BR102015011276B1 - Aparelho para recuperação de calor e controle de temperatura, e, método para recuperação de calor e controle de temperatura - Google Patents

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Abstract

APARELHO. As modalidades descritas aqui provêm a recuperação de calor e controle de temperatura de uma SOFC para um veículo submersível. O veículo inclui uma SOFC, uma caixa quente que envolve a SOFC, uma malha de resfriamento, e um motor de Stirling. A malha de resfriamento tem um trocador de calor e uma bomba de agente de resfriamento. O trocador de calor acopla termicamente a malha de resfriamento à àgua. O motor de Stirling tem uma primeira extremidade, acoplada termicamente a um interior da caixa quente e uma segunda extremidade, acoplada termicamente à malha de resfriamento. A bomba de agente de resfriamento modifica uma taxa de remoção de calor a partir da segunda extremidade do motor de Stirling com base em um sinal de controle de bomba. Um controlador de gestão térmica monitora uma temperatura de uma saída de cátodo da SOFC, e modifica o sinal de controle de bomba para manter a temperatura da saída de cátodo dentro de uma variação de temperatura.

Description

Campo
[001] Esta exposição se refere ao campo de veículos submersíveis, e em particular, a veículos submersíveis que utilizam Células de Combustível de Óxido Sólido (SOFCs) para geração de energia elétrica.
Antecedentes
[002] Veículos submersíveis (por exemplo, Veículos Submarinos Não Tripulados (UUVs)), às vezes, utilizam células de combustível para gerar eletricidade. Um exemplo de uma célula de combustível é uma Célula de Combustível de Óxido Sólido (SOFC). As SOFCs operam por converter eletroquimicamente combustível e oxigênio para eletricidade e calor. As SOFCs típicas operam entre cerca de 650-850 graus Celsius, e o processo de conversão é exotérmico. Este gera uma grande quantidade de calor perdido, o que pode ser problemático em um UUV. Tipicamente, o calor perdido é removido a partir do UUV usando uma malha de resfriamento, que transfere o calor para a água que envolve o UUV.
[003] Para o controle de temperatura da SOFC propriamente dita, um soprador de cátodo é utilizado tanto para prover oxigênio para o cátodo da SOFC quanto para prover resfriamento para uma SOFC. Quando a temperatura da SOFC se eleva próximo da extremidade superior da faixa de operação, a velocidade do soprador de cátodo é aumentada para prover resfriamento adicional para a SOFC. Todavia, o soprador de cátodo pode utilizar uma quantidade significante de energia elétrica parasítica a partir da SOFC para a atividade de resfriamento, que reduz a energia elétrica que é disponível para o UUV. Por exemplo, um soprador de cátodo pode utilizar tanto quanto 20% da energia elétrica total gerada a partir da SOFC, quando operado em sua vazão máxima. Esta vazão máxima é frequentemente muito mais alta que a vazão que é necessária para oxidar o combustível na SOFC. Sumário
[004] Modalidades descritas aqui provêm para recuperação de calor e controle de temperatura de uma SOFC para um veículo submersível utilizando um motor de Stirling. O motor de Stirling utiliza um diferencial de temperatura para gerar trabalho útil, que pode então ser usado no veículo para aumentar a capacidade de geração elétrica da SOFC. Ainda, o motor de Stirling opera como um dissipador de calor variável em a SOFC, que pode controlar a temperatura da SOFC. Por exemplo, por aumento de um diferencial de temperatura através do motor de Stirling, uma temperatura da SOFC pode ser controlada sem recorrer a uma alta vazão de soprador de cátodo. Isto melhora a eficiência do sistema por reduzir as perdas parasíticas a partir do soprador de cátodo.
[005] Uma modalidade é um veículo, que é configurado para submergir na água. O veículo inclui uma SOFC que tem uma entrada de cátodo, uma saída de cátodo, uma entrada de ânodo, e uma saída de ânodo. O veículo inclui ainda uma caixa quente que envolve a SOFC. O veículo inclui ainda uma malha de resfriamento que inclui um trocador de calor e uma bomba de agente de resfriamento. O trocador de calor acopla termicamente A malha de resfriamento à água. O veículo inclui ainda um motor de Stirling que tem uma primeira extremidade, acoplada termicamente a um interior da caixa quente, e uma segunda extremidade, acoplada termicamente à malha de resfriamento. A bomba de agente de resfriamento é configurada para modificar uma taxa de remoção de calor a partir da segunda extremidade do motor de Stirling com base em um sinal de controle de bomba. O veículo inclui ainda um controlador de gestão térmica, que é configurado para monitorar uma temperatura da saída de cátodo da SOFC, e para modificar o sinal de controle de bomba para manter a temperatura da saída de cátodo da SOFC dentro de uma variação de temperatura.
[006] Outra modalidade é um veículo, configurado para submergir na água. O veículo inclui uma SOFC que tem uma entrada de cátodo, uma saída de cátodo, uma entrada de ânodo, e uma saída de ânodo. O veículo inclui ainda uma caixa quente que envolve a SOFC. O veículo inclui ainda um soprador de cátodo tendo uma saída e uma entrada. A entrada do soprador de cátodo é acoplada à saída de cátodo da SOFC. O soprador de cátodo é configurado para modificar uma taxa de resfriamento provida para a SOFC com base em um sinal de controle de soprador de cátodo. O veículo inclui ainda um motor de Stirling tendo uma primeira extremidade, acoplada termicamente a um interior da caixa quente e uma segunda extremidade, acoplando a saída do soprador de cátodo à entrada de cátodo da SOFC. O soprador de cátodo é configurado para modificar uma taxa de remoção de calor a partir da segunda extremidade do motor de Stirling com base no sinal de soprador de cátodo. O veículo inclui ainda um controlador de gestão térmica, que é configurado para monitorar uma temperatura da saída de cátodo da SOFC, e para modificar o sinal de controle de soprador de cátodo para manter a temperatura da saída de cátodo da SOFC dentro de uma variação de temperatura.
[007] Outra modalidade é um método de controle de uma temperatura de uma SOFC utilizando um motor de Stirling. O método compreende monitorar uma temperatura de uma saída de cátodo de uma SOFC, onda SOFC é circundada por uma caixa quente, que é termicamente acoplada a uma primeira extremidade do motor de Stirling. O método compreende ainda modificar uma taxa de remoção de calor a partir de uma segunda extremidade do motor de Stirling para manter a temperatura da saída de cátodo da SOFC dentro de uma variação de temperatura.
[008] O sumário acima provê uma compreensão básica de alguns aspectos da descrição. Este sumário não é uma visão geral extensiva da descrição. Ele não é destinado nem para identificar nem elementos-chaves ou elementos críticos da descrição nem de delinear qualquer escopo particular das modalidades da especificação, ou qualquer escopo das reivindicações. Seu único propósito é o de apresentar alguns conceitos da descrição de uma forma simplificada, como um prelúdio para a descrição mais detalhada que é apresentada posteriormente.
[009] Descrição dos Desenhos
[0010] Algumas modalidades são agora descritas, somente a título de exemplo, e com referência aos desenhos anexos. O mesmo número de referência representa o mesmo elemento ou o mesmo tipo de elemento em todos os desenhos.
[0011] A figura 1 ilustra um veículo submersível que utiliza um motor de Stirling para recuperação de calor e controle de temperatura de uma SOFC, numa modalidade de exemplo.
[0012] A figura 2 é um diagrama de blocos de um veículo submersível que utiliza um motor de Stirling para recuperação de calor e controle de temperatura para uma SOFC, numa modalidade de exemplo.
[0013] A figura 3 é um diagrama de blocos de um veículo submersível que utiliza um motor de Stirling em uma malha de soprador de ânodo para recuperação de calor e controle de temperatura para uma SOFC, numa modalidade de exemplo.
[0014] A figura 4 é um diagrama de blocos de um veículo submersível que utiliza um motor de Stirling em uma malha de soprador de cátodo para recuperação de calor e controle de temperatura para uma SOFC, numa modalidade de exemplo.
[0015] A figura 5 é um fluxograma de um método de controle de uma temperatura de uma SOFC utilizando um motor de Stirling, numa modalidade de exemplo.
[0016] Descrição
[0017] As figuras e a seguinte descrição ilustram modalidades específicas de exemplo. Será assim apreciado que aqueles especializados na arte serão capazes de conceber vários arranjos que, embora não explicitamente descritos ou mostrados aqui, incorporam os princípios das modalidades e são incluídos no escopo das modalidades. Além disso, quaisquer exemplos descritos aqui são destinados a ajudar na compreensão dos princípios das modalidades, e devem ser interpretados como sendo sem limitação a tais exemplos e condições especificamente mencionados. Como um resultado, o(s) conceito(s) inventivo(s) não (é)são limitado(s) às modalidades ou aos exemplos específicos descritos abaixo, mas sim pelas reivindicações e seus equivalentes.
[0018] A figura 1 ilustra um veículo submersível 100 que utiliza um motor de Stirling para recuperação de calor e controle de temperatura de uma SOFC, numa modalidade de exemplo. Nesta modalidade, o veículo 100 é representado como um Veículo Submarino Não Tripulado (UUV), embora, em outras modalidades, o veículo 100 possa ser qualquer tipo de veículo que é capaz de submergir abaixo da água e utilizar uma célula de combustível SOFC para gerar eletricidade.
[0019] Nesta modalidade, o veículo 100 é um veículo submarino que utiliza uma fonte de energia interna, que permite ao veículo 100 operar por longos períodos de tempo sem emergir para a superfície. Tipicamente, os veículos submarinos utilizam fontes de energia nucleares ou baterias para prover energia elétrica ao veículo. Todavia, nesta modalidade, o veículo 100 utiliza uma célula de combustível interna (por exemplo, uma SOFC), que é suprida com um combustível localmente armazenado (por exemplo, um combustível de hidrocarboneto) e um oxidante localmente armazenado (por exemplo, oxigênio) para permitir missões de longa duração sob a água, sem emergir para a superfície.
[0020] As SOFCs geram uma quantidade significante de calor perdido devido à oxidação exotérmica do combustível dentro da SOFC, que é tipicamente removido por transferência do calor perdido para a água na qual o veículo está operando. Em adição, as SOFCs requerem o resfriamento, para impedir que as SOFCs excedam sua temperatura máxima de operação. Este resfriamento é tipicamente realizado por operação do soprador de cátodo para a SOFC em uma taxa mais alta que a necessária para a taxa de oxidação de combustível na SOFC. Isto aumenta as perdas elétricas parasíticas no sistema e diminui a eficiência. Nas modalidades descritas aqui, o veículo 100 utiliza uma SOFC em combinação com um motor de Stirling para recuperar algum do calor perdido gerado pela SOFC e também para controlar a temperatura da SOFC. Isto permite que o soprador de cátodo opere em velocidades mais baixas, que reduz as perdas parasíticas do sistema e aumenta a eficiência. Também, o calor perdido regenerado pode ser usado pelo motor de Stirling em algumas modalidades para girar uma cabeça de gerador, que pode aumentar a eletricidade gerada pela SOFC. Isto permite que o veículo 100 opere por períodos mais longos sem reabastecimento de combustível.
[0021] A figura 2 é um diagrama de blocos 200 do veículo 100, que utiliza um motor de Stirling 222 para recuperação de calor e controle de temperatura para uma SOFC 202, numa modalidade de exemplo. O diagrama de bloco 200 é uma representação simplificada da SOFC 202 e de um número de componentes, que são usados para suportar a operação da SOFC 202, e uma pessoa especializada na arte entenderá que componentes adicionais (por exemplo, válvulas, malhas de agente de resfriamento, sopradores, etc.), não mostrados, podem ser utilizados como uma questão de escolha do projeto.
[0022] Nesta modalidade, um combustível 246 se combina com oxigênio 236 dentro da SOFC 202 e é oxidado para gerar eletricidade para o veículo 100. O combustível 246 pode incluir qualquer tipo de combustível à base de hidrogênio, como uma questão de escolha do projeto (por exemplo, H2), embora combustíveis de hidrocarboneto pesado possa ser usado devido à sua densidade de energia mais alta. Alguns exemplos de combustíveis de hidrocarboneto pesado são álcoois, gasolina, diesel, e combustível para jato. Quando combustíveis de hidrocarboneto pesado são usados, um reformador de combustível 240 é usado para gerar H2 livre para o uso pela SOFC 202, que é provido para o lado de ânodo da SOFC 202 (por exemplo, por intermédio de uma entrada de ânodo 208) por um soprador de ânodo 248. H2 não oxidado e água saem da SOFC 202 (por exemplo, por intermédio de uma saída de ânodo 210) e são retornados para o reformador 240. Um sistema de purga de ânodo 264 remove H2O e CO2, gerados.
[0023] O oxigênio 236 pode ser O2 altamente comprimido ou O2 liquefeito, como uma questão de escolha do projeto. O O2 liquefeito provê uma densidade mais alta, que resulta em um tempo de missão mais longo para o veículo 100. Oxigênio 236 é provido para o lado de cátodo da SOFC 202 (por exemplo, por intermédio da entrada de cátodo 204) por um soprador de cátodo 230. Uma saída 234 do soprador de cátodo 230 pode ser alimentada a um trocador de calor 238 para preaquecer o oxigênio que é alimentado à SOFC 202, que pode ser inferior a cerca de 100 graus Celsius antes de ser encaminhado para o trocador de calor 238. O trocador de calor 238 tem o lado quente associado a uma saída de cátodo 206 da SOFC 202, que está a uma alta temperatura. O escape do lado quente do trocador de calor 238 é encaminhado de volta para uma entrada 232 do soprador de cátodo 230. O calor gerado durante o processo de oxidação é mantido dentro de uma caixa quente 201, a qual inclui a SOFC 202 juntamente com outros componentes de alta temperatura, usados para operar a SOFC 202. As temperaturas dentro da caixa quente 201 podem ser entre cerca de 800 graus Celsius e 1000 graus Celsius.
[0024] A figura 2 também ilustra um número de sensores de temperatura 254-260, que são usados para monitorar várias temperaturas dentro do interior da caixa quente 201. Os sensores 254-255 medem as temperaturas do cátodo entrada 204 e da saída de cátodo 206 da SOFC, respectivamente. Os sensores 256-257 medem as temperaturas da entrada de ânodo 208 e da saída de ânodo 210 da SOFC 202, respectivamente. Os sensores 258-259 medem as temperaturas de uma entrada 242 e uma saída 244 do reformador 240, respectivamente. O sensor 260 mede a temperatura dentro do interior da caixa quente 201.
[0025] Nesta modalidade, o motor de Stirling 222 é usado para recuperar calor perdido, gerado dentro da caixa quente 201, e para prover controle de temperatura para SOFC 202 e/ou outros componentes dentro da caixa quente 201. O motor de Stirling 222 inclui ao lado quente 224 e ao lado frio 226. O lado quente 224 é termicamente acoplado ao interior da caixa quente 201, e absorve calor radiante a partir de dentro da caixa quente 201. O lado frio 226 é termicamente acoplado a uma malha de resfriamento 212. Uma diferença de temperatura entre o lado quente 224 e o lado frio 226 aquece um gás de trabalho dentro do motor de Stirling 222 para acionar um ou mais êmbolos (não mostrados) que giram um eixo. Durante a operação do motor de Stirling 222, calor flui do lado quente 224 para o lado frio 226. Isto permite que calor seja removido a partir da caixa quente 201 a uma taxa variável, dependendo do diferencial de temperatura entre o lado quente 224 e o lado frio 226. Em algumas modalidades, o motor de Stirling 222 é acoplado a uma cabeça de gerador 262, que provê energia elétrica para o veículo 100 em adição à eletricidade gerada pela SOFC 202.
[0026] A malha de resfriamento 212 é usado para remover calor a partir do lado frio 226 do motor de Stirling 222 e para prover um diferencial de temperatura entre o lado quente 224 e o lado frio 226. A malha de resfriamento 212 em esta modalidade inclui uma bomba de agente de resfriamento 216, que tem uma saída 220 que é acoplada ao lado frio 226 do motor de Stirling 222 e uma entrada 218 que é acoplada a um trocador de calor 214. A bomba de agente de resfriamento 216 circula a agente de resfriamento (por exemplo, água, glicol, etc.), que circula em torno da malha de resfriamento 212. O calor a partir do lado frio 226 do motor de Stirling 222 é transferido para o agente de resfriamento na malha de resfriamento 212, que é então transferido para a água de resfriamento no trocador de calor 214. A água de resfriamento usada pelo trocador de calor 214 pode ser a água, dentro da qual o veículo 100 está operando.
[0027] Nesta modalidade, um controlador de gestão térmica 228 inclui qualquer componente, sistema, ou dispositivo, que é capaz de monitorar as temperaturas dentro do interior da caixa quente 201 através de os sensores 254-260, e para controlar as temperaturas por variação da taxa de remoção de calor a partir do lado frio 226 do motor de Stirling 222. Ao realizar isto, o controlador 228 varia um sinal de controle de bomba, aplicado à bomba de agente de resfriamento. 216, que varia a vazão de agente de resfriamento dentro da malha de resfriamento 212. Quando a vazão do agente de resfriamento é aumentada, um maior gradiente térmico é criado através do lado quente 224 e do lado frio 226 do motor de Stirling 222. Isto aumenta a velocidade do motor de Stirling 222 e aumenta a quantidade de energia térmica que é convertida para trabalho útil (por exemplo, gerando eletricidade). Quando a vazão do agente de resfriamento é diminuída, um menor gradiente térmico é criado através do lado quente 224 e o lado frio 226 do motor de Stirling 222. Isto diminui a velocidade do motor de Stirling 222 e diminui a quantidade de energia térmica que é convertida para trabalho útil (por exemplo, gerando eletricidade). O uso do motor de Stirling 222, da temperatura da SOFC 202 e/ou de outros componentes dentro da caixa quente 201, pode ser controlado. Quando as temperaturas da SOFC 202 são controladas utilizando o motor de Stirling 222, o resfriamento que seria normalmente ser provido pelo soprador de cátodo 230 pode ser reduzido, o que reduz a energia usada pelo soprador de cátodo 230. Isto abaixa a energia parasítica que seria normalmente ser consumida pelo soprador de cátodo 230.
[0028] Considere os seguintes exemplos. No primeiro exemplo, considere que a temperatura de saída de cátodo 206 da SOFC 202 está aumentando lentamente. Durante a operação, a SOFC 202 oxida o combustível 246 e gera calor. A SOFC 202 radia calor para o interior da caixa quente 201 a uma taxa que geralmente depende de um diferencial de temperatura entre a SOFC 202 e o interior da caixa quente 201. Assim, em alguns casos, um diferencial de temperatura pode ser mais baixo, que reduz a taxa de transferência de calor a partir da SOFC 202 para o interior da caixa quente 201. Isto causa com que a SOFC se aqueça ao longo do tempo. Isto pode ser detectado pelo controlador 228 usando o sensor de temperatura 255 na saída de cátodo 206, que é um bom indicador para a temperatura de SOFC 202. Todavia, a SOFC 202 opera mais eficientemente dentro de uma variação de temperatura particular. Por exemplo, pode ser desejável manter a temperatura de SOFC 202 dentro de cerca de +/- 100 graus Celsius de cerca de 750 graus Celsius. Se a temperatura cair demasiadamente baixo (por exemplo, cerca de 600 graus Celsius), então um eletrólito cerâmico na SOFC 202 pode não transportar íons de oxigênio eficientemente a partir do cátodo para o ânodo. Todavia, se a temperatura se eleva demasiadamente alta (por exemplo, cerca de 1000 graus Celsius), então a SOFC 202 pode ser danificada devido à tensão térmica.
[0029] A resposta típica para a SOFC 202 se aquecendo sobre o tempo na direção para a extremidade alta da temperatura de operação é para aumentar a vazão de cátodo para a SOFC 202. O controlador 228 pode aumentar a vazão de cátodo para a SOFC 202 por modificar um sinal de soprador de cátodo, que é aplicado à soprador de cátodo 230. A vazão de cátodo aumentado para a SOFC 202 remove calor a partir da SOFC 202 a uma taxa mais rápida, uma vez que o oxigênio na saída 234 do soprador de cátodo 230 é inferior a cerca de 100 graus Celsius. Isto irá diminuir a temperatura de SOFC 202 devido ao resfriamento. Todavia, o soprador de cátodo 230 irá consumir mais energia elétrica a fim de aumentar a vazão de cátodo, que é ineficiente.
[0030] Em lugar do, e/ou em adição ao aumento da vazão de cátodo, o controlador 228 modifica um sinal de controle de bomba, que é aplicado à bomba de agente de resfriamento 216 para aumentar a vazão do agente de resfriamento dentro da malha de resfriamento 212. A vazão de agente de resfriamento, aumentada, permite que o motor de Stirling 222 consuma calor a partir de dentro da caixa quente 201 a uma taxa mais rápida, o que reduz as exigências de resfriamento dos vários elementos dentro da caixa quente 201 (por exemplo, a SOFC 202). O calor consumido pelo motor de Stirling 222 abranda a quantidade de resfriamento que, entretanto, seria provida pelo soprador de cátodo 230. Em adição, o trabalho realizado pelo motor de Stirling 222 pode ser usado para gerar eletricidade, que é um uso mais eficiente do calor perdido, gerado pela SOFC 202, e os componentes dentro da caixa quente 201, que simplesmente descarregar o calor perdido para a água ao redor do veículo 100.
[0031] No próximo exemplo, considere que a temperatura de saída de cátodo 206 da SOFC 202 está caindo lentamente. Durante a operação, SOFC 202 oxida o combustível 246 e gera calor. SOFC 202 radia calor para o interior da caixa quente 201 a uma taxa que geralmente depende de um diferencial de temperatura entre SOFC 202 e o interior da caixa quente 201. Assim, em alguns casos, um diferencial de temperatura pode ser mais alto, que aumenta a taxa de transferência de calor da SOFC 202 para o interior da caixa quente 201. Isto causa com que a SOFC 202 se resfrie sobre o tempo. Isto pode ser detectado pelo controlador 228 usando o sensor de temperatura 255 na saída de cátodo 206, que é um bom indicador para a temperatura da SOFC 202.
[0032] A resposta típica para a SOFC 202 se resfriando sobre o tempo na direção para a extremidade inferior da temperatura de operação é para diminuir a vazão de cátodo para a SOFC 202 na direção para alguma vazão mínima que depende da taxa de oxidação do combustível 246 na SOFC 202. O controlador 228 pode diminuir a vazão de cátodo para a SOFC 202 por modificar um sinal de soprador de cátodo que é aplicado à soprador de cátodo 230. Uma vazão de cátodo diminuída para a SOFC 202 remove calor a partir da SOFC 202 a uma taxa mais lenta, embora a SOFC 202 possa ainda se aquecer mesmo quando a vazão de cátodo para a SOFC 202 está em uma vazão mínima.
[0033] Neste caso, o controlador 228 modifica o sinal de controle de bomba para a bomba de agente de resfriamento 216 para diminuir a vazão de agente de resfriamento dentro da malha de resfriamento 212. Uma vazão de agente de resfriamento diminuída permite ao motor de Stirling 222 consumir calor a partir de dentro da caixa quente 201 a uma taxa mais lenta, o que permite que a SOFC 202 se aqueça. Em adição, o trabalho realizado pelo motor de Stirling 222 durante este processo pode ser usado para gerar eletricidade, o que melhora a eficiência.
[0034] Embora o processo de controle de temperatura realizado pelo controlador 228 tenha sido especificamente descrito com relação à temperatura da saída de cátodo 206 da SOFC 202, outros pontos de controle existem dentro do interior da caixa quente 201. Por exemplo, em adição à, e/ou em lugar da, temperatura de saída de cátodo 206, o controlador 228 pode modificar o sinal de controle de bomba, aplicado à bomba de agente de resfriamento 216 para controlar a(s) temperatura(s) na entrada 242 do reformador 240 (por intermédio do sensor 258), a saída 244 do reformador 240 por intermédio do sensor 259), o interior da caixa quente 201 por intermédio do sensor 260), cátodo entrada 204 por intermédio do sensor 254), a entrada de ânodo 208 por intermédio do sensor 256), e/ou a saída de ânodo 210 (por intermédio do sensor 257). Por exemplo, se o soprador de cátodo 230 está em uma vazão mínima, então temperaturas decrescentes dentro da caixa quente 201 indica que o motor de Stirling 222 está consumindo demasiado calor a partir de dentro da caixa quente 201. Neste caso, o sinal de controle de bomba para a bomba de resfriamento 216 é modificado para diminuir a vazão de agente de resfriamento dentro da malha de resfriamento 212.
[0035] A figura 3 é um diagrama de blocos 300 do veículo 100, que utiliza o motor de Stirling 222 em uma malha de soprador de ânodo para recuperação de calor e controle de temperatura para SOFC 202, numa modalidade de exemplo. Nesta modalidade, a saída 244 do reformador 240 é encaminhada para a extremidade quente 224 do motor de Stirling 222, e de volta para a entrada 250 do soprador de ânodo 248. Isto acopla termicamente a saída de alta temperatura 244 do reformador 240 à extremidade quente 224 do motor de Stirling. Durante a operação, o motor de Stirling 222 extrai calor a partir do combustível reformado abandonando o reformador 240, resfriando o combustível reformado antes de ele entrar no soprador de ânodo 248. Tipicamente, o combustível reformado é resfriado utilizando uma malha de resfriamento separado. Assim, o motor de Stirling 222 é capaz de recapturar calor perdido a partir do combustível reformado, que normalmente seria perdido. A figura 3 ilustra ainda que a extremidade quente 224 do motor de Stirling 222 é acoplada a um sistema de purga de ânodo 264. Isto permite que o motor de Stirling 222 extraia calor perdido a partir do sistema de purga de ânodo 264, o qual seria normalmente perdido. A extração de calor a partir do combustível reformado e do sistema de purga de ânodo 264 pode ser realizado em adição à captura de calor radiante a partir do interior da caixa quente 201.
[0036] A figura 4 é um diagrama de blocos 400 do veículo 100, que utiliza o motor de Stirling 222 em uma malha de soprador de cátodo para recuperação de calor e controle de temperatura para SOFC 202, numa modalidade de exemplo. Nesta modalidade, a saída 234 de soprador de cátodo 230 é encaminhada para a extremidade fria 226 do motor de Stirling 222, e de volta para o trocador de calor 238. Isto permite que o calor seja transferido a partir da extremidade quente 224 do motor de Stirling 222 para o oxigênio que é provido para o cátodo da SOFC 202. Isto pré-aquece a mistura antes de a mistura ser encaminhada para o trocador de calor 238, que é tipicamente aquecida de menos que cerca de 100 graus Celsius para cerca de 650 graus Celsius. Isto permite que A malha de resfriamento para o motor de Stirling 222 seja usado como parte do processo de pré-aquecimento para o oxigênio provido para o cátodo da SOFC 202. Embora esta modalidade ilustre a extremidade quente 224 do motor de Stirling 222 como acoplada termicamente ao interior da caixa quente 201 para uma fonte de calor, qualquer das fontes de calor, previamente descritas, para a extremidade quente 224, pode ser adicionalmente e/ou alternativamente usada como uma questão de escolha do projeto.
[0037] Utilizando o motor de Stirling 222, calor perdido, que seria normalmente perdido para a água na qual o veículo submarino 100 está operando, pode ser utilizado para realizar trabalho adicional. Ainda, o motor de Stirling 222 opera como um dissipador de calor variável, que permite ao controlador 228 controlar as temperaturas dentro do interior da caixa quente 201 por modificação da vazão da malha de resfriamento 212. Em alguns casos, isto pode permitir que o soprador de cátodo 230 opere a velocidades mais baixas, o que reduz as perdas elétricas parasíticas para o veículo 100.
[0038] A figura 5 é um fluxograma de um método 500 de controle de uma temperatura de uma SOFC utilizando um motor de Stirling, numa modalidade de exemplo. As etapas de método 500 serão descritas com relação ao controlador 228 das figuras 2 a 4, embora uma pessoa especializada na arte irá compreender que o método 500 pode ser realizado por outros dispositivos ou sistemas, não mostrados. As etapas de método 500 são não todas inclusivas e podem incluir outras etapas não mostradas. Na etapa 502, o controlador 228 monitora uma temperatura de saída de cátodo 206 da SOFC 202 (por exemplo, através do sensor 255). A SOFC 202 é circundada pela caixa quente 201 e é acoplada termicamente à extremidade quente 224 do motor de Stirling 222. Na etapa 504, o controlador 228 modifica uma taxa de remoção de calor a partir da extremidade fria 226 do motor de Stirling (por exemplo, por variação do resfriamento aplicado à extremidade fria 226 pela malha de resfriamento 212, por variar uma vazão do soprador de cátodo 230, etc.) para manter a temperatura de saída de cátodo 26 da SOFC 202 dentro de uma variação de temperatura.
[0039] Quaisquer dos vários elementos mostrados nas figuras ou descritos aqui podem ser implementados como hardware, software, firmware, ou alguma combinação desses. Por exemplo, um elemento pode ser implementado como hardware dedicado. Os elementos de hardware dedicados podem ser referidos como “processadores”, “controladores”, ou alguma terminologia similar. Quando providas por um processador, as funções podem ser providas por um único processador dedicado, por um único processador compartilhado, ou por uma pluralidade de processadores individuais, alguns dos quais podem ser compartilhados. Além disso, o uso explícito do termo “processador” ou “controlador” não deve ser interpretado para ser referir exclusivamente a hardware capaz de executar software, e pode implicitamente incluir, sem limitação, hardware de processador de sinal digital (DSP), um processador de rede, circuito integrado específico de aplicação (ASIC) ou outros circuitos, rede de portas lógicas programáveis (FPGA), memória exclusivamente de leitura (ROM) para armazenar software, memória de acesso aleatório (RAM), armazenamento não volátil, lógica, ou algum outro componente ou módulo de hardware físico.
[0040] Também, um elemento pode ser implementado como instruções executáveis por um processador ou um computador para executar as funções do elemento. Alguns exemplos de instruções são software, código de programa, e firmware. As instruções são operacionais quando executadas pelo processador para dirigir o processador para executar as funções do elemento. As instruções podem ser armazenadas em dispositivos de armazenamento que são legíveis pelo processador. Alguns exemplos dos dispositivos de armazenamento são memórias digitais ou de estado sólido, meios de armazenamento magnéticos, tais como discos magnéticos e fitas magnéticas, unidades de disco rígido, ou meios de armazenamento de dados digitais, oticamente legíveis.
[0041] Embora modalidades específicas tenham sido descritas aqui, o escopo é não limitado àquelas modalidades específicas. Entretanto, o escopo é definido pelas seguintes reivindicações e quaisquer equivalentes das mesmas.

Claims (17)

1. Aparelho para recuperação de calor e controle de temperatura, compreendendo: um veículo (100) que inclui uma Célula de Combustível de Óxido Sólido (SOFC) (202) e é configurada para submergir na água, caracterizado pelo fato de que o veículo (100) compreende: uma caixa quente (201) circundando a SOFC (202), em que a SOFC (202) inclui uma entrada de cátodo (204), uma saída de cátodo (206), uma entrada de ânodo (208), e uma saída de ânodo (210); uma malha de resfriamento (212) para o veículo (100), que inclui um trocador de calor (214) e uma bomba de agente de resfriamento (216), em que o trocador de calor (214) acopla termicamente a malha de resfriamento (212) à água; um motor de Stirling tendo uma primeira extremidade (224), acoplada termicamente a um interior da caixa quente (201), e uma segunda extremidade (226), acoplada termicamente à malha de resfriamento (212); em que a bomba de agente de resfriamento (216) é configurada para modificar uma taxa de remoção de calor a partir da segunda extremidade (226) do motor de Stirling com base em um sinal de controle de bomba; e, um controlador de gestão térmica (228), que é configurado para monitorar uma temperatura da saída de cátodo (206) da SOFC (202), e para modificar o sinal de controle de bomba para manter a temperatura da saída de cátodo (206) da SOFC (202) dentro de uma variação de temperatura.
2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: um soprador de cátodo (230) tendo uma saída (234) e uma entrada (232), em que a entrada (232) do soprador de cátodo (230) é acoplada à saída de cátodo (206) da SOFC (202); em que o soprador de cátodo (230) é configurado para modificar uma taxa de resfriamento provida para a SOFC (202) com base em um sinal de controle de soprador de cátodo (230); em que o controlador de gestão térmica (228) é configurado para modificar o sinal de controle de bomba para aumentar a taxa de calor removido a partir da segunda extremidade (226) do motor de Stirling, e para modificar o sinal de controle de soprador de cátodo (230) para reduzir a taxa de resfriamento provida para a SOFC (202), responsiva ao aumento da taxa de calor removido a partir da segunda extremidade (226) do motor de Stirling.
3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: uma fonte de oxigênio acoplada à saída (234) do soprador de cátodo (230).
4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: o controlador de gestão térmica (228) é configurado para monitorar pelo menos uma de uma temperatura da entrada de ânodo (208) da SOFC (202) e uma temperatura da entrada de cátodo (204) da SOFC (202), e para modificar o sinal de controle de bomba para manter pelo menos uma da temperatura da entrada de ânodo (208) da SOFC (202) e da temperatura da entrada de cátodo (204) da SOFC (202) dentro de uma variação de temperatura.
5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: o controlador de gestão térmica (228) é configurado para monitorar pelo menos uma dentre uma temperatura do interior da caixa quente (201) e uma temperatura da saída de ânodo (210) da SOFC (202), e para modificar o sinal de controle de bomba para manter pelo menos uma da temperatura do interior da caixa quente (201) e da temperatura da saída de ânodo (210) da SOFC (202) dentro de uma variação de temperatura.
6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: uma fonte de combustível; e um reformador de combustível (240) tendo uma entrada (242) e uma saída (244), em que a entrada (242) do reformador de combustível (240) é acoplada à fonte de combustível e à saída de ânodo (210) da SOFC (202); um soprador de ânodo (248) tendo uma entrada (250) e uma saída (252), em que a saída (252) do soprador de ânodo (248) é acoplada à entrada de ânodo (208) da SOFC (202), em que a primeira extremidade (224) do motor de Stirling acopla a saída (244) do reformador de combustível (240) à entrada (250) do soprador de ânodo (248).
7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que: o controlador de gestão térmica (228) é configurado para monitorar pelo menos uma dentre uma temperatura da entrada (242) do reformador de combustível (240) e uma temperatura da saída (244) do reformador de combustível (240), e para modificar o sinal de controle de bomba para manter pelo menos uma da temperatura da entrada (242) do reformador de combustível (240) e da temperatura da saída (244) do reformador de combustível (240) dentro de uma variação de temperatura.
8. Aparelho para recuperação de calor e controle de temperatura, compreendendo: um veículo (100) que inclui uma Célula de Combustível de Óxido Sólido (SOFC) (202) e é configurado para submergir em água, caracterizado pelo fato de que o veículo (100) compreende: uma caixa quente (201) que envolve a SOFC (202), em que a SOFC (202) inclui uma entrada de cátodo (204), uma saída de cátodo (206), uma entrada de ânodo (208), e uma saída de ânodo (210); o soprador de cátodo (230) tendo uma saída (234) e uma entrada (232), em que a entrada (232) do soprador de cátodo (230) é acoplada à saída de cátodo (206) da SOFC (202), em que o soprador de cátodo (230) é configurado para modificar uma taxa de resfriamento provida para a SOFC (202) com base em um sinal de controle de soprador de cátodo; um motor de Stirling tendo uma primeira extremidade (224) termicamente acoplada com um interior da caixa quente (201) e uma segunda extremidade (226) acoplando a saída (234) do soprador de cátodo (230) à entrada de cátodo (204) da SOFC (202), em que o soprador de cátodo (230) é configurado para modificar uma taxa de remoção de calor a partir da segunda extremidade (226) do motor de Stirling com base no sinal de controle de soprador de cátodo; e, um controlador de gestão térmica (228), que é configurado para monitorar uma temperatura da saída de cátodo (206) da SOFC (202), e para modificar o sinal de controle de soprador de cátodo para manter a temperatura da saída de cátodo (206) da SOFC (202) dentro de uma variação de temperatura.
9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: uma fonte de oxigênio acoplada à saída (234) do soprador de cátodo (230).
10. Aparelho, de acordo com qualquer das reivindicações 3 e 8, caracterizado pelo fato de que: a fonte de oxigênio é um oxidante.
11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que: o controlador de gestão térmica (228) é configurado para monitorar pelo menos uma dentre uma temperatura da entrada de ânodo (208) da SOFC (202) e uma temperatura da entrada de cátodo (204) da SOFC (202), e para modificar o sinal de controle de soprador de cátodo para manter pelo menos uma da temperatura da entrada de ânodo (208) da SOFC (202) e da temperatura da entrada de cátodo (204) da SOFC (202) dentro de uma variação de temperatura.
12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que: o controlador de gestão térmica (228) é configurado para monitorar pelo menos uma dentre uma temperatura do interior da caixa quente (201) e uma temperatura da saída de ânodo (210) da SOFC (202), e para modificar o sinal de controle de soprador de cátodo para manter pelo menos uma da temperatura do interior da caixa quente (201) e da temperatura da saída de ânodo (210) da SOFC (202) dentro de uma variação de temperatura.
13. Aparelho, de acordo com qualquer das reivindicações 1 e 8, caracterizado pelo fato de que: a primeira extremidade (224) do motor de Stirling é acoplada à saída de ânodo (210) da SOFC (202).
14. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: uma fonte de combustível; um reformador de combustível (240) tendo uma entrada (242) e uma saída (244), em que a entrada (242) do reformador de combustível (240) é acoplada à fonte de combustível e à saída de ânodo (210) da SOFC (202); e, um soprador de ânodo (248) tendo uma entrada (250) e uma saída (252), em que a saída (252) do soprador de ânodo (248) é acoplada à entrada de ânodo (208) da SOFC (202), em que a primeira extremidade (224) do motor de Stirling acopla a saída (244) do reformador de combustível (240) à entrada (250) do soprador de ânodo (248).
15. Aparelho, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que: o controlador de gestão térmica (228) é configurado para monitorar pelo menos uma dentre uma temperatura da entrada (242) do reformador de combustível (240) e uma temperatura da saída (244) do reformador de combustível (240), e para modificar o sinal de controle de soprador de cátodo para manter pelo menos uma da temperatura da entrada (242) do reformador de combustível (240) e da temperatura da saída (244) do reformador de combustível (240) dentro de uma variação de temperatura.
16. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: uma cabeça de gerador (262) acoplada a um eixo de saída de energia do motor de Stirling; e um barramento elétrico para distribuir eletricidade para o veículo (100), em que a SOFC (202) e a cabeça de gerador (262) são acopladas eletricamente ao barramento elétrico.
17. Método para recuperação de calor e controle de temperatura, caracterizado pelo fato de que compreende: monitorar uma temperatura de uma saída de cátodo (206) de uma Célula de Combustível de Óxido Sólido (SOFC) (202), em que a SOFC (202) é circundada por uma caixa quente (201) que é termicamente acoplada a uma primeira extremidade (224) de um motor de Stirling; e, modificar uma taxa de remoção de calor a partir de uma segunda extremidade (226) de um motor de Stirling para manter a temperatura da saída de cátodo (206) da SOFC (202) dentro de uma variação de temperatura.
BR102015011276-9A 2014-06-30 2015-05-15 Aparelho para recuperação de calor e controle de temperatura, e, método para recuperação de calor e controle de temperatura BR102015011276B1 (pt)

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