ES2610552T3 - Sistema de pila de combustible y método de control del mismo - Google Patents

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ES2610552T3 ES11730747.0T ES11730747T ES2610552T3 ES 2610552 T3 ES2610552 T3 ES 2610552T3 ES 11730747 T ES11730747 T ES 11730747T ES 2610552 T3 ES2610552 T3 ES 2610552T3
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Shuya Kawahara
Manabu Kato
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Abstract

Un sistema de pila de combustible que produce energía eléctrica en respuesta a una petición procedente de una carga externa, que comprende: una pila de combustible (10) que posee al menos un elemento (11) de generación de energía; una unidad (91) de detección de tensión negativa que está configurada para detectar una tensión negativa en el al menos un elemento de generación de energía; una unidad de control (20) que está configurada para controlar la salida de energía eléctrica de la pila de combustible (10); y una unidad (21) de medición de valor de corriente acumulado que está configurada para medir un valor de corriente acumulado que se obtiene por una integración en el tiempo de la salida de corriente de la pila de combustible (10), en el que la unidad de control (20) está configurada para memorizar previamente una correlación entre los valores de corriente acumulados que son aceptables durante un periodo en el cual se genera una tensión negativa en el al menos un elemento (11) de generación de energía y las densidades de corriente que son aceptables en el periodo y cuando se ha detectado una tensión negativa en el al menos un elemento (11) de generación de energía, la unidad de control (20) está configurada para ejecutar un proceso de restricción de salida que restringe la salida de energía eléctrica de la pila de combustible (10) de manera que caiga en una amplitud de funcionamiento aceptable definida por los valores de corriente acumulados aceptables y las densidades de corriente aceptables de la correlación.

Description

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DESCRIPCION
Sistema de pila de combustible y metodo de control del mismo Antecedentes de la invencion
1. Campo de la invencion
La invencion se refiere a una pila de combustible.
2. Descripcion de la tecnica relacionada
Una pila de combustible posee habitualmente una estructura de pila en la cual una pluralidad de pilas unitarias que sirven como elementos de generacion de energla se apila. Los gases de reaccion fluyen en pasos de flujo de gas, proporcionados para cada pila unitaria, a traves de colectores respectivos y se suministran a una seccion de generacion de energla de cada pila unitaria. No obstante, si los pasos de flujo de gas de una parte de las pilas unitarias estan bloqueados por el contenido en agua congelada, o similares, las cantidades de gases de reaccion suministrados a la parte de las pilas unitarias resultan insuficientes, de modo que la parte de las pilas unitarias pueden generar posiblemente una tension negativa. De esta manera, cuando el funcionamiento de la pila de combustible se continua en un estado en el que parte de las pilas unitarias generan una tension negativa, no solo se deteriora en general el rendimiento de generacion de energla de la pila de combustible, sino tambien los electrodos de esas pilas unitarias pueden degradarse probablemente. Hasta ahora se han sugerido varias tecnicas de supresion del deterioro del rendimiento de generacion de energla de una pila de combustible o degradacion de una pila de combustible debido a dicha tension negativa (veanse, la publicacion de la solicitud de patente japonesa n.° 2006-179389 (JP-A-2006-179389), la publicacion de solicitud de patente japonesa n.° 2007-035516 (JP-A-2007- 035516), el documento WO 2008/132565, y similares).
Sumario de la invencion
La invencion proporciona una tecnica de supresion del deterioro del rendimiento y la degradacion de una pila de combustible debido a una tension negativa.
La invencion se contempla para resolver, al menos, parte de los problemas descritos anteriormente, y puede implementarse como las siguientes realizaciones o realizaciones alternativas.
Un aspecto de la invencion proporciona un sistema de pila de combustible que produce energla electrica generada en respuesta a una peticion procedente de una carga externa. El sistema de pila de combustible incluye: una pila de combustible que posee al menos un elemento de generacion de energla; una unidad de deteccion de tension negativa que esta configurada para detectar una tension negativa en al menos un elemento de generacion de energla; una unidad de control que esta configurada para controlar una salida de energla electrica de la pila de combustible; y una unidad de medicion del valor de corriente acumulado que esta configurada para medir un valor de corriente acumulado que se obtiene por una integracion en el tiempo de salida de corriente de la pila de combustible, en el que la unidad de control esta configurada para memorizar previamente una correlacion entre los valores de corriente acumulados aceptables en un periodo durante el cual se genera una tension negativa en al menos un elemento de generacion de energla y las densidades de corriente aceptables en el periodo, y cuando se ha detectado una tension negativa en al menos un elemento de generacion de energla, la unidad de control se configura para ejecutar un proceso de restriccion de salida que restringe la salida de energla electrica de la pila de combustible de manera que caiga dentro de una amplitud de funcionamiento aceptable definida por los valores de corriente acumulados aceptables y las densidades de corriente aceptables de la correlacion. En este caso, los inventores de la invencion hallaron que, en un elemento de generacion de energla en el cual se genera una tension negativa, el momento en el que comienza la oxidacion del electrodo y el rendimiento de generacion de energla comienza a disminuir pueden definirse por la salida de corriente de la pila de combustible en un periodo durante el cual se genera una tension negativa y un valor de corriente acumulado que se obtiene por una integracion en el tiempo de la corriente. Con el sistema de pila de combustible as! configurado, cuando se genera una tension negativa, la salida de energla electrica de la pila de combustible se restringe de manera que caiga dentro de la amplitud de funcionamiento aceptable preestablecida definida por los valores de corriente acumulados aceptables y las densidades de corriente aceptables. Por consiguiente, preestableciendo la amplitud de funcionamiento aceptable que no causa deterioro en el rendimiento del elemento de generacion de energla en el que se genera una tension negativa, es posible suprimir el deterioro en el rendimiento de la pila de combustible debido a la tension negativa, y suprimir la oxidacion del electrodo (degradacion del electrodo).
Ademas, en el sistema de pila de combustible, cuando se muestra la correlacion por un grafico cuyo primer eje representa un valor de corriente acumulado de la pila de combustible y un segundo eje representa una densidad de corriente de la pila de combustible, la correlacion puede mostrarse como una curva convexa descendente, en la cual la densidad de corriente aceptable disminuye a medida que el valor de corriente acumulado aceptable aumenta. Con el sistema de pila de combustible anterior, en la correlacion entre los valores de corriente acumulados y las
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densidades de corriente, memorizados en la unidad de control, la amplitud de funcionamiento aceptable puede establecerse en una amplitud apropiada que no cause deterioro en el rendimiento del elemento de generacion de energla en el cual se genera una tension negativa. Por consiguiente, es posible suprimir de modo apropiado el deterioro en el rendimiento y la degradacion de la pila de combustible debido a la tension negativa.
Ademas, en el sistema de pila de combustible, en el proceso de restriccion de salida, la unidad de control puede configurarse para disminuir la densidad de corriente de la pila de combustible a lo largo de la curva convexa descendente, que indica valores maximos de las densidades de corriente aceptables, con un aumento en el valor de corriente acumulado. Con el sistema de pila de combustible anterior, cuando se genera una tension negativa, es posible restringir la salida de energla electrica de la pila de combustible a lo largo de los valores limltrofes (valores llmite aceptables) de la amplitud de funcionamiento aceptable. Por consiguiente, es posible suprimir el deterioro en el rendimiento y la degradacion de la pila de combustible debido a la tension negativa mientras se suprimen las restricciones excesivas en la salida de energla electrica de la pila de combustible.
Ademas, el sistema de pila de combustible puede incluir adicionalmente: una unidad de regulacion del estado de funcionamiento que esta configurada para incluir al menos una de una unidad de humidificacion que controla una cantidad de humidificacion del gas de reaccion suministrado a la pila de combustible a fin de regular un estado humedo en el interior de la pila de combustible y una unidad de suministro de fluido refrigerante que controla un caudal del fluido refrigerante suministrado a la pila de combustible a fin de regular una temperatura de funcionamiento de la pila de combustible; y una unidad de modificacion de correlacion que esta configurada para modificar la correlacion en respuesta a, al menos, uno del estado humedo en el interior de la pila de combustible y la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible, en la que, cuando una densidad de corriente correspondiente a una corriente de salida requerida para la carga externa en un periodo durante el cual se genera una tension negativa en al menos un elemento de generacion de energla es superior a un valor predeterminado, la unidad de control puede configurarse para llevar a la unidad de regulacion del estado de funcionamiento a regular al menos uno del estado humedo en el interior de la pila de combustible y la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible, de modo que expanda la amplitud de funcionamiento aceptable de manera tal que la correlacion sea modificada por la unidad de modificacion de correlacion. En este caso, la correlacion entre los valores de corriente acumulados y las densidades de corriente aceptables para la pila de combustible en un periodo durante el cual se genera una tension negativa varla en funcion de un estado humedo en el interior de la pila de combustible o de una temperatura de funcionamiento de la pila de combustible. Con el sistema de pila de combustible as! configurado, incluso cuando la corriente requerida para la pila de combustible caiga fuera de la amplitud de funcionamiento aceptable de la pila de combustible, la corriente requerida puede ser llevada dentro de la amplitud de funcionamiento aceptable de manera tal que al menos uno del estado humedo en el interior de la pila de combustible y de la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible se regula para expandir la amplitud de funcionamiento aceptable.
Ademas, en el sistema de pila de combustible, cuando se completa el proceso de restriccion de salida, la unidad de control puede configurarse para memorizar de manera no volatil un valor de corriente acumulado de la salida de corriente de la pila de combustible en el proceso de restriccion de salida, y cuando se reanuda el proceso de restriccion de salida, la unidad de control puede configurarse para ejecutar el proceso de restriccion de salida empleando un valor de corriente acumulado total que se obtiene anadiendo el valor de corriente acumulado memorizado y un valor de corriente acumulado de la salida de corriente de la pila de combustible despues de haber reanudado el proceso de restriccion de salida. Con el sistema de pila de combustible anterior, se registra un valor de corriente acumulado incluso despues de reiniciar el sistema de pila de combustible. Por lo tanto, incluso cuando el proceso de restriccion de corriente se ejecuta de nuevo despues de reiniciar el sistema de pila de combustible, el
proceso de restriccion de corriente se ejecuta empleando el valor de corriente acumulado total que se acumula a
partir del valor de corriente acumulado registrado.
Ademas, el sistema de pila de combustible puede incluir adicionalmente una unidad de advertencia que esta configurada para advertir a un usuario sobre la degradacion de la pila de combustible, en el que la unidad de control puede configurarse para memorizar previamente un valor llmite inferior de la densidad de corriente de la pila de combustible, y cuando la densidad de corriente de la pila de combustible es inferior al valor llmite inferior en el proceso de restriccion de salida, la unidad de control puede configurarse para llevar a la unidad de advertencia a
advertir al usuario sobre la degradacion de la pila de combustible. Con el sistema de pila de combustible anterior,
cuando la pila de combustible no se ha recuperado de la tension negativa pero el valor llmite inferior preestablecido de la densidad de corriente de la pila de combustible se ha alcanzado durante el proceso de restriccion de salida, se advierte al usuario sobre la degradacion de la pila de combustible. Por consiguiente, el usuario es capaz de conocer apropiadamente el momento en el que la pila de combustible debe preservarse.
Ademas, el sistema de pila de combustible puede incluir adicionalmente: una unidad de suministro de fluido refrigerante que esta configurada para suministrar fluido refrigerante a la pila de combustible para controlar una temperatura de la pila de combustible; y una unidad de medicion de temperatura que esta configurada para medir una temperatura de funcionamiento de la pila de combustible, en el que, en el proceso de restriccion de salida, la unidad de control puede configurarse para obtener un valor calorlfico estimado que es un valor calorlfico de la pila de combustible cuando se lleva a la pila de combustible a producir energla electrica en una densidad de corriente en
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base a un valor de senal de control de densidad de corriente para la pila de combustible, y para controlar una cantidad del fluido refrigerante suministrado a la pila de combustible por la unidad de suministro de fluido refrigerante basandose en la temperatura de funcionamiento medida por la unidad de medicion de temperatura y el valor calorlfico estimado. Con el sistema de pila de combustible anterior, incluso cuando la salida de energla electrica de la pila de combustible se restringe al ejecutar el proceso de restriccion de salida, el caudal del fluido refrigerante suministrado se controla apropiadamente, de manera que se facilita un aumento en la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible mientras se ejecuta el proceso de restriccion de salida. Por consiguiente, es muy probable que la pila de combustible se recupere del estado de tension negativa.
En el sistema de pila de combustible, en el proceso de restriccion de salida, la unidad de control puede configurarse para emplear el valor calorlfico estimado y la temperatura de funcionamiento medida por la unidad de medicion de temperatura para calcular un aumento de temperatura estimado de la pila de combustible cuando se lleva a la pila de combustible a producir energla electrica durante un periodo predeterminado mientras la pila de combustible recibe el fluido refrigerante, y cuando el aumento de temperatura estimado es inferior o igual a un umbral predeterminado, la unidad de control puede configurarse para llevar a la pila de combustible a generar energla electrica en un estado en el que se lleva a la unidad de suministro de fluido refrigerante a detener el suministro del fluido refrigerante en la pila de combustible. Con el sistema de pila de combustible anterior, cuando es diflcil llevar la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible a un valor diana puesto que la salida de energla electrica de la pila de combustible se restringe a traves del proceso de restriccion de salida, el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible se detiene. Por consiguiente, se facilita un aumento en la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible mientras se ejecuta el proceso de restriccion de salida, de modo que es muy probable que la pila de combustible se recupere del estado de tension negativa.
Ademas, en el sistema de pila de combustible, en el proceso de restriccion de salida, cuando una tasa de aumento de la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible es inferior a un umbral preestablecido, la unidad de control puede configurarse para llevar a la pila de combustible a generar energla electrica en un estado en el que se lleva a la unidad de suministro de fluido refrigerante a detener el suministro de fluido refrigerante en la pila de combustible. Con el sistema de pila de combustible anterior, cuando la tasa de aumento de la temperatura de la pila de combustible no ha alcanzado un valor diana de acuerdo con la temperatura de funcionamiento medida propiamente de la pila de combustible mientras se ejecuta el proceso de restriccion de salida, el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible se detiene. Por consiguiente, se facilita un aumento en la temperatura de la pila de combustible mientras se ejecuta el proceso de restriccion de salida, de modo que es muy probable que la pila de combustible se recupere del estado de tension negativa.
Otro aspecto de la invencion proporciona un metodo de control para un sistema de pila de combustible que produce energla electrica generada por una pila de combustible que posee al menos un elemento de generacion de energla en respuesta a una peticion procedente de una carga externa. El metodo de control incluye: la deteccion de una tension negativa en al menos un elemento de generacion de energla; la medicion de un valor de corriente acumulado que se obtiene por una integration en el tiempo de la salida de corriente de la pila de combustible en un periodo durante el cual se genera una tension negativa en al menos un elemento de generacion de energla; la consulta de una correlation preestablecida entre los valores de corriente acumulados aceptables en el periodo durante el cual se genera una tension negativa en al menos un elemento de generacion de energla y las densidades de corriente aceptables en el periodo; y la ejecucion de un proceso de restriccion de salida que restringe la salida de energla electrica de la pila de combustible de manera que caiga dentro de una amplitud de funcionamiento aceptable definida por los valores de corriente acumulados aceptables y las densidades de corriente aceptables de la correlacion.
Otro aspecto adicional de la invencion proporciona un sistema de pila de combustible que produce energla electrica generada en respuesta a una peticion procedente de una carga externa. El sistema de pila de combustible incluye: una pila de combustible que posee al menos un elemento de generacion de energla; una unidad de control que esta configurada para controlar la salida de energla electrica de la pila de combustible; y una unidad de medicion del valor de corriente acumulado que esta configurada para medir un valor de corriente acumulado que se obtiene por una integracion en el tiempo de la salida de corriente de la pila de combustible, en el que la unidad de control esta configurada para memorizar previamente una correlacion entre los valores de corriente acumulados aceptables en un periodo durante el cual se genera una tension negativa en al menos un elemento de generacion de energla y las densidades de corriente aceptables en el periodo, y cuando se cumple con una condition ambiental preestablecida que indica una posibilidad de que se genere una tension negativa, la unidad de control esta configurada para determinar que se genera una tension negativa en al menos un elemento de generacion de energla y posteriormente para ejecutar un proceso de restriccion de salida que restringe la salida de energla electrica de la pila de combustible de manera que caiga dentro de una amplitud de funcionamiento aceptable definida por los valores de corriente acumulados aceptables y las densidades de corriente aceptables de la correlacion. Con el sistema de pila de combustible as! configurado, incluso cuando no se genere una tension negativa, pero cuando una condicion ambiental que sea emplrica o experimentalmente presupuesta como un caso en el que es muy probable que se genere una tension negativa, se ejecuta el proceso de restriccion de salida. Por consiguiente, es posible suprimir con mayor fiabilidad el deterioro en el rendimiento y la degradation de la pila de combustible.
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Ademas, en el sistema de pila de combustible, cuando se muestra la correlacion por un grafico cuyo primer eje representa un valor de corriente acumulado de la pila de combustible y un segundo eje representa una densidad de corriente de la pila de combustible, la correlacion puede mostrarse como una curva convexa descendente en la cual la densidad de corriente aceptable disminuye a medida que el valor de corriente acumulado aceptable aumenta. Con el sistema de pila de combustible anterior, en la correlacion entre los valores de corriente acumulados y las densidades de corriente, memorizados en la unidad de control, la amplitud de funcionamiento aceptable puede establecerse en una amplitud apropiada que no cause deterioro en el rendimiento del elemento de generacion de energla en el cual se genera una tension negativa. Por consiguiente, es posible suprimir de modo apropiado el deterioro en el rendimiento y la degradacion de la pila de combustible debido a la tension negativa.
Ademas, en el sistema de pila de combustible, en el proceso de restriccion de salida, la unidad de control puede configurarse para disminuir la densidad de corriente de la pila de combustible a lo largo de la curva convexa descendente, que indica valores maximos de las densidades de corriente aceptables, con un aumento en el valor de corriente acumulado. Con el sistema de pila de combustible anterior, cuando se genera una tension negativa, es posible restringir la salida de energla electrica de la pila de combustible a lo largo de los valores llmite aceptables de la amplitud de funcionamiento aceptable. Por consiguiente, es posible suprimir el deterioro en el rendimiento y la degradacion de la pila de combustible debido a la tension negativa mientras se suprimen restricciones excesivas en la salida de energla electrica de la pila de combustible.
Ademas, el sistema de pila de combustible puede incluir adicionalmente: una unidad de regulacion del estado de funcionamiento que esta configurada para incluir al menos una de una unidad de humidificacion que controla una cantidad de humidificacion del gas de reaccion suministrado a la pila de combustible a fin de regular un estado humedo en el interior de la pila de combustible y una unidad de suministro de fluido refrigerante que controla un caudal de fluido refrigerante suministrado a la pila de combustible a fin de regular una temperatura de funcionamiento de la pila de combustible; y una unidad de modificacion de correlacion que esta configurada para modificar la correlacion en respuesta a, al menos, uno del estado humedo en el interior de la pila de combustible y de la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible, en la que, cuando una densidad de corriente correspondiente a una corriente de salida requerida para la carga externa en un periodo durante el cual se genera una tension negativa en al menos un elemento de generacion de energla es superior a un valor predeterminado, la unidad de control puede configurarse para llevar a la unidad de regulacion del estado de funcionamiento a regular al menos uno del estado humedo en el interior de la pila de combustible y de la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible de modo que expanda la amplitud de funcionamiento aceptable de manera tal que la correlacion sea modificada por la unidad de modificacion de correlacion. Con el sistema de pila de combustible anterior, incluso cuando la corriente requerida para la pila de combustible caiga fuera de la amplitud de funcionamiento aceptable de la pila de combustible, la corriente requerida puede caer dentro de la amplitud de funcionamiento aceptable de manera tal que al menos uno del estado humedo en el interior de la pila de combustible y de la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible se regula para expandir la amplitud de funcionamiento aceptable.
Ademas, en el sistema de pila de combustible, cuando se completa el proceso de restriccion de salida, la unidad de control puede configurarse para memorizar de manera no volatil un valor de corriente acumulado de la salida de corriente de la pila de combustible en el proceso de restriccion de salida, y cuando se reanuda el proceso de restriccion de salida, la unidad de control puede configurarse para ejecutar el proceso de restriccion de salida empleando un valor de corriente acumulado total que se obtiene anadiendo el valor de corriente acumulado memorizado y un valor de corriente acumulado de la salida de corriente de la pila de combustible despues de haber reanudado el proceso de restriccion de salida. Con el sistema de pila de combustible anterior, incluso cuando el proceso de restriccion de corriente se ejecuta de nuevo despues de reiniciar el sistema de pila de combustible, el proceso de restriccion de corriente se ejecuta empleando el valor de corriente acumulado total que se acumula a partir del valor de corriente acumulado registrado.
Ademas, el sistema de pila de combustible puede incluir adicionalmente una unidad de advertencia que esta configurada para advertir a un usuario sobre la degradacion de la pila de combustible, en el que la unidad de control puede configurarse para memorizar previamente un valor llmite inferior de la densidad de corriente de la pila de combustible, y cuando la densidad de corriente de la pila de combustible es inferior al valor llmite inferior en el proceso de restriccion de salida, la unidad de control puede configurarse para llevar a la unidad de advertencia a advertir al usuario sobre la degradacion de la pila de combustible. Con el sistema de pila de combustible anterior, cuando la pila de combustible no se ha recuperado de la tension negativa pero el valor llmite inferior preestablecido de la densidad de corriente de la pila de combustible se ha alcanzado durante el proceso de restriccion de salida, se advierte al usuario sobre la degradacion de la pila de combustible. Por consiguiente, el usuario es capaz de conocer apropiadamente el momento en el que la pila de combustible debe preservarse.
Ademas, el sistema de pila de combustible puede incluir adicionalmente: una unidad de suministro de fluido refrigerante que esta configurada para suministrar fluido refrigerante a la pila de combustible para controlar una temperatura de la pila de combustible; y una unidad de medicion de temperatura que esta configurada para medir una temperatura de funcionamiento de la pila de combustible, en el que, en el proceso de restriccion de salida, la unidad de control puede configurarse para obtener un valor calorlfico estimado que es un valor calorlfico de la pila de combustible cuando se lleva a la pila de combustible a producir energla electrica en una densidad de corriente en
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base a un valor de senal de control de densidad de corriente para la pila de combustible, y para controlar una cantidad de fluido refrigerante suministrado a la pila de combustible por la unidad de suministro de fluido refrigerante basandose en la temperatura de funcionamiento medida por la unidad de medicion de temperatura y el valor calorlfico estimado. Con el sistema de pila de combustible anterior, incluso cuando la salida de energla electrica de la pila de combustible se restringe al ejecutar el proceso de restriccion de salida, el caudal de fluido refrigerante suministrado se controla apropiadamente, de manera que se facilita un aumento en la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible mientras se ejecuta el proceso de restriccion de salida. Por consiguiente, es muy probable que la pila de combustible se recupere del estado de tension negativa.
Ademas, en el sistema de pila de combustible, en el proceso de restriccion de salida, la unidad de control puede configurarse para emplear el valor calorlfico estimado y la temperatura de funcionamiento medida por la unidad de medicion de temperatura para calcular un aumento de temperatura estimado de la pila de combustible cuando se lleva a la pila de combustible a producir energla electrica durante un periodo predeterminado mientras la pila de combustible recibe el fluido refrigerante, y cuando el aumento de temperatura estimado es inferior o igual a un umbral predeterminado, la unidad de control puede configurarse para llevar a la pila de combustible a generar energla electrica en un estado en el que se lleva a la unidad de suministro de fluido refrigerante a detener el suministro del fluido refrigerante en la pila de combustible. Con el sistema de pila de combustible anterior, cuando es diflcil llevar la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible a un valor diana puesto que la salida de energla electrica de la pila de combustible esta restringida a traves del proceso de restriccion de salida, el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible se detiene. Por consiguiente, se facilita un aumento en la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible mientras se ejecuta el proceso de restriccion de salida, de modo que es muy probable que la pila de combustible se recupere del estado de tension negativa.
Ademas, en el sistema de pila de combustible, en el proceso de restriccion de salida, cuando la tasa de aumento de la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible es inferior a un umbral preestablecido, la unidad de control puede configurarse para llevar a la pila de combustible a generar energla electrica en un estado en el que se lleva a la unidad de suministro de fluido refrigerante a detener el suministro del fluido refrigerante en la pila de combustible. Con el sistema de pila de combustible anterior, cuando la tasa de aumento de la temperatura de la pila de combustible no ha alcanzado un valor diana de acuerdo con la temperatura de funcionamiento medida de la pila de combustible mientras se ejecuta el proceso de restriccion de salida, el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible se detiene. Por consiguiente, se facilita un aumento en la temperatura de la pila de combustible mientras se ejecuta el proceso de restriccion de salida, de modo que es muy probable que la pila de combustible se recupere del estado de tension negativa.
Otro aspecto de la invention proporciona un metodo de control para un sistema de pila de combustible que produce energla electrica generada por una pila de combustible que posee al menos un elemento de generation de energla en respuesta a una petition procedente de una carga externa. El metodo de control incluye: la medicion de un valor de corriente acumulado que se obtiene por una integration en el tiempo de la salida de corriente de la pila de combustible en un periodo durante el cual se cumple con una condition ambiental preestablecida que indica una posibilidad de que se genere una tension negativa en al menos un elemento de generacion de energla; la consulta de una correlation preestablecida entre los valores de corriente acumulados aceptables en el periodo durante el cual se genera una tension negativa en al menos un elemento de generacion de energla y las densidades de corriente aceptables en el periodo; y la ejecucion de un proceso de restriccion de salida que restringe la salida de energla electrica de la pila de combustible de manera que caiga dentro de una amplitud de funcionamiento aceptable definida por los valores de corriente acumulados aceptables y las densidades de corriente aceptables de la correlacion.
Tenga en cuenta que los aspectos de la invencion pueden implementarse en diversas formas, y, por ejemplo, pueden implementarse en una forma, tal como un sistema de pila de combustible, un vehlculo equipado con el sistema de pila de combustible, un metodo de control para el sistema de pila de combustible, un programa informatico para implementar las funciones de dicho sistema, vehlculo y metodo de control, y un medio de grabacion que registra el programa informatico.
Breve description de los dibujos
Las caracterlsticas, ventajas, y significado tecnico e industrial de las realizaciones a modo de ejemplo de la invencion se describiran a continuation con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales los numeros similares denotan elementos similares, y en los que:
La Figura 1 es una vista esquematica que muestra la configuration de un sistema de pila de combustible de
acuerdo con una primera realization de la invencion;
La Figura 2 es una vista esquematica que muestra la configuracion electrica del sistema de pila de combustible
de acuerdo con la primera realizacion de la invencion;
La Figura 3A y la Figura 3B son graficos de ilustracion del control de salida en una pila de combustible del
sistema de pila de combustible de acuerdo con la primera realizacion de la invencion;
La Figura 4A, la Figura 4B, y la Figura 4C son graficos de ilustracion del deterioro en el rendimiento de la pila de
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combustible debido a la tension negativa generada por el suministro deficiente de hidrogeno en el sistema de pila de combustible;
La Figura 5 es un diagrama de flujo de ilustracion del procedimiento de un proceso de recuperacion de tension negativa en el sistema de pila de combustible;
La Figura 6 es un grafico de ilustracion del momento en el que ocurre la transicion de la tension negativa del nivel aceptable de generacion de energla al nivel de deterioro en el rendimiento del sistema de pila de combustible;
La Figura 7 es un grafico de ilustracion de una amplitud de funcionamiento aceptable de la pila de combustible, definido mediante un experimento, en el sistema de pila de combustible;
La Figura 8A, la Figura 8B, y la Figura 8C son graficos de ilustracion de un proceso de restriccion de corriente en el sistema de pila de combustible;
La Figura 9 es una vista esquematica que muestra la configuracion electrica de un sistema de pila de combustible de acuerdo con una primera realizacion alternativa a la primera realizacion;
La Figura 10 es un diagrama de flujo de ilustracion del procedimiento de un proceso de recuperacion de tension negativa de acuerdo con la primera realizacion alternativa a la primera realizacion;
La Figura 11 es una vista esquematica que muestra la configuracion electrica de un sistema de pila de combustible de acuerdo con una segunda realizacion alternativa a la primera realizacion;
La Figura 12 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento de un proceso de recuperacion de tension negativa de acuerdo con la segunda realizacion alternativa a la primera realizacion;
La Figura 13 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento de un proceso de recuperacion de tension negativa de acuerdo con una segunda realizacion;
La Figura 14 es un grafico de ilustracion de un proceso de restriccion de corriente de acuerdo con la segunda realizacion;
La Figura 15 es una vista esquematica que muestra la configuracion electrica de un sistema de pila de combustible de acuerdo con una tercera realizacion;
La Figura 16 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento de un proceso de recuperacion de tension negativa de acuerdo con una tercera realizacion;
La Figura 17 es un grafico que muestra una modification de una amplitud de funcionamiento aceptable resultante de una modificacion en el estado de humedad en el interior de la pila de combustible de acuerdo con la tercera realizacion;
La Figura 18 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento de un proceso de modificacion de amplitud aceptable de acuerdo con la tercera realizacion;
La Figura 19 es un grafico que muestra un ejemplo de un mapa de determination de humedad empleado para determinar una humedad diana en el interior de la pila de combustible de acuerdo con la tercera realizacion;
La Figura 20A, la Figura 20B, y la Figura 20C son graficos de ilustracion de un proceso de determinacion que determina una humedad diana en el interior de la pila de combustible empleando un mapa de determinacion de humedad y un proceso de modificacion que modifica un mapa de amplitud aceptable de acuerdo con la tercera realizacion;
La Figura 21A y la Figura 21B son graficos de ilustracion de un proceso de modificacion de amplitud aceptable en un sistema de pila de combustible de acuerdo con una cuarta realizacion;
La Figura 22 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento de un proceso de recuperacion de tension negativa de acuerdo con una quinta realizacion;
La Figura 23 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento de un proceso de control de fluido refrigerante de acuerdo con la quinta realizacion;
La Figura 24 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento de un proceso de recuperacion de tension negativa de acuerdo con una sexta realizacion;
La Figura 25A y la Figura 25B son diagramas de flujo que muestran respectivamente un primer y un segundo proceso de control de fluido refrigerante de acuerdo con la sexta realizacion; y
La Figura 26A y la Figura 26B son graficos de ilustracion de una modificacion en el tiempo de la temperatura de la pila de una pila de tension negativa en un entorno de baja temperatura de acuerdo con los ejemplos de referencia de la invention.
Description detallada de las realizaciones
La Fig. 1 es una vista esquematica que muestra la configuracion de un sistema de pila de combustible de acuerdo con una primera realizacion de la invencion. El sistema 100 de pilas de combustible incluye una pila de combustible 10, una unidad de control 20, una unidad 30 de suministro de gas catodico, una unidad 40 de escape de gas catodico, una unidad 50 de suministro de gas anodico, una unidad 60 de escape de circulacion de gas anodico y una unidad 70 de suministro de fluido refrigerante.
La pila de combustible 10 es una pila de combustible de electrolito polimerico que recibe hidrogeno (gas anodico) y aire (gas catodico) como gases de reaction para generar energla electrica. La pila de combustible 10 posee una estructura de pila en la que se apilan una pluralidad de elementos 11 de generacion de energla llamados pilas unitarias. Cada elemento 11 de generacion de energla incluye un conjunto de electrodos de membrana (no se muestra) y dos separadores (no se muestran). El conjunto de electrodos de membrana es el elemento de generacion de energla en el que los electrodos se disponen en ambas superficies de una membrana electrolltica. Los dos separadores se intercalan en el conjunto de electrodos de membrana.
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En este caso, la membrana electrolltica puede estar formada por una fina pellcula polimerica solida que exhibe una conductividad favorable del proton en un estado humedo. Ademas, cada electrodo puede estar formado por un carbono (C). Tenga en cuenta que una superficie del electrodo, orientada hacia la membrana electrolltica, soporta un catalizador (por ejemplo, platino (Pt)) para facilitar la reaccion de generacion de energla. Se proporcionan colectores (no se muestran) para gases de reaccion y fluido refrigerante para cada elemento 11 de generacion de energla. Los gases de reaccion en los colectores se suministran a la seccion de generacion de energla de cada elemento 11 de generacion de energla a traves de los respectivos pasos de flujo de gas proporcionados para cada elemento 11 de generacion de energla.
La unidad de control 20 esta formada por un microordenador que incluye una unidad central de procesamiento y un almacenamiento principal. La unidad de control 20 acepta una peticion de energla de salida procedente de una carga externa 200. En respuesta a la peticion, la unidad de control 20 controla unidades estructurales del sistema 100 de pilas de combustible descrito a continuacion para llevar a la pila de combustible 10 a generar energla electrica.
La unidad 30 de suministro de gas catodico incluye un conducto 31 de gas catodico, un compresor de aire 32, un caudallmetro 33, una valvula de activacion-desactivacion 34 y una unidad de humidificacion 35. El conducto 31 de gas catodico esta conectado al catodo de la pila de combustible 10. El compresor de aire 32 esta conectado a la pila de combustible 10 a traves del conducto 31 de gas catodico. El compresor de aire 32 recibe y comprime el aire exterior, y suministra el aire comprimido a la pila de combustible 10 como gas catodico.
El caudallmetro 33 mide el caudal del aire exterior recogido por el compresor de aire 32 en una seccion aguas arriba del compresor de aire 32, y luego transmite el caudal medido a la unidad de control 20. La unidad de control 20 acciona el compresor de aire 32 basandose en el caudal medido para controlar la cantidad de aire suministrado a la pila de combustible 10.
La valvula de activacion-desactivacion 34 se proporciona entre el compresor de aire 32 y la pila de combustible 10. La valvula de activacion-desactivacion 34 se abre o cierra en respuesta al flujo de aire suministrado en el conducto 31 de gas catodico. Concretamente, la valvula de activacion-desactivacion 34 se encuentra normalmente cerrada, y se abre cuando el aire con una presion predeterminada se suministra desde el compresor de aire 32 al conducto 31 de gas catodico.
La unidad de humidificacion 35 humidifica el aire de alta presion bombeado desde el compresor de aire 32. A fin de mantener un estado humedo de las membranas electrollticas para obtener una conductividad favorable del proton, la unidad de control 20 emplea la unidad de humidificacion 35 para controlar la cantidad de humidificacion de aire suministrado a la pila de combustible 10 para regular as! el estado humedo en el interior de la pila de combustible 10.
La unidad 40 de escape de gas catodico incluye un conducto 41 de gas de escape catodico, una valvula 43 de regulacion de presion y una unidad 44 de medicion de presion. El conducto 41 de gas de escape catodico se conecta al catodo de la pila de combustible 10, y expulsa el gas de escape catodico hacia el exterior del sistema 100 de pilas de combustible. La valvula 43 de regulacion de presion regula la presion del gas de escape catodico (contrapresion de la pila de combustible 10) en el conducto 41 de gas de escape catodico. La unidad 44 de medicion de presion se proporciona en una seccion aguas arriba de la valvula 43 de regulacion de presion. La unidad 44 de medicion de presion mide la presion del gas de escape catodico, y luego transmite la presion medida a la unidad de control 20. La unidad de control 20 regula el grado de apertura de la valvula 43 de regulacion de presion basandose en la presion medida por la unidad 44 de medicion de presion.
La unidad 50 de suministro de gas anodico incluye un conducto 51 de gas anodico, un deposito de hidrogeno 52, una valvula de activacion-desactivacion 53, un regulador 54, un inyector 55 y dos unidades 56u y 56d de medicion de presion. El deposito de hidrogeno 52 se conecta al anodo de la pila de combustible 10 a traves del conducto 51 de gas anodico, y suministra hidrogeno llenado en el deposito a la pila de combustible 10. Tenga en cuenta que el sistema 100 de pilas de combustible puede incluir una unidad de reformacion en lugar del deposito de hidrogeno 52 como fuente de suministro de hidrogeno. La unidad de reformacion reforma el combustible basado en hidrocarburos para producir hidrogeno.
La valvula de activacion-desactivacion 53, el regulador 54, la primera unidad 56u de medicion de presion, el inyector 55 y la segunda unidad 56d de medicion de presion se proporcionan en el conducto 51 de gas anodico desde el lateral aguas arriba (lateral adyacente al deposito de hidrogeno 52) en el orden especificado. La valvula de activacion-desactivacion 53 se abre o cierra en respuesta a una senal de control procedente de la unidad de control 20. La valvula de activacion-desactivacion 53 controla el flujo de hidrogeno desde el deposito de hidrogeno 52 hacia el lateral aguas arriba del inyector 55. El regulador 54 es una valvula de reduccion de presion que regula la presion del hidrogeno en una seccion aguas arriba del inyector 55. El grado de apertura del regulador 54 se controla por la unidad de control 20.
El inyector 55 es una valvula de activacion-desactivacion accionada electromagneticamente cuyo elemento de la
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valvula se acciona electromagneticamente de acuerdo con un intervalo de accionamiento o una duracion de apertura de la valvula establecido por la unidad de control 20. La unidad de control 20 controla el intervalo de accionamiento o la duracion de apertura de la valvula del inyector 55 para controlar la cantidad de hidrogeno suministrado a la pila de combustible 10. La primera y segunda unidades 56u y 56d de medicion de presion miden respectivamente la presion de hidrogeno en una seccion aguas arriba del inyector 55 y la presion de hidrogeno en una seccion aguas abajo del inyector 55, y luego transmiten las presiones medidas a la unidad de control 20. La unidad de control 20 emplea estas presiones medidas para determinar el intervalo de accionamiento o la duracion de apertura de la valvula del inyector 55.
La unidad 60 de escape de circulacion de gas anodico incluye un conducto 61 de gas de escape anodico, una unidad 62 de separacion de gas-llquido, un conducto 63 de circulacion de gas anodico, una bomba 64 de circulacion de hidrogeno, un conducto 65 de drenaje anodico y una valvula de drenaje 66. El conducto 61 de gas de escape anodico conecta la salida del anodo de la pila de combustible 10 a la unidad 62 de separacion de gas-llquido. El conducto 61 de gas de escape anodico conduce gas de escape anodico que incluye gas sin reaccionar (hidrogeno, nitrogeno, y similares) que no se emplea en la reaccion de generacion de energla a la unidad 62 de separacion de gas-llquido.
La unidad 62 de separacion de gas-llquido se conecta al conducto 63 de circulacion de gas anodico y al conducto 65 de drenaje anodico. La unidad 62 de separacion de gas-llquido separa los componentes gaseosos y el contenido en agua incluidos en el gas de escape anodico. La unidad 62 de separacion de gas-llquido conduce los componentes gaseosos al conducto 63 de circulacion de gas anodico, y conduce el contenido en agua al conducto 65 de drenaje anodico.
El conducto 63 de circulacion de gas anodico se conecta al conducto 51 de gas anodico en una seccion aguas abajo del inyector 55. La bomba 64 de circulacion de hidrogeno se proporciona en el conducto 63 de circulacion de gas anodico. El hidrogeno contenido en los componentes gaseosos separados por la unidad 62 de separacion de gas- llquido se bombea al conducto 51 de gas anodico por medio de la bomba 64 de circulacion de hidrogeno. De esta manera, en el sistema 100 de pilas de combustible, el hidrogeno contenido en el gas de escape anodico se circula y suministra de nuevo a la pila de combustible 10, para mejorar as! la eficiencia en la utilizacion del hidrogeno.
El conducto 65 de drenaje anodico se emplea para drenar el contenido en agua separado por la unidad 62 de separacion de gas-llquido fuera del sistema 100 de pilas de combustible. La valvula de drenaje 66 se proporciona en el conducto 65 de drenaje anodico. La valvula de drenaje 66 se abre o cierra en respuesta a una senal de control procedente de la unidad de control 20. La unidad de control 20 cierra en general la valvula de drenaje 66 durante el funcionamiento del sistema 100 de pilas de combustible, y abre la valvula de drenaje 66 en un tiempo de drenaje predeterminado establecido previamente o en un momento en el que se expulsa el gas inerte incluido en el gas de escape anodico.
La unidad 70 de suministro de fluido refrigerante incluye un conducto 71 de fluido refrigerante, un radiador 72, una bomba 73 de circulacion de fluido refrigerante y dos unidades 74 y 75 de medicion de temperatura de fluido refrigerante. El conducto 71 de fluido refrigerante conecta un colector de admision de fluido refrigerante a un colector de salida de fluido refrigerante. El colector de admision de fluido refrigerante y el colector de salida de fluido refrigerante se proporcionan en la pila de combustible 10. El conducto 71 de fluido refrigerante circula el fluido refrigerante para enfriar la pila de combustible 10. El radiador 72 se proporciona en el conducto 71 de fluido refrigerante. El radiador 72 intercambia calor entre el fluido refrigerante que fluye en el conducto 71 de fluido refrigerante y el aire exterior para enfriar de este modo el fluido refrigerante.
La bomba 73 de circulacion de fluido refrigerante se proporciona en el conducto 71 de fluido refrigerante en una seccion aguas abajo del radiador 72 (adyacente a la entrada de fluido refrigerante de la pila de combustible 10). La bomba 73 de circulacion de fluido refrigerante bombea el fluido refrigerante enfriado por el radiador 72 a la pila de combustible 10. Las dos unidades 74 y 75 de medicion de temperatura de fluido refrigerante se proporcionan respectivamente cercanas a la salida de fluido refrigerante de la pila de combustible 10 y cercanas a la entrada de fluido refrigerante de la pila de combustible 10 en el conducto 71 de fluido refrigerante. Las dos unidades 74 y 75 de medicion de temperatura de fluido refrigerante transmiten respectivamente las temperaturas medidas a la unidad de control 20. La unidad de control 20 detecta la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 a partir de una diferencia entre las temperaturas respectivas medidas por las dos unidades 74 y 75 de medicion de temperatura de fluido refrigerante, y, a continuacion, controla la cantidad de fluido refrigerante bombeado por la bomba 73 de circulacion de fluido refrigerante basandose en la temperatura de funcionamiento detectada para regular de este modo la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10.
La Fig. 2 es una vista esquematica que muestra la configuracion electrica del sistema 100 de pilas de combustible. El sistema 100 de pilas de combustible incluye una baterla secundaria 81, un convertidor de CC/CC 82 y un inversor de CC/CA 83. Ademas, el sistema 100 de pilas de combustible Incluye una unidad 91 de medicion de tension de pila, una unidad 92 de medicion de corriente, una unidad 93 de medicion de impedancia, y una unidad 94 de deteccion de un estado de carga.
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La pila de combustible 10 se conecta al inversor de CC/CA 83 a traves de una ilnea de alimentacion electrica en corriente continua LCC. La baterla secundaria 81 se conecta a la llnea de alimentacion electrica en corriente continua LCC a traves del convertidor de CC/CC 82. El inversor de CC/CA 83 se conecta a la carga externa 200. Tenga en cuenta que, en el sistema 100 de pilas de combustible, parte de la salida de energla electrica de la pila de combustible 10 y la baterla secundaria 81 se emplea para accionar los auxiliares que constituyen el sistema 100 de pilas de combustible; no obstante, no se muestra el cableado de los auxiliares, y se omite su descripcion.
La baterla secundaria 81 funciona como una alimentacion electrica auxiliar de la pila de combustible 10. La baterla secundaria 81, por ejemplo, puede formarse por una baterla de iones litio cargable y descargable. El convertidor de CC/CC 82 funciona como una unidad de control de carga/descarga que controla la carga/descarga de la baterla secundaria 81. El convertidor de CC/CC 82 regula de forma variable el nivel de tension de la llnea de alimentacion electrica en corriente continua LCC en respuesta a una senal de control procedente de la unidad de control 20. Si la salida de energla electrica de la pila de combustible 10 es insuficiente para una peticion de salida procedente de la carga externa 200, la unidad de control 20 ordena al convertidor de CC/CC 82 que descargue la baterla secundaria 81 a fin de compensar la energla electrica insuficiente.
El inversor de CC/CA 83 convierte la energla electrica de corriente continua obtenida de la pila de combustible 10 y de la baterla secundaria 81 a energla electrica de corriente alterna, y suministra entonces la energla electrica de corriente alterna a la carga externa 200. Tenga en cuenta que, cuando se genera energla electrica regenerativa en la carga externa 200, la energla electrica regenerativa se convierte en energla electrica de corriente continua por el inversor de CC/CA 83 y, a continuation, la baterla secundaria 81 se carga con la energla electrica de corriente continua por medio del convertidor de CC/CC 82.
La unidad 91 de medicion de tension de pila se conecta a cada elemento 11 de generation de energla de la pila de combustible 10 para medir la tension (tension de pila) de cada elemento 11 de generacion de energla. La unidad 91 de medicion de tension de pila transmite las tensiones de pila medidas a la unidad de control 20. Tenga en cuenta que la unidad 91 de medicion de tension de pila puede transmitir unicamente a la unidad de control 20 la tension menor de pila entre las tensiones de pila medidas.
La unidad 92 de medicion de corriente se conecta a la llnea de alimentacion electrica en corriente continua LCC. La unidad 92 de medicion de corriente mide la salida de corriente de la pila de combustible 10, y luego transmite la corriente medida a la unidad de control 20. La unidad 94 de detection de estado de carga se conecta a la baterla secundaria 81. La unidad 94 de deteccion de estado de carga detecta el estado de carga (EDC) de la baterla secundaria 81 y, a continuacion, transmite el EDC detectado a la unidad de control 20.
La unidad 93 de medicion de impedancia se conecta a la pila de combustible 10. La unidad 93 de medicion de impedancia aplica una corriente alterna a la pila de combustible 10 para medir as! la impedancia de la pila de combustible 10. En este caso, se sabe que la impedancia de la pila de combustible 10 varla con la cantidad de contenido en agua presente en el interior de la pila de combustible 10. Es decir, la correlation entre la impedancia de la pila de combustible 10 y la cantidad de contenido en agua (humedad) en el interior de la pila de combustible 10 se adquiere previamente, y entonces se mide la impedancia de la pila de combustible 10 que permitira obtener as! la cantidad de contenido en agua (humedad) en el interior de la pila de combustible 10.
A proposito, en el sistema 100 de pilas de combustible de acuerdo con la primera realization, la unidad de control 20 tambien funciona como una unidad 21 de medicion del valor de corriente acumulado. La unidad 21 de medicion del valor de corriente acumulado integra la salida de corriente de la pila de combustible 10, medida por la unidad 92 de medicion de corriente, con respecto al tiempo durante un periodo predeterminado para calcular de ese modo un valor de corriente acumulado que indica la salida de carga electrica de la pila de combustible 10. La unidad de control 20 emplea el valor de corriente acumulado para ejecutar el proceso de restriction de corriente de supresion del deterioro en el rendimiento de generacion de energla de los elementos 11 de generacion de energla, y su descripcion detallada se describira mas adelante.
La Fig. 3A y la Fig. 3B son graficos de ilustracion del control de salida en la pila de combustible 10 del sistema 100 de pilas de combustible. La Fig. 3A es un grafico que muestra las caracterlsticas W-I de la pila de combustible 10, en la cual el eje de ordenadas representa la energla electrica de la pila de combustible 10 y el eje de abscisas representa la corriente de la pila de combustible 10. En general, se muestran las caracterlsticas W-I de la pila de combustible mediante una curva convexa ascendente.
La Fig. 3B es un grafico que muestra las caracterlsticas V-I de la pila de combustible 10, en la cual el eje de ordenadas representa la tension de la pila de combustible 10 y el eje de abscisas representa la corriente de la pila de combustible 10. En general, se muestran las caracterlsticas V-I de la pila de combustible mediante una curva sigmoide horizontal que desciende con un aumento en la corriente. Tenga en cuenta que, en la Fig. 3A y en la Fig. 3B, los ejes de abscisas de los respectivos graficos corresponden entre si.
La unidad de control 20 memoriza previamente estas caracterlsticas W-I y caracterlsticas V-I de la pila de combustible 10. La unidad 20 de control emplea las caracterlsticas W-I para adquirir una corriente diana It que debe
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producirse por la pila de combustible 10 para una energla electrica Pt requerida para la carga externa 200. Ademas, la unidad de control 20 emplea las caracterlsticas V-I para determinar una tension diana Vt de la pila de combustible 10 para producir la corriente diana It obtenida a partir de las caracterlsticas W-I. La unidad de control 20 establece la tension diana Vt en el convertidor de CC/CC 82 para llevar al convertidor de CC/CC 82 a regular la tension de la llnea de alimentacion electrica en corriente continua LCC.
A proposito, como se ha descrito previamente, en la pila de combustible 10, los gases de reaccion fluyen desde los colectores hacia los pasos de flujo de gas de cada elemento 11 de generacion de energla. No obstante, los pasos de flujo de gas de cada elemento 11 de generacion de energla pueden bloquearse posiblemente por el contenido en agua, o similares, producido en la pila de combustible 10. Si se lleva a la pila de combustible 10 a continuar la generacion de energla en un estado en el que se bloquean los pasos de gas de parte de los elementos 11 de generacion de energla, la reaccion de generacion de energla se suprime debido a un suministro insuficiente de gases de reaccion en la parte de los elementos 11 de generacion de energla. Por otra parte, los otros elementos 11 de generacion de energla continuan la generacion de energla, de modo que la parte de los elementos 11 de generacion de energla actua como resistencia en la pila de combustible 10 para generar de este modo una tension negativa. En lo sucesivo, en la memoria descriptiva, el elemento 11 de generacion de energla en el que se genera una tension negativa se denomina "pila 11 de tension negativa".
Se sabe que, a medida que el estado de tension negativa de cada pila 11 de tension negativa continua, la degradation de los electrodos de cada pila 11 de tension negativa avanza y, a continuation, el rendimiento en la generacion de energla de la pila de combustible 10 se deteriora. En este caso, la tension negativa se produce debido a un suministro deficiente de hidrogeno que se produce a traves de la inhibition del suministro de hidrogeno al anodo o debido al suministro deficiente de oxlgeno que se produce a traves de la inhibicion del suministro de oxlgeno al catodo. En el caso de ocurrencia de tension negativa debida a un suministro deficiente de hidrogeno al anodo, el rendimiento de la pila de combustible 10 se deteriora como se indica a continuacion en funcion del nivel de tension negativa.
La Fig. 4A a la Fig. 4C son graficos de ilustracion del deterioro en el rendimiento de la pila de combustible 10 debido a la tension negativa generada por el suministro deficiente de hidrogeno en uno cualquiera de los elementos 11 de generacion de energla. La Fig. 4A es un grafico que muestra una variation en la tension de pila cuando se genera una tension negativa en uno cualquiera de los elementos 11 de generacion de energla. En el grafico de la Fig. 4A, el eje de ordenadas representa la tension de pila y el eje de abscisas representa el tiempo.
En el grafico, la tension negativa se produce en un momento, y la tension de pila desciende de manera sustancial verticalmente a la tension T1. Posteriormente, la tension de pila se mantiene constante en torno a la tension T1, desciende de manera sustancial verticalmente a la tension T2 de nuevo en un momento ti, y se mantiene entonces sustancialmente constante en la tension T2. De esta manera, el nivel de tension negativa que se genera a traves de un suministro deficiente de hidrogeno disminuye en dos etapas de manera sustancialmente escalonada en un lapso de tiempo.
En este caso, en el anodo de cada pila 11 de tension negativa, se producen protones mediante la siguiente reaccion qulmica que compensan el suministro deficiente de hidrogeno. Es decir, los protones se producen por reaccion de division de agua expresada por la siguiente formula de reaccion (1) cada cierto tiempo t1, y los protones se producen por reaccion de oxidation de carbono que constituye el electrodo (anodo), expresado por la siguiente formula de reaccion (2), transcurrido el tiempo t2.
2H2O ^ O2 + 4H+ + e" (1)
C + 2H2O ^ CO2 + 4H+ + 4e" (2)
La Fig. 4B muestra un grafico que muestra el rendimiento de generacion de energla de cada pila 11 de tension negativa cada cierto tiempo t1. La Fig. 4C muestra un grafico que muestra el rendimiento de generacion de energla de cada pila 11 de tension negativa transcurrido el tiempo t1. La Fig. 4B y la Fig. 4C incluyen cada una un grafico Gi-v que muestra las caracterlsticas I-V de cada pila 11 de tension negativa, en la que el eje de abscisas representa la densidad de corriente y el eje de ordenadas representa la tension de pila, y un grafico Gi-r muestra las caracterlsticas I-R de cada pila 11 de tension negativa, en la que el eje de abscisas representa la densidad de corriente y el eje de ordenadas representa la resistencia. Tenga en cuenta que, para mostrar modificaciones de las caracterlsticas, en la Fig. 4C, los graficos Gi-v y Gi-r mostrados en la Fig. 4B se indican por las llneas discontinuas, y se muestran las flechas que indican las direcciones en las que se desplazan los respectivos graficos.
De esta manera, si se produce una reaccion de division de agua en el anodo de cada pila 11 de tension negativa, como en el caso cada cierto tiempo t1, el deterioro en el rendimiento de generacion de energla de la pila de combustible 10 se suprime de manera relevante (Fig. 4B). Tenga en cuenta que, en el caso de la Fig. 4b, las caracterlsticas I-V de cada elemento 11 de generacion de energla en el que no se genera tension negativa coinciden sustancialmente con las caracterlsticas I-V de cada pila 11 de tension negativa. Por otra parte, si se produce una reaccion de oxidacion de carbono en el anodo de cada pila 11 de tension negativa, como en el caso transcurrido el
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tiempo ti, las caracterlsticas I-V de cada pila 11 de tension negativa disminuyen, y la resistencia interna de cada pila 11 de tension negativa aumenta (Fig. 4C). Tenga en cuenta que el rendimiento de generacion de energla de la pila de combustible 10 se deteriora debido al deterioro en el rendimiento de cada pila 11 de tension negativa. Ademas, si el carbono del electrodo se oxida, como en el caso transcurrido el tiempo ti, es diflcil recuperar el rendimiento de generacion de energla de cada pila 11 de tension negativa incluso despues de reiniciar la pila de combustible 10.
En lo sucesivo, en la memoria descriptiva, el nivel de tension negativa en el cual puede continuar la generacion de energla mientras se suprime el deterioro del rendimiento de generacion de energla de la pila de combustible 10 a traves de la reaccion de division de agua en el anodo de cada pila 11 de tension negativa, como en el caso cada cierto tiempo t1 se denomina "nivel aceptable de generacion de energla". Ademas, el nivel de tension negativa en el que la degradacion del electrodo de cada pila 11 de tension negativa se produce y el rendimiento de generacion de energla de la pila de combustible 10 se deteriora, como en el caso transcurrido el tiempo t1 se denomina "nivel de deterioro del rendimiento".
En el sistema 100 de pilas de combustible de acuerdo con la primera realization, cuando se ha detectado una tension negativa en uno cualquiera de los elementos 11 de generacion de energla de la pila de combustible 10, el estado de tension negativa se recupera por el proceso de recuperacion de tension negativa descrito a continuacion. Tenga en cuenta que, en el proceso de recuperation de tension negativa, cuando se determina que la tension negativa se debe a un suministro deficiente de hidrogeno, se ejecuta un control de salida que suprime el nivel de tension negativa de alcanzar el nivel de deterioro de rendimiento para recuperarse as! de la tension negativa mientras se evita la degradacion del electrodo de la pila 11 de tension negativa.
La Fig. 5 es un diagrama de flujo de ilustracion del procedimiento del proceso de recuperacion de tension negativa ejecutado por la unidad de control 20. Una vez iniciado el funcionamiento normal de la pila de combustible 10 (etapa E5), cuando se ha detectado una tension negativa en al menos uno de los elementos 11 de generacion de energla por la unidad 91 de medicion de tension de pila, la unidad de control 20 inicia el proceso en la etapa E20 y en las etapas siguientes (etapa E10). En la etapa e20, la unidad de control 20 lleva a la unidad 21 de medicion de valor de corriente acumulado a iniciar la medicion de un valor de corriente acumulado empleado en un proceso de restriction de corriente (descrito mas adelante).
En este caso, en la etapa en la que se ha detectado tension negativa en la etapa E10, no se determina si el motivo por el que se genera una tension negativa se debe al suministro deficiente de hidrogeno en el anodo o se debe al suministro deficiente de oxlgeno en el catodo. A continuation, en la etapa E30, la unidad de control 20 aumenta inicialmente la velocidad de rotation del compresor de aire 32 para aumentar la cantidad de aire suministrado a la cela de combustible 10. Si se genera una tension negativa debido al suministro deficiente de oxlgeno en el catodo, este funcionamiento elimina el suministro de aire insuficiente y depura tambien el contenido en agua que bloquea el paso de flujo de gas del lateral del catodo para poder eliminar el bloqueo.
Si la tension de la pila 11 de tension negativa aumenta despues de incrementar la cantidad de aire suministrado, la unidad de control 20 determina que la pila 11 de tension negativa se ha recuperado de la tension negativa y as! pues regresa al control de funcionamiento normal en la pila de combustible 10 (etapa E40). Por otra parte, si la pila 11 de tension negativa no se ha recuperado de la tension negativa incluso con un aumento en la cantidad de aire suministrado, la unidad de control 20 determina que el motivo por el que se genera la tension negativa se debe a un suministro deficiente de hidrogeno, y luego Inicia el proceso de restriccion de corriente para evitar la degradacion del electrodo y el deterioro en el rendimiento de generacion de energla en la etapa E50, y en las siguientes etapas.
En la etapa E50, la unidad de control 20 adquiere el valor de corriente acumulado de la unidad 21 de medicion del valor de corriente acumulado basandose en la salida de corriente de la pila de combustible 10 en un periodo durante el cual se genera una tension negativa. En las etapas E60 y E70, la unidad de control 20 emplea el valor de corriente acumulado adquirido en la etapa E50 para obtener un llmite de salida de energla electrica de la pila de combustible 10, y luego lleva a la pila de combustible 10 a producir energla electrica en la amplitud limitada. Al hacer esto, se suprimen la degradacion del electrodo de cada pila 11 de tension negativa y el deterioro en el rendimiento de generacion de energla de la pila de combustible 10. En este caso, antes de que se describan los funcionamientos detallados especlficos en las etapas E60 y E70, se describira la correlation entre el valor de corriente acumulado y el llmite de salida de energla electrica de la pila de combustible 10 para evitar la oxidation del electrodo y el deterioro en el rendimiento de generacion de energla debido a la tension negativa, que se obtuvo mediante el experimento de los inventores de la invention.
La Fig. 6 es un grafico que muestra los resultados del experimento llevado a cabo por los inventores de la invencion con el fin de investigar el momento en el que ocurre la transition de la tension negativa desde el nivel aceptable de generacion de energla al nivel de deterioro en el rendimiento. En el experimento, para uno de los elementos 11 de generacion de energla seleccionados, en un estado en el que el paso de flujo de gas del lateral anodico esta bloqueado, la generacion de energla que lleva a la pila de combustible 10 a producir una corriente constante en caudales constantes de gases de reaccion a una temperatura de funcionamiento constante se realizo de forma intermitente cinco veces en un intervalo temporal constante. El grafico de la Fig. 6 muestra una variation en el tiempo extra de tension negativa para cada cambio de generacion de energla.
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Durante la primera a tercera generacion de energla, el tiempo de medicion finalizo antes de que la tension negativa alcanzase el nivel aceptable de generacion de energla. No obstante, durante la cuarta generacion de energla, la tension de pila disminuyo hasta el nivel de deterioro en el rendimiento en curso de medicion. A continuacion, durante la quinta generacion de energla, la tension de pila disminuyo hasta el nivel de deterioro en el rendimiento inmediatamente despues de iniciar la generacion de energla.
Los inventores de la invention repitieron un experimento similar con una salida de corriente diferente de la pila de combustible 10, y hallaron que un tiempo acumulado que tiene lugar en la transition de la tension negativa desde el nivel aceptable de generacion de energla al nivel de deterioro en el rendimiento es sustancialmente constante para cada densidad de corriente incluso cuando se repite una detention y un reinicio de la generacion de energla despues de generar una tension negativa. Esto es atribuible probablemente a que una pellcula de oxidation formada en el anodo de la pila 11 de tension negativa a traves de la reaction de division de agua es lo bastante fuerte como para permanecer incluso cuando se detiene la generacion de energla.
Entonces, se entiende que la carga electrica que puede producirse durante un periodo desde que se produce la tension negativa hasta cuando la tension negativa alcanza el nivel de deterioro en el rendimiento, es sustancialmente constante para cada densidad de corriente y la salida de carga electrica durante ese periodo permanece como el historial de generacion de energla durante ese tiempo. A traves de estos hallazgos, los inventores de la invencion descubrieron que la condicion de funcionamiento que es aceptable para la pila de combustible 10 antes de que tenga lugar la transicion de la tension negativa al nivel de deterioro en el rendimiento puede definirse por la densidad de corriente de la pila de combustible 10 en un periodo durante el cual se genera una tension negativa del nivel aceptable de generacion de energla y el valor de corriente acumulado de la pila de combustible 10 durante ese tiempo.
La Fig. 7 es un grafico que muestra el resultado del experimento llevado a cabo por los inventores de la invencion con el fin de definir la condition de funcionamiento aceptable para la pila de combustible 10 en un periodo durante el cual se genera una tension negativa del nivel aceptable de generacion de energla. En este experimento, se bloqueo el paso de flujo de gas del lateral anodico de uno cualquiera de los elementos 11 de generacion de energla, y luego se midio el valor de corriente acumulado cuando se lleva a la pila de combustible 10 a continuar la generacion de energla desde cuando se produce una tension negativa hasta cuando una tension negativa alcanza el nivel de deterioro en el rendimiento. A continuacion, se midio varias veces el valor de corriente acumulado con una densidad de corriente diferente de la pila de combustible 10 para obtener el valor de corriente acumulado para cada densidad de corriente. Tenga en cuenta que, en este experimento, los caudales de los gases de reaccion suministrados a la pila de combustible 10 y la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 eran constantes.
La Fig. 7 es un grafico que se obtiene de manera tal que el eje de ordenadas representa un valor de corriente acumulado, el eje de abscisas representa una densidad de corriente, y se representan los resultados medidos del experimento anterior. De esta manera, la correlation entre las densidades de corriente de la pila de combustible 10 en un periodo durante el cual se genera una tension negativa del nivel aceptable de generacion de energla y los valores de corriente acumulados aceptables para la pila de combustible 10 durante ese tiempo se muestran por una curva de calda convexa descendente. Es decir, a medida que se incrementa la densidad de corriente de la pila de combustible 10 en el periodo durante el cual se genera una tension negativa del nivel aceptable de generacion de energla (en lo sucesivo, tambien denominado "periodo aceptable de generacion de energla"), el valor de corriente acumulado para la pila de combustible 10 durante ese tiempo se reduce. El valor corriente acumulado se reduce sustancialmente de forma exponencial a medida que la densidad de corriente aumenta.
En este caso, en la Fig. 7, la amplitud sombreada por debajo de la curva convexa descendente puede entenderse como una amplitud que incluye una combination de la densidad de corriente y el valor de corriente acumulado aceptables para la pila de combustible 10 durante el periodo aceptable de generacion de energla. En lo sucesivo, esta amplitud se denomina "amplitud aceptable de funcionamiento". Es decir, en el caso en el que se genere una tension negativa debido a un suministro deficiente de hidrogeno, cuando se lleva a la pila de combustible 10 a producir una combinacion de la densidad de corriente y el valor de corriente acumulado que cae en la amplitud de funcionamiento, es posible para la pila 10 continuar la generacion de energla mientras se evita que la tension negativa alcance el nivel de deterioro en el rendimiento. Tenga en cuenta que, como puede entenderse por el hecho de que el eje de ordenadas del grafico es un valor de corriente acumulado, la amplitud de funcionamiento aceptable se reduce con un aumento en la duration de generacion de energla de la pila de combustible 10 despues de que se produzca una tension negativa.
En el sistema 100 de pilas de combustible de acuerdo con la primera realization, la unidad de control 20 memoriza previamente la correlacion entre los valores de corriente acumulados aceptables para la pila de combustible 10 y las densidades de corriente aceptables para la pila de combustible 10 en un periodo durante el cual se genera una tension negativa, mostrado por el grafico de la Fig. 7, como un mapa. A continuacion, el mapa (en lo sucesivo, referido como "mapa de amplitud aceptable") se emplea para ejecutar el proceso de restriction de corriente en las etapas E60 y E70 (Fig. 5).
La Fig. 8A a la Fig. 8C son graficos esquematicos de ilustracion de los procesos en las etapas E60 y E70. En la Fig.
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8A a la Fig. 8C, el mapa de amplitud aceptable Mpa se muestra por el grafico cuyo eje de ordenadas representa un valor de corriente acumulado y el eje de abscisas representa una densidad de corriente. En los graficos de los mapas de amplitud aceptables Mpa de la Fig. 8A y la Fig. 8B, se sombrea la amplitud de funcionamiento aceptable. En este caso, en el sistema 100 de pilas de combustible de acuerdo con la primera realizacion, se establece una densidad de corriente llmite inferior ilim (tambien referida como "densidad de corriente minima ilim") que debe producirse por la pila de combustible 10 para que la unidad de control 20 continue el funcionamiento del sistema 100 de pilas de combustible. Por lo tanto, la amplitud igual o inferior a la densidad de corriente minima ilim no se incluye en la amplitud de funcionamiento aceptable.
En la etapa E60, la unidad de control 20 adquiere una densidad de corriente h para un valor de corriente acumulado Qe1 adquirido por la unidad 21 de medicion de valor de corriente acumulado (Fig. 8A). En lo sucesivo, la densidad de corriente adquirida empleando el mapa de amplitud aceptable Mpa tambien se denomina "densidad de corriente limite". Tenga en cuenta que el valor de la corriente acumulado Qe1 en este momento se obtiene basandose en la salida de corriente de la pila de combustible 10 durante los procesos de las etapas E20 a E60.
En la etapa E70, la unidad de control 20 establece la densidad de corriente limite h obtenida en la etapa E60 como una densidad de corriente que es actualmente aceptable para la pila de combustible 10, y luego se lleva a la pila de combustible 10 a generar energia electrica en una densidad de corriente i1c, (tambien referida como "densidad de corriente restringida hc") que es menor que la densidad de corriente limite h. Concretamente, la unidad de control 20 puede restar un valor preestablecido Ai de la densidad de corriente limite h para calcular la densidad de corriente restringida hc (hc = h - Ai). Tenga en cuenta que el valor preestablecido Ai puede variar en funcion de una densidad de corriente limite. Concretamente, tambien es aplicable que, a medida que se reduce la densidad de corriente limite, el valor Ai aumenta.
La amplitud de funcionamiento aceptable en el mapa de amplitud aceptable Mpa se reduce por el valor de corriente acumulado Qe1 en la direction del eje de ordenadas, de modo que, en la etapa E70, cuando se inicia la generation de energia en la densidad de corriente restringida i1c que es menor que la densidad de corriente limite i1, la salida de energia electrica de la pila de combustible 10 cae en la amplitud de funcionamiento aceptable. Por consiguiente, es posible continuar el funcionamiento de la pila de combustible 10 mientras se evita la degradation del electrodo.
En este caso, la unidad de control 20 inicia el proceso para recuperarse de un suministro deficiente de hidrogeno en la etapa E80 mientras la corriente se restringe para poder continuar el funcionamiento de la pila de combustible 10. Concretamente, es tambien aplicable que el caudal de hidrogeno suministrado a la pila de combustible 10 se aumente regulando el intervalo de accionamiento o la duration de apertura de la valvula del inyector 55, aumentando la velocidad de rotation de la bomba 64 de circulation de hidrogeno, o similares, para aumentar la presion de hidrogeno en la pila de combustible 10.
Tenga en cuenta que, cuando el sistema 100 de pilas de combustible se coloca en un entorno de baja temperatura, el paso de flujo de gas del anodo puede bloquearse por un contenido en agua congelada. Por lo tanto, en este caso, puede ejecutarse el proceso de aumento de la temperatura de la pila de combustible 10, por ejemplo, se reduce la velocidad de rotacion de la bomba 73 de circulacion de fluido refrigerante.
Despues de iniciar un proceso de recuperation de suministro deficiente de hidrogeno en la etapa E80, cuando la pila 11 de tension negativa aun no se recupera de la tension negativa, la unidad de control 20 repite de nuevo el proceso de restriction de corriente en las etapas E50 a E70 (etapa E90). En la etapa E50, al igual que en el caso previo, la unidad de control 20 adquiere un valor de corriente acumulado Qe2 basandose en la salida de corriente de la pila de combustible 10 desde cuando se ha detectado una tension negativa hasta el tiempo de corriente (etapa E50). Despues, el mapa de amplitud aceptable Mpa se emplea para adquirir una densidad de corriente limite i2 correspondiente al valor de corriente acumulado Qe2 (Fig. 8B). En la etapa E70, la unidad de control 20 lleva a la pila de combustible 10 a generar energia electrica en una densidad de corriente restringida i2c que es menor que la densidad de corriente limite i2.
La FIG. 8C es un grafico esquematico de ilustracion de una variation en la densidad de corriente limite en el proceso restrictivo de corriente. El proceso de restriccion de corriente en las etapas E50 a E80 se ejecuta reiteradamente hasta que la pila 11 de tension negativa se recupere de la tension negativa (etapa E90). Durante la repetition del proceso de restriccion de corriente, la densidad de corriente limite se reduce de manera progresiva a lo largo de la curva mostrada en el grafico (flechas en el grafico) con un aumento en el valor de corriente acumulado. Ademas, la salida de corriente de la pila de combustible 10 se reduce de manera progresiva a lo largo de la curva mostrada en el grafico, al igual que en el caso de la variacion en la densidad de corriente limite. Tenga en cuenta que, cuando la densidad de corriente restringida adquirida en la etapa E60 sea inferior o igual a la densidad de corriente minima ilim, la unidad de control 20 determina que la pila 11 de tension negativa no se ha recuperado de la tension negativa y la energia electrica minima de la pila de combustible 10 no puede obtenerse, y luego ejecuta el proceso de reinicio de la pila de combustible 10.
De esta manera, con el sistema 100 de pilas de combustible de acuerdo con la primera realizacion, cuando se determina en el proceso de recuperacion de tension negativa que el motivo por el que se genera una tension
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negativa se debe a un suministro deficiente de hidrogeno, se continua la generacion de energla mientras se suprime una disminucion de la tension negativa al nivel de deterioro en el rendimiento por medio del proceso de restriction de corriente. Entonces, durante el proceso de restriccion de corriente, se ejecuta el proceso de recuperation de tension negativa. Por consiguiente, es posible suprimir el deterioro en el rendimiento de generacion de energla de la pila de combustible 10 y la degradation de los electrodos de la pila de combustible 10 debido a la tension negativa.
A continuation, se describira una primera realization alternativa a la primera realization. La Fig. 9 es una vista esquematica que muestra la configuration electrica de un sistema 100a de pilas de combustible de acuerdo con la primera realizacion alternativa a la primera realizacion de la invention. La Fig. 9 es sustancialmente identica a la Fig. 2, excepto que se anade una unidad 23 de registro de valor de corriente acumulado. Tenga en cuenta que la otra configuracion del sistema 100a de pilas de combustible en este ejemplo de configuracion es similar a la del sistema 100 de pilas de combustible de acuerdo con la primera realizacion (Fig. 1). La unidad 23 de registro de valor de corriente acumulado (Fig. 9) del sistema 100a de pilas de combustible esta formada por una memoria de datos no volatil borrable y regrabable, tal como una memoria de solo lectura borrable programable (EPROM).
La FIG. 10 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento de un proceso de recuperacion de tension negativa ejecutado por el sistema 100a de pilas de combustible. La Fig. 10 es sustancialmente identica a la Fig. 5, excepto que la etapa E100 se anade despues de la etapa E90. En el sistema 100a de pilas de combustible, cuando se ha detectado una tension negativa en la pila de combustible 10, se ejecuta un proceso de recuperacion de tension negativa, al igual que en el caso del sistema 100 de pilas de combustible de acuerdo con la primera realizacion. Entonces, en el proceso de recuperacion de tension negativa, cuando se determina que el motivo por el que se genera una tension negativa se debe a un suministro deficiente de hidrogeno, se ejecuta un proceso de restriccion de corriente similar al descrito en la primera realizacion (etapas E50 a E90).
Cuando la pila 11 de tension negativa se ha recuperado de la tension negativa durante el proceso de restriccion de corriente, la unidad de control 20 registra el valor de corriente acumulado empleado en el proceso de restriccion de corriente en la unidad 23 de registro de valor de corriente acumulado (etapa E100). En este caso, se supone que la pila 11 de tension negativa se ha recuperado de la tension negativa a traves del proceso de restriccion de corriente. En tal caso tambien, a menos que se lleve a cabo el mantenimiento del elemento 11 de generacion de energla en el que se ha generado una tension negativa, se genera de nuevo una tension negativa en ese elemento 11 de generacion de energla, y entonces una amplitud de funcionamiento aceptable cuando se inicia el proceso de restriccion de corriente se encontrara en la amplitud de funcionamiento aceptable en el final del proceso de restriccion de corriente previo.
Entonces, en la etapa E100, la unidad de control 20 registra de forma no volatil el valor de corriente acumulado en la preparation para el siguiente proceso de restriccion de corriente. En este caso, la unidad de control 20 identifica los elementos 11 de generacion de energla en los que se genera una tension negativa (pilas 11 de tension negativa) en el momento en que se produce una tension negativa, y registra un valor de corriente acumulado en la unidad 23 de registro de valor acumulado para las pilas 11 de tension negativa correspondientes.
Cuando el proceso de restriccion de corriente se ejecuta de nuevo, la unidad de control 20 carga el valor de corriente acumulado que corresponde a cada pila 11 de tension negativa y que se registra en la unidad 23 de registro de valor de corriente acumulado como valor inicial del valor de corriente acumulado, y luego inicia la medicion del valor de corriente acumulado en la etapa E20. Es decir, la unidad de control 20 ejecuta el proceso de restriccion de corriente empleando un valor de corriente acumulado total que se obtiene anadiendo el valor de corriente acumulado registrado en la unidad 23 de registro de valor de corriente acumulado y un valor de corriente acumulado de salida de corriente de la pila de combustible 10 despues de reanudar el proceso de restriccion de corriente. Tenga en cuenta que, cuando se mantiene el elemento 11 de generacion de energla que provoca la generacion de tension negativa, puede inicializarse el valor de corriente acumulado del elemento 11 de generacion de energla mantenido, registrado en la unidad 23 de registro de valor de corriente acumulado.
A continuacion, se describira una segunda realizacion alternativa a la primera realizacion. La Fig. 11 es una vista esquematica que muestra la configuracion de un sistema 100b de pilas de combustible de acuerdo con la segunda realizacion alternativa a la primera realizacion de la invencion. La Fig. 11 es sustancialmente identica a la Fig. 9, excepto que se anade una unidad de advertencia 25. Tenga en cuenta que la otra configuracion del sistema 100b de pilas de combustible en este ejemplo de configuracion es similar a la del sistema 100a de pilas de combustible en la primera realizacion alternativa (Fig. 9).
La unidad de advertencia 25 (Fig. 11) del sistema 100b de pilas de combustible advierte visual o auditivamente a un usuario del sistema 100b de pilas de combustible del mantenimiento de la pila de combustible 10 en respuesta a una senal de control procedente de la unidad de control 20. La unidad de advertencia 25 puede, por ejemplo, formarse por una pantalla o una unidad emisora de luz que sea reconocible por el usuario o puede formarse por un altavoz o un indicador acustico.
La Fig. 12 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento de un proceso de recuperacion de tension negativa ejecutado por el sistema 100b de pilas de combustible. La Fig. 12 es sustancialmente identica a la Fig. 10, excepto
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que se anaden las etapas E62 y E63. En el proceso de recuperacion de tension negativa ejecutado por el sistema 100b de pilas de combustible de acuerdo con este ejemplo de configuracion, se emplea el mapa de amplitud aceptable Mpa (Fig. 8A a Fig. 8C) para obtener una densidad de corriente llmite en la etapa E60, y luego se determina en la etapa E62 si la densidad de corriente llmite es inferior o igual a un umbral predeterminado. En este caso, el umbral predeterminado puede ser, por ejemplo, una densidad de corriente requerida para obtener energla electrica mediante la cual se puede continuar el funcionamiento del sistema 100b de pilas de combustible.
Cuando se determina en la etapa E62 que la densidad de corriente llmite es inferior al umbral predeterminado, la unidad de control 20 determina que es diflcil continuar el funcionamiento del sistema 100b de pilas de combustible a menos que se lleve a cabo el mantenimiento de la pila de combustible 10, y luego lleva a la unidad de advertencia 25 a ejecutar el proceso de advertencia (etapa E63). Concretamente, en el proceso de advertencia, es aplicable que se detenga el funcionamiento del sistema 100b de pilas de combustible y entonces se informa al usuario con un mensaje que da lugar a la sustitucion de la pila 11 de tension negativa.
De este modo, se proporciona al usuario del sistema mediante la unidad de advertencia 25, con el sistema 100b de pilas de combustible de acuerdo con este ejemplo de configuracion, la informacion sobre la restriccion de la salida de energla electrica de la pila de combustible 10 y la dificultad de continuar el funcionamiento del sistema 100b de pilas de combustible en el proceso de restriccion de corriente. Por consiguiente, el usuario es capaz de conocer una situacion en la que debe llevarse a cabo el mantenimiento de la pila de combustible 10. Tenga en cuenta que es aplicable que, cuando el valor de corriente acumulado es superior o igual a un umbral predeterminado mientras se ejecuta el proceso de restriccion de corriente o cuando se registra el valor de corriente acumulado en la etapa E100, la unidad de control 20 informa al usuario de ese hecho a traves de la unidad de advertencia 25.
A continuacion, se describira una segunda realizacion. La Fig. 13 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento de un proceso de recuperacion de tension negativa de acuerdo con la segunda realizacion de la invention. La Fig. 13 es sustancialmente identica a la Fig. 5, excepto que se proporcionan las etapas E61 y E71 en lugar de las etapas E60 y E70, y se anade la etapa E91. Tenga en cuenta que la configuracion de un sistema de pila de combustible de acuerdo con la segunda realizacion es similar a la del sistema 100 de pilas de combustible descrito en la primera realizacion (Fig. 1 y Fig. 2). En el sistema de pila de combustible de acuerdo con la segunda realizacion, en las etapas E50 a E91, se obtiene un valor de corriente acumulado aceptable para la pila de combustible 10 y, a continuacion, se ejecuta el proceso de restriccion de corriente basandose en el valor de corriente acumulado.
La Fig. 14 es un grafico de ilustracion del proceso de restriccion de corriente de acuerdo con la segunda realizacion, y es un grafico que muestra un mapa de amplitud aceptable Mpa similar al descrito en la primera realizacion. En la etapa E61, la unidad de control 20 adquiere una densidad de corriente llmite h correspondiente al valor de corriente acumulado Qe1 adquirido en la etapa E50. Entonces, se determina una densidad de corriente restringida hc que es menor, por medio de un valor preestablecido, que la densidad de corriente llmite h como un valor de senal de control de salida para la pila de combustible 10, y luego se lleva a la pila de combustible 10 a generar energla electrica en la densidad de corriente restringida hc.
En la etapa E71, la unidad de control 20 emplea nuevamente el mapa de amplitud aceptable Mpa para adquirir un valor de corriente acumulado Qe2 correspondiente a la densidad de corriente restringida i1c que es un valor de senal de control para la pila de combustible 10. La unidad de control 20 establece un valor menor, por medio de un valor predeterminado, que el valor de corriente acumulado Qe2 como un valor de corriente acumulado (en lo sucesivo, tambien referido como "valor de corriente acumulado llmite") aceptable para la pila de combustible 10. A continuacion, la unidad de control 20 ejecuta un proceso de recuperacion de un suministro deficiente de hidrogeno en la etapa E80, y despues determina en la etapa E90 si la pila 11 de tension negativa se ha recuperado de la tension negativa.
Cuando la pila 11 de tension negativa se ha recuperado de la tension negativa, la unidad de control 20 reanuda el control de funcionamiento normal (etapa E5). Ademas, cuando la pila 11 de tension negativa no se recupera de la tension negativa, la unidad de control 20 adquiere un valor de corriente acumulado en un periodo durante el cual se genera una tension negativa de la unidad 21 de medicion de valor de corriente acumulado, y luego determina si el valor de corriente acumulado ha alcanzado el valor de corriente acumulado llmite adquirido en la etapa E71 (etapa E91). Cuando el valor de corriente acumulado actual no ha alcanzado el valor de corriente acumulado llmite, la unidad de control 20 repite los procesos de las etapas E80 y E90.
Cuando el valor de corriente acumulado actual ha alcanzado el valor de corriente acumulado llmite en la etapa E91, la unidad de control 20 regresa a la etapa E61 y, a continuacion, establece una densidad de corriente i2c que es menor, por medio de un valor preestablecido, que la densidad de corriente restringida hc, que se ha establecido como un valor de senal de control, al igual que un nuevo valor de senal de control para la pila de combustible 10. En la etapa E71, el mapa de amplitud aceptable Mpa se emplea para adquirir un valor de corriente acumulado Qe2 correspondiente a la densidad de corriente i2c, y luego un valor de corriente acumulado llmite se determina basandose en el valor de corriente acumulado Qe2.
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De esta manera, en el proceso de restriccion de corriente de acuerdo con la segunda realizacion, la unidad de control 20 emplea el mapa de amplitud aceptable Mpa para obtener un valor de corriente acumulado llmite correspondiente a una densidad de corriente establecida como valor de senal de control para la pila de combustible 10. A continuacion, hasta que el valor de corriente acumulado este proximo al valor de corriente acumulado llmite, se lleva a la pila de combustible 10 a continuar la generacion de energla en la densidad de corriente establecida como un valor de senal de control. Cuando el valor de corriente acumulado esta proximo al valor de corriente acumulado llmite, la unidad de control 20 disminuye la densidad de corriente que es un valor de senal de control, y adquiere de nuevo un valor de corriente acumulado llmite que corresponde al valor de senal de control disminuido, para llevar de este modo a la pila de combustible 10 a continuar la generacion de energla. Haciendo esto, como se indica por la flecha en el grafico de la Fig. 14, la densidad de corriente de la pila de combustible 10 se reduce a lo largo de la curva mostrada en el grafico de manera progresiva con un aumento en el valor de corriente acumulado.
Con el sistema de pila de combustible de acuerdo con la segunda realizacion as! como en el caso del sistema 100 de pilas de combustible de acuerdo con la primera realizacion, es posible suprimir el deterioro en el rendimiento de generacion de energla de la pila de combustible 10 y la degradacion de los electrodos de la pila de combustible 10 debido a una tension negativa. Tenga en cuenta que tambien es aplicable que la unidad de control 20 calcule una duracion de generacion de energla disponible en una densidad de corriente que es un valor de senal de control basandose en un valor de corriente acumulado llmite adquirido del mapa de amplitud aceptable Mpa, y luego controla el momento en el que la densidad de corriente, es decir, el valor de senal de control, se reduce basandose en la duracion de generacion de energla.
A continuacion, se describira una tercera realizacion. La Fig. 15 es una vista esquematica que muestra la configuracion electrica de un sistema 100B de pilas de combustible de acuerdo con la tercera realizacion de la invencion. La Fig. 15 es sustancialmente identica a la Fig. 2, excepto que se anade un conmutador de conexion- desconexion 84 en la llnea de alimentacion electrica en corriente continua LCC y se anade una unidad 22 de modificacion de amplitud aceptable en la unidad de control 20. Tenga en cuenta que la otra configuracion del sistema 100B de pilas de combustible es similar a la configuracion descrita en la primera realizacion (Fig. 1). No obstante, en el sistema 100B de pilas de combustible de acuerdo con la tercera realizacion, la pila de combustible 10 se hace funcionar a una temperatura de funcionamiento constante.
El conmutador de conexion-desconexion 84 se proporciona entre el convertidor de CC/CC 82 y la pila de combustible 10. El conmutador de conexion-desconexion 84 se abre o cierra en respuesta a una senal de control procedente de la unidad de control 20. Cuando el conmutador de conexion-desconexion 84 esta cerrado, la pila de combustible 10 esta conectada electricamente a la carga externa 200; mientras que, cuando el conmutador de conexion-desconexion 84 esta abierto, la pila de combustible 10 esta aislada electricamente de la carga externa 200. Tenga en cuenta que, cuando la pila de combustible 10 esta aislada de la carga externa 200, la baterla secundaria 81 es capaz de producir energla electrica suministrada a la carga externa 200.
En el sistema 100B de pilas de combustible de acuerdo con la tercera realizacion, la unidad de control 20 tambien funciona como la unidad 22 de modificacion de amplitud aceptable. La unidad 22 de modificacion de amplitud aceptable ejecuta un proceso para modificar la amplitud de funcionamiento aceptable de la pila de combustible 10 en un proceso de restriccion de corriente de un proceso de recuperacion de tension negativa. Los detalles especlficos del proceso se describiran mas adelante.
La Fig. 16 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento del proceso de recuperacion de tension negativa de acuerdo con la tercera realizacion. La Fig. 16 es sustancialmente identica a la Fig. 5, excepto que se anade la etapa E65. En el sistema 100B de pilas de combustible de acuerdo con la tercera realizacion, como en el caso del sistema 100 de pilas de combustible de acuerdo con la primera realizacion, se ejecuta el proceso de recuperacion de tension negativa. Entonces, en el proceso de recuperacion de tension negativa, cuando se determina que se genera una tension negativa debido a un suministro deficiente de hidrogeno, se ejecutan el proceso de restriccion de corriente y el proceso de recuperacion de suministro deficiente de hidrogeno.
En este caso, en el proceso de restriccion de corriente, cuando la corriente aceptable para la pila de combustible 10 es considerablemente menor que la corriente diana de la pila de combustible 10 para suministrar energla electrica requerida para la carga externa 200, existe la posibilidad de que la corriente insuficiente no pueda compensarse incluso con la baterla secundaria 81. Entonces, en el sistema 100B de pilas de combustible de acuerdo con la tercera realizacion, cuando la diferencia entre la densidad de corriente llmite adquirida en la etapa E60 y la densidad de corriente para producir la corriente diana de la pila de combustible 10 sea superior a un valor predeterminado, se lleva a la unidad 22 de modificacion de amplitud aceptable a ejecutar el proceso de modificacion de amplitud aceptable (etapa E65).
La Fig. 17 es un grafico que ilustra una modificacion de la amplitud de funcionamiento aceptable debido a una modificacion en la humedad en el interior de la pila de combustible 10. El grafico mostrado en la Fig. 17 se obtuvo llevando a cabo un experimento similar al experimento llevado a cabo para obtener el grafico de la Fig. 7 en un estado en el que se redujo la humedad en el interior de la pila de combustible 10. Tenga en cuenta que, en la Fig. 17, al igual que en el caso del grafico de la Fig. 7, se sombrea la amplitud de funcionamiento aceptable por debajo
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Los inventores de la invencion hallaron que, al disminuir la humedad en el interior de la pila de combustible 10, la curva que muestra la correlation entre un valor de corriente acumulado y una densidad de corriente en un periodo aceptable de generation de energla cambia de forma ascendente, y la amplitud aceptable de funcionamiento se expande. El motivo por el que se expande la amplitud de funcionamiento aceptable se debe al siguiente motivo.
Se sabe que, en el periodo aceptable de generacion de energla, la reaction expresada por la formula de reaction (1) descrita anteriormente y la reaccion expresada por la siguiente formula de reaccion (3) se desarrollan en el anodo de la pila 11 de tension negativa desactivando as! el catalizador.
Pt + 2H2O ^ PtO2 + 4H+ + 4e- (3)
A medida que disminuye la humedad en el interior de la pila de combustible 10, la cantidad de contenido en agua en el anodo (el contenido en agua del conjunto de electrodos de membrana) se reduce, de modo que las reacciones anteriores se desarrollan poco a poco y se suprime la desactivacion del catalizador. Por lo tanto, la amplitud de funcionamiento aceptable se expande por la cantidad que puede retrasarse en el desarrollo de la desactivacion del catalizador.
Es decir, al disminuir la humedad en el interior de la pila de combustible 10, se puede expandir la amplitud de funcionamiento aceptable de la pila de combustible 10 en el proceso de restriction de corriente, de manera que es posible aumentar la densidad de corriente aceptable para la pila de combustible 10. A continuation, en el sistema 100B de pilas de combustible de acuerdo con la tercera realization, en el proceso de modificacion de amplitud aceptable descrito a continuacion, la humedad en el interior de la pila de combustible 10 se disminuye para expandir la amplitud de funcionamiento aceptable.
La Fig. 18 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento del proceso de modificacion de amplitud aceptable ejecutado por la unidad 22 de modificacion de amplitud aceptable. En la etapa E110, la unidad 22 de modificacion de amplitud aceptable abre el conmutador de conexion-desconexion 84 para aislar electricamente la pila de combustible 10 de la carga externa 200. A continuacion, se suministra energla electrica desde la baterla secundaria 81 a la carga externa 200. La unidad 22 de modificacion de amplitud aceptable lleva a la pila de combustible 10 a detener la generacion de energla una vez para permitir as! que la humedad en el interior de la pila de combustible 10 se regule con facilidad. En la etapa E120, se adquiere una humedad diana en el interior de la pila de combustible 10 para expandir la amplitud de funcionamiento aceptable.
La Fig. 19 es un grafico que muestra un ejemplo de un mapa de determination de humedad Mdh que es empleado por la unidad 22 de modificacion de amplitud aceptable para determinar la humedad diana en el interior de la pila de combustible 10 en la etapa E120. El mapa de determinacion de humedad Mdh se muestra como una curva de calda convexa descendente cuando el eje de ordenadas representa un valor de corriente acumulado y el eje de abscisas representa una humedad. El mapa de determinacion de humedad Mdh se obtiene de manera tal que un experimento similar al descrito en la Fig. 7 se lleva a cabo para cada humedad en el interior de la pila de combustible 10 para obtener valores medidos, y luego los valores medidos se emplean para representar una combination de un valor de corriente acumulado y una humedad para cada densidad de corriente de la pila de combustible 10.
La Fig. 20A y la Fig. 20B son graficos de ilustracion de un proceso de determinacion de una humedad diana en el interior de la pila de combustible 10 empleando el mapa de determinacion de humedad Mdh en la etapa E120. La Fig. 20A es un grafico que muestra el mapa de amplitud aceptable Mpa empleado en la etapa E60 de la Fig. 16. En este caso, se supone que, en la etapa E60, se ha medido un valor de corriente acumulado Qea, se ha determinado una densidad de corriente llmite ia a partir del mapa de amplitud aceptable Mpa, y la carga externa 200 requiere una densidad de corriente it fuera de la amplitud de funcionamiento aceptable de la pila de combustible 10. En este momento, la unidad 22 de modificacion de amplitud aceptable determina una humedad diana en el interior de la pila de combustible 10 de la siguiente manera.
La unidad 22 de modificacion de amplitud aceptable determina un valor de corriente acumulado Qet que es superior, por medio de un valor predeterminado establecido previamente, al valor de corriente acumulado medido actualmente Qea como el valor limltrofe de la amplitud de funcionamiento aceptable expandida. A continuacion, se selecciona el mapa de determinacion de humedad Mdh correspondiente a la densidad de corriente requerida entre los mapas de determinacion de humedad Mdh preparados para las respectivas densidades de corriente, y despues se emplea el mapa de determinacion de humedad Mdh seleccionado para adquirir una humedad h correspondiente al valor de corriente acumulado Qet como humedad diana (Fig. 20B).
En la etapa E130 (Fig. 18), la unidad 22 de modificacion de amplitud aceptable ejecuta el control para que la humedad en el interior de la pila de combustible 10 coincida con la humedad diana adquirida en la etapa E120. Concretamente, la unidad 22 de modificacion de amplitud aceptable aumenta la velocidad de rotation del compresor
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de aire 32 de la unidad 30 de suministro de gas catodico (Fig. 1) para aumentar la cantidad de aire suministrado a la pila de combustible 10 y para disminuir la cantidad de humidificacion del aire suministrado por medio de la unidad de humidificacion 35. Al hacer esto, el interior de la pila de combustible 10 puede depurarse por el aire suministrado mediante el cual se disminuye la humedad, y la humedad en el interior de la pila de combustible 10 puede disminuir. Tenga en cuenta que la unidad 22 de modificacion de amplitud aceptable determina si la humedad en el interior de la pila de combustible 10 ha alcanzado la humedad diana basandose en el valor medido por la unidad 93 de medicion de impedancia.
La Fig. 20C es un grafico de ilustracion de un proceso de modificacion del mapa de amplitud aceptable MPA en la etapa E140. La Fig. 20C es un grafico que muestra el mapa de amplitud aceptable cambiado Mpa. Tenga en cuenta que, en la Fig. 20C, la curva que indica el mapa de amplitud aceptable precambiado Mpa se muestra por la llnea discontinua, y la amplitud de funcionamiento aceptable se indica por sombreado.
En este caso, en el sistema 100B de pilas de combustible de acuerdo con la tercera realizacion, el mapa de amplitud aceptable Mpa para cada humedad en el interior de la pila de combustible 10 se prepara previamente y se memoriza en la unidad de control 20. La unidad 22 de modificacion de amplitud aceptable selecciona el mapa de amplitud aceptable MPA correspondiente a la humedad diana adquirida en la etapa E120 entre los mapas de amplitud aceptables MPA para las humedades respectivas como un nuevo mapa de amplitud aceptable MPA. En el proceso de restriction de corriente despues de haber disminuido la humedad en el interior de la pila de combustible 10, se emplea el nuevo mapa de amplitud aceptable seleccionado Mpa. Tenga en cuenta que el nuevo mapa de amplitud aceptable seleccionado Mpa posee la amplitud de funcionamiento aceptable expandida, de modo que la densidad de corriente it requerida para la carga externa 200 se incluye en la amplitud de funcionamiento aceptable.
En la etapa E150 (Fig. 18), la unidad 22 de modificacion de amplitud aceptable pone en marcha la pila de combustible 10, y cierra el conmutador de conexion-desconexion 84 (es decir, activa el interruptor de conexion- desconexion 84) para conectar electricamente la pila de combustible 10 a la carga externa 200. En la etapa E160, mientras se detiene la pila de combustible 10, se determina si la pila 11 de tension negativa se ha recuperado de la tension negativa. Cuando la pila 11 de tension negativa se ha recuperado de la tension negativa, se reanuda el control de funcionamiento normal (etapa E5 de la Fig. 16) de la pila de combustible 10. Por otra parte, cuando la pila 11 de tension negativa no se ha recuperado de la tension negativa, el proceso regresa a la etapa E50 y luego inicia el proceso de restriccion de corriente empleando el nuevo mapa de amplitud aceptable Mpa seleccionado y cambiado.
De esta manera, el sistema 100B de pilas de combustible de acuerdo con la tercera realizacion es capaz de expandir la amplitud de funcionamiento aceptable de la pila de combustible 10 en el proceso de restriccion de corriente mediante la regulation de la humedad en el interior de la pila de combustible 10. Por consiguiente, con el sistema 100B de pilas de combustible de acuerdo con la tercera realizacion, es posible suministrar de forma fiable energla electrica correspondiente a una petition procedente de la carga externa 200, al mismo tiempo que se suprime el deterioro en el rendimiento y la degradation de la pila de combustible debido a una tension negativa.
A continuation, se describira una cuarta realizacion. La Fig. 21A y la Fig. 21B son graficos de ilustracion de un proceso de modificacion de amplitud aceptable en un sistema de pila de combustible de acuerdo con la cuarta realizacion de la invention. Tenga en cuenta que la configuration del sistema de pila de combustible de acuerdo con la cuarta realizacion es similar a la del sistema de pila de combustible de acuerdo con la tercera realizacion. No obstante, en el sistema de pila de combustible de acuerdo con la cuarta realizacion, la pila de combustible 10 funciona en un estado en el que la humedad en el interior de la pila de combustible 10 se mantiene constante.
La Fig. 21A es un grafico que muestra una variation en la correlation entre un valor de corriente acumulado y una densidad de corriente en un periodo aceptable de generation de energla cuando se varla la temperatura de la pila de combustible 10, como en el caso de la Fig. 17. La llnea continua de la Fig. 21A se obtuvo de manera tal que un experimento similar al experimento llevado a cabo para obtener el grafico de la Fig. 7 se lleva a cabo en un estado en el que se disminuye la temperatura de la pila de combustible 10.
La curva que muestra la correlacion entre un valor de corriente acumulado y una densidad de corriente cambio de forma ascendente cuando se disminuyo la temperatura de la pila de combustible 10. Esto se debe a que el desarrollo de la reaction expresada por la formula de reaction (3) descrita en la tercera realizacion se vuelve moderado debido a una disminucion de la temperatura de la pila de combustible 10. De esta manera, disminuyendo la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10, al igual que en el caso descrito en la tercera realizacion, es posible expandir la amplitud de funcionamiento aceptable de la pila de combustible 10 en el proceso de restriccion de corriente.
En este caso, un experimento similar al descrito en la Fig. 7 se lleva a cabo con una temperatura de funcionamiento diferente de la pila de combustible 10, y se obtiene previamente la correlacion entre un valor de corriente acumulado y una densidad de corriente para cada temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 para permitir de este modo obtener el mapa de amplitud aceptable Mpa para cada temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10. Ademas, es posible obtener un mapa de determination de temperatura de funcionamiento Mdt para
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cada densidad de corriente, que muestra la correlation entre un valor de corriente acumulado y una temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 basandose en los datos experimentales. La Fig. 21B muestra un ejemplo del mapa de determination de temperatura de funcionamiento Mdt en una densidad de corriente en un grafico cuyo eje de ordenadas representa un valor de corriente acumulado y el eje de abscisas representa una temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10.
En el sistema de pila de combustible de acuerdo con la cuarta realization, el mapa de amplitud aceptable Mpa para cada temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 y el mapa de determination de temperatura de funcionamiento Mdt para cada densidad de corriente se memorizan previamente en la unidad de control 20. A continuation, el proceso de modification de amplitud aceptable descrito en la tercera realization se ejecuta empleando estos mapas Mpa y Mdt al regular la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 en lugar de regular la humedad en el interior de la pila de combustible 10. Tenga en cuenta que la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 puede regularse de manera tal que la velocidad de rotation de la bomba 73 de circulation de fluido refrigerante de la unidad 70 de suministro de fluido refrigerante se controla para modificar la eficiencia de refrigeration mediante el fluido refrigerante.
De esta manera, con el sistema de pila de combustible de acuerdo con la cuarta realization, al igual que en el caso del sistema de pila de combustible de acuerdo con la tercera realization, es posible suministrar de manera fiable energfa electrica correspondiente a una petition procedente de la carga externa 200 al mismo tiempo que se suprime el deterioro en el rendimiento y la degradation de la pila de combustible 10 debido a la tension negativa.
A continuation, se describira una quinta realization. La Fig. 22 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento de un proceso de recuperation de tension negativa ejecutado en un sistema de pila de combustible de acuerdo con la quinta realization de la invention. La Fig. 22 es sustancialmente identica a la Fig. 12, excepto que se anade un proceso de control de fluido refrigerante de la etapa E68. Tenga en cuenta que la configuration del sistema de pila de combustible de acuerdo con la quinta realization es similar a la del sistema 100b de pilas de combustible de acuerdo con la segunda realization alternativa a la primera realization (Fig. 1, Fig. 11). Tenga en cuenta que, en el sistema de pila de combustible de acuerdo con la quinta realization, cuando la temperatura exterior o la temperatura de la pila de combustible 10 es inferior a cero o cuando el sistema se pone en marcha, el fluido refrigerante se suministra desde la unidad 70 de suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible 10 en un caudal constante mfnimo en el que se suprime la degradation de la pila de combustible 10.
En este caso, a fin de recuperarse de un estado en el que se genera una tension negativa debido a la congelacion en los pasos de flujo del gas de reaction de la pila de combustible 10, la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 se lleva deseablemente a alcanzar una temperatura por encima de cero para eliminar el estado congelado. Sin embargo, cuando se ejecuta el proceso de restriction de corriente, la generation de calor de la pila de combustible 10 se suprime por la cantidad que se restringe de la corriente de salida de la pila de combustible 10 (ley de Joule). Por lo tanto, en este caso, es diffcil aumentar la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10. Entonces, en el sistema de pila de combustible de acuerdo con la quinta realization, cuando el proceso de restriction de corriente se ejecuta en un entorno de baja temperatura, tal como por debajo de cero, se ejecuta el proceso de control de fluido refrigerante de la etapa E68 para facilitar un aumento de la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10.
La Fig. 23 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento del proceso de control de fluido refrigerante de la etapa E68. El proceso de control de fluido refrigerante puede ejecutarse cada vez que se ejecuta el proceso de restriction de corriente en el momento de la puesta en marcha del sistema de pila de combustible. Ademas, el proceso de control de fluido refrigerante puede ejecutarse cuando la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10, obtenida basandose en los valores medidos por las unidades 74 y 75 de medicion de temperatura de fluido refrigerante, es inferior a cero o cuando la temperatura exterior es inferior a cero.
En la etapa E200, la unidad de control 20 adquiere un valor calorffico estimado (en lo sucesivo, referido como "valor calorffico estimado Qe") cuando se lleva a la pila de combustible 10 a generar energfa electrica durante una duration de generation de energfa predeterminada t (por ejemplo, aproximadamente 10 a 30 segundos) en una densidad de corriente restringida obtenida a partir de una densidad de corriente lfmite. Concretamente, la unidad de control 20 puede calcular el valor calorffico estimado Qe empleando la expresion matematica (4) en base a la ley de Joule.
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En este caso, I es una densidad de corriente restringida, y R es una constante que se preestablece basandose en la resistencia interna de la pila de combustible 10. Tenga en cuenta que la unidad de control 20 puede adquirir un valor calorffico estimado correspondiente a una densidad de corriente restringida basandose en un mapa o tabla obtenido previamente a traves de un experimento, o similares, en lugar de la expresion matematica anterior (4).
En la etapa E210, la unidad de control 20 adquiere una capacidad calorffica supuesta Cc de la pila de combustible 10 cuando el fluido refrigerante circula en la pila de combustible 10 por medio de la unidad 70 de suministro de fluido
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refrigerante. En este caso la "capacidad calorffica supuesta Cc de la pila de combustible 10" es un valor correspondiente a una cantidad calorffica por la que la temperatura de la pila de combustible 10 aumenta en 1 °C.
A proposito, cuando se hace circular fluido refrigerante en la pila de combustible 10, la cantidad calorffica requerida para aumentar la temperatura de la pila de combustible 10 varfa en funcion de la temperatura de la pila de combustible 10 o de la temperatura y caudal de fluido refrigerante. Como se ha descrito previamente, en el sistema de pila de combustible de acuerdo con la quinta realization, se suministra fluido refrigerante a la pila de combustible 10 en un caudal constante mfnimo preestablecido. Entonces, en el sistema de pila de combustible de acuerdo con la quinta realizacion, la unidad de control 20 memoriza previamente un mapa o tabla que es capaz de determinar de manera unica una capacidad calorffica supuesta Cc correspondiente a la temperatura del fluido refrigerante y a la temperatura de la pila de combustible 10, y emplea el mapa o la tabla para adquirir la capacidad calorffica supuesta Cc.
En la etapa E220, la unidad de control 20 emplea el valor calorffico estimado Qe adquirido en la etapa E200 y la capacidad calorffica supuesta Cc de la pila de combustible 10 adquirida en la etapa E210, para calcular una temperatura estimada Te que es una temperatura prevista de la pila de combustible 10 despues de la duration de generation de energfa predeterminada t. Concretamente, la temperatura estimada Te puede calcularse empleando la siguiente expresion matematica (5).
Qe = Ccx(Te-Tm) (5)
En este caso, Tm es una temperatura de funcionamiento medida de la corriente de la pila de combustible 10.
En la etapa E230, la unidad de control 20 determina si la temperatura estimada Te calculada en la etapa E220 es inferior o igual a un umbral predeterminado. En este caso, el umbral predeterminado puede establecerse a una temperatura (por ejemplo, 0 °C) en la que se comienza a eliminar un estado congelado en los pasos de flujo de gas de reaction de la pila de combustible 10.
Cuando la temperatura estimada Te es superior al umbral predeterminado, la unidad de control 20 ejecuta los procesos en la etapa E70 y en las siguientes etapas del proceso de restriction de corriente (Fig. 22) mientras se continua el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible 10 en el supuesto de que la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 alcance un valor diana en una duracion de generacion de energfa predeterminada t. Por otra parte, cuando la temperatura estimada Te es inferior o igual al umbral predeterminado, la unidad de control 20 detiene el suministro y la circulation de fluido refrigerante a la pila de combustible 10 a fin de facilitar un aumento de temperatura de la pila de combustible 10 en la duracion de generacion de energfa predeterminada t (etapa E240).
En este caso, en el sistema de pila de combustible de acuerdo con la quinta realizacion, como se ha descrito previamente, se suministra fluido refrigerante a la pila de combustible 10 incluso cuando la temperatura de la pila de combustible 10 sea baja, tal como en el momento de puesta en marcha del sistema. Esto se debe al siguiente motivo. Es decir, en el momento de puesta en marcha del sistema, o similares, debido al bloqueo de los pasos de flujo de gas en el interior de la pila de combustible 10, es muy probable que la cantidad de energfa electrica generada se vuelva no uniforme entre los elementos 11 de generacion de energfa de la pila de combustible 10 o entre regiones de generacion de energfa de cada elemento 11 de generacion de energfa.
Cuando el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible 10 se detiene mientras una distribution de generacion de energfa en el interior de la pila de combustible 10 es no uniforme, el elemento 11 de generacion de energfa o region que genera una cantidad relativamente grande de energfa electrica puede degradarse de modo local debido a la generacion de calor resultante de la generacion de energfa. Con el fin de evitar la degradation local de la pila de combustible 10 debido a la cantidad no uniforme de valor calorffico, incluso cuando la temperatura de la pila de combustible 10 sea baja, el fluido refrigerante se suministra deseablemente a la pila de combustible 10.
Sin embargo, cuando se ejecuta el proceso de restriccion de corriente, el valor calorffico de la pila de combustible 10 esta restringido, de modo que el valor calorffico es relativamente pequeno en una section en la que la cantidad de energfa electrica generada aumenta de modo local en la pila de combustible 10. Por consiguiente, al igual que en el caso de la etapa E240, incluso cuando el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible 10 se detiene durante el proceso de restriccion de corriente, es menos probable que la degradacion de la pila de combustible 10 se produzca debido al valor calorffico no uniforme descrito previamente. Por lo tanto, al detener el suministro de fluido refrigerante, es posible facilitar un aumento de la temperatura de la pila de combustible 10 sin degradar la pila de combustible 10.
Una vez detenido el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible 10 en la etapa E240, la unidad de control 20 ejecuta los procesos de la etapa E70 y de las siguientes etapas del proceso de restriccion de corriente (Fig. 22). Tenga en cuenta que, cuando la pila 11 de tension negativa se ha recuperado de la tension negativa y se reanuda el funcionamiento normal de la pila de combustible 10, la unidad de control 20 reinicia el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible 10.
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De esta manera, con el sistema de pila de combustible de acuerdo con la quinta realizacion, incluso cuando se produce una tension negativa en la pila de combustible 10 y se ejecuta el proceso de restriction de corriente, el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible 10 se controla apropiadamente para facilitar un aumento de la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10. Por consiguiente, la recuperation del estado de tension negativa se facilita con un aumento de la temperatura de la pila de combustible 10.
A continuation, se describira una sexta realizacion. La Fig. 24 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento de un proceso de recuperacion de tension negativa ejecutado en un sistema de pila de combustible de acuerdo con la sexta realizacion de la invention. La Fig. 24 es sustancialmente identica a la Fig. 22, excepto que se proporciona la etapa E68F en lugar de la etapa E68. Tenga en cuenta que la configuration del sistema de pila de combustible de acuerdo con la sexta realizacion es similar a la configuracion del sistema de pila de combustible descrito en la quinta realizacion (Fig. 1, Fig. 11). Tenga en cuenta que, en el sistema de pila de combustible de acuerdo con la sexta realizacion, la unidad de control 20 mide y registra periodicamente la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 (por ejemplo, en un intervalo de un segundo).
En el sistema de pila de combustible de acuerdo con la sexta realizacion, cuando el proceso de restriccion de corriente se ejecuta mientras el sistema se pone en marcha o la temperatura de la pila de combustible 10 es baja (por ejemplo, la temperatura es igual o inferior a 0 °C), se ejecuta un primer o un segundo proceso de control de fluido refrigerante despues de la etapa E62 (etapa E68F). Concretamente, en la etapa E68F despues de iniciar el proceso de restriccion de corriente, se ejecuta el primer proceso de control de fluido refrigerante. A continuacion, a traves de las etapas del proceso de restriccion de corriente, cuando se cumple con una condition predeterminada en el momento en que se vuelve a ejecutar la etapa E68F, se ejecuta el segundo proceso de control de fluido refrigerante.
La Fig. 25A es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento del primer proceso de control de fluido refrigerante. La Fig. 25A es sustancialmente identica a la Fig. 23. Es decir, el primer proceso de control de fluido refrigerante se ejecuta de manera similar al proceso de control de fluido refrigerante descrito en la quinta realizacion. En el primer proceso de control de fluido refrigerante, cuando se determina en la etapa E230 que es diflcil que la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 alcance la temperatura de funcionamiento diana a traves del proceso de restriccion de corriente, el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible 10 se detiene (etapa E240).
La Fig. 25B es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento del segundo proceso de control de fluido refrigerante. El segundo proceso de control de fluido refrigerante se ejecuta cuando el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible 10 no se detiene en el primer proceso de control de fluido refrigerante. En la etapa E250, la unidad de control 20 calcula la tasa de aumento (dT/dt) de la temperatura de funcionamiento T, que es la tasa de modification temporal en la temperatura de funcionamiento T de la pila de combustible 10, basandose en la temperatura de funcionamiento registrada de la pila de combustible 10.
En la etapa E260, la unidad de control 20 calcula un tiempo estimado te hasta que la temperatura de funcionamiento T de la pila de combustible 10 alcance una temperatura de funcionamiento diana (por ejemplo, 0 °C) basandose en la tasa de aumento calculada en la temperatura de funcionamiento T. En la etapa E270, la unidad de control 20 ejecuta el proceso de determination empleando el tiempo estimado te. Cuando el tiempo estimado te es superior a un umbral predeterminado (por ejemplo, 30 segundos), la unidad de control 20 determina que la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 no alcanza la temperatura de funcionamiento diana en un periodo predeterminado en un estado en el que se continua el suministro de fluido refrigerante, y luego detiene el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible 10 (etapa E280).
Por otra parte, cuando el tiempo estimado te es menor o igual que el umbral predeterminado, la unidad de control 20 determina que la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 puede alcanzar la temperatura de funcionamiento diana en el periodo predeterminado incluso cuando se continue el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible 10. A continuacion, la unidad de control 20 ejecuta incesantemente el proceso de restriccion de corriente (Fig. 22) al mismo tiempo que se continua el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible 10.
En este caso, en el primer proceso de control de fluido refrigerante, incluso cuando se determina que la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 alcanza la temperatura diana en una duration de generation de energla predeterminada incluso cuando se continua el suministro de fluido refrigerante, la temperatura de funcionamiento puede no aumentar de la forma prevista puesto que la salida de energla electrica de la pila de combustible 10 esta restringida. No obstante, con el sistema de pila de combustible de acuerdo con la sexta realizacion, en el segundo proceso de control de fluido refrigerante, se determina de nuevo si el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible 10 se continua basandose en la tasa de modificacion temporal en las temperaturas de funcionamiento medidas actualmente de la pila de combustible 10. Por consiguiente, cuando el proceso de restriccion de corriente se ejecuta mientras el sistema se pone en marcha o la temperatura de la pila de combustible 10 es baja, el control de suministro de fluido refrigerante se ejecuta ademas de manera apropiada, de modo que se facilita un aumento de la temperatura de la pila de combustible 10, y se facilita la recuperacion del estado de tension negativa.
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La Fig. 26A y la Fig. 26B son graficos que muestran los resultados de los experimentos llevados a cabo por los inventores de la invencion como ejemplos de referencia de la invencion. La Fig. 26A y la Fig. 26B son graficos que muestran una variacion temporal en la temperatura de la pila de tension negativa (temperatura de la pila) y una variacion temporal en la densidad de corriente de la pila de combustible cuando se lleva a una de las pilas unitarias de la pila de combustible a generar una tension negativa en un entorno de baja temperatura por debajo de cero. La Fig. 26A muestra el caso en el que la salida de energla electrica de la pila de combustible esta restringida en una densidad de corriente constante sustancialmente baja. La Fig. 26B muestra el caso en el que la densidad de corriente se aumenta gradualmente. Tenga en cuenta que la escala de cada uno de los ejes de ordenadas y ejes de abscisas de la Fig. 26A y de la Fig. 26B es igual entre si.
En este caso, la tension negativa en parte de las pilas unitarias de la pila de combustible puede ocurrir probablemente puesto que el contenido en agua que permanece en los pasos de flujo de gas de reaccion proporcionados en la parte de las pilas unitarias se congela en un entorno de baja temperatura y entonces los pasos de flujo de gas se bloquean. En tal caso, es deseable que la temperatura de la pila de combustible se aumente para descongelar el contenido en agua congelada de los pasos de flujo de gas para eliminar as! el suministro deficiente de gas de reaccion, recuperandose de este modo de la tension negativa.
Como se muestra en los graficos de la Fig. 26A y la Fig. 26B, un aumento en la temperatura de la pila es mas ligero cuando se lleva a la pila de combustible a producir energla electrica en una densidad de corriente baja constante que cuando se lleva a la pila de combustible a producir energla electrica en una densidad de corriente superior a la densidad de corriente baja constante. Por consiguiente, cuando se genera una tension negativa, se lleva deseablemente a la pila de combustible a producir energla electrica en una densidad de corriente elevada lo mas posible para aumentar as! la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible en un breve periodo de tiempo.
En el proceso de restriction de corriente cuando se genera una tension negativa, descrito en las realizaciones anteriores, la densidad de corriente se disminuye de manera progresiva a lo largo de la curva convexa descendente que muestra el mapa de amplitud aceptable Mpa con un aumento en el valor de corriente acumulado. Haciendo esto, la pila de combustible 10 puede funcionar cercana a una densidad de corriente llmite aceptable en la amplitud de funcionamiento aceptable, de manera que es posible aumentar la temperatura de la pila de combustible 10 en un periodo de tiempo menor en un entorno de baja temperatura, por lo que es facil recuperarse de la tension negativa. Es decir, es mas deseable en el caso del proceso de restriccion de corriente de acuerdo con las realizaciones anteriores que cuando la corriente se restringe a una densidad de corriente baja constante cuando se genera una tension negativa.
Tenga en cuenta que el aspecto de la invencion no se limita a los ejemplos o realizaciones anteriores; el aspecto de la invencion puede implementarse en diversas formas sin apartarse del alcance de la invencion. Por ejemplo, son posibles las siguientes primera a decimotercera realizaciones alternativas.
En primer lugar, se describira la primera realization alternativa. En las realizaciones descritas previamente, la unidad de control 20 memoriza, como el mapa de amplitud aceptable Mpa, la correlation entre los valores de corriente acumulados aceptables para la pila de combustible 10 y las densidades de corriente aceptables para la pila de combustible 10 en un periodo durante el cual se genera una tension negativa. Sin embargo, la correlacion no necesita memorizarse como un mapa; en su lugar, por ejemplo, la correlacion puede memorizarse como una expresion aritmetica o una funcion.
A continuacion, se describira la segunda realizacion alternativa. En las realizaciones descritas previamente, la correlacion entre los valores de corriente acumulados aceptables para la pila de combustible 10 y las densidades de corriente aceptables para la pila de combustible 10 en un periodo durante el cual se genera una tension negativa se establece en el mapa de amplitud aceptable Mpa definido por la curva de calda convexa descendente. Sin embargo, la correlacion puede establecerse en el mapa de amplitud aceptable Mpa definido por una curva que posee otra forma. Por ejemplo, la correlacion puede establecerse en el mapa de amplitud aceptable Mpa definido por una llnea lineal que se desciende linealmente. Sin embargo, la curva de calda convexa descendente que define el mapa de amplitud aceptable Mpa en las realizaciones anteriores se basa en el experimento llevado a cabo por los inventores de la invencion, y es mas deseable como un grafico que define la amplitud de funcionamiento aceptable en un periodo durante el cual se genera una tension negativa.
A continuation, se describira la tercera realizacion alternativa. En las realizaciones descritas previamente, en el proceso de restriccion de corriente del proceso de recuperation de tension negativa, la densidad de corriente de la pila de combustible 10 se disminuye de manera progresiva a lo largo de la curva convexa descendente que define el mapa de amplitud aceptable Mpa con un aumento en el valor de corriente acumulado. No obstante, en el proceso de restriccion de corriente, la densidad de corriente de la pila de combustible 10 puede no disminuir de manera progresiva a lo largo de la curva convexa descendente. La densidad de corriente de la pila de combustible 10 solo necesita controlarse de modo que caiga dentro de la amplitud de funcionamiento aceptable que se define en el mapa de amplitud aceptable Mpa. No obstante, como en el caso de las realizaciones anteriores, la densidad de corriente de la pila de combustible 10 se disminuye de forma mas deseable de manera progresiva a lo largo de la curva
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convexa descendente ya que es posible ejecutar un control en una densidad de corriente mas proxima a una densidad de corriente limite aceptable en el proceso de restriccion de corriente.
A continuacion, se describira la cuarta realizacion alternativa. En las realizaciones descritas previamente, la unidad 91 de medicion de tension de pila mide las tensiones de todos los elementos 11 de generacion de energia de la pila de combustible 10 para detectar de ese modo la tension negativa. No obstante, la unidad 91 de medicion de tension de pila no necesita medir las tensiones de todos los elementos 11 de generacion de energia; la unidad 91 de medicion de tension de pila solo necesita medir la tension de al menos uno de los elementos 11 de generacion de energia para detectar de ese modo una tension negativa. Por ejemplo, se sabe que es muy probable que la tension negativa se produzca en el elemento 11 de generacion de energia dispuesto en el extremo de la pila de combustible 10, en el que la temperatura de funcionamiento tiende a ser la mas baja, entre los elementos 11 de generacion de energia. Entonces, la unidad 91 de medicion de tension de pila puede medir la tension de solo el elemento 11 de generacion de energia dispuesto en el extremo para detectar una tension negativa.
A continuacion, se describira la quinta realizacion alternativa. En la primera realizacion, la densidad de corriente minima ilim se establece como una densidad de corriente Kmite minima de la pila de combustible 10 en el proceso de restriccion de corriente, y la unidad de control 20 ejecuta el proceso de reinicio de la pila de combustible 10 empleando la densidad de corriente minima ilim como umbral. No obstante, la densidad de corriente minima ilim puede no establecerse en la unidad de control 20.
A continuacion, se describira la sexta realizacion alternativa. En la tercera o cuarta realizacion, una de la humedad en el interior de la pila de combustible 10 y de la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 se regula para ejecutar el proceso de expansion de la amplitud de funcionamiento aceptable. No obstante, tambien es aplicable que tanto la humedad en el interior de la pila de combustible 10 como la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 se regulen para expandir la amplitud de funcionamiento aceptable. En este caso, es deseable que se prepare un mapa de amplitud aceptable Mpa para cada combination de la humedad en el interior de la pila de combustible 10 y de la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10.
A continuacion, se describira la septima realizacion alternativa. En la tercera o cuarta realizacion, la unidad 22 de modification de amplitud aceptable selecciona el mapa correspondiente a la humedad en el interior de la pila de combustible 10 o a la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 entre los mapas de amplitud aceptables Mpa preparados previamente para cada humedad en el interior de la pila de combustible 10 o para cada temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 para expandir la amplitud de funcionamiento aceptable. No obstante, la unidad 22 de modificacion de amplitud aceptable puede emplear una expresion aritmetica preestablecida, un algoritmo, o similares, para corregir la correlacion establecida en el mapa de amplitud aceptable Mpa en respuesta a la humedad en el interior de la pila de combustible 10 o a la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 para expandir de este modo la amplitud de funcionamiento aceptable.
A continuacion, se describira la octava realizacion alternativa. En las realizaciones descritas previamente, la correlation entre las densidades de corriente de la pila de combustible 10 y los valores de corriente acumulados de la pila de combustible 10 se establece en el mapa de amplitud aceptable Mpa. No obstante, la correlacion entre los valores de corriente, en lugar de las densidades de corriente, de la pila de combustible 10 y los valores de corriente acumulados de la pila de combustible 10 puede establecerse en el mapa de amplitud aceptable Mpa. El valor de corriente de la pila de combustible 10 se obtiene multiplicando la densidad de corriente por el area del electrodo, de modo que la correlacion entre los valores de corriente de la pila de combustible 10 y los valores de corriente acumulados de la pila de combustible 10 tambien puede considerarse como un tipo de correlacion entre las densidades de corriente de la pila de combustible 10 y los valores de corriente acumulados de la pila de combustible 10.
A continuacion, se describira la novena realizacion alternativa. En los sistemas de pilas de combustible de acuerdo con las realizaciones descritas previamente, cuando la pila de tension negativa no se ha recuperado de la tension negativa despues de aumentar la cantidad de gas catodico suministrado, se determina que se genera una tension negativa debido a un suministro deficiente de hidrogeno, y luego se ejecuta el proceso de restriccion de corriente. No obstante, tambien es aplicable que el proceso de restriccion de corriente se inicie despues de que se haya detectado una tension negativa sin ejecutar el proceso de recuperation de tension negativa mediante el aumento de la cantidad de gas catodico suministrado.
A continuacion, se describira la decima realizacion alternativa. En los sistemas de pilas de combustible de acuerdo con las realizaciones descritas previamente, el proceso para la recuperacion de la tension negativa se inicia cuando se ha detectado una tension negativa, y el proceso de restriccion de corriente se ejecuta en ese proceso. No obstante, tambien es aplicable que, en el sistema de pila de combustible, el proceso de restriccion de corriente se ejecute cuando se cumpla con una condition ambiental preestablecida que indica una posibilidad de que se genere una tension negativa incluso cuando no se ha detectado una tension negativa. Por ejemplo, el proceso de restriccion de corriente descrito en las realizaciones anteriores puede ejecutarse en un entorno en el que la temperatura exterior es igual o inferior a cero, cuando la temperatura de la pila de combustible 10 este cercana a una temperatura igual o inferior a cero, o similares. Ademas, pueden ejecutarse el proceso de advertencia (etapa E63 de
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la Fig. 12), el proceso de modification de amplitud aceptable (etapa E65 de la Fig. 16) o el proceso de control de fluido refrigerante (etapa E68 de la Fig. 22, etapa E68F de la Fig. 24) de acuerdo con el proceso de restriction de corriente.
A continuation, se describira la undecima realization alternativa. En la segunda, tercera o cuarta realization descrita previamente, como se describe en otro ejemplo de configuration de la primera realizacion, el valor de corriente acumulado puede registrarse de forma no volatil en la unidad 23 de registro de valor de corriente acumulado. Ademas, cuando el valor de corriente acumulado llmite es superior o igual a un umbral predeterminado o cuando la densidad de corriente restringida es inferior o igual a un umbral predeterminado, el proceso de advertencia puede ser ejecutado por la unidad de advertencia 25.
A continuacion, se describira la duodecima realizacion alternativa. En la quinta realizacion descrita previamente, se determina si se continua el suministro de fluido refrigerante basandose en el valor calorlfico estimado Qe o en la temperatura estimada Te de la pila de combustible 10, calculados empleando la capacidad calorlfica supuesta Cc. En su lugar, la unidad de control 20 puede controlar el caudal de fluido refrigerante suministrado a la pila de combustible 10 basandose en la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 y en el valor calorlfico estimado Qe. Es decir, la unidad de control 20 puede disminuir el caudal de fluido refrigerante suministrado a la pila de combustible 10 a medida que el valor calorlfico estimado Qe se reduce, y puede disminuir el grado de disminucion del caudal de fluido refrigerante suministrado a medida que la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible 10 aumenta.
A continuacion, se describira la decimotercera realizacion alternativa. En la quinta realizacion descrita previamente, la unidad de control 20 emplea el mapa o tabla preparado previamente para adquirir una capacidad calorlfica supuesta Cc correspondiente a la temperatura de la pila de combustible 10 y a la temperatura del fluido refrigerante. No obstante, la unidad de control 20 puede tener una capacidad calorlfica supuesta Cc como una constante que es irrelevante para la temperatura de la pila de combustible 10 o para la temperatura del fluido refrigerante. En este caso, la capacidad calorlfica supuesta Cc puede establecerse como la suma (CFC + CRE) del CFC total de las capacidades calorlficas de los componentes de la pila de combustible 10 y de la capacidad calorlfica CRE de una cantidad constante de fluido refrigerante presente en el interior de la pila de combustible 10.

Claims (20)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un sistema de pila de combustible que produce energla electrica en respuesta a una peticion procedente de una carga externa, que comprende:
    una pila de combustible (10) que posee al menos un elemento (11) de generacion de energla;
    una unidad (91) de deteccion de tension negativa que esta configurada para detectar una tension negativa en el
    al menos un elemento de generacion de energla;
    una unidad de control (20) que esta configurada para controlar la salida de energla electrica de la pila de combustible (10); y
    una unidad (21) de medicion de valor de corriente acumulado que esta configurada para medir un valor de corriente acumulado que se obtiene por una integracion en el tiempo de la salida de corriente de la pila de combustible (10), en el que
    la unidad de control (20) esta configurada para memorizar previamente una correlacion entre los valores de corriente acumulados que son aceptables durante un periodo en el cual se genera una tension negativa en el al menos un elemento (11) de generacion de energla y las densidades de corriente que son aceptables en el periodo y
    cuando se ha detectado una tension negativa en el al menos un elemento (11) de generacion de energla, la unidad de control (20) esta configurada para ejecutar un proceso de restriccion de salida que restringe la salida de energla electrica de la pila de combustible (10) de manera que caiga en una amplitud de funcionamiento aceptable definida por los valores de corriente acumulados aceptables y las densidades de corriente aceptables de la correlacion.
  2. 2. El sistema de pila de combustible segun la reivindicacion 1, en el que
    cuando la correlacion se muestra por un grafico cuyo primer eje representa un valor de corriente acumulado de la pila de combustible (10) y un segundo eje representa una densidad de corriente de la pila de combustible (10), la correlacion se muestra como una curva convexa descendente en la que la densidad de corriente aceptable disminuye a medida que el valor de corriente acumulado aceptable aumenta.
  3. 3. El sistema de pila de combustible segun la reivindicacion 2, en el que
    en el proceso de restriccion de salida, la unidad de control (20) esta configurada para disminuir la densidad de corriente de la pila de combustible (10) a lo largo de la curva convexa descendente, que indica valores maximos de las densidades de corriente aceptables, con un aumento en el valor de corriente acumulado.
  4. 4. El sistema de pila de combustible segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende ademas:
    una unidad de regulacion del estado de funcionamiento que esta configurada para incluir al menos una de una unidad de humidificacion (35) que controla una cantidad de humidificacion de gas de reaccion suministrado a la pila de combustible (10) a fin de regular un estado humedo en el interior de la pila de combustible (10) y una unidad (70) de suministro de fluido refrigerante que controla un caudal de fluido refrigerante suministrado a la pila de combustible (10) a fin de regular una temperatura de funcionamiento de la pila de combustible (10); y una unidad de modification de correlacion que esta configurada para modificar la correlacion en respuesta a, al menos, uno del estado humedo en el interior de la pila de combustible (10) y la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible (10), en el que
    cuando una densidad de corriente correspondiente a una corriente de salida requerida para la carga externa en un periodo durante el cual se genera una tension negativa en el al menos un elemento (11) de generacion de energla es superior a un valor predeterminado, la unidad de control (20) esta configurada para llevar a la unidad de regulacion del estado de funcionamiento a regular al menos uno del estado humedo en el interior de la pila de combustible (10) y de la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible (10) de manera que expanda la amplitud de funcionamiento aceptable de manera tal que la correlacion sea modificada por la unidad de modificacion de correlacion.
  5. 5. El sistema de pila de combustible segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que, cuando se completa el proceso de restriccion de salida, la unidad de control (20) esta configurada para memorizar de forma no volatil un valor de corriente acumulado de la salida de corriente de la pila de combustible (10) en el proceso de restriccion de salida y, cuando se reanuda el proceso de restriccion de salida, la unidad de control (20) esta configurada para ejecutar el proceso de restriccion de salida empleando un valor de corriente acumulado total que se obtiene anadiendo el valor de corriente acumulado memorizado y un valor de corriente acumulado de la salida de corriente de la pila de combustible (10) despues de haber reanudado el proceso de restriccion de salida.
  6. 6. El sistema de pila de combustible segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende ademas:
    una unidad de advertencia (25) que esta configurada para advertir a un usuario sobre la degradation de la pila de combustible (10), en el que
    la unidad de control (20) esta configurada para memorizar previamente un valor llmite inferior de la densidad de corriente de la pila de combustible (10) y, cuando la densidad de corriente de la pila de combustible (10) es
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    inferior al valor llmite inferior en el proceso de restriccion de salida, la unidad de control (20) esta configurada para llevar a la unidad de advertencia (25) a advertir al usuario sobre la degradacion de la pila de combustible (10).
  7. 7. El sistema de pila de combustible segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende ademas:
    una unidad (70) de suministro de fluido refrigerante que esta configurada para suministrar fluido refrigerante a la pila de combustible (10) para controlar as! una temperatura de la pila de combustible (10); y una unidad de medicion de temperatura que esta configurada para medir una temperatura de funcionamiento de la pila de combustible (10), en el que,
    en el proceso de restriccion de salida, la unidad de control (20) esta configurada para obtener un valor calorlfico estimado que es un valor calorlfico de la pila de combustible (10) cuando se lleva a la pila de combustible (10) a producir energla electrica en una densidad de corriente a base de un valor de serial de control de densidad de corriente para la pila de combustible (10), y para controlar una cantidad del fluido refrigerante suministrado a la pila de combustible (10) por la unidad (70) de suministro de fluido refrigerante basandose en la temperatura de funcionamiento medida por la unidad de medicion de temperatura y en el valor calorlfico estimado.
  8. 8. El sistema de pila de combustible segun la reivindicacion 7, en el que
    en el proceso de restriccion de salida, la unidad de control (20) esta configurada para emplear el valor calorlfico estimado y la temperatura de funcionamiento medida por la unidad de medicion de temperatura para calcular un aumento de temperatura estimado de la pila de combustible (10) cuando se lleva a la pila de combustible (10) a producir energla electrica durante un periodo de tiempo predeterminado mientras la pila de combustible (10) recibe el fluido refrigerante y, cuando el aumento de temperatura estimado es inferior o igual a un umbral predeterminado, la unidad de control (20) esta configurada para llevar a la pila de combustible (10) a generar energla electrica en un estado en el que se lleva a la unidad (70) de suministro de fluido refrigerante a detener el suministro del fluido refrigerante a la pila de combustible (10).
  9. 9. El sistema de pila de combustible segun la reivindicacion 8, en el que
    en el proceso de restriccion de salida, cuando una tasa de aumento de la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible (10) es inferior a un umbral preestablecido, la unidad de control (20) esta configurada para llevar a la pila de combustible (10) a generar energla electrica en un estado en el que se lleva a la unidad (70) de suministro de fluido refrigerante a detener el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible (10).
  10. 10. Un metodo de control para un sistema de pila de combustible que produce energla electrica generada por una pila de combustible que posee al menos un elemento de generation de energla en respuesta a una petition procedente de una carga externa, que comprende:
    la detection de una tension negativa en el al menos un elemento (11) de generacion de energla; la medicion de un valor de corriente acumulado que se obtiene por una integration en el tiempo de la salida de corriente de la pila de combustible (10) en un periodo durante el cual se genera una tension negativa en el al menos un elemento (11) de generacion de energla;
    la consulta de una correlation preestablecida entre los valores de corriente acumulados que son aceptables en el periodo durante el cual se genera una tension negativa en el al menos un elemento (11) de generacion de energla y las densidades de corriente que son aceptables en el periodo; y
    la ejecucion de un proceso de restriccion de salida que restringe la salida de energla electrica de la pila de combustible (10) de manera que caiga dentro de una amplitud de funcionamiento aceptable definida por los valores de corriente acumulados aceptables y las densidades de corriente aceptables de la correlacion.
  11. 11. Un sistema de pila de combustible que produce energla electrica generada en respuesta a una peticion procedente de una carga externa, que comprende:
    una pila de combustible (10) que posee al menos un elemento (11) de generacion de energla;
    una unidad de control (20) que esta configurada para controlar la salida de energla electrica de la pila de
    combustible (10);
    una unidad (21) de medicion de valor de corriente acumulado que esta configurada para medir un valor de corriente acumulado que se obtiene por una integracion en el tiempo de una salida de corriente de la pila de combustible (10), en el que
    la unidad de control (20) esta configurada para memorizar previamente una correlacion entre los valores de corriente acumulados que son aceptables en un periodo durante el cual se genera una tension negativa en el al menos un elemento (11) de generacion de energla y las densidades de corriente que son aceptables en el periodo y
    cuando se cumple con una condition ambiental preestablecida que indica una posibilidad de que se genere una tension negativa, la unidad de control (20) esta configurada para determinar que una tension negativa se genera en el al menos un elemento (11) de generacion de energla y luego para ejecutar un proceso de restriccion de salida que restringe la salida de energla electrica de la pila de combustible (10) de manera que caiga dentro de
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    una amplitud de funcionamiento aceptable definida por los valores de corriente acumulados aceptables y las densidades de corriente aceptables de la correlacion.
  12. 12. El sistema de pila de combustible segun la reivindicacion 11, en el que
    cuando la correlacion se muestra por un grafico cuyo primer eje representa un valor de corriente acumulado de la pila de combustible (10) y un segundo eje representa una densidad de corriente de la pila de combustible (10), la correlacion se muestra como una curva convexa descendente en la que la densidad de corriente aceptable disminuye a medida que el valor de corriente acumulado aceptable aumenta.
  13. 13. El sistema de pila de combustible segun la reivindicacion 12, en el que,
    en el proceso de restriccion de salida, la unidad de control (20) esta configurada para disminuir la densidad de corriente de la pila de combustible (10) a lo largo de la curva convexa descendente, que indica los valores maximos de las densidades de corriente aceptables, con un aumento en el valor de corriente acumulado.
  14. 14. El sistema de pila de combustible segun una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, que comprende ademas:
    una unidad de regulacion del estado de funcionamiento que esta configurada para incluir al menos una de una unidad de humidificacion (35) que controla una cantidad de humidificacion de gas de reaccion suministrado a la pila de combustible (10) a fin de regular un estado humedo en el interior de la pila de combustible (10) y una unidad (70) de suministro de fluido refrigerante que controla un caudal de fluido refrigerante suministrado a la pila de combustible (10) a fin de regular una temperatura de funcionamiento de la pila de combustible (10); y una unidad de modification de correlacion que esta configurada para modificar la correlacion en respuesta a, al menos, uno del estado humedo en el interior de la pila de combustible (10) y de la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible (10), en el que,
    cuando una densidad de corriente correspondiente a una corriente de salida requerida para la carga externa en un periodo durante el cual se genera una tension negativa en el al menos un elemento (11) de generation de energla es superior a un valor predeterminado, la unidad de control (20) esta configurada para llevar a la unidad de regulacion del estado de funcionamiento a regular al menos uno del estado humedo en el interior de la pila de combustible (10) y de la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible (10) de manera que expanda la amplitud de funcionamiento aceptable de manera tal que la correlacion sea modificada por la unidad de modificacion de correlacion.
  15. 15. El sistema de pila de combustible segun una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, en el que, cuando se completa el proceso de restriccion de salida, la unidad de control (20) esta configurada para memorizar de manera no volatil un valor de corriente acumulado de la salida de corriente de la pila de combustible (10) en el proceso de restriccion de salida y, cuando se reanuda el proceso de restriccion de salida, la unidad de control (20) esta configurada para ejecutar el proceso de restriccion de salida empleando un valor de corriente acumulado total que se obtiene anadiendo el valor de corriente acumulado memorizado y un valor de corriente acumulado de la salida de corriente de la pila de combustible (10) despues de haber reanudado el proceso de restriccion de salida.
  16. 16. El sistema de pila de combustible segun una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, que comprende ademas:
    una unidad de advertencia (25) que esta configurada para advertir a un usuario sobre la degradation de la pila de combustible (10), en el que
    la unidad de control (20) esta configurada para memorizar previamente un valor llmite inferior de la densidad de corriente de la pila de combustible (10) y, cuando la densidad de corriente de la pila de combustible (10) es inferior al valor llmite inferior en el proceso de restriccion de salida, la unidad de control (20) esta configurada para llevar a la unidad de advertencia (25) a advertir al usuario sobre la degradacion de la pila de combustible (10).
  17. 17. El sistema de pila de combustible segun una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 16, que comprende ademas:
    una unidad (70) de suministro de fluido refrigerante que esta configurada para suministrar fluido refrigerante a la pila de combustible (10) para controlar as! una temperatura de la pila de combustible (10); y una unidad de medicion de temperatura que esta configurada para medir una temperatura de funcionamiento de la pila de combustible (10), en el que, en el proceso de restriccion de salida, la unidad de control (20) esta configurada para obtener un valor calorlfico estimado que es un valor calorlfico de la pila de combustible (10) cuando se lleva a la pila de combustible (10) a producir energla electrica en una densidad de corriente a base de un valor de senal de control de densidad de corriente para la pila de combustible (10), y para controlar una cantidad del fluido refrigerante suministrado a la pila de combustible (10) por la unidad (70) de suministro de fluido refrigerante basandose en la temperatura de funcionamiento medida por la unidad de medicion de temperatura y en el valor calorlfico estimado.
  18. 18. El sistema de pila de combustible segun la reivindicacion 17, en el que,
    en el proceso de restriccion de salida, la unidad de control (20) esta configurada para emplear el valor calorlfico estimado y la temperatura de funcionamiento medida por la unidad de medicion de temperatura para calcular un
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    aumento de temperatura estimado de la pila de combustible (10) cuando se lleva a la pila de combustible (10) a producir energia electrica durante un periodo de tiempo predeterminado mientras la pila de combustible (10) recibe el fluido refrigerante y, cuando el aumento de temperatura estimado es inferior o igual a un umbral predeterminado, la unidad de control (20) esta configurada para llevar a la pila de combustible (10) a generar energia electrica en un estado en el que se lleva a la unidad (70) de suministro de fluido refrigerante a detener el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible (10).
  19. 19. El sistema de pila de combustible segun la reivindicacion 18, en el que,
    en el proceso de restriccion de salida, cuando una tasa de aumento de la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible (10) es inferior a un umbral preestablecido, la unidad de control (20) esta configurada para llevar a la pila de combustible (10) a generar energia electrica en un estado en el que se lleva a la unidad (70) de suministro de fluido refrigerante a detener el suministro de fluido refrigerante a la pila de combustible (10).
  20. 20. Un metodo de control para un sistema de pila de combustible que produce energia electrica generada por una pila de combustible que posee al menos un elemento (11) de generacion de energia en respuesta a una peticion procedente de una carga externa, que comprende:
    la medicion de un valor de corriente acumulado que se obtiene por una integracion en el tiempo de la salida de corriente de la pila de combustible (10) en un periodo durante el cual se cumple con una condicion ambiental preestablecida que indica una posibilidad de que se genere una tension negativa en el al menos un elemento (11) de generacion de energia;
    la consulta de una correlacion preestablecida entre los valores de corriente acumulados que son aceptables en un periodo durante el cual se genera una tension negativa en el al menos un elemento (11) de generacion de energia y las densidades de corriente que son aceptables en el periodo; y
    la ejecucion de un proceso de restriccion de salida que restringe la salida de energia electrica de la pila de combustible (10) de manera que caiga dentro de una amplitud de funcionamiento aceptable definida por los valores de corriente acumulados aceptables y las densidades de corriente aceptables de la correlacion.
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