y el aire que circule en el conducto (58) de evacuación
catódica.
3. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el órgano (32) de regulación del caudal
de aire es una instalación de compresión de aire situada aguas
arriba del cátodo (16).
4. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el órgano (32) de regulación del caudal
de aire es un motoventilador previsto en el conducto (36) de
alimentación catódica.
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque si el valor
medido (O_{med}) es inferior a un umbral determinado, entonces,
una señal de alerta es emitida en el habitáculo del vehículo.
6. Procedimiento según la reivindicación
precedente, caracterizado porque si el valor medido
(O_{med}) es inferior a un umbral determinado, el funcionamiento
de la pila de combustible (12) es interrumpido.
7. Dispositivo de regulación del caudal de aire
admitido en el cátodo (16) de una pila de combustible (12) montada
en un vehículo automóvil, del tipo en el que la pila de combustible
(12) comprende un conducto (36) de alimentación catódica que
alimenta el cátodo (16) con aire, y, en particular, con oxígeno
(O_{2}), y un conducto (58) de evacuación catódica que evacúa el
aire después del consumo de oxígeno (O_{2}) por parte del cátodo
(16), y en el que el conducto (36) de alimentación catódica
comprende un órgano controlado (32) de regulación del caudal de
aire de admisión, en particular, en función de parámetros de
funcionamiento del motor, caracterizado porque está
configurado con el fin de medir la diferencia (O_{med}) de
concentración de oxígeno (O_{2}) entre un gas de referencia y el
aire que circule en el conducto (58) de evacuación catódica.
Applications Claiming Priority (2)
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