BR0301956B1 - sistema de refrigeração para uma pilha de células de combustìvel. - Google Patents

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Description

"SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO PARA UMA PILHA DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL"
Fundamentos da Invenção
A presente invenção refere-se a um sistema de refrigeração para um módulo de célula de combustível.
O tipo mais avançado de célula de combustível, tanto tecnicamente como comercialmente, é a célula de combustível PEM ou membrana de troca de prótons. As células de combustível do tipo PEM atuais funcionam a temperaturas em torno de 80°C, que é uma temperatura inferior à temperatura operacional de alguns outros tipos de células de combustível. Devido ao escape não dissipar calor significativo, o calor rejeitado para o refrigerante é relativamente alto comparado com motores de combustão interna. Isto, combinado com as temperaturas operacionais relativamente baixas, dificulta refrigerar os sistemas de célula de combustível. Um sistema de refrigeração de célula de combustível pode requerer grandes trocadores de calor volumosos e pode requerer um ventilador (de resfriamento) que consome grandes quantidades de energia. Também o líquido quente descarregado pelas células de combustível pode matar a vegetação e pode causar problemas de segurança com pisos escorregadios em recintos fechados.
Sumário
Em conseqüência, um dos objetivos da presente invenção é apresentar um sistema de refrigeração aperfeiçoado para células de combustível.
Um outro objetivo da invenção é oferecer um sistema de refrigeração para células de combustível deste tipo que reduz ou elimina a descarga de água de escape líquida.
Estes e outros objetivos são alcançados pela presente invenção, na qual um sistema de refrigeração é conectado com uma pilha de célula de combustível que tem uma entrada de hidrogênio, uma tomada de ar, uma entrada de refrigerante, uma saída de refrigerante e uma saída de água de escape. O sistema de refrigeração inclui uma unidade trocadora de calor acoplada com a entrada de refrigerante e a saída de refrigerante, uma bomba de refrigerante para circular o refrigerante através do mesmo, e uma ventoinha para insuflar ar através da unidade trocadora de calor. O sistema de refrigeração também inclui uma unidade de evaporação exposta ao ar insuflado, e um conduto que comunica a água de escape da saída de água de escape da pilha de célula de combustível à unidade de evaporação. A água de escape se evapora no ar insuflado e desse modo refrigera o ar e reduz a quantidade de água de escape líquida. Em uma concretização, a unidade de evaporação é uma musselina montada sobre uma superfície exterior da unidade trocadora de calor. À medida que a água de escape se evapora aumenta o desempenho de refrigeração da unidade trocadora de calor.
Em outra concretização, a unidade de evaporação inclui um conjunto de injetores de água que pulverizam água de escape no ar à medida que é insuflada no sentido da unidade trocadora de calor. Os injetores são montados sobre um membro anular localizado em um alojamento entre uma ventoinha e um radiador. O elemento evaporador poroso amovível pode ser montado no alojamento entre os injetores de água e o radiador.
Descrição Sucinta dos Desenhos
A fig. 1 é um diagrama esquemático simplificado de um sistema de refrigeração para células de combustível de acordo com a presente invenção;
A fig. 2 é uma vista em perspectiva seccional parcial detalhada de uma parte da fig. 1;
A fig. 3 é um diagrama esquemático simplificado de uma concretização alternativa de um sistema de refrigeração para células de combustível de acordo com a presente invenção;
A fig. 4 é uma vista tomada ao longo das linhas 4-4 da fig. 3; A fig. 5 é uma vista em perspectiva detalhada de uma parte do anel injetor na direção das setas 5-5 da fig.4;
A fig. 6 é uma vista similar à fig. 5, porém de uma concretização alternativa.
Descrição Detalhada
Reportando-se à fig. 1, uma pilha 10 de células de combustível inclui uma pluralidade de células de combustível convencionais,tais como membrana trocadora de próton comercialmente disponível ou membrana de eletrólito polimérico, conhecidas como células de combustível PEM (não mostradas).A pilha 10 inclui uma entrada de hidrogênio 12, uma entrada de ar 14, uma entrada de refrigerante 16, uma saída de refrigerante 18 e uma saída 10 para água de escape.
O sistema de refrigeração 21 inclui um trocador de calor ou radiador 22 que tem um tanque supérior 24 comunicando com a saída 20 através da linha 26, uma parte trocadora de calor 28 e um tanque inferior 30 comunicado-se com a entrada 16 através da linha 32. Uma bomba de refrigerante 34 de preferência é localizada na linha 32 para bombear refrigerante proveniente do tanque inferior 30 para a entrada de refrigerante 16. O motor 36 aciona um ventilador 37 que propele ar através da parte trocadora de calor 28.
A linha d'água 40 comunica água de escape proveniente da saída 18 a um reservatório de água 42. A linha 44 e a válvula 46 controlam a comunicação de água de escape do tanque 42 para um módulo de evaporação 48 montado sobre uma superfície do tanque superior 24.
Reportando-se a seguir à fig. 2, o módulo de evaporação 48 inclui uma calha em U 50 fixada, tal como por soldagem ou brasagem, em uma parte superior do tanque radiador 24. A linha 44 dirige a água de escape para o interior da calha 50. A calha 50 inclui uma pluralidade de orifícios de drenagem 52 que permitem a água de escape se escoar para o interior de um membro de evaporação 54 que é montado abaixo da calha50. O membro de evaporação 54 de preferência é de um material poroso tal como de metal em pó compactado. O membro de evaporação 54 de preferência tem uma dimensão vertical e é posicionado de maneira que a borda inferior do tanque 24 esteja aproximadamente adjacente ao centro do membro de evaporação 54, e de modo que o membro de evaporação 54 seja assegurado de ser exposto ao ar insuflado através do radiador 22. A calha 50 e o membro de evaporação 54 de preferência têm um comprimento horizontal que é aproximadamente idêntico à largura horizontal do radiador 22
À medida que a água de escape se evapora do membro de evaporação 54 ela extrai calor do radiador 22 e dessa maneira aumenta o desempenho de refrigeração do mesmo. A água de escape pode ser armazenada ou acumulada no tanque 42 até necessitar durante condições de alta carga de refrigeração. Então a válvula 46 pode ser aberta para fornecer água de escape ao membro de evaporação.
Reportando-se a seguir à fig. 3, um sistema de refrigeração 60 inclui um alojamento 62 com uma primeira parte cilíndrica 64 encerrando uma ventoinha 66. uma segunda parte cilíndrica 68 incluindo uma unidade de injeção de água ou anel injetor 70, e uma terceira parte retangular 72 encerrando um elemento de refrigeração evaporador 74 e uma unidade trocadora de calor 76.
A primeira parte de alojamento 64 pode ser substancialmente cilíndrica com um diâmetro uniforme. A ventoinha 66 insufla ar proveniente da atmosfera para o interior da segunda parte de alojamento 68. A segunda parte de alojamento 68 tem uma primeira extremidade de maior diâmetro 78, uma parte central de menor diâmetro 80 e uma segunda extremidade de maior diâmetro 82 que de preferência é maior que o diâmetro da primeira extremidade. A parte de menor diâmetro aumenta a velocidade do deslocamento de ar de passagem pelo anel injetor 70. O elemento de refrigeração do evaporador 74 é poroso, é montado na câmara de pressão formada por uma primeira extremidade 84 da terceira parte de alojamento 72 e de preferência é amovível da mesma. O elemento 74 auxilia na evaporação da água de escape e remove material da corrente de ar que de outro modo seria depositado sobre as superfícies da unidade trocadora de calor 76. Uma linha 75 comunica a água de escape proveniente do orifício de saída 20 de água da pilha de células de combustível para o anel injetor 70.
A unidade trocadora de calor ou radiador 76 é montada na segunda extremidade 86 da terceira parte de alojamento 72. O radiador 76 inclui a abertura de entrada de refrigerante quente 90 comunicando-se através da linha 92 com a saída de refrigerante 18 da pilha de células de combustível 10, e uma saída de refrigerante 94 comunicada através da bomba 96 e linha 98 com a entrada de refrigerante 16 da pilha de células de combustível 10.
Reportando-se a seguir à fig. 4, o anel injetor 70 inclui um alojamento anular ou membro de alma 100 centralmente montado na parte de alojamento 80 por uma pluralidade de membros de suporte 102 radialmente dispostos 102. O anel injetor 70 inclui uma pluralidade de injetores 104 que recebem água do orifício de saída de água da pilha de células de combustível 20. Cada injetor 104 produz uma pulverização de água de escape aplicada ao ar de passagem através da unidade de refrigeração 60.
A medida que a água de escape se evapora na corrente de ar insuflada de passagem pelo anel injetor 70 ela dissipa calor do ar e auxilia ainda a refrigerar o trocador de calor 76 e dessa maneira aumenta o desempenho de refrigeração do mesmo.
Reportando-se a seguir à fig. 5, o alojamento anular 100 do anel injetor tem um perfil em seção transversal aerodinâmico que decresce de uma extremidade a montante maior 110 para uma borda menor delgada na sua extremidade a jusante 112. Um tubo alimentador de água anular 114 é encerrado na extremidade maior 110. O tubo de alimentação 114 recebe água de escape da pilha através da linha 75. Cada injetor 104 inclui um corpo oco genericamente cilíndrico 116 com uma extremidade a montante 118 que recebe água do tubo de alimentação 114. A extremidade a jusante 120 do corpo 116 forma um orifício ou tubeira 122 que descarrega uma pulverização de água 124 do mesmo. A seta indica a direção de fluxo de ar de passagem pelo alojamento 100.
Reportando-se a seguir à fig. 6, em uma concretização alternativa o anel injetor inclui um alojamento anular inteiriço 130 que tem um perfil em seção transversal aerodinâmico que se afila de uma extremidade a montante maior 132 para uma borda menor delgada na sua extremidade a jusante 134. Uma cavidade alimentadora de água anular 136 é encerrada na extremidade maior 132. A cavidade alimentadora de água 136 recebe água de escape da pilha através da linha 75. Uma pluralidade de orifícios injetores 138 se estende genericamente de forma axial da cavidade alimentadora 136 para correspondente tubeiras 140 na extremidade a jusante 134 do alojamento 130. A seta B indica a direção do fluxo de ar de passagem pelo alojamento 130.
Embora a presente invenção tenha sido descrita em conjunção com uma concretização especifica, é entendido que muitas alternativas, modificações e variações se evidenciarão aqueles versados na técnica como resultado da descrição precedente. Por conseguinte, a presente invenção é proposta para abranger todas as ditas alternativas, modificações e variações que se enquadrem dentro do espírito e âmbito das reivindicações apensas.

Claims (24)

1. Sistema de refrigeração (21,60) para uma pilha de células de combustível (10) tendo uma entrada de refrigerante (16), uma saída de refrigerante (18) e uma saída de água de escape (20), o sistema de refrigeração caracterizado pelo fato de que compreende: uma unidade trocadora de calor (22,76) acoplada com a entrada de refrigerante (16) e a saída de refrigerante (18); uma ventoinha (37,66) para insuflar ar através da unidade trocadora de calor (22,76); uma unidade de evaporação (48,74) exposta ao ar insuflado; e um conduto (40,75) comunicando a água de escape da saída de água de escape (20) da pilha de célula de combustível (10) à unidade de evaporação (48,74), a água de escape se evaporando no ar insuflado e desse modo refrigerando o ar.
2. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação -1, caracterizado pelo fato de que a unidade de evaporação (48,74) é montada na unidade trocadora de calor (22,76).
3. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação -1, caracterizado pelo fato de que a unidade trocadora de calor (22) compreende um primeiro tanque (24) comunicado com a saída de refrigerante (20) e um segundo tanque (30) comunicado com a entrada de refrigerante (16); e a unidade de evaporação (48) é montada sobre o primeiro tanque (24).
4. Sistema de refrigeração (21) de acordo com a reivindicação -1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um reservatório de água (42) entre a saída de água de escape (40) e a unidade de evaporação (48).
5. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação -1, caracterizado pelo fato de que a unidade de evaporação (74) compreende um alojamento (62) tendo uma primeira parte de alojamento (64), uma segunda parte de alojamento (68) e uma terceira parte de alojamento (72); uma ventoinha (66) montada na primeira parte de alojamento (64) para insuflar ar através do alojamento (62); a unidade trocadora de calor (76) sendo montada na terceira parte de alojamento (72); uma unidade pulverizadora de água (70) montada na segunda parte de alojamento (68) entre a primeira parte de alojamento (64) e a terceira parte de alojamento (72); e uma linha alimentadora de água (758) para comunicar a água de escape da pilha de célula de combustível (10) à unidade pulverizadora de água (70), a unidade pulverizadora de água (70) pulverizando a água de escape no ar insuflado através do alojamento (62), a água de escape se evaporando e refrigerando o ar.
6. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação -5, caracterizado pelo fato de que a unidade pulverizadora de água (70) compreende uma pluralidade de injetores de água (104) dispostos em relação mutuamente espaçada.
7. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação -5, caracterizado pelo fato de que a unidade pulverizadora de água compreende uma pluralidade de injetores de água (104) mutuamente espaçados e distribuídos em um conjunto anular.
8. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação -5, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um membro de evaporação poroso (74) montado no alojamento entre a unidade pulverizadora de água (70) e a unidade trocadora de calor (76).
9. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação -1, caracterizado pelo fato de que a unidade de evaporação (74) compreende um injetor de água (70) recebendo água de escape através do conduto (75) e pulverizar a água de escape no interior do ar insuflado.
10. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de evaporação (74) compreende um injetor de água (70) posicionado entre a ventoinha (66) e a unidade trocadora de calor (76), o injetor de água (70) recebendo água de escape através do conduto (75) e pulverizando a água de escape no interior do ar insuflado; e um membro evaporador poroso (74) montado entre o injetor (70) de água e a unidade trocadora de calor (76).
11. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de evaporação (74) compreende uma pluralidade de injetores de água (104) posicionados entre a ventoinha (66) e a unidade trocadora de calor (76), os injetores de água (104) sendo dispostos em relação mutuamente espaçada entre si e recebendo água de escape através do conduto (75), cada injetor pulverizando a água de escape no interior do ar insuflado.
12. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de evaporação (74) compreende um membro anular (100,130) montado de maneira a ser exposto ao ar insuflado; e uma pluralidade de tubeiras pulverizadoras de água (122,140) mutuamente espaçadas e montadas sobre o membro anular (100,130), as tubeiras (122,140) recebendo água de escape através do conduto (75) e pulverizando água de escape no interior do ar insuflado.
13. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de evaporação (74) compreende um membro anular (100,130) montado de modo a ser exposto ao ar insuflado, o membro anular (100,130) tendo uma extremidade a montante maior (110,132) e uma extremidade a jusante menor (112,134) com respeito à direção de ar insuflado; um tubo alimentador de água anular (114) recebendo água de escape via o conduto (75); e uma pluralidade de tubeiras de pulverização (122,140) mutuamente espaçadas e montadas sobre o membro anular (100,130), as tubeiras (122,140) recebendo água de escape do tubo alimentador (114) e pulverizando água de escape no interior do ar insuflado.
14. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o membro anular (100,130) é oco; e o tubo alimentador de água (114) é separado do e encerrado pelo membro anular oco (100,130).
15. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o tubo alimentador de água (114) compreende uma cavidade anular formada no membro anular.
16. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o tubo alimentador de água compreende uma cavidade anular formada no membro anular (100,130); e cada tubeira (122,140) compreende um orifício no membro anular (100,130), cada orifício sendo comunicado com a cavidade anular por uma passagem de alimentação formada no membro anular (100,130).
17. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de evaporação compreende: uma unidade pulverizadora de água (70) montada entre a ventoinha (66) e a unidade trocadora de calor (76); um membro evaporador poroso (74) montado entre a unidade pulverizadora (70) e a unidade trocadora de calor (76); e uma linha alimentadora de água (75) para comunicar água de escape da pilha de células de combustível (10) à unidade pulverizadora de água (70), a unidade pulverizadora de água (70) pulverizando água de escape no interior do ar insuflado através do membro evaporador (74), a água de escape evaporando e resfriando o ar antes deste encontrar a unidade trocadora de calor (76).
18. Sistema de refrigeração (60) para uma pilha de células de combustível (10) tendo uma entrada de refrigerante (16), uma saída de refrigerante (18) e uma saída de água de escape (20), o sistema de refrigeração caracterizado pelo fato de que compreende: um alojamento oco (62); uma unidade trocadora de calor (76) montada no alojamento e acoplada com a entrada de refrigerante (16) e a saída de refrigerante (18); uma bomba de refrigerante (96) para circular o refrigerante através da unidade trocadora de calor (76) e da pilha de células de combustível (10); uma ventoinha (66) para insuflar ar através do alojamento (62) no sentido da unidade trocadora de calor (76); uma unidade pulverizadora (70) montada no alojamento (62) entre a ventoinha (66) e a unidade trocadora de calor (76); e um conduto (75) comunicando água de escape da saída de água de escape (20) da pilha de células de combustível (10) à unidade pulverizadora (70), a água de escape se evaporando no ar insuflado e desse modo refrigerando o dito ar.
19. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um membro evaporador poroso (74) montado no alojamento entre a unidade pulverizadora (70) e a unidade trocadora de calor (76).
20. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que a unidade pulverizadora compreende: um membro anular (100,130) montado no alojamento; e uma pluralidade de tubeiras de pulverização (122,140) mutuamente espaçadas montadas sobre o membro anular (100,130) e comunicantes com o conduto (75).
21. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o membro anular (100,130) tem um perfil aerodinâmico.
22. Sistema de refrigeração (60) de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma pluralidade de membros de suporte radialmente dispostos (102) que suportam o membro anular (100,130) no interior do alojamento (62) e espaçado do mesmo.
23. Sistema de refrigeração (21) para uma pilha de células combustíveis (10) tendo uma entrada de refrigerante (16), uma saída de refrigerante (18) e uma saída de água de escape (20), o sistema de refrigeração caracterizado pelo fato de que compreende: uma unidade trocadora de calor (22) acoplada com a entrada de refrigerante (16) e a saída de refrigerante (18); uma ventoinha (37) para insuflar ar através da unidade trocadora de calor (22); um membro evaporador poroso (48) montado adjacente à unidade trocadora de calor (22) e exposto ao ar insuflado; e um conduto (40,44) comunicando água de escape da saída de água de escape (18) da pilha de células de combustível (10) ao membro evaporador (48), a água de escape se evaporando no ar insuflado e desse modo resfriando o dito ar.
24. Sistema de refrigeração (21) de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que a unidade trocadora de calor (22) tem um tanque de refrigerante superior (24) e um tanque de refrigerante inferior (30); e um membro de distribuição de água (50) é afixado a um lado do tanque de refrigerante superior (30), o membro de distribuição de água (50) tendo uma pluralidade de orifícios de drenagem (52) formados no seu interior, o conduto (44) comunicando a água de escape ao membro de distribuição de água (50), o membro evaporador (48) sendo montado abaixo do membro de distribuição de água (50) de maneira que a água de escape se escoe através dos orifícios de drenagem (52) e para o interior do membro de evaporação (48).
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