BR112020016636A2 - Trocador de calor para um sistema de célula de combustível e método para operar um sistema de célula de combustível - Google Patents

Abstract

a invenção refere-se a um trocador de calor (1) para um sistema de célula de combustível (100), em particular um sistema sofc operado com um combustível líquido, com uma pluralidade de elementos de transferência de calor (2), em que energia térmica é transferível através do trocador de calor (1) entre uma tubulação de gases de exaustão do sistema (3) e uma linha de suprimento de ânodo (4) de um sistema de célula de combustível (100), compreendendo uma área de evaporação (5), uma área de superaquecimento (6) e uma área de reforma (7) que são conectadas fluidicamente entre si, em que os elementos de transferência de calor (2) compreendem pelo menos parcialmente um material catalítico. a invenção refere-se ainda ao uso de um trocador de calor (1) e um sistema de célula de combustível (100) tendo esse trocador de calor (1). além disso, a invenção se refere a um método para operar um sistema de célula de combustível (100), em particular um sistema sofc, com esse trocador de calor (1).

Description

TROCADOR DE CALOR PARA UM SISTEMA DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL E MÉTODO PARA OPERAR UM SISTEMA DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL

[001] A invenção refere-se a trocador de calor para um sistema de célula de combustível, em particular um sistema SOFC operado com um combustível líquido, com uma pluralidade de elementos de transferência de calor, em que a energia térmica é transferida através do trocador de calor entre um circuito de gases de exaustão do sistema e uma linha de suprimento de ânodo de um sistema de célula de combustível, apresentando uma área de evaporação, uma área de superaquecimento e uma área de reforma que são conectadas fluidicamente entre si.

[002] A invenção refere-se ainda a um uso de um tal trocador de calor.

[003] Além disso, a invenção refere-se a um sistema de célula de combustível, em particular um sistema SOFC, com um tal trocador de calor, compreendendo uma pilha de célula de combustível com uma parte anódica e uma parte catódica.

[004] A invenção refere-se ainda a um método para operar um sistema de célula de combustível, em particular um sistema SOFC.

[005] Os trocadores de calor para sistemas de célula de combustível são conhecidos do estado da técnica. Eles são dispostos em locais diferentes em um sistema de célula de combustível, como, por exemplo, em uma linha de suprimento de ânodo. O combustível é conduzido através da linha de suprimento de ânodo para uma parte anódica do sistema de célula de combustível. Quando um combustível líquido, como, por exemplo, diesel ou etanol, for usado, ele deve primeiro ser evaporado e reformado, de modo que o gás de síntese ou o gás rico em hidrogênio necessários para a reação na pilha de célula de combustível sejam gerados. Para poder gerar as temperaturas necessárias para isso, é conhecido o uso de vários trocadores de calor através dos quais o calor dos gases de exaustão do sistema podem ser transferidos para o combustível.

[006] Especialmente em uma utilização de um sistema de célula de combustível em um veículo, é um objetivo manter o número de componentes do mesmo o mais baixo possível. Consequentemente, as soluções conhecidas do estado da técnica tentam combinar componentes individuais em um componente comum.

[007] Por exemplo, é conhecido, do documento DE 10 2011 088 566 A1, acoplar um reformador de um sistema de célula de combustível, a pelo menos de modo a transferir calor, com uma manta aquecedora. Um tal reformador é projetado para realizar uma reação catalítica parcial, por isso também inclui um espaço de mistura para incorporar ar. Assim, o objetivo de reduzir o número de componentes e ao mesmo tempo reduzir o tamanho de um componente e a operação efetiva do sistema de célula de combustível não é alcançado por um tal sistema de célula de combustível.

[008] Aqui a invenção aparece. A tarefa da invenção é fornecer um trocador de calor do tipo mencionado no início, com o qual um sistema de célula de combustível pode ser operado eficientemente com o menor número possível de componentes.

[009] Também é um objetivo fornecer uma utilização de tal trocador de calor.

[0010] Também é um objetivo fornecer um melhor sistema de célula de combustível.

[0011] Outro objetivo é fornecer um método do tipo mencionado no início com o qual um sistema de célula de combustível possa ser operado com eficiência e com poucos componentes.

[0012] A tarefa é solucionada de acordo com a invenção na medida em que os elementos de transferência de calor de um trocador de calor do tipo mencionado no início compreendem pelo menos parcialmente um material catalítico.

[0013] Uma vantagem alcançada com isso pode ser vista em particular no fato de que, através da configuração integral de um evaporador,

superaquecedor e reformador como um trocador de calor inventivo em combinação com o material catalítico, é necessário apenas um único elemento que combina os três elementos mencionados. Além disso é possível processar combustível líquido diretamente no trocador de calor inventivo sem a necessidade de um evaporador e/ou trocador de calor próprios para isso na linha de suprimento do ânodo a montante do mesmo. O material catalítico dos elementos de transferência de calor permite um processo de reforma a vapor com transferência de calor simultânea de um lado quente para um frio do trocador de calor. Adicionalmente, a solução inventiva torna possível aprimorar a otimização do espaço de instalação do trocador de calor e, consequentemente, também de um sistema de célula de combustível com um tal trocador de calor de tal maneira que as áreas para uma troca de calor, apesar disso, sejam grandes o suficiente para possibilitar e/ou realizar com eficiência a reforma a vapor . A reforma a vapor requer, a saber uma alta transferência de calor e, consequentemente, uma grande área para realizar a reação química. Isto é possível através da configuração do trocador de calor de acordo com a invenção, em contraste com as soluções conhecidas do estado da técnica.

[0014] Dentro do contexto da invenção, o fato de o trocador de calor inventivo compreender um evaporador, um superaquecedor e um reformador significa, em particular, que estes estão dispostos dentro de uma caixa comum ou compreendem um invólucro comum ou são fechados pelo lado de fora por uma manta comum. De qualquer forma, eles são fechados juntos em oposição a um ambiente. Os elementos de transferência de calor são dispostos distribuídos por um volume inteiro do trocador de calor. O fato de o trocador de calor poder ser disposto em um sistema de célula de combustível e/ou ser conectado ao fluxo por meio de tubulações do mesmo significa, dentro do contexto da invenção, que ele foi projetado para ser disposto em um sistema de célula de combustível assim como para a correspondente troca de calor.

[0015] Também é vantajoso que todos os processos que possam ser realizados no trocador de calor (evaporação, superaquecimento, reforma) possam ser realizados ou sejam realizados por reforma a vapor (steam reforming). Consequentemente, o trocador de calor é projetado particularmente livre de uma e/ou sem câmara de mistura. Um suprimento de ar, especialmente de oxigênio, não é necessário. A área de evaporação, a área de superaquecimento e a área de reforma do trocador de calor são diretamente conectadas fluidicamente. É propício quando cada uma das áreas, com exceção da conexão do fluido, seja fechada em si mesma. O trocador de calor é projetado para ser percorrido pelo combustível.

[0016] No contexto da invenção, um trocador de calor é entendido como um transmissor de calor que pode basicamente ser operado de acordo com o princípio de corrente paralela, princípio de contracorrente ou princípio de corrente cruzada. No contexto da invenção, o trocador de calor transfere energia térmica de um primeiro fluido, especialmente gases de exaustão do sistema, para um segundo fluido, especialmente carburante ou combustível, preferencialmente uma mistura de combustível-água. No contexto da invenção, os fluidos podem ser gasosos ou líquidos ou parcialmente gasosos ou parcialmente líquidos. O segundo fluido, especialmente um combustível contendo água, é preferencialmente líquido a montante do trocador de calor e os gases de exaustão do sistema são gasosos. A linha de suprimento do ânodo ou o combustível e a tubulação de gases de exaustão do sistema ou os gases de exaustão do sistema são, portanto, acoplados um ao outro de maneira a transferir calor.

[0017] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, um trocador de calor é colocado à disposição para um sistema de célula de combustível, em particular para um sistema SOFC (SOFC significa "solid oxide fuel cell", ou célula de combustível de óxido sólido). Um tal sistema de célula de combustível é operado em particular com combustível líquido, particularmente de preferência com uma mistura líquida de combustível-água,

como uma mistura de etanol-água. Contudo, também é vantajoso quando o trocador de calor inventivo é utilizado em uma disposição de motor de um motor de combustão interna ou é disponibilizado para este fim. Esse pode ser particularmente empregado para uso em uma linha EGR e/ou em uma linha de gases de exaustão ou para transferência de calor entre uma linha EGR e uma linha de gases de exaustão.

[0018] No caso de um trocador de calor inventivo, os elementos de transferência de calor da área de reforma e/ou da área de superaquecimento compreendem em particular exclusivamente um material catalítico, de modo que uma reação catalítica necessária para um processo de reforma possa ser realizada. Os elementos de transferência de calor são particularmente de preferência revestidos com um material catalítico. É vantajoso quando a área de evaporação é projetada menor que a área de reforma, ou seja, que a área de evaporação também compreende menos elementos de transferência de calor que a área de reforma. Seu volume é preferencialmente também menor do que o volume da área de reforma. A área de evaporação é conectada fluidamente à área de superaquecimento e a área de superaquecimento é conectada fluidamente à área de reforma.

[0019] É vantajoso que a linha de suprimento de ânodos esteja fluidicamente conectada com a região de evaporação, em que o combustível, especialmente uma mistura de combustível-água, pode ser conduzido a uma parte anódica do sistema de célula de combustível através da linha de suprimento de ânodos conectada a um lado frio do trocador de calor. Combustível líquido pode ser conduzido para a área de evaporação através de uma parte, que forma a linha de suprimento de combustível, da linha de suprimento do ânodo, onde é convertido em gás. Assim, o combustível é conduzido pelo lado frio do trocador de calor, em que pode ser evaporado, em particular pelo calor dos gases de exaustão do sistema. O combustível flui na direção do fluxo na linha de suprimento de ânodos primeiro para a área de evaporação, depois para a área de superaquecimento e, finalmente,

para a área de reforma antes de poder ser conduzido a jusante do trocador de calor na direção da ponta do ânodo.

[0020] É vantajoso quando uma tubulação de gases de exaustão do sistema é projetada para suprir gases de exaustão do sistema da célula de combustível à área de superaquecimento e/ou à área de reforma, em que gases de exaustão do sistema, em especial completamente queimados, podem ser conduzidos pelo lado quente do trocador de calor. Por meio de gases de exaustão do sistema aquecidos ou quentes, particularmente o material catalítico da área de reforma pode ser levado a uma temperatura de operação ou de ativação predeterminada. O material catalítico permite que reações químicas convertam o combustível na área de reforma do trocador de calor a partir de cerca 450 °C. O calor dos gases de exaustão do sistema é transferido através dos elementos de transferência de calor para o combustível gasoso na área de reforma. Como a área de reforma e/ou a área de superaquecimento requer temperaturas mais altas que a área de evaporação, uma direção de fluxo a jusante dos gases de exaustão do sistema é especialmente a seguinte: área de reforma, área de superaquecimento, área de evaporação. No contexto da invenção, gases de exaustão do sistema são entendidos em particular como gás de exaustão de ânodo e gás de exaustão de cátodo. Num sistema de célula de combustível com um trocador de calor inventivo, o gás de exaustão do ânodo, é, em particular, completamente queimado a jusante de uma pilha de célula de combustível com a adição de gás de exaustão do cátodo (ar) num pós- combustor. Os gases de exaustão do sistema são então supridos a jusante do pós-combustor para o trocador de calor inventivo, em que o calor deste é usado quase completamente para os processos no trocador de calor antes que os gases de exaustão do sistema resfriados sejam lançados para o ambiente a jusante do trocador de calor.

[0021] Em princípio, também pode ser propício conduzir os gases de exaustão do sistema que não foram completamente queimados através da tubulação de gases de exaustão do sistema para suprir gases de exaustão do sistema a partir do sistema de célula de combustível para a área de superaquecimento e/ou para a área de reforma, pelo lado quente do trocador de calor.

Isto é, os gases de exaustão do sistema, que são combinados a jusante de uma pilha de células de combustível a partir dos gás de exaustão do ânodo e do gás de exaustão do cátodo, são supridos em um sistema de célula de combustível com o trocador de calor incentivo, em particular diretamente ao trocador de calor.

Portanto, não há necessidade de um pós-combustor catalítico.

Os elementos de transferência de calor apresentam, assim, um material catalítico de um lado através do qual os gases de exaustão do sistema fluem ou podem fluir, ou são revestidos com um material catalítico.

Todas as áreas do trocador de calor podem, nesse caso, ser revestidas cataliticamente de um lado através do qual os gases de exaustão do sistema fluem, ou apenas algumas delas.

É vantajoso quando pelo menos os elementos de transferência de calor da área de reforma são revestidos cataliticamente, tanto no lado através do qual o combustível flui quanto no lado através do qual os gases de exaustão do sistema fluem.

O material catalítico disposto no lado dos gases de exaustão do sistema dos elementos de transferência de calor possibilita, por um lado, queimar os gases de exaustão do sistema, que ainda não foram completamente queimados na pilha de células de combustível, completamente de forma catalítica no trocador de calor e, por outro lado, gerar calor suficiente, o que, em consequência, melhora ainda mais a transferência de calor.

A possível economia do pós-combustor em um sistema de célula de combustível com um trocador de calor inventivo reduz ainda mais o número de componentes e aumenta a compactação do sistema de célula de combustível.

Um trocador de calor projetado de tal forma compreende, portanto, não apenas uma área de evaporação, uma área de superaquecimento e uma área de reforma, mas também uma área de pós-combustor.

[0022] É vantajoso quando a área de superaquecimento e a área de reforma são projetadas como uma área comum. Isso significa que o combustível pode ser superaquecido e reformado em uma etapa ou, pelo menos, muito rapidamente em sucessão. A área de superaquecimento e a área de reforma não são separadas espacialmente. Em contraste, a área de evaporação é de tal modo separada da área de superaquecimento e/ou área de reforma, que o combustível passa primeiro pela área de evaporação na direção do fluxo e, em seguida, na forma gasosa, entra na área de superaquecimento e/ou na área de reforma. Na área de superaquecimento, o combustível gasoso pode ser aquecido a uma temperatura de aproximadamente 300 °C a aproximadamente 400 °C ou mais por transferência de calor dos gases de exaustão do sistema e, portanto, pode ser pré-condicionado para uma reforma. Ao projetar a área de superaquecimento e a área de reforma como uma área comum, o gás superaquecido e pré-condicionado pode ser usado e reformado diretamente no reformador.

[0023] Dentro do contexto da invenção, o trocador de calor pode ser projetado de forma arbitrária, como um trocador de calor de conjunto de canos, por exemplo. No entanto, ele é convenientemente projetado como um trocador de calor de placas. Nesse caso, os elementos de transferência de calor são assim projetados como placas ou feixes de placas, em que as placas ou feixes de placas da área de reforma compreendem um material catalítico ou são revestidos com um material catalítico. Um trocador de calor projetado como um trocador de calor de placas é particularmente vantajoso quando as placas forem projetadas com uma pequena espessura de aproximadamente 1 mm a 2 mm, em particular aproximadamente de 1,2 mm a 1,5 mm, particularmente preferencialmente próximo de 1,3 mm. Devido à fina espessura da parede assim como a uma grande área das placas (na faixa de aproximadamente 200 mm por 80 mm), é possível uma grande transferência de calor. A área de evaporação pode compreender, por exemplo, aproximadamente 24 placas, enquanto que uma área comum para superaquecimento e reforma pode compreender aproximadamente 30 placas, em que estas são pelo menos parcialmente revestidas cataliticamente ou compreendem um material catalítico. No entanto, em princípio, mais ou menos placas também podem ser providas. Uma quantidade de placas depende de um espaço de instalação determinado e/ou requisitos de perda de pressão. As placas do trocador de calor em forma de placa são conectadas umas às outras de tal forma por acoplamento por fricção ou ligação química que, uma vez o combustível e, depois, os gases de exaustão do sistema, fluem ou são conduzidos em lacunas sucessivas entre placas individuais. As placas são vantajosamente projetadas, cada uma com um perfil ou de forma perfilada, de modo que uma área para transferência de calor seja ainda maior. É vantajoso, nesse caso, quando as placas, dispostas na área de reforma, são revestidas com um material catalítico. Um lado de cada uma das placas é revestido cataliticamente, em que o lado revestido de duas placas sucessivas são alinhados um ao outro, de modo que o combustível gasoso e superaquecido flua entre essas placas e seja reformado. Em princípio, no entanto, também pode ser provido que apenas cada segunda placa seja revestida cataliticamente. As placas do trocador de calor de placas também podem ser revestidas, pelo menos em parte, em ambos os lados, de modo que mesmo as áreas, nas quais os gases de exaustão do sistema fluem, sejam projetadas para reforma catalítica. Isso é particularmente vantajoso quando os gases de exaustão do sistema são supridos diretamente a jusante de uma pilha de células de combustível para o trocador de calor através da tubulação de gases de exaustão do sistema, sem serem completamente queimados em um pós-combustor previamente. Um tal trocador de calor assume a função de um pós-combustor ou também contém esse componente.

[0024] É vantajoso quando o revestimento catalítico é concebido como um tecido catalítico ou uma treliça revestida cataliticamente,

especialmente com metal. É particularmente vantajoso quando os elementos de transferência de calor da área de reforma são revestidos com o tecido catalítico ou com a treliça revestida cataliticamente. O revestimento catalítico é projetado para reformar o combustível evaporado e possivelmente superaquecido. Quando a área de reforma e a área de superaquecimento são projetadas integralmente, o combustível evaporado é superaquecido e reformado aproximadamente ao mesmo tempo. A reforma é vantajosamente realizada por reforma a vapor sem o suprimento de ar ou vapor. Em particular, ao usar um combustível contendo água, como uma mistura de etanol-água, não é necessário fornecer vapor (de água). A quantidade de vapor necessária para a reforma a vapor já é colocada à disposição pelo próprio combustível evaporado. Em particular, pode ser provido dentro do contexto da invenção que o revestimento catalítico seja projetado como uma treliça metálica revestida cataliticamente. Esta é inserida entre dois elementos de transferência de calor em forma de placa, através do que esses são conectados um ao outro, em particular de maneira acoplado por fricção de tal modo que o lado das placas dispostas uma em relação à outra seja revestido com a treliça. O combustível a ser reformado é então conduzido entre essas duas placas. A vantagem de usar uma treliça metálica revestida cataliticamente é que ela possui uma baixa massa térmica e, consequentemente, pode ser aquecida até a temperatura predeterminada necessária para ativar as reações catalíticas em um curto espaço de tempo. Se, alternativamente ou adicionalmente, também for provido um revestimento catalítico naquele lado do elementos de transferência de calor, que é percorrido pelos gases de exaustão do sistema, este é respectivamente projetado de acordo com o descrito acima.

[0025] É particularmente conveniente quando a área de reforma é projetada e disposta para realizar a reforma a vapor. Ocorre, portanto, uma reação endotérmica. A energia necessária para isso é disponibilizada de acordo com a invenção por meio dos gases de exaustão do sistema, que são acoplados à área de reforma de modo a transferir calor.

[0026] Além disso, no entanto, também pode ser vantajoso quando uma linha de suprimento de ar para a área de evaporação ou superaquecimento é provida. Especialmente ar pode ser misturado com o combustível a montante da área de evaporação. Alternativamente também pode ser provido que o combustível e o ar sejam supridos separadamente para a área de evaporação do trocador de calor. Também pode ser vantajoso quando o ar é suprido para a área de superaquecimento a jusante da área de evaporação. No contexto da invenção, entende-se por ar um fluido contendo oxigênio, em particular um gás contendo oxigênio, particularmente de preferência o ar ambiente. Através disso é possível realizar opcionalmente uma oxidação parcial catalítica além ou como alternativa à reforma a vapor. Isso é particularmente vantajoso em uma fase de início do sistema de célula de combustível, na qual uma pilha de células de combustível ainda está fria e precisa ser aquecida. Ao suprir com ar durante, em particular exclusivamente, uma fase de início do sistema de célula de combustível, a pilha de células de combustível pode ser aquecida por oxidação parcial catalítica. Quando esta atinge uma temperatura predeterminada, o suprimento de ar é desligado novamente, em particular por meio de uma válvula. Além disso, o suprimento de ar evita, ou pelo menos reduz muito, a formação de fuligem no trocador de calor, em particular na área de superaquecimento, durante uma fase de início do sistema de célula de combustível no qual o trocador de calor inventivo pode ser disposto. Verificou-se que o suprimento de um fluido contendo oxigênio ao processo de evaporação da mistura combustível-água evita, ou pelo menos reduz muito, a formação de fuligem durante, em particular exclusivamente, uma fase de início, de um sistema de célula de combustível. Uma vez que a formação de fuligem ocorre em particular somente quando a mistura de combustível-água superaquece, por exemplo, a partir de 200 °C, em particular a partir de 300 °C ou mais, o ar é preferencialmente suprido ao trocador de calor apenas a jusante da área de evaporação.

[0027] É conveniente prover um dispositivo de aquecimento elétrico. Isso significa que o trocador de calor compreende um- dispositivo de aquecimento elétrico. Em princípio, no entanto, o dispositivo de aquecimento também pode ser não elétrico. Esse é projetado especialmente para aquecer o combustível ou a mistura combustível-água, especialmente de preferência o dispositivo de aquecimento é projetado e disposto exclusivamente para aquecer, evaporar e/ou reformar o combustível ou a mistura combustível- água durante uma fase de aquecimento do sistema de célula de combustível. Durante uma fase de início ou fase de aquecimento do sistema de célula de combustível, ainda não existem gases de exaustão do sistema ou o suficiente ou não há suficiente gases quentes, para transferir o calor necessário para o trocador de calor. No caso de uma operação de aquecimento, o dispositivo de aquecimento elétrico pode estar em operação por um período de aproximadamente 2 minutos a 10 minutos, por exemplo. É propício quando o dispositivo de aquecimento está disposto em uma parte através do trocador de calor entre a área de evaporação e a área de reforma e/ou área de superaquecimento. O suporte elétrico para evaporação e reforma pode, em princípio, ser realizado em um componente externo, mas a integração dessa função é desejável por razões de espaço. Assim que o sistema de célula de combustível atingir uma temperatura operacional, o dispositivo de aquecimento é desligado novamente.

[0028] Um uso de um trocador de calor incentivo resulta vantajosamente em evaporação, superaquecimento e reforma de um combustível líquido em um sistema SOFC.

[0029] De acordo com um aspecto adicional da presente invenção, é fornecido um sistema de célula de combustível com um trocador de calor, como mostrado em detalhes acima. O sistema de célula de combustível também possui uma pilha de combustível com uma parte anódica e uma parte catódica, além de um queimador de partida, um pós- combustor e pelo menos um outro trocador de calor. Também é propício quando o sistema de célula de combustível tem uma pluralidade de válvulas para controlar diversas linhas e um ventilador para transportar o ar de suprimento de cátodo para a parte catódica. O pelo menos um outro trocador de calor está disposto com um lado frio em uma linha de suprimento de cátodo a jusante do ventilador, a fim de elevar o ar que é fornecido à parte catódica a uma temperatura que é correspondentemente necessária para isso. O sistema de célula de combustível inventivo é utilizado em particular em um veículo a motor.

[0030] O outro objetivo é alcançado quando um método do tipo mencionado no início compreende as seguintes etapas: • direcionamento de um combustível líquido, em particular de uma mistura líquida combustível-água, na direção de um trocador de calor inventivo disposto em uma linha de suprimento de ânodo, • evaporação, superaquecimento e reforma do combustível no trocador de calor, em que o trocador de calor é aquecido por meio de gases de exaustão do sistema, em particular completamente queimados, em que o calor é transferido dos gases de exaustão do sistema conduzidos em uma tubulação de gases de exaustão do sistema para o combustível, • suprimento do combustível evaporado, superaquecido e reformado a uma parte anódica do sistema de célula de combustível.

[0031] Uma vantagem obtida dessa maneira pode ser vista particularmente no fato de que, pelas etapas do método inventivo, o combustível é evaporado, superaquecido e completamente reformado de forma eficiente e em um único componente, de modo que esse possa ser subsequentemente passado como gás de síntese para a pilha de célula de combustível, mais precisamente, para a parte anódica. No contexto da invenção, um combustível reformado deve ser entendido como um gás de síntese que pode ser usado na pilha de células de combustível. Devido à transferência de calor dos gases de exaustão do sistema para uma área de evaporação, área de superaquecimento e área de reforma, todo o calor residual dos gases de exaustão do sistema é usado para aquecer um único componente. O calor dos gases de exaustão do sistema é vantajosamente transferido na seguinte ordem para realizar os processos que ocorrem no trocador de calor: superaquecimento e/ou reforma do combustível evaporado ou mistura combustível-água evaporada e evaporação do combustível ou mistura combustível-água

[0032] As outras vantagens e funções associadas ao funcionamento do trocador de calor são as mesmas que as descritas em detalhes acima com referência ao trocador de calor inventivo e ao sistema de célula de combustível inventivo.

[0033] Também é vantajoso, nesse caso, quando o combustível é reformado a vapor no trocador de calor, em que o trocador de calor compreende um material catalítico. Em particular, nenhum suprimento de ar é necessário ou provido. Os elementos termicamente condutores, por exemplo placas, são particularmente de preferência revestidos com um material catalítico.

[0034] Basicamente, os gases de exaustão de sistema podem fluir através do trocador de calor conforme princípio de corrente paralela ou princípio de corrente cruzada. Uma transferência de calor particularmente eficiente dos gases de exaustão do sistema para o combustível é alcançada, no entanto, quando o combustível e os gases de exaustão do sistema fluem através do trocador de calor conforme o princípio de contracorrente. O combustível ou combustível evaporado ou superaquecido flui pelos gases de exaustão do sistema, em oposição à área respectiva do trocador de calor, em que o calor é transferido do gás de exaustão do sistema para o combustível (evaporado e superaquecido) e/ou o material catalítico da área de reforma.

[0035] É vantajoso quando os gases de exaustão do sistema fluem através de uma área de evaporação do trocador de calor a jusante de uma área de reforma do trocador de calor, em que a área de reforma a montante de uma área de superaquecimento do trocador de calor é percorrida pelos gases de exaustão do sistema. Com essa disposição dos elementos ou a sequência como essa em qual eles fluem, o calor é transferido de maneira particularmente eficiente. Isso significa que as temperaturas necessárias e predeterminadas necessárias para os respectivos processos (evaporação, superaquecimento, reforma) são atingidas em um curto período de tempo.

[0036] É particularmente vantajoso, nesse caso, quando uma área de evaporação do trocador de calor a montante de uma área de superaquecimento do trocador de calor é percorrida pelo combustível, em que uma área de reforma do trocador de calor a jusante da área de superaquecimento é percorrida pelo combustível, a fim de otimizar ainda mais a transferência de calor.

[0037] É conveniente quando o ar é conduzido através de uma linha de suprimento de cátodo para uma parte catódica do sistema de célula de combustível. No contexto da invenção, entende-se por ar, particularmente ar ambiente, embora o ar também possa consistir em uma parte maior de oxigênio ou oxigênio puro. A jusante da pilha de células de combustível, o gás de exaustão do ânodo e o gás de exaustão do cátodo são misturados para formar os gases de exaustão do sistema, por meio dos quais é disponibilizado o calor necessário para o processo de evaporação, processo de superaquecimento e reforma.

[0038] Outras vantagens, características e efeitos resultam dos exemplos de modalidades mostradas abaixo. Os desenhos, aos quais é feita referência, mostram:

[0039] Fig. 1 um trocador de calor inventivo;

[0040] Fig. 2 um diagrama em blocos para ilustrar um sistema de célula de combustível inventivo de acordo com uma modalidade inventiva;

[0041] Fig. 3 um diagrama em blocos para ilustrar um sistema adicional de célula de combustível inventivo de acordo com uma modalidade inventiva.

[0042] A Fig 1 mostra um trocador de calor inventivo 1. Este compreende uma pluralidade de elementos de transferência de calor 2, uma área de evaporação 5, uma área de superaquecimento 6 e uma área de reforma 7. Além disso, o trocador de calor 1 projetado como um trocador de calor de placas apresenta um lado frio 8 e um lado quente 9. O trocador de calor 1 pode ser disposto com o seu lado frio 8 em uma linha de suprimento de ânodos 4 e, através de uma tubulação de gases de exaustão do sistema 3, o calor dos gases de exaustão do sistema pode ser transferido para um combustível aquoso conduzido na linha de suprimento de ânodo 4. O trocador de calor 1 é projetado como um trocador de calor de placas e compreende uma pluralidade de elementos de transferência de calor em forma de placa 2, os quais parcialmente compreendem um material catalítico. Tanto a área de evaporação 5, a área de superaquecimento 6 e a área de reforma 7 compreendem o elemento de transferência de calor 2, em que essas áreas são conectadas fluidicamente umas às outras. O trocador de calor 1 é projetado para evaporar, superaquecer e reformar gradativamente uma mistura combustível-água, em que a energia térmica necessária para isso é transferida dos gases de exaustão do sistema. Já que o trocador de calor 1 pode ser projetado compacto devido ao projeto integral das três áreas mencionadas acima, o tamanho de todo um sistema de célula de combustível 100 é consequentemente reduzido. O trocador de calor 1 pode, em princípio, ser projetado para transferência de calor conforme o princípio de correntes paralelas, princípio de contracorrente ou princípio de corrente cruzada. A direção do fluxo do combustível na linha de suprimento de ânodo 4 é, nesse caso, sempre a mesma: na direção do fluxo do combustível primeiro para a área de evaporação 5, depois para a área de superaquecimento 6 e, finalmente, para a área de reforma 7. O trocador de calor 1 mostrado na Fig. 1 é operado conforme o princípio da contracorrente. Quando é operado conforme o princípio de correntes paralelas ou o princípio de corrente cruzada, uma condução da tubulação de gases de exaustão do sistema 3 ou uma sequência de fluxo das áreas dos gases de exaustão do sistema de ser consequentemente adaptada em conformidade.

[0043] A fig. 2 mostra um diagrama em blocos para ilustrar um sistema de célula de combustível (100) inventivo de acordo com uma modalidade inventiva. Além do trocador de calor 1, essa modalidade compreende ainda uma pilha de células de combustível 120 com uma parte anódica 110 e uma parte catódica 130. Além disso, há um queimador de partida 140, um pós-combustor 150, mais um trocador de calor 160 e uma fonte de combustível 170 e uma fonte de ar 180. Os elementos mencionados são conectados entre si através de uma linha de suprimento de ânodo 4, uma linha de suprimento de cátodo 12 e uma tubulação de gases de exaustão do sistema 3. Várias válvulas 13 são fornecidas para comutar essas linhas 3, 4,

12. Para suprimento de ar à parte catódica 130, é provido um ventilador de cátodo 200, que é disposto na linha de suprimento de cátodo 12 na direção do fluxo do ar a jusante da fonte de ar 180 e a montante do outro trocador de calor 160. O outro trocador de calor 160 é disposto com seu lado frio na linha de suprimento de cátodo 12 e é projetado para aquecer o ar que é fornecido à parte catódica 130. Um lado quente do outro trocador de calor 160 é percorrido dos gases de exaustão do sistema a montante do trocador de calor 1.

[0044] A Fig. 3 mostra uma modalidade preferencial do sistema de célula de combustível 100, em que o trocador de calor 1 é percorrido conforme o princípio de contracorrente.

[0045] Em um método inventivo para operar um sistema de célula de combustível 100 de acordo com a fig. 3, uma mistura líquida de combustível-água é conduzida da fonte de combustível 170 através da bomba de combustível 210 e uma válvula 13a na posição aberta na linha de suprimento de ânodo 4 na direção do trocador de calor 1 em operação regular. No trocador de calor 1, em uma primeira etapa, a mistura combustível-água é completamente evaporada na área de evaporação 5, em que essa apresenta uma temperatura acima de 100 °C, preferencialmente acima de 110 °C, em particular cerca de 120 °C, quando sai da área de evaporação 5. Em uma segunda etapa, a temperatura da, agora gasosa, mistura combustível-água na área de superaquecimento 6 é completamente reformada a aproximadamente 200 °C ou 300 °C e em uma terceira etapa na área de reforma 7. Na área de superaquecimento 6, a mistura gasosa de combustível-água é pré-condicionada para uso na área de reforma. A energia térmica necessária para esses processos no trocador de calor 1 é transferida através dos elementos de transferência de calor 2 por meio dos gases de exaustão do sistema na tubulação de gases de exaustão do sistema 3. A mistura combustível-água agora presente como gás de síntese é conduzida a jusante do trocador de calor 1 na linha de suprimento de ânodo 4 para a pilha de células de combustível 120, mais precisamente para a parte anódica

110.

[0046] A jusante da pilha de células de combustível 120, o gás de exaustão do ânodo e o gás de exaustão do cátodo são combinados para formar os gases de exaustão do sistema, em que o gás de exaustão do ânodo é queimado em um pós-combustor catalítico 150 com mistura do gás de exasutão do cátodo. A jusante do pós-combustor 150, os gases de exasutão do sistema, agora completamente queimados, são conduzidos na linha de exaustão do sistema 3 na direção do outro trocador de calor 160. O outro trocador de calor 160 transfere energia térmica dos gases de exaustão do sistema para o ar, o qual é suprido à parte catódica 130 na linha de suprimento de cátodo. A jusante do outro trocador de calor 160, está disposto o trocador de calor 1, ao qual os gases de exaustão do sistema são supridos. O trocador de calor 1 é percorrido de acordo com a Fig. 3 conforme o princípio de contracorrente, razão pela qual o calor é primeiro transferido para a área de reforma 7. De acordo com a figura 3, a área de reforma 7 e a área de superaquecimento 6 são essencialmente projetadas como uma área comum. Isso significa que as duas etapas de superaquecimento e reforma no trocador de calor 1 ocorrem essencialmente de forma simultânea ou com um intervalo de tempo muito curto entre um e outro. A jusante da área de reforma 7 ou da área de superaquecimento 6, os gases de exaustão do sistema são supridos à área de evaporação 5 conectada fluidicamente. O calor restante dos gases de exaustão do sistema é usado para evaporar a mistura combustível-água. Os gases de exaustão do sistema, agora resfriados, são descarregados a jusante do trocador de calor 1 no ambiente

220.

[0047] Antes da operação regular do sistema de célula de combustível 100 descrito acima, este e/ou os elementos nele dispostos têm que ser, em regra, aquecidos a uma temperatura predeterminada. Para este fim, o sistema de célula de combustível 100 compreende um queimador de partida 140. Isto é disposto em uma linha parcial 14 do sistema de célula de combustível 100. O combustível da fonte de combustível 170 e o ar da fonte de ar 180 são supridos ao queimador de partida 140 através de duas subseções 14a, 14b da linha parcial 14. A primeira subseção 14a se separa da linha de suprimento de ânodo 4 a jusante da fonte de combustível 170, em que uma válvula 13b é disposta na primeira subseção. A segunda subseção 14b se separa da linha de suprimento de cátodo 12 a jusante da fonte de ar 180, em que a primeira subseção 14a e a segunda subseção 14b são cominadas a montante do queimador de partida 140. No queimador de partida 140, o combustível é consequentemente queimado enquanto supre ar a um gás quente. O gás é suprido a jusante do queimador de partida 140 durante uma fase de aquecimento do sistema de célula de combustível 100 na direção do fluxo primeiro para o trocador de calor adicional 160 e depois para o trocador de calor 1, em que o calor do gás é transferido nessa fase. Assim que o sistema de célula de combustível 100 ou seus elementos individuais atingirem a temperatura operacional predeterminada, o calor é transferido para os trocadores de calor 1, 160 através dos gases de exaustão do sistema, como descrito acima.

[0048] Além disso, é propício quando uma linha de suprimento 10 de ar é conduzida à área de evaporação 5 ou área de superaquecimento 6 for fornecida. De acordo com as Figs. 2 e 3, o ar ou um fluído contendo oxigênio pode ser suprido à região de evaporação 5 através da linha de suprimento 10, para aquecer a pilha de células de combustível 120 por meio de oxidação parcial catalítica durante uma operação de aquecimento do sistema de célula de combustível 100. Assim que o sistema de célula de combustível 100 atingir uma temperatura operacional, o suprimento de ar pode ser ajustado através de uma válvula, não ilustrada

Claims (17)

REIVINDICAÇÕES

1. Trocador de calor (1) para um sistema de célula de combustível (100), em particular um sistema SOFC operado com um combustível líquido, com uma pluralidade de elementos de transferência de calor (2), em que energia térmica entre uma tubulação de gases de exaustão do sistema (3) e uma linha de suprimento de ânodo (4) de um sistema de célula de combustível (100) é transferível através do trocador de calor (1), compreendendo uma área de evaporação (5), uma área de superaquecimento (6) e uma área de reforma (7), que são conectadas fluidicamente entre si, caracterizado pelo fato de que os elementos de transferência de calor (2) compreendem pelo menos parcialmente um material catalítico.

2. Trocador de calor (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a linha de suprimento do ânodo (4) é conectada fluidicamente à região de evaporação (5), em que o combustível, em particular uma mistura combustível-água, pode ser conduzido a uma parte anódica (110) do sistema de célula de combustível (100) através da linha de suprimento de ânodo (4) conectada a um lado frio (8) do trocador de calor (1).

3. Trocador de calor (1), de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a tubulação de gases de exaustão do sistema (3) é provido para fornecer gases de exaustão do sistema do sistema de célula de combustível (100) para a área de superaquecimento (6) e/ou para a área de reforma (7), em que os gases de exaustão do sistema particularmente os completamente queimados, podem ser conduzidos por um lado quente (9) do trocador de calor (1).

4. Trocador de calor (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a área de superaquecimento (6) e a área de reforma (7) são projetadas como uma área comum.

5. Trocador de calor (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o trocador de calor (1) é projetado como um trocador de calor de placas.

6. Trocador de calor (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o revestimento catalítico é projetado como um tecido catalítico ou uma treliça revestida cataliticamente, especialmente com metal.

7. Trocador de calor (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a área de reforma (7) é projetada e atribuída para a execução de uma reforma a vapor.

8. Trocador de calor (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que é projetado um circuito de suprimento (10) de ar para a área de evaporação (5) ou para a área de superaquecimento (6).

9. Trocador de calor (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que é provido um dispositivo de aquecimento elétrico.

10. Utilização de um trocador de calor (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada pelo fato de que é para evaporação, superaquecimento e reforma de um combustível líquido em um sistema SOFC.

11. Sistema de célula de combustível, em particular sistema SOFC, com um trocador de calor (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, compreendendo uma pilha de célula de combustível (120) com uma parte anódica (110) e uma parte catódica (130), caracterizada pelo fato de que, além disso, são providos um queimador de partida (140), um pós-combustor (150) e pelo menos um outro trocador de calor (160).

12. Método para operar um sistema de célula de combustível, em particular um sistema SOFC, caracterizado pelo fato de que ompreende as etapas: - Direcionamento de um combustível líquido, em particular uma mistura líquida de combustível-água, na direção de um trocador de calor (1) disposto em um circuito de suprimento de ânodo (4), conforme qualquer uma das reivindicações 1 a 10, - Evaporação, superaquecimento e reforma do combustível no trocador de calor (1), em que o trocador de calor (1) é aquecido através dos gases de exaustão do sistema, em particular daqueles completamente queimados, em que o calor é transferido dos gases de exaustão do sistema conduzidos em uma tubulação de gases de exaustão do sistema para o combustível, - Suprimento do combustível evaporado, superaquecido e reformado a uma parte anódica (110) do sistema de célula de combustível (100).

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o combustível no trocador de calor (1) é reformado a vapor, em que o trocador de calor (1) compreende um material catalítico.

14. Método, de acordo com a reivindicação 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que o trocador de calor (1) é percorrido pelo combustível e pelos gases de exaustão do sistema em princípio de contracorrente.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 14, caracterizado pelo fato de que uma área de evaporação (5) do trocador de calor (1) a jusante de uma área de reforma (7) do trocador de calor (1) é percorrida pelos gases de exaustão do sistema, em que a área de reforma (7) a montante de uma área de superaquecimento (6) do trocador de calor (1) é percorrida pelos gases de exaustão do sistema.

16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 15, caracterizado pelo fato de que uma área de evaporação (5) do trocador de calor (1) a montante de uma área de superaquecimento (6) do trocador de calor (1) é percorrida pelo combustível, em que uma área de reforma (7) do trocador de calor (1) é percorrida pelo combustível a jusante da região de superaquecimento (6).

17. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 16, caracterizado pelo fato de que ar é conduzido através de uma linha de suprimento de cátodo (12) para uma parte catódica (130) do sistema de célula de combustível (110).