BRPI0507602B1 - Método para operar uma pilha de células combustíveis de óxido sólido de saída de energia variável, sistema de controle para uma pilha de células combustíveis de óxido sólido de saída de energia variável , e , pilha de células combustíveis com eletrólitos de condução mista iônica/eletrônica. - Google Patents

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■‘MÉTODO PARA OPERAR UMA PILHA DE CÉLULAS COMBUSTÍVEIS

DE ÓXIDO SÓLIDO DE SAÍDA DE ENERGIA VARIÁVEL, SISTEMA DE

CONTROLE PARA UMA PILHA DE CÉLULAS COMBUSTÍVEIS DE

ÓXIDO SÓLIDO DE SAÍDA DE ENERGIA VARIÁVEL, E, PILHA DE

CÉLULAS COMBUSTÍVEIS COM ELETRÓLITOS DE CONDUÇÃO MISTA IÔNICA/ELETRÔNICA” A presente invenção refere-se a um método e aparelho para operar uma pilha de células combustíveis a fim de elevar sua eficiência, em particular por meio da variação de uma ou mais condições de operação da célula combustível. Células combustíveis de óxido sólido (SOFCs) são meios promissores de gerar eletricidade a partir ou de hidrogênio ou de combustíveis fósseis de uma maneira mais eficiente e ambientalmente mais aceitável do que as tecnologias de geração mais tradicionais. Todavia, as tradicionais SOFCs operam a temperaturas muito elevadas (mais elevadas do que 900°C), e até mesmo as inovações mais recentes somente foram capazes de reduzir esta temperatura para 700-800°C. Esta elevada temperatura de operação conduz a significantes problemas com os materiais usados na construção de tais pilhas de células combustíveis e os correlacionados componentes de sistema. Materiais que podem resistir à operação prolongada nestas temperaturas tendem a ser caros, frágeis ou ambos. A tentativa de usar materiais de menor custo, tais como aços inoxidáveis ferríticos, em elevadas temperaturas de operação, causa problemas com a degradação de desempenho de pilha devido à oxidação do metal e migração de espécies de cromo voláteis sobre prolongados períodos nestas elevadas temperaturas de operação.

Para produzir uma pilha de SOFCs comercialmente atrativa para aplicações mercadológicas em massa, existe, por conseguinte, um forte incentivo de tentar e reduzir a temperatura de operação da pilha e, conseqüentemente, o custo dos materiais requeridos. Em uma temperatura abaixo de 650°C, materiais de construção de baixo custo, tais como aços inoxidáveis ferríticos, são suficientemente estáveis de modo a permitir a operação por longo prazo sem sígnificante degradação de desempenho.

As SOFCs convencionais usam um eletrólito de óxido de zircônio dopado com ítrio (YSZ). Este é um material que conduz íons de óxido em temperaturas elevadas, mas não elétrons. Por conseguinte, ele é bem adequado para uso como um eletrólito de célula combustível. Infelizmente, o YSZ não é um particularmente bom condutor de íons de óxido, e sua resistência iônica se toma impraticavelmente elevada abaixo de em tomo de 650°C, conduzindo a desempenho muito deficiente das células combustíveis. Para operar abaixo desta temperatura, que, como mencionado previamente, é altamente desejável, um diferente material de eletrólito é requerido.

Diferentemente do YSZ que não conduz elétrons, existe um número de materiais de eletrólito cerâmicos de condução mista iônica/eletrônica, os quais têm uma elevada condutividade iônica abaixo de 650°C. Em termos de seu desempenho, estabilidade e segurança no manuseio, o mais promissor e amplamente usado destes materiais de eletrólito de condução iônica/eletrônica é óxido de cério dopado com gadolínio (CGO), embora existam outros materiais, tais como outros óxidos de cério dopados. O CGO exibe boa condutividade iônica até abaixo de 500°C. Infelizmente o CGO não é tão estável quanto YSZ, e, em uma atmosfera redutora de temperatura (como aquela que normalmente é encontrada no lado do anodo da célula combustível), íons de Ce4+ podem ser reduzidos para Ce3+. Isto resulta em o eletrólito desenvolver alguma condutividade eletrônica, resultando em uma corrente de curto-circuito fluindo no interior da célula combustível. Este curto-circuito é observado extemamente como uma queda na tensão de terminal de célula em circuito aberto, e resulta em uma perda de eficiência na conversão da energia em combustível para formar eletricidade.

Esta característica do CGO conduziu a que muitas pessoas o rejeitassem como um material para eletrólito, pois elas consideram que a perda de eficiência através do curto-circuito interno é demasiadamente severa para um dispositivo prático. É um objetivo da presente invenção reduzir pelo menos algjras dos problemas discutidos acima.

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção é provido um método para operar uma pilha de células combustíveis de óxido sólido com um eletrólito de condução mista iônica/eletrônica, o método compreendendo: determinar a saída de energia requerida da pilha de células combustíveis de óxido sólido, e controlar uma ou mais condições de operação da pilha de células combustíveis de óxido sólido na dependência da determinada saída de energia.

As condições de operação da pilha de células combustíveis de óxido sólido, que são variadas, são pilha de células combustíveis de óxido sólido pelo menos uma da temperatura da pilha de células combustíveis e da diluição de combustível fornecido para a pilha de células combustíveis. A condutividade eletrônica de CGO é fortemente dependente da temperatura, e, em uma temperatura suficientemente baixa, a corrente de fuga eletrônica pode ser reduzida para um nível aceitável. Quando a temperatura de operação do material de eletrólito CGO se reduz, o mesmo ocorre com a magnitude do efeito de curto-circuito. O efeito se reduz até um tal grau que, quando a temperatura de operação se reduz para 500°C, o efeito é negligível. Por conseguinte, o CGO é um adequado material de eletrólito quando a temperatura de operação da célula combustível está abaixo de uma temperatura de 650°C, ou mais preferivelmente 600°C. Este é particularmente o caso sob uma alta carga externa, onde o fluxo de íons de óxido através do eletrólito tende a reoxidar os íons de Ce3+ para formar Ce4+, desta maneira eliminando a condutividade eletrônica. A eficiência de uma pilha de células combustíveis com um eletrólito incluindo cério se eleva rapidamente para acima de cerca de 50% de sua potência nominal, pois a corrente de curto-circuito se toma pequena em relação à corrente de circuito externo.

Pode ser demonstrado, por exemplo, que na operação próxima à potência total e a uma temperatura menor do que 600°C a eficiência de uma célula combustível a base de CGO é comparável com uma célula combustível a base de YSZ operando em temperaturas em excesso a 70Ô°C e não existe signi Picante penalidade que resulta do uso de CGO.

De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é provido um sistema de controle para uma pilha de células combustíveis de óxido s5Íido com um eletrólito de condução mista iônica/eletronica, o sistema de controle compreendendo: um meio para determinar uma saída de energia requerida da pilha, e um controlador para controlar uma ou mais condições de operação <3# pilha na dependência da saída de energia requerida. O controlador pode ser disposto para controlar pelo menos um da temperatura da pilha e da diluição de combustível fornecido para a pilha, A pilha de células combustíveis com um eletrólito de condução j^sta iônica/eletrônica pode ser provida com um sistema de controle de acordo com o segundo aspecto da presente invenção.

Formas de realização da presente invenção serão agora descritos a título de exemplo, com referência aos desenhos acompanhantes, nos quais: a figura 1 mostra a eficiência de conversão de energia de uma célula combustível com um eletrólito a base de CGO, registrada contra densidade de energia elétrica em uma faixa de temperaturas de 500°C a 600°C. A figura 2 mostra a eficiência de conversão de energia com um e\etrólh° a base de CGO, registrada contra densidade de energia elétrica em uma faixa de diluições de combustível; a figura 3 mostra esquematicamente uma pilha de células •ombustíveis com um sistema de controle para controlar uma ou mais condições operação da pilha de células combustíveis na dependência de uma saída de energia requerida; a figura 4 mostra esquematicamente um sistema de célula combustíveis de óxido sólido operando em um combustível de LPG; a figura 5 mostra saídas de energia da pilha (CC) e de sistema (AC) durante simulações do sistema mostrado na figura 4; a figura 6 mostra a temperatura de pilha durante as simulações; a figura 7 mostra a relação de ar estequiométrica durante as simulações; a figura 8 mostra as eficiências resultantes de pilha e sistema durante as simulações; a figura 9 mostra as correntes iônica e externa no interior da pilha durante as simulações; a figura 10 mostra a tensão prevista de uma única célula combustível; a figura 11 mostra a relação de vapor/carbono no reformador para uma outra simulação, e a figura 12 mostra a eficiência de pilha para a outra simulação.

Duas estratégias são apresentadas abaixo para a minimização da corrente de curto-circuito sob condições parciais de carga, desta maneira maximizando a eficiência da célula combustível através de sua faixa de operação total. Método 1 A figura 1 ilustra os resultados de uma simulação feita por computador de uma célula combustível a base de CGO com uma saída de energia específica máxima nominal de 0,2 Wcm'2. A eficiência de conversão de energia é registrada contra densidade de energia elétrica em uma faixa de temperaturas de operação de 500°C a 600°C. A eficiência de conversão de energia é definida como a saída de energia elétrica dividida pela energia química na célula combustível consumida, considerando 100% de conversão de combustível. Estes valores são, por conseguinte, as eficiências máximas teóricas para esta célula, e não âs eficiências atuais, uma vez que, na realidade, 100% de conversão de combustível não é possível. Todavia, a tendência real seria seguir o mesmo padrão.

Pode ser visto da figura 1 que a eficiência máxima, em qualquer dada densidade de energia, é dependente da temperatura, e que quanto mais alta a densidade de energia, tanto mais alta a temperatura na qual ocorre a eficiência máxima. A razão para isto é a que segue. Uma menor temperatura de operação reduz tanto a magnitude absoluta da densidade de corrente de fuga eletrônica, quanto a densidade de corrente de circuito externo na qual a corrente de fuga eletrônica se toma negligível. Isto significa que, em baixas densidades de corrente externa, uma eficiência mais alta pode ser atingida em uma baixa temperatura de operação. Todavia, a baixa temperatura também eleva as várias resistências de célula, particularmente o sobrepotencial de cátodo. Desta maneira, para qualquer dada densidade de corrente, a perda de tensão como um resultado de resistência de célula interna será mais alta, resultando em uma menor eficiência em correntes mais altas. Todavia, nestas mais elevadas densidades de corrente, a corrente de fuga eletrônica é negligível, até mesmo em uma temperatura mais elevada, mas a resistência de célula é menor. Isto conduz a uma menor perda de tensão na resistência de célula interna, e, desta maneira, uma tensão mais elevada de terminal de célula e, conseqüentemente, de eficiência.

Uma clara estratégia para otimizar a eficiência de uma pilha com estas características é, por conseguinte, permitir que a temperatura de pilha varie na faixa de 500-600°C, ou possivelmente até 650°C, dependendo da saída de energia requerida. Isto é relativamente simples de atingir, uma vez que uma saída de energia elétrica mais elevada a partir da pilha também resulta em uma mais elevada saída de calor, e, por meio do sub-resfriamento da pilha, pode-se permitir que a temperatura se eleve facilmente com uma elevada saída de energia, e vice- versa.

Todavia, na eventualidade de uma rápida elevação em demanda de energia, a pilha pode não estar a uma temperatura suficientemente elevada de modo a permitir que a demanda seja satisfeita. Dependendo de quão rapidamente a pilha pode ser aquecida, pode ser possível, se requerido, cobrir esta demanda temporariamente usando alguma forma de armazenamento de energia.

Como uma alternativa ou em adição a método descrito acima, um segundo método de elevar a eficiência de pilha é apresentado abaixo. Método 2 A figura 2 ilustra os resultados de uma outra simulação feita por computador de uma célula a base de CGO, desta vez com uma densidade de energia máxima nominal de 0,4 Wcm'. Neste caso, a temperatura foi mantida constante a 570°C, e a diluição do combustível de hidrogênio com vapor foi variada.

Pode ser visto que a diluição do combustível com percentagens crescentes de vapor tem muito do mesmo efeito que a redução da temperatura. Isto é grandemente porque a adição de percentagens mais altas de vapor no combustível hidrogênio toma o combustível menos redutor. Isto tem o efeito de diminuir a tendência de íons de Ce4+ no eletrólito se reduzirem para formar Ce3+, e, desta maneira, reduz a condutividade eletrônica do eletrólito. Todavia, a diluição do combustível também aumenta a resistência de anodo e reduz a tensão de circuito aberto, desta maneira reduzindo a saída de energia máxima que pode ser atingida.

Uma outra estratégia possível para otimizar a eficiência de pilha sob carga parcial é diluir o combustível com uma percentagem crescente de vapor quando a carga cai. Este método é igualmente aplicável, se o combustível for diluído com dióxido de carbono, nitrogênio, ou uma mistura de vapor, nitrogênio e/ou dióxido de carbono, ou se o gás combustível for monóxido de carbono, ou uma mistura de hidrogênio e monóxido de carbono.

Um método de atingir esta diluição de combustível seria misturar o gás combustível de chegada com uma variável proporção de gás de exaustão reciclado a partir do lado de anodo da piiha.

Todavia, qualquer método de diluição do gás combustível de anodo, por exemplo, por meio do suprimento de vapor, nitrogênio e/ou dióxido de carbono a partir de uma fonte separada, cairía dentro do escopo da presente invenção. A figura 3 mostra esquematicamente uma pilha de células combustíveis de óxido sólido com eletrólitos de condução misturada iônica/eletrônica com um sistema de controle para controlar pelo menos uma das temperaturas da pilha de células combustíveis e/ou da diluição do combustível fornecido para a pilha. A pilha de células combustíveis 10 tem um compartimento de anodo 11 através do qual um gás combustível contendo hidrogênio é passado, e um compartimento de cátodo 12 através o qual ar é passado. A pilha de células combustíveis é feita de uma única disposição ou múltiplas disposições de anodo, eletrólito e cátodo, dispostos em camadas para atingir uma pilha de células combustíveis que funciona. A pilha tem uma entrada de combustível 30, através da qual hidrogênio ou um combustível de hidrocarboneto, tal como metano, é passado, e um conduto de saída 70 através do qual gases de exaustão do compartimento de anodo saem a pilha. Estes gases de exaustão são tipicamente uma mistura de vapor e hidrogênio não reagido. Se o combustível original foi um hidrocarboneto, os gases de exaustão também conterão óxidos de carbono. Um conduto de reciclagem 40 é provido, o qual permite que os gases de exaustão sejam misturados com o combustível de chegada por meio de um compressor variável 50. Este compressor poderia ser ou um ventilador acionado eletricamente ou alguma forma de ejetor ou bomba de jato.

Opcionalmente, a mistura de combustível de chegada e gases de exaustão reciclados pode ser alimentada em uma unidade de reformador 31, a qual converte um combustível de hidrocarboneto em uma mistura de hidrogênio e óxidos de carbono por meio de reação com vapor. A pilha é também provida com um conduto de entrada de ar 20, pelo qual ar preaquec-ido é alimentado na pilha, tanto na qualidade de um oxidante como de um refrigerante, O preaquecimento pode ocorrer por meios que incluem o uso de excesso de calor a partir da pilha de células combustíveis, ou recuperação de calor a partir dos condutos de exaustão da pilha, ou o uso de uma fonte de calor separada, tal como calor por indução, queima ou recuperação de calor a partir de um outro processo externo. O compartimento de cátodo também tem um conduto de saída 71 para permitir que os gases de exaustão sejam removidos da pilha.

Um microprocessador 60 é provido, o qual pode ser parte de um computador ou placa de circuito impresso, por exemplo. O microprocessador recebe alimentações da temperatura de pilha 13, da tensão de pilha 14 e da corrente de pilha 15. O microprocessador é disposto para controlar a temperatura de pilha através da linha de controle 21, e a relação entre combustível fresco e gás de exaustão reciclado através da linha de controle 51 que controla o compressor variável 50. Altemativamente, a diluição do combustível de chegada pode ser controlada por meio da adição de uma quantidade controlada de vapor, dióxido de carbono ou um gás inerte, a partir de uma outra fonte. O controle da temperatura de pilha através da linha 21 pode ser efetuado por inúmeros métodos, ou combinações de métodos, incluindo, mas não limitados a: 1) variação do volume de ar alimentado na pilha, 2) variação da temperatura do ar alimentado na pilha, 3) variação da concentração de combustível de hidrocarboneto não reformado que entra na pilha, considerando que a reforma interna ocorre pela 4) variação da temperatura do combustível que entra na pilha. O microprocessador recebe uma alimentação da saída de energia da pilha por meio da multiplicação da tensão de pilha e sinais de corrente 14 e 15. O microprocessador 5 conterá uma tabela de verificação ou similar, que conterá a temperatura ótima de pilha e/ou diluição de combustível para uma dada saída de energia. O microprocessador manipulará variáveis de controle 21 e 51 para tentar atingir este ótimo para uma dada saída de energia, A figura 4 ilustra esquematicamente um completo sistema de células combustíveis de oxido sólido operando com combustível de gás liqüefeito de petróleo (LPG). Este sistema ilustra como um método de controle de uma pilha de células combustíveis de óxido sólido, de temperatura intermediária, (IT- SOFC), descrita no método 1, podería ser implementada na prática. Este sistema está ilustrado apenas como um exemplo, e muitas outras configurações poderíam ser adotadas, que atingiríam o mesmo resultado.

Combustível de LPG é suprido através de alguma forma de controle de fluxo em massa e sistema de 10. O combustível é misturado com vapor que provém da tubulação 62 no misturador 21, em uma relação de pelo menos dois moles de vapor para cada mol de carbono no combustível. A mistura de vapor/LPG é então preaquecida para em tomo de 430°C no trocador de calor de combustível 22, e então alimentada no reformador 23. No reformador, a mistura é aquecida para em tomo de 700°C por meio de troca de calor com a corrente de gás de exaustão, o que está ilustrado esquematicamente pela conexão 51 a partir do trocador de calor 50. Nesta elevada temperatura, os hidrocarbonetos no combustível (predominantemente propano com uma pequena fração de butano, propileno e componentes-traço, tais como pentano) reagem com o vapor para formar uma mistura de reformado rica em hidrogênio. Esta mistura de reformado seria tipicamente 60-70% de hidrogênio em volume, com uma menor percentagem de vapor, monóxido de carbono, dióxido de carbono e metano. Esta mistura de gás é adequada para alimentação com combustível de uma pilha de SOFC, sem ulterior tratamento. A mistura de reformado é resfriada para uma temperatura adequada para alimentação na pilha por meio do trocador de calor de combustível 22, aquecendo os reagentes de chegada no processo. A mistura de reformado é então alimentada no compartimento de anodo 31 da pilha de células combustíveis 30 por meio do conduto de entrada de combustível 24, O gás combustível é parcialmente consumido no interior da pilha, e gás de exaustão deixa o compartimento de anodo da pilha por meio do conduto de exaustão 41. O gás de exaustão sai com uma temperatura próxima à da parte mais quente da pilha, tipicamente 550-620°C, dependendo da condição de operação, O gás de exaustão é predominantemente vapor e dióxido de carbono, com menores quantidades de hidrogênio não queimado e monóxido de carbono.

Ar atmosférico é puxado para interior do sistema através do filtro de ar 90, ventilador de ar 91. O ventilador 91 tem um motor de velocidade variável controlado pelo controlador de motor 93, e, por este meio, o fluxo em massa de ar puxado para o interior do sistema pode ser variado. O fluxo em massa do ar sendo puxado para o interior do sistema é medido por meio do sensor de fluxo em massa 94.0 ar é provido tanto como um oxidante quanto como um meio de resfriamento da pilha de SOFC, pois é normal que consideravelmente mais ar seja alimentado do que aquele requerido como um oxidante, o remanescente transportando excesso de calor para fora da pilha. O ar é alimentado 92 a partir do sensor de fluxo em massa 94 para o preaquecedor de ar 70, onde ele é preaquecido para uma temperatura adequada para ser alimentado na pilha (tipicamente 450-500°C). O ar de chegada é preaquecido pelo resfriamento da corrente de gás de exaustão quente 63. O ar preaquecido é então alimentado no compartimento de cátodo 32 da pilha de células combustíveis 30 por meio do conduto de ar 72. Tal como com o combustível, o oxigênio no ar é parcialmente consumido pela reação da célula combustível. O ar residual, um pouco exaurido de oxigênio, deixa a pilha por meio do conduto de exaustão de ar 42. Tal como com o gás combustível, o ar estará tipicamente próximo à temperatura máxima da pilha, tipicamente 550- 620°C, dependendo da condição de operação.

Ambos os condutos de exaustão de ar e de combustível 41 e 42 alimentam o pós-combustor de sistema 40, no qual as correntes de exaustão de ar e de combustível são misturadas conjuntamente, e o hidrogênio não reagido e monóxido de carbono da exaustão da pilha são inflamados convencionalmente para gerar calor. A resultante comente de gás de exaustão quente (tipicamente 700- 900°C) é primeiramente alimentada através do trocador de calor 50 para prover calor para o reformador 23. A corrente de gás mais fria 52 do trocador de calor 50 é então alimentada no gerador de vapor 60, no qual ela é usada para evaporar água suprida pela bomba de alimentação 61.0 vapor resultante é então alimentado no reformador através da tubulação 62. O gás de exaustão, agora resfriado para em tomo de 600°C, é então alimentado no preaquecedor de ar 70 para preaquecer ar de chegada. Finalmente, o gás de exaustão, ainda em tomo de 250°C, é alimentado no trocador de calor 80 que pode ser usado para recuperar calor perdido para uma combinada aplicação de calor e energia. A pilha é provida com uma demanda de energia externa 110, a qual puxa corrente para fora da pilha através do cabo 111. A natureza da demanda de energia podería ser uma de uma amplitude de diferentes aplicações. O sistema é provido com uma unidade de controle a base de microprocessador 100. Esta mede a corrente de pilha através da entrada 101, e a temperatura de pilha através da entrada 102. Ela também mede o fluxo em massa de ar que entra no sistema através do sensor de fluxo em massa 94 e entrada 104. A unidade de controle controla o ventilador de ar 91 por meio do controlador de motor 93 e saída 103. Desta maneira, o controlador pode controlar o fluxo de ar para a pilha. A unidade de controle 100 também controla a água alimentada na bomba 61 por meio da saída 105. Desta maneira, a relação entre vapor e combustível no reformador pode também ser alterada. O desempenho do sistema ilustrado na figura 4 foi simulado em um computador. O sistema simulado é baseado em uma pilha com uma saída de energia de 1 kWe, e um sistema suprindo energia AC. A saída de energia AC do sistema é sempre menor do que a saída de energia da pilha porque várias partes do sistema, tal como o ventilador de ar, consoem energia.

Nesta simulação, o sistema é operado por 10 minutos (600 segundos) com energia AC total (800 W). A energia é então reduzida para metade de energia AC (400 W), e então a temperatura de pilha é abaixada por 25°C por meio da elevação temporária do fluxo de ar para aumentar a taxa de resfriamento no interior da pilha. O efeito claramente benéfico de abaixamento da temperatura da pilha sob condições de carga parcial pode ser visto. A figura 5 mostra as saídas de energia de pilha (CC) e do sistema ( AC) durante as simulações, ilustrando a redução de energia de 800 para 400 Wc. A figura 6 mostra a temperatura de pilha durante a simulação, e a figura 7 a relação de ar estequiométrica. Esta representa a relação entre o fluxo de ar atual e a demanda de ar teórica para suprir suficiente oxigênio para a reação de células combustíveis. Pode ser visto que, com energia total, esta relação é em tomo de 10, representando a grande quantidade de ar requerida para resfriamento da pilha. A relação de ar então aumenta para um máximo de em tomo de 20 quando o fluxo de ar é aumentado para resfriar a pilha. A elevação em fluxo de ar por em tomo de 1100 s é um resultado do controlador de temperatura de pilha ser reajustado para tomá-lo mais sensível quando a temperatura de pilha se aproxima do novo ponto de ajuste. A figura 8 mostra as resultantes eficiências de pilha e sistema.

Pode ser visto que, com a temperatura de pilha mantida em tomo de 590°C, existe uma significante queda em eficiência quando a carga é reduzida. Isto é um resultado de elevação da condutividade eletrônica no eletrólito quando a densidade de corrente é reduzida. Todavia, quando a temperatura de pilha cai, a eficiência se recupera até que ela seja comparável com a eficiência de carga total.

De fato, a eficiência de pilha é melhor do que a eficiência de carga total, como um resultado da mais elevada tensão de célula. Todavia, a eficiência de sistema é um pouco pior como um resultado de demandas de energia parasíticas fixas, tais como aquelas requeridas para acionar o sistema de controle. A figura 9 mostra as correntes iônica e externa no interior da pilha. A corrente externa é a corrente que flui no circuito externo, e a corrente iônica é a soma da corrente externa e da corrente de fuga eletrônica. Pode ser visto que o interstício entre estas duas linhas, representando a magnitude da fuga eletrônica, aumenta quando a corrente externa cai. Todavia, pode ser visto também que o interstício se fecha quando a temperatura de pilha cai sob condições de carga parcial. .Finalmente, a figura 10 mostra a tensão prevista de uma única célula combustível. Pode ser visto que a tensão de célula aumenta quando a carga é reduzida, como seria esperado. Pode ser também visto que a tensão de célula atualmente cai um pouco quando a pilha se resffia, o que normalmente representaria uma perda de eficiência quando a resistência de célula aumenta.

Todavia, o benefício de redução da corrente de fuga tem mais valor que o aumento em resistência, conquanto que a queda de temperatura não seja demasiadamente grande.

Uma segunda simulação foi realizada para demonstrar o efeito de diluição do combustível sobre a eficiência de sistema em carga parcial (método 2).

Uma simulação similar foi realizada, onde a pilha funcionava com potência total por 10 minutos, e então reduzida para metade da potência. Todavia, desta vez a pilha foi mantida em uma temperatura constante, mas o fluxo em massa de água para o gerador de vapor a partir da bomba 61 foi aumentado em dois estágios. Isto tem o efeito de aumentar a relação de vapor/carbono no reformador de 2,0 para 3,5, e, desta maneira, elevando a diluição do combustível na pilha, como está ilustrado na figura 11.0 efeito sobre a eficiência de pilha pode ser visto na figura 12. O benefício desta proposta é menos marcante do que alterar a temperatura de pilha (método 1), mas uma pequena melhoria em eficiência é claramente aparente.

Muitas variações podem ser feitas nos exemplos descritos acima, enquanto ainda caem dentro do escopo desta invenção. Por exemplo, o microprocessador pode apenas controlar a temperatura da pilha, mas não a diluição de combustível, ou vice-versa.

Claims (12)

1. Método para operar uma pilha de células combustíveis de óxido sólido de saída de energia variável compreendendo pelo menos uma. célula de combustível de óxido sólido tendo um eletrólito de condução mista iônica/eletrônica, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: determinar uma saída de energia presente e uma saída de energia requerida da pilha de células combustíveis de óxido sólido; comparar a saída de energia presente e a saída de energia requerida determinadas da pilha de células combustíveis de óxido sólido para determinar uma mudança requerida na saída de energia da pilha de células combustíveis de óxido sólido; e, controlar pelo menos uma condição de operação da pilha de células combustíveis de óxido sólido para efetuar a mudança requerida na energia de saída, com: um aumento requerido na saída de energia incluindo pelo menos um dentre; (i) um aumento na temperatura da tal pelo menos uma célula de combustível de óxido sólido, e (ii) um aumento na concentração de combustível fornecido para a célula de combustível de óxido sólido; e, uma diminuição requerida na saída de energia incluindo pelo menos um dentre: (i) uma diminuição na temperatura da tal pelo menos uma célula de combustível de óxido sólido, e (ii) uma diminuição na concentração de combustível fornecido para a célula de combustível de óxido sólido.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a temperatura da célula de óxido sólido é mantida em 650°C ou abaixo.

3. Método de acordo com a reivindicação 2. caracterizado pelo fato de que a temperatura da célula de óxido sólido é mantida em 600°C ou abaixo.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o combustível fornecido para a célula de óxido sólido é diluído com uma predeterminada quantidade de vapor, dióxido de carbono, nitrogênio ou uma mistura incluindo '.apor. dióxido de carbono e/ou nitrogênio.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o combustível fornecido para a célula de óxido sólido é diluído com uma proporção variável de gás de exaustão reciclado a partir de um lado de anodo da pelo menos uma célula combustível.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o eletrólito da pelo menos uma célula combustível de óxido sólido inclui óxido de cério dopado com gadolínio.

7. Sistema de controle para uma pilha de células combustíveis de óxido sólido de saída de energia variável compreendendo pelo menos uma célula de combustível de óxido sólido tendo um eletrólito de condução mista iônica/eletrônica, caracterizado pelo fato de compreender: (a) um meio para determinar uma saída de energia presente e uma saída de energia requerida da pilha de células combustíveis de óxido sólido; (b) um comparador para comparar a saída de energia presente e a saída de energia requerida determinadas da pilha de células combustíveis de óxido sólido para determinar uma mudança requerida na saída de energia da pilha de células combustíveis de óxido sólido; e, (c) um controlador para controlar pelo menos uma condição de operação da pilha de células combustíveis de óxido sólido para efetuar a mudança requerida na energia de saída, com: um aumento requerido na saída de energia incluindo pelo menos um dentre: (í) um aumento na temperatura da ta! pelo menos uma célula de combustível de óxido sólido, e (ü) um aumento na concentração de combustível fornecido para a célula de combustível de óxido sólido; e, uma diminuição requerida na saída de energia incluindo pelo menos um dentre: (i) uma diminuição na temperatura da tal pelo menos uma célula de combustível de óxido sólido, e (ii) uma diminuição na concentração de combustível fornecido para a célula de combustível de óxido sólido.

8. Sistema de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o controlador mantém a temperatura da pilha em 650°C ou abaixo.

9. Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o controlador mantém a temperatura da pilha em 600°C ou abaixo.

10. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que o controlador dispõe o combustível fornecido para a célula de óxido sólido a ser diluído com uma predeterminada quantidade de vapor, dióxido de carbono, nitrogênio ou uma mistura incluindo vapor, dióxido de carbono e/ou nitrogênio.

11. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pelo fato de que o controlador dispõe o combustível fornecido para a célula de óxido sólido a ser diluído com uma variável proporção de gás de exaustão reciclado a partir dos lados de anodo da célula de óxido sólido.

12. Pilha de células combustíveis com eletrólitos de condução mista iônica/eletrônica, caracterizada pelo fato de que inclui um sistema de controle de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 11.