BR112018000299B1 - Sistema de célula de combustível - Google Patents

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Abstract

SISTEMA DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL. A presente invenção compreende uma pluralidade de células de combustível conectadas entre si em série, e um reformador configurado para reformar combustível bruto, em que o combustível reformado pelo reformador é suprido para um primeiro estágio da pluralidade de células de combustível, e a célula de combustível no primeiro estágio é dotada de uma função de supressão de reação de metano que suprime a reação de metano incluído no combustível reformado em uma proporção maior do que pelo menos uma célula de combustível em um segundo estágio e em estágios posteriores. A supressão da queda de temperatura devido à reação endotérmica na célula de combustível no primeiro estágio pode aprimorar a eficiência de geração de energia elétrica do sistema de célula de combustível que tem a pluralidade de células de combustível disposta em série.

Description

CAMPO DA TÉCNICA
[001] A presente invenção refere-se a um sistema de célula de combustível que supre combustível e oxidante para uma célula de combustível e faz com que a mesma gere energia elétrica.
ANTECEDENTES DA TÉCNICA
[002] Uma célula de combustível do tipo óxido sólido geral utiliza um material condutor de íon de óxido como eletrólito e exige uma temperatura de operação de 500°C ou mais para obter condutividade de íon. Consequentemente, a célula de combustível do tipo óxido sólido, que exige tempo de aquecimento no caso de partida a frio, foi convencionalmente usada principalmente para equipamento estacionário com uma baixa frequência de partida a frio.
[003] Consequentemente, tendo em vista a adaptação da célula de combustível anteriormente mencionada a um corpo móvel, foi proposto um sistema de célula de combustível de múltiplos estágios que tem pequenas células de combustível e grandes células de combustível a fim de suportar tanto a rápida capacidade de arranque quanto a alto rendimento requeridos para um corpo móvel (consulte a Literatura de Patente 1).
LISTA DE CITAÇÃO LITERATURA DE PATENTE Literatura de Patente 1: Publicação de Patente Europeia n° EP 1507302 SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[004] Quando um sistema de célula de combustível de múltiplos estágios convencional descrito acima tem uma pluralidade de tubulações de células de combustível conectadas em série, uma célula de combustível do primeiro estágio provoca uma considerável reação endotérmica (reação de reforma de vapor: CH4+H2O ^ 3H2+CO) quando gera energia elétrica, devido a uma grande quantidade de metano incluído no combustível reformado por um reformador situado a montante do mesmo. Consequentemente, a célula de combustível do primeiro estágio, apesar de gerar calor, resulta em queda de temperatura que leva à eficiência diminuída de geração de energia elétrica devido à grande reação endotérmica.
[005] Dessa forma, um objetivo da presente invenção consiste em suprimir a diminuição na eficiência de geração de energia elétrica do sistema de célula de combustível que tem uma pluralidade de células de combustível dispostas em série.
[006] No sistema de célula de combustível de acordo com a presente invenção, a célula de combustível do primeiro estágio, dentre uma pluralidade de células de combustível conectadas entre si em série, tem uma função de supressão de reação de metano que suprime a reação de metano incluído em combustível reformado em uma proporção maior do que pelo menos uma das células de combustível do segundo estágio e de estágios posteriores.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[007] A Figura 1 é um diagrama de configuração geral de um sistema de célula de combustível de acordo com uma primeira modalidade da presente invenção.
[008] A Figura 2 é uma vista em planta esquemática que ilustra uma região de reação de células de combustível no sistema de célula de combustível da Figura 1, na qual a Figura 2(a) ilustra uma célula de combustível do primeiro estágio e a Figura 2(b) ilustra uma célula de combustível do segundo estágio.
[009] A Figura 3 ilustra uma função de supressão de reação de metano da primeira modalidade, na qual a Figura 3(a) é uma vista em seção transversal esquemática de um eletrólito e polos de combustível da célula de combustível do primeiro estágio e a Figura 3(b) é uma vista em seção transversal esquemática de um eletrólito e polos de combustível da célula de combustível do segundo estágio.
[010] A Figura 4 é um gráfico que ilustra a quantidade de calor gerado quando a célula de combustível do primeiro estágio é dotada da função de supressão de reação de metano.
[011] A Figura 5 é um gráfico que ilustra a quantidade de calor gerado quando a célula de combustível do primeiro estágio não é dotada da função de supressão de reação de metano como um exemplo comparativo.
[012] A Figura 6 ilustra uma função de supressão de reação de metano de uma segunda modalidade, na qual a Figura 6(a) é uma vista em seção transversal esquemática de um eletrólito e polos de combustível da célula de combustível do primeiro estágio e a Figura 6(b) é uma vista em seção transversal esquemática de eletrólito e polos de combustível da célula de combustível do segundo estágio.
[013] A Figura 7 ilustra uma função de supressão de reação de metano de uma terceira modalidade, na qual a Figura 7(a) é uma vista em seção transversal esquemática de um eletrólito e polos de combustível da célula de combustível do primeiro estágio e a Figura 7(b) é uma vista em seção transversal esquemática de um eletrólito e polos de combustível da célula de combustível do segundo estágio.
[014] A Figura 8 ilustra uma função de supressão de reação de metano de uma quarta modalidade e é um diagrama explicativo que ilustra um exemplo no qual a espessura de polos de combustível de uma célula de combustível de um estágio posterior é tornada mais espessa do que a de estágios precedentes.
[015] A Figura 9 ilustra uma função de supressão de reação de metano de uma quinta modalidade, e é um diagrama explicativo que ilustra um exemplo no qual, em relação à razão de composição entre um material condutor de próton, que supõe- se ser o material de eletrólito, e um material condutor de óxido, em que a proporção do material condutor de próton de uma célula de combustível de um estágio posterior é tornada inferior em comparação com estágio precedentes.
[016] A Figura 10 ilustra uma função de supressão de reação de metano de uma sexta modalidade e é um diagrama explicativo que ilustra um exemplo no qual um reformador de combustível descarregado é fornecido entre células de combustível que são adjacentes entre si dentre uma pluralidade de células de combustível.
[017] A Figura 11 é um diagrama de configuração geral de um sistema de célula de combustível de acordo com uma sétima modalidade.
DESCRIÇÃO DE MODALIDADES
[018] Doravante no presente documento, as modalidades para implementar a presente invenção serão descritas em detalhes em referência aos desenhos.
[019] A Figura 1 é um diagrama de configuração geral de um sistema de célula de combustível comum para respectivas modalidades descritas abaixo. Uma primeira célula de combustível 1 do primeiro estágio e uma segunda célula de combustível 3 do segundo estágio em um sistema de célula de combustível são células de combustível do tipo óxido sólido (SOFC). O hidrogênio como combustível e ar como oxidante são supridos respectivamente para a primeira e a segunda células de combustível 1 e 3 para gerar energia elétrica.
[020] A primeira e a segunda células de combustível 1 e 3 têm uma pluralidade de células empilhadas para formar pilha de células de combustível. Uma célula inclui eletrólito, um polo de combustível, um polo de oxigênio, um separador de lado de polo de combustível que forma uma trajetória de fluxo de combustível, e um separador de lado de polo de oxigênio que forma uma trajetória de fluxo de ar.
[021] A primeira célula de combustível 1 é menor em capacidade de geração de energia elétrica e tamanho do que a segunda célula de combustível 3. A fim de diminuir o tamanho da primeira célula de combustível 1, a área de uma região de reação (geração de energia elétrica) S1 de um eletrodo da primeira célula de combustível 1 indicada por linhas em diagonal é tornada menor do que uma região de reação (geração de energia elétrica) S2 de um eletrodo da segunda célula de combustível 3 indicada por linhas em diagonal, como ilustrado na Figura 2. Durante o empilhamento de células de combustível, a primeira célula de combustível 1 é tornada menor do que a segunda célula de combustível 3 em termos da área total de regiões de reação de todas dentre a pluralidade de células.
[022] A primeira célula de combustível 1 e a segunda célula de combustível 3 são conectadas entre si em série através de uma tubulação de combustível 5 e uma tubulação de ar 7. Em outras palavras, uma pluralidade de células de combustível é conectada entre si em série. A primeira célula de combustível 1 é situada no lado a montante da segunda célula de combustível 3 no fluxo de combustível e ar.
[023] São fornecidos em uma tubulação de suprimento de combustível 11 que conecta a primeira célula de combustível 1 e um tanque de combustível 9 uma bomba de combustível 13, um carburador 15, um trocador de calor 17, e um reformador 19, respectivamente, em ordem a partir do lado do tanque de combustível 9. O combustível bruto no tanque de combustível 9 inclui combustível à base de hidrocarboneto como gasolina, óleo leve ou querosene, ou combustível líquido à base de álcool como metanol ou etanol.
[024] A bomba de combustível 13 envia combustível líquido do tanque de combustível 9 para o carburador 15. O carburador 15 transforma o combustível bruto em névoa aspergida ao ejetar combustível líquido a partir de um bocal não ilustrado, por exemplo, e ao ejetar o combustível líquido pressurizado a partir de microporos do bocal. Adicionalmente, um combustor 21 é conectado ao carburador 15 através de um cano de exaustão de combustão 22, e a névoa aspergida de combustível bruto é vaporizada com o uso do calor de exaustão do combustor 21. O trocador de calor 17 usa o combustor 21 para trocar calor com, e elevar a temperatura de, o combustível bruto vaporizado pelo carburador 15.
[025] O combustor 21 e a segunda célula de combustível 3 são conectadas entre si através de um cano de descarga de combustível 23 e um cano de descarga de ar 25. Em outras palavras, o combustível descarregado descarregado a partir da segunda célula de combustível 3 é suprido para o combustor 21 através do cano de descarga de combustível 23, e o ar descarregado descarregado a partir da segunda célula de combustível 3 é suprido para o combustor 21 através do cano de descarga de ar 25. O combustor 21 realiza a combustão com o uso do combustível descarregado e ar descarregado supridos como o combustível bruto.
[026] São fornecidos em uma tubulação de suprimento de ar 29 que conecta a primeira célula de combustível 1 e um compressor de ar 27 um primeiro trocador de calor de ar 31 e um combustor de arranque 33, respectivamente, em ordem a partir do lado do compressor de ar 27. O compressor de ar 27 envia ar fresco (ar) para o primeiro trocador de calor de ar 31. O primeiro trocador de calor de ar 31 eleva a temperatura do ar enviado a partir do compressor de ar 27 ao trocar calor com gás de combustão suprido através do cano de exaustão de combustão 22 descrito acima. O ar de exaustão exaurido a partir do primeiro trocador de calor de ar 31 é exaurido para o exterior através de um silencioso 35.
[027] O combustor de arranque 33 é conectado ao tanque de combustível 9 através de uma tubulação de combustível não ilustrada e combure o combustível líquido suprido ao mesmo a partir do tanque de combustível 9 por uma bomba de combustível 37. O ar enviado para o combustor de arranque 33 a partir do primeiro trocador de calor de ar 31 é aquecido por calor de combustão do combustor de arranque 33 através do que sua temperatura se eleva.
[028] A tubulação de suprimento de ar 29 entre o compressor de ar 27 e o primeiro trocador de calor de ar 31 tem um tubo de ar 39 conectado ao mesmo de uma maneira ramificada. O tubo de ar 39 é adicionalmente ramificado em uma segunda tubulação de suprimento de ar 41 e um cano de mistura de ar 43.
[029] A segunda tubulação de suprimento de ar 41, que tem um segundo trocador de calor de ar 45 fornecido na parte intermediária da mesma, é conectada à tubulação de ar 7. No segundo trocador de calor de ar 45, o calor de exaustão que flui através do cano de exaustão de combustão 22 aquece e eleva a temperatura do ar, e o ar com a temperatura elevada é suprido para a segunda célula de combustível 3. O cano de mistura de ar 43 tem a tubulação de suprimento de combustível 11 conectada entre o carburador 15 e o trocador de calor 17, que mistura o ar enviado a partir do compressor de ar 27 com o combustível bruto fluindo através da tubulação de suprimento de combustível 11.
[030] O sistema de célula de combustível configurado como descrito acima opera da seguinte maneira.
[031] O combustível líquido é enviado a partir do tanque de combustível 9 para o carburador 15 pela bomba de combustível 13, e adicionalmente, o combustível bruto vaporizado é enviado para o reformador 19 através do trocador de calor 17. Nesse ínterim, uma parte do ar enviado a partir do compressor de ar 27 é misturada em combustível bruto na tubulação de suprimento de combustível 11 através do tubo de ar 39 e do cano de mistura de ar 43, e subsequentemente enviado para o reformador 19 através do trocador de calor 17.
[032] O reformador 19 decompõe o combustível bruto e também a água e o ar misturados no combustível bruto a uma temperatura alta, e os reforma formando constituintes como H2, CH4, CO, CO2, H2O, e o combustível reformado é suprido para a primeira célula de combustível 1. Por outro lado, o ar enviado a partir do compressor de ar 27 tem sua temperatura elevada através do primeiro trocador de calor de ar 31 e do combustor de arranque 33, e é suprido para a primeira célula de combustível 1.
[033] A primeira célula de combustível 1 gera energia elétrica utilizando a reação entre o combustível reformado suprido à mesma e oxigênio, que é o oxidante na atmosfera. A primeira célula de combustível 1 é menor em capacidade de geração de energia elétrica e tamanho do que a segunda célula de combustível 3, e, portanto, é ativada em um tempo mais curto. Subsequente à geração de energia elétrica pela primeira célula de combustível 1, mais combustível e ar são supridos para a segunda célula de combustível 3 respectivamente através da tubulação de combustível 5 e a tubulação de ar 7. Nesse ínterim, uma parte do ar do compressor de ar 27 é suprida para a segunda célula de combustível 3 através do tubo de ar 39 e da segunda tubulação de suprimento de ar 41.
[034] A segunda célula de combustível 3 gera energia elétrica utilizando a reação entre o combustível suprido e o oxigênio que é o oxidante na atmosfera. Subsequente à geração de energia elétrica pela segunda célula de combustível 3, mais combustível e ar são supridos para combustão para o combustor 21 respectivamente através do cano de descarga de combustível 23 e do cano de descarga de ar 25.
[035] A aplicação a um automóvel, dentre corpos móveis, exige suporte tanto da rápida capacidade de arranque quanto do alto rendimento. Consequentemente, a área de reação total da primeira célula de combustível 1 do primeiro estágio é tornada menor do que a área de reação total da segunda célula de combustível 3 do segundo estágio, com a finalidade de reduzir a capacidade de calor da primeira célula de combustível 1 do primeiro estágio. Durante a realização da rápida capacidade de arranque pela primeira célula de combustível 1 com capacidade de calor reduzida, um grande rendimento é obtido a partir da geração de energia elétrica pelas duas células de combustível 1 e 3 após ter ativado a segunda célula de combustível 3. Consequentemente, pode ser fornecido um sistema de combustível adequado para um automóvel.
[036] A primeira célula de combustível 1 com capacidade de calor reduzida gera uma quantidade pequena de calor durante a geração de energia elétrica, e é, portanto, eficaz para suprimir queda de temperatura ao fornecer uma função de supressão de reação de metano descrita abaixo para suprimir a quantidade de calor absorvido de modo que a quantidade de calor absorvido não exceda a quantidade de calor gerado.
[037] A seguir, serão descritas respectivas modalidades nas quais a primeira célula de combustível 1 do primeiro estágio é dotada de uma função de supressão de reação de metano.
[038] A Figura 3 ilustra uma função de supressão de reação de metano de uma primeira modalidade. A Figura 3(a) ilustra uma vista em seção transversal esquemática de um eletrólito 47A e polos de combustível 49A de uma primeira célula de combustível 1A do primeiro estágio, e a Figura 3(b) ilustra uma vista em seção transversal esquemática de um eletrólito 51A e polos de combustível 53A de uma segunda célula de combustível 3A do segundo estágio.
[039] Em ambas as células de combustível 1A e 3A, os polos de combustível 49A e 53A incluem Ni (níquel) e YSZ (zircônia estabilizada por ítria). Os eletrólitos 47A e 51A incluem YSZ.
[040] A primeira modalidade pretende fornecer a primeira célula de combustível 1A com uma função de supressão de reação de metano ao tornar a espessura T1 dos polos de combustível 49A na primeira célula de combustível 1A do primeiro estágio mais fina do que a espessura T2 dos polos de combustível 53A na segunda célula de combustível 3A do segundo estágio. As respectivas espessuras T1 e T2 dos polos de combustível 49A e 53A correspondem à espessura de uma parte onde uma interface trifásica é formada na qual íons de hidrogênio, elétrons e gás combustível se unem. Os íons de hidrogênio, os elétrons e o gás combustível podem ser respectivamente substituídos por eletrólito (fase líquida), polos de combustível (fase sólida) e hidrogênio (fase gasosa).
[041] Sabe-se que o adelgaçamento da espessura de polos de combustível provoca um aumento de densidade de corrente local e, nesse ínterim, a atividade de reação de hidrogênio tende a ser mais alta do que metano. Portanto, a reação de metano pode ser suprimida quando a primeira célula de combustível 1A do primeiro estágio gera energia elétrica. Consequentemente, a primeira célula de combustível 1A pode suprimir a quantidade de calor absorvido durante a reação de reforma de vapor (reação endotérmica), mesmo quando uma grande quantidade de metano estiver incluída no combustível reformado pelo reformador 19.
[042] Portanto, a primeira célula de combustível 1A pode fazer com que a quantidade de calor gerado exceda a quantidade de calor absorvido, garantindo assim a temperatura exigida para operação estável. Como um resultado, é possível suprimir a diminuição da eficiência de geração de energia elétrica no sistema de célula de combustível.
[043] Nesse caso, se torna desnecessário introduzir uma quantidade do ar maior do que a exigida no combustível bruto a fim de reduzir metano durante a reforma, ou aquecer o ar para geração de energia elétrica além da temperatura de operação da primeira célula de combustível 1A do primeiro estágio, a fim de manter apropriadamente a temperatura da primeira célula de combustível 1A do primeiro estágio. Como um resultado, é possível suprimir a diminuição da eficiência de geração de energia elétrica do sistema de célula de combustível.
[044] O metano cuja reação é suprimida na primeira célula de combustível 1A do primeiro estágio acaba por ser usado pela reação durante a geração de energia elétrica pela segunda célula de combustível 3A do estágio posterior com espessura aumentada dos polos de combustível 53A, permitindo assim o uso eficaz de combustível injetado.
[045] A Figura 4 ilustra uma quantidade de calor gerado pelo combustível injetado em um caso em que a primeira célula de combustível 1A de acordo com a primeira modalidade é dotada de uma função de supressão de reação de metano, e a Figura 5 ilustra uma quantidade de calor gerado pelo combustível injetado em um caso em que a célula de combustível do primeiro estágio não é dotada de uma função de supressão de reação de metano como um exemplo comparativo.
[046] Na Figura 5 ilustrada como um exemplo comparativo, a quantidade de calor gerado pelo combustível injetado, que está aquecendo o ar para geração de energia elétrica, é maior do que a da presente modalidade da Figura 4 aproximadamente pela quantidade denotada H (1,4 kW). Isso se deve ao fato de que a quantidade de calor absorvido (0,58 kW) devido à grande quantidade de reação de metano na célula de combustível do primeiro estágio excede a quantidade de calor gerado (0,32 kW).
[047] Na presente modalidade da Figura 4, a reação de metano é suprimida na primeira célula de combustível 1A e, portanto, uma grande reação endotérmica como aquela ilustrada na Figura 5 é suprimida, através do que uma quantidade de calor gerado (0,37 kW) é obtida. Além disso, a quantidade de calor absorvido (0,55 kW) durante a geração de energia elétrica pela segunda célula de combustível 3A, se torna aproximadamente igual à quantidade de calor absorvido (0,58 kW) durante a geração de energia elétrica pela célula de combustível do primeiro estágio no exemplo comparativo devido à reforma interna do metano cuja reação é suprimida na primeira célula de combustível 1A. No entanto, na segunda célula de combustível 3A, a quantidade de calor gerado (1,18 kW) excede a quantidade de calor absorvido (0,55 kW) devido à sua grande capacidade de geração de energia elétrica e, portanto, é possível garantir a temperatura exigida para operação estável.
[048] Na presente modalidade, é possível suprimir a quantidade de calor gerado pelo combustível injetado para ser baixa e obter uma quantidade de energia elétrica gerada aproximadamente igual. Uma vez que, no exemplo comparativo da Figura 5, a quantidade de energia elétrica gerada (parte da linha em diagonal) é 3,16 (0,76+2,4) kW contra a quantidade de calor 6,45 (5,05+1,4) kW por combustível injetado, a eficiência de geração de energia elétrica acaba por ser 48%. A presente modalidade, em contrapartida, exibe uma eficiência superior de 62% devido ao fato de que a quantidade de energia elétrica gerada (parte da linha em diagonal) é 3,11 (0,75+2,36) kW contra a quantidade de calor 5,03 kW por combustível injetado.
[049] A Figura 6 ilustra uma função de supressão de reação de metano de uma segunda modalidade. A Figura 6(a) ilustra uma vista em seção transversal esquemática de um eletrólito 47B e polos de combustível 49B de uma primeira célula de combustível 1B do primeiro estágio, e a Figura 6(b) ilustra uma vista em seção transversal esquemática de um eletrólito 51B e polos de combustível 53B de uma segunda célula de combustível 3B do segundo estágio.
[050] Na segunda modalidade, os polos de combustível 49B da primeira célula de combustível 1B do primeiro estágio incluem Ni (níquel) e BCZY (BaCeZrY) que é um material condutor de próton. Os polos de combustível 53B da segunda célula de combustível 3B do segundo estágio incluem Ni e YSZ, similarmente à primeira modalidade. Os eletrólitos 47B e 51B são formados com um material que inclui YSZ, similarmente à primeira modalidade.
[051] O uso de um material condutor de próton como o material dos polos de combustível 49B permite o uso seletivo de hidrogênio durante a geração de energia elétrica em comparação com metano ou monóxido de carbono, através do que a reação de metano pode ser suprimida. Em outras palavras, a segunda modalidade pretende fornecer à primeira célula de combustível 1B do primeiro estágio uma função de supressão de reação de metano ao usar BCZY que é um material condutor de próton como o material dos polos de combustível 49B. Consequentemente, a primeira célula de combustível 1B pode suprimir a quantidade de calor absorvido durante a reação de reforma de vapor (reação endotérmica), mesmo quando uma grande quantidade de metano estiver incluída no combustível reformado pelo reformador 19.
[052] Portanto, similarmente à primeira modalidade, a primeira célula de combustível 1B pode fazer com que a quantidade de calor gerado exceda a quantidade de calor absorvido, garantindo assim a temperatura exigida para operação estável. Como um resultado, é possível suprimir a diminuição da eficiência de geração de energia elétrica no sistema de célula de combustível.
[053] Nesse caso, se torna desnecessário introduzir uma quantidade do ar maior do que a exigida no combustível bruto a fim de reduzir metano durante a reforma, ou aquecer o ar para geração de energia elétrica além da temperatura de operação da primeira célula de combustível 1B, a fim de manter apropriadamente a temperatura da primeira célula de combustível 1B do primeiro estágio. Como um resultado, é possível suprimir a diminuição da eficiência de geração de energia elétrica do sistema de célula de combustível.
[054] A Figura 7 ilustra uma função de supressão de reação de metano de uma terceira modalidade. A Figura 7(a) ilustra uma vista em seção transversal esquemática de um eletrólito 47C e polos de combustível 49C de uma primeira célula de combustível 1C do primeiro estágio, e a Figura 7(b) ilustra uma vista em seção transversal esquemática de um eletrólito 51C e polos de combustível 53B de uma segunda célula de combustível 3C do segundo estágio.
[055] Na terceira modalidade, o eletrólito 47C da primeira célula de combustível 1C do primeiro estágio inclui BCZY que é um material condutor de próton. O eletrólito 51C da segunda célula de combustível 3C do segundo estágio inclui YSZ, similarmente à primeira modalidade. Os polos de combustível 49C e 53C incluem Ni e YSZ, similarmente à primeira modalidade.
[056] O uso de um material condutor de próton como o material do eletrólito 47C permite o uso seletivo de hidrogênio durante a geração de energia elétrica em comparação com metano e monóxido de carbono, através do que a reação de metano pode ser suprimida. Em outras palavras, a terceira modalidade pretende fornecer à primeira célula de combustível 1C do primeiro estágio uma função de supressão de reação de metano ao usar BCZY que é um material condutor de próton como o material do eletrólito 47C. Consequentemente, a primeira célula de combustível 1C pode suprimir a quantidade de calor absorvido durante a reação de reforma de vapor (reação endotérmica), mesmo quando uma grande quantidade de metano estiver incluída no combustível reformado pelo reformador 19.
[057] Portanto, similarmente à primeira modalidade, a primeira célula de combustível 1C pode fazer com que a quantidade de calor gerado exceda a quantidade de calor absorvido, garantindo assim a temperatura exigida para operação estável. Como um resultado, é possível suprimir a diminuição da eficiência de geração de energia elétrica no sistema de célula de combustível.
[058] Nesse caso, se torna desnecessário introduzir uma quantidade do ar maior do que a exigida no combustível bruto a fim de reduzir metano durante a reforma, ou aquecer o ar para geração de energia elétrica além da temperatura de operação da primeira célula de combustível 1C, a fim de manter apropriadamente a temperatura da primeira célula de combustível 1C do primeiro estágio. Como um resultado, é possível suprimir a diminuição da eficiência de geração de energia elétrica do sistema de célula de combustível.
[059] A Figura 8 ilustra uma função de supressão de reação de metano de uma quarta modalidade. A quarta modalidade, que é um exemplo modificado da primeira modalidade ilustrada na Figura 3, tem N células de tubulação de combustível conectadas em série, sendo N três ou mais, além de uma primeira célula de combustível 1D do primeiro estágio e a segunda célula de combustível 3D do segundo estágio. A célula de combustível do (N-1)-ésimo estágio é chamada de (N-1)-ésima célula de combustível 55D, e a célula de combustível do N-ésimo estágio é chamada de N-ésima célula de combustível 57D. Observa-se que, na Figura 8, apenas a tubulação de suprimento de combustível 11 na Figura 11 é ilustrada como a tubulação de conexão, enquanto que a tubulação de suprimento de ar é omitida.
[060] Cada polo de combustível da pluralidade de células de combustível 1D a 57D inclui Ni e YSZ, similarmente à primeira modalidade da Figura 3. Cada eletrólito também inclui YCZ, similarmente à primeira modalidade. Similarmente à primeira modalidade, a espessura T1 dos polos de combustível da primeira célula de combustível 1D do primeiro estágio é tornar mais fina do que a espessura T2 dos polos de combustível da segunda célula de combustível 3D do segundo estágio.
[061] A espessura dos polos de combustível é tornada a mais fina na primeira célula de combustível 1D do primeiro estágio e a mais espessa na N-ésima célula de combustível 57D do N-ésimo estágio que é o último estágio, com a espessura se tornando gradualmente mais espessa a partir da primeira célula de combustível 1D para a N-ésima célula de combustível 57D. Em outras palavras, considerando que TN- 1 seja a espessura dos polos de combustível da (N-1)-ésima célula de combustível 55D e TN seja a espessura dos polos de combustível da N-ésima célula de combustível 57D, Ti <T2 <••••< TN-I <TN se aplica.
[062] Como descrito na primeira modalidade da Figura 3, o adelgaçamento da espessura dos polos de combustível resulta na supressão de reação de metano. Consequentemente, quando uma pluralidade de células de combustível é conectada em série, tornar a espessura dos polos de combustível de estágios posteriores mais espessa resulta no enfraquecimento da função de supressão de reação de metano de estágios posteriores.
[063] Em outras palavras, a quarta modalidade pretende fornecer a pluralidade de células de combustível do segundo estágio e de estágios posteriores com uma função de supressão de reação de metano em estágio posterior, de modo que a função de supressão de reação de metano a ser exibida pela função de supressão de reação de metano em estágio posterior seja gradualmente enfraquecida em estágios posteriores.
[064] O metano, cuja reação é suprimida em uma célula de combustível de um estágio a montante, flui para uma célula de combustível de um estágio a jusante, e, portanto, pode ser considerado um caso em que uma distribuição de temperatura irregular ocorre no interior da célula de combustível do estágio a jusante, ou, dependendo da quantidade de energia elétrica gerada, a quantidade de reação endotérmica excede a quantidade de calor gerado. Consequentemente, medidas são tomadas para suprimir a quantidade de reação endotérmica de metano ao enfraquecer a função de supressão de reação de metano em células de combustível de estágios posteriores de modo que a distribuição de temperatura no interior da célula de combustível se torne mais uniforme, ou a quantidade de calor absorvido não excede a quantidade de calor gerado pela geração de energia elétrica.
[065] A Figura 9 ilustra uma função de supressão de reação de metano de uma quinta modalidade. A quinta modalidade é uma combinação das ideias da terceira modalidade ilustrada na Figura 7 e da quarta modalidade ilustrada na Figura 8. A quinta modalidade, similarmente à Figura 8, tem N células de tubulação de combustível conectadas em série, sendo N três ou mais, além de uma primeira célula de combustível 1E do primeiro estágio e uma segunda célula de combustível 3E do segundo estágio. Uma célula de combustível no (N-1) é chamada de (N-1)-ésima célula de combustível 55E, e a célula de combustível do N-ésimo estágio é chamada de N-ésima célula de combustível 57E. Observa-se que, na Figura 9, apenas a tubulação de suprimento de combustível 11 na Figura 11 é ilustrada como a tubulação de conexão, enquanto que a tubulação de suprimento de ar é omitida.
[066] Na quinta modalidade, os respectivos eletrólitos da primeira célula de combustível 1E até a (N-1)-ésima célula de combustível 55E, exceto a N-ésima célula de combustível 57E do último estágio, incluem BCZY, que é um material condutor de próton similarmente ao eletrólito 47C da primeira célula de combustível 1C in Figura 7. Além disso, os respectivos eletrólitos da segunda célula de combustível 3E do segundo estágio até a N-ésima célula de combustível 57E do último estágio, exceto a primeira célula de combustível 1E do primeiro estágio, incluem YCZ, que é um material condutor de óxido. Cada polo de combustível das células de combustível 1E a 57E inclui Ni e YSZ, similarmente à Figura 7.
[067] O eletrólito da primeira célula de combustível 1E do primeiro estágio não inclui YCZ, e, portanto, considerando que P:Q seja a razão entre o material condutor de próton e o material condutor de óxido, uma razão de P:Q=1:0 é obtida. O eletrólito da N-ésima célula de combustível 57E do último estágio não inclui BCZY, e, portanto, uma razão de P:Q=0:1 é obtida. Subsequentemente, o eletrólito da segunda célula de combustível 3E do segundo estágio exibe uma razão de P:Q =0,9: 0,1, e o eletrólito da (N-1)-ésima célula de combustível 55E exibe uma razão de P:Q =0,1:0,9.
[068] Como assim descrito, a razão de composição entre o material condutor de próton e o material condutor de óxido é definida para os respectivos eletrólitos da primeira célula de combustível 1E do primeiro estágio até a N-ésima célula de combustível 57E do último estágio de modo que a proporção do material condutor de próton de estágios posteriores se torne inferior.
[069] Como descrito na terceira modalidade da Figura 7, o uso de um material condutor de próton como o material do eletrólito permite o uso seletivo de hidrogênio durante a geração de energia elétrica em comparação com metano ou monóxido de carbono, através do que a reação de metano pode ser suprimida. Portanto, a redução da proporção do material condutor de próton para células de combustível de estágios posteriores enfraquece a função de supressão da reação de metano para estágios posteriores, similarmente à quarta modalidade da Figura 8.
[070] Em outras palavras, a quinta modalidade, similarmente à quarta modalidade, pretende fornecer a pluralidade de células de combustível do segundo estágio e de estágios posteriores com uma função de supressão de reação de metano em estágio posterior, de modo que a função de supressão de reação de metano a ser exibida pela função de supressão de reação de metano em estágio posterior seja gradualmente enfraquecida para os estágios posteriores. Portanto, a quinta modalidade realiza um efeito operacional que é similar ao da quarta modalidade.
[071] A Figura 10 ilustra uma função de supressão de reação de metano de uma sexta modalidade. A sexta modalidade, similarmente à quarta modalidade da Figura 8 e à quinta modalidade da Figura 9, tem uma pluralidade de células de combustível que se situa na faixa de uma tubulação conectada em série de primeira célula de combustível 1F até a N-ésima célula de combustível 57F. A sexta modalidade tem um reformador de combustível descarregado 59 entre as células de combustível que são adjacentes entre si dentre uma pluralidade de células de combustível. Cada reformador de combustível descarregado 59 reforma o combustível descarregado descarregado a partir de uma célula de combustível de um estágio precedente (a montante).
[072] A célula de combustível do estágio precedente tem uma composição termodinâmica sem equilíbrio na qual uma grande quantidade de metano com reação suprimida existe e também a razão de teor de água e dióxido de carbono é alta devido à geração de energia elétrica. Portanto, a composição é reformada para equilíbrio termodinâmico ao fornecer o reformador de combustível descarregado 59 na tubulação de suprimento de combustível 11 entre as células de combustível.
[073] Durante a reforma, a reação de reforma de vapor (reação endotérmica) de metano ocorre, e embora a temperatura de combustível reformado sem torne menor do que a temperatura de células de combustível circundantes, a troca de calor com a tubulação de suprimento de combustível 11 que alcançou uma temperatura alta faz com que a temperatura de combustível reformado se eleve. A elevação da temperatura de combustível reformado impede que a distribuição de temperatura em células de combustível de estágios posteriores se torne irregular, ou a quantidade de calor absorvido exceda a quantidade de calor gerado pela geração de energia elétrica.
[074] A Figura 11 ilustra uma sétima modalidade da presente invenção. A sétima modalidade tem um mecanismo de circulação de combustível descarregado 61 adicionado à primeira modalidade da Figura 1 para suprir, em um modo circulante, ao reformador 19 uma parte de combustível descarregado que contém água descarregada a partir da segunda célula de combustível 3 do segundo estágio situado no estágio mais distante. O resto da configuração é similar à da Figura 1.
[075] O mecanismo de circulação de combustível descarregado 61 tem um soprador de circulação de combustível 63 fornecido no cano de descarga de combustível 23, e uma tubulação de circulação de combustível 65 para conectar o soprador de circulação de combustível 63 e o reformador 19. Supõe-se que o soprador de circulação de combustível 63 divida o combustível descarregado que contém água descarregada a partir da segunda célula de combustível 3 e envie o combustível descarregado dividido tanto para o reformador 19 quanto para o combustor 21.
[076] Durante a reforma de combustível, uma eficiência de reforma mais alta é obtida ao reformar vapor (reação endotérmica) de combustível e água em comparação com a reforma de oxidação parcial (reação exotérmica) de combustível e oxigênio. Portanto, a água gerada em gás combustível devido à geração de energia elétrica é suprida para o reformador 19 em um modo circulante para realizar a reforma de vapor. Consequentemente, a eficiência de reforma aumenta, e a porção de combustível usada no sistema também aumenta.
[077] O combustível bruto usado nas respectivas modalidades descritas acima é combustível líquido à base de álcool ou à base de hidrocarboneto. Em particular, para uso em um corpo móvel como um automóvel, o combustível líquido com uma alta densidade de energia é adequado, dentre os quais o combustível à base de hidrocarboneto como gasolina, óleo leve e querosene, ou combustível à base de álcool como metanol e etanol é facilmente disponível com conveniência aumentada.
[078] O combustível à base de álcool supracitado pode conter água. No caso de combustível à base de álcool que contém água, uma temperatura de gás de combustão relativamente baixa é suficiente para que o combustor 21 aqueça o combustível bruto antes da reforma, e, portanto, a temperatura de combustível após o aquecimento não se torna muito alta. Consequentemente, o combustível à base de álcool que contém água terá uma temperatura de combustível reformado baixa após a reforma, e uma concentração de metano alta no combustível reformado. Portanto, o combustível à base de álcool que contém água acaba por ser adequado para um sistema de célula de combustível de múltiplos estágios que tem uma função de supressão de reação de metano.
[079] Além disso, não é necessário usar o mecanismo de circulação de combustível descarregado 61 que foi usado na sétima modalidade da Figura 11 para suprir água para o reformador 19 para reformar combustível pelo reformador 19, através do que a configuração de sistema pode ser simplificada em comparação com a sétima modalidade quando se realiza a reforma de vapor (reação endotérmica).
[080] Embora a presente invenção tenha sido descrita acima em referência às modalidades, a presente invenção não é limitada a essas, e será evidente para os elementos versados na técnica que várias modificações e aprimoramentos podem ser feitas.
[081] Por exemplo, a configuração com a espessura dos polos de combustível 49A da primeira célula de combustível 1A na Figura 3 adelgaçada, a configuração com os polos de combustível 49B da primeira célula de combustível 1B na Figura 6 incluindo um material condutor de próton, e a configuração com o eletrólito 47C da primeira célula de combustível 1C na Figura 7 incluindo um material condutor de próton podem ser combinadas conforme for apropriado. Além disso, as respectivas modalidades das Figuras 8, 9 e 10 podem ser combinadas conforme for apropriado.
APLICABILIDADE INDUSTRIAL
[082] A presente invenção se aplica a um sistema de célula de combustível que tem uma pluralidade de células de combustível conectadas em série. LISTA DE REFERÊNCIAS NUMÉRICAS 1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F primeira célula de combustível (célula de combustível do primeiro estágio) 3, 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F segunda célula de combustível (célula de combustível do segundo estágio) 19 reformador 59 reformador de combustível descarregado 61 mecanismo de circulação de combustível descarregado

Claims (9)

1. Sistema de célula de combustível compreendendo: a pluralidade de células de combustível (1, 3, 1A, 3A, 1B, 3B, 1C, 3C, 1D, 3D, 55D, 57D, 1E, 3E, 55E, 57E, 1F, 3F, 55F, 57F) conectadas entre si em série; e um reformador (19) configurado para reformar combustível bruto, em que combustível reformado pelo reformador (19) é suprido para um primeiro estágio da pluralidade de células de combustível (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F), e a célula de combustível do primeiro estágio (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F) é localizada a montante da célula de combustível de um segundo estágio (3, 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F) no fluxo de combustível e ar, CARACTERIZADO por a célula de combustível do primeiro estágio (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F) é configurada para ter uma reação de metano no combustível reformado que é mais suprimido, suprimindo assim uma quantidade de calor absorvido relativo a uma quantidade de calor gerado na célula de combustível do primeiro estágio (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F), que em pelo menos uma célula de combustível do segundo estágio e de estágios posteriores (3, 3A, 3B, 3C, 3D, 55D, 57D, 3E, 55E, 57E, 3F, 57F), e a supressão da reação de metano na célula de combustível do primeiro estágio (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F) é provido por um ou mais de: a espessura de polos de combustível formando uma interface trifásica na célula de combustível do primeiro estágio (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F) mais fina do que aquela de pelo menos uma célula de combustível do segundo estágio e de estágios posteriores (3, 3A, 3B, 3C, 3D, 55D, 57D, 3E, 55E, 57E, 3F, 57F); e usar um material condutor de próton como um material de polos de combustível.
2. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a supressão da reação de metano na célula de combustível do primeiro estágio (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F) é adicionalmente provida através do uso de um material condutor de próton como um material de eletrólito.
3. Sistema de célula de combustível, de acordo a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a célula de combustível do primeiro estágio (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F) possui um eletrodo com uma área menor, na qual combustível e oxidante reagem, do que a área de pelo menos uma célula de combustível do segundo estágio e de estágios posteriores (3, 3A, 3B, 3C, 3D, 55D, 3E, 55E, 3F, 57F).
4. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que pelo menos uma célula de combustível do segundo estágio e de estágios posteriores (3, 3A, 3B, 3C, 3D, 55D, 3E, 55E, 3F, 57F) é configurada para ter uma reação de metano no combustível reformado suprimida, suprimindo assim uma quantidade de calor absorvido relativo a uma quantidade de calor gerada na pelo menos uma célula de combustível do segundo estágio e de estágios posteriores (3, 3A, 3B, 3C, 3D, 55D, 3E, 55E, 3F, 57F), por uma quantidade menor que a da célula de combustível do primeiro estágio (1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F).
5. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que em relação a uma pluralidade de células de combustível do segundo estágio e de estágios posteriores (3, 3A, 3B, 3C, 3D, 55D, 3E, 55E, 3F, 57F), quanto mais posterior é o estágio, menor é a quantidade de supressão da reação de metano.
6. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, CARACTERIZADO pelo fato de que um reformador de combustível descarregado (59) configurado para reformar combustível descarregado, descarregado a partir de uma célula de combustível de um estágio precedente é fornecido entre cada par da pluralidade de células de combustível.
7. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o combustível bruto é combustível líquido à base de álcool ou à base de hidrocarboneto.
8. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente um mecanismo de circulação de combustível descarregado (61) para suprir, em um modo circulante, o reformador (19) com combustível contendo água descarregada a partir de uma célula de combustível situada no último estágio da pluralidade de células de combustível.
9. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o combustível líquido à base de álcool contém água.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7236676B2 (ja) * 2018-08-01 2023-03-10 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体酸化物形燃料電池セル、及び電気化学セル

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5348814A (en) 1992-03-11 1994-09-20 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Internal reforming type molten carbonate fuel cell
JP2737535B2 (ja) * 1992-05-22 1998-04-08 松下電器産業株式会社 内部改質型溶融炭酸塩燃料電池
JP2979911B2 (ja) * 1993-07-30 1999-11-22 三井造船株式会社 燃料電池用燃料改質触媒
US7592089B2 (en) * 2000-08-31 2009-09-22 Gm Global Technology Operations, Inc. Fuel cell with variable porosity gas distribution layers
AUPR324201A0 (en) * 2001-02-21 2001-03-15 Ceramic Fuel Cells Limited Fuel cell system
US7291417B2 (en) 2003-01-16 2007-11-06 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Compositional and structural gradients for fuel cell electrode materials
JP4543612B2 (ja) * 2003-03-11 2010-09-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US7470477B2 (en) 2003-08-14 2008-12-30 Delphi Technologies, Inc. Cascaded fuel cell stacks for fast start-up and anode coking control
JP2005203258A (ja) * 2004-01-16 2005-07-28 Mitsubishi Materials Corp 固体酸化物形燃料電池
US20070015015A1 (en) * 2005-07-12 2007-01-18 Koji Hoshino Solid oxide fuel cell
US8142943B2 (en) * 2005-11-16 2012-03-27 Bloom Energy Corporation Solid oxide fuel cell column temperature equalization by internal reforming and fuel cascading
JP5157264B2 (ja) * 2007-06-06 2013-03-06 日産自動車株式会社 燃料電池発電システム
JP5309487B2 (ja) 2007-07-13 2013-10-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
DE102008033986B4 (de) * 2008-07-21 2016-07-21 Sunfire Gmbh Brennstoffzellensystem mit zwei in Serie geschalteten Brennstoffzellenstapeln und Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems
US8062799B2 (en) * 2008-08-19 2011-11-22 Fuelcell Energy, Inc. High-efficiency dual-stack molten carbonate fuel cell system
JP2010282772A (ja) * 2009-06-03 2010-12-16 Tokyo Electric Power Co Inc:The 固体酸化物形燃料電池用電極材及び固体酸化物形燃料電池用電極
DE102009031774B4 (de) 2009-06-30 2012-02-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Hochtemperaturbrennstoffzellensystem
IT1397523B1 (it) * 2009-12-21 2013-01-16 Ansaldo Fuel Cells Spa Sistema e metodo per separare co2 da fumi di combustione mediante pile mcfc pluri-stack.
JP2012003934A (ja) * 2010-06-16 2012-01-05 Honda Motor Co Ltd 固体酸化物型燃料電池
JP5773931B2 (ja) * 2012-03-30 2015-09-02 東京瓦斯株式会社 高温型燃料電池システム及びその運転方法
JP6064782B2 (ja) 2013-05-21 2017-01-25 株式会社デンソー 燃料電池装置
JP6532668B2 (ja) 2014-11-19 2019-06-19 東京瓦斯株式会社 燃料電池システム

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