BRPI0621742A2 - sistema de célula de combustìvel - Google Patents

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Abstract

SISTEMA DE CéLULA DE COMBUSTìVEL. A presente invenção refere-se a um sistema de célula de combustível compreendendo uma célula de combustível (26), para o suprimento de um gás rico em hidrogênio na extremidade do anodo e um oxidante na extremidade do catodo, para reação na célula de combustível (26) em um gás de descarga de anodo e gás de descarga de catado; um queimador de combustão auxiliar (36) para suprimento do gás de descarga de anodo; e um trocador de calor (46) para o suprimento do gás de descarga do queimador de combustão auxiliar, e por meio do qual o oxidante para suprimento à extremidade do catodo da célula de combustível (26) é preaquecível. De acordo com a invenção, proporciona-se que o suprimento do gás de descarga de catodo seja possível por uma linha do gás de descarga de catodo (44) para o trocador de calor (46), a jusante do queimador de combustão auxiliar (36). A invenção se refere além do mais a um veículo motorizado compreendendo esse sistema de célula de combustível.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL".
A presente invenção refere-se a um sistema de célula de com- bustível, compreendendo uma célula de combustível para o suprimento de um gás rico em hidrogênio na extremidade do anodo e um oxidante na ex- tremidade do catodo, para reação na célula de combustível a um gás de descarga de anodo e um gás de descarga de catodo; um queimador de combustão auxiliar recebendo o suprimento do gás de descarga de anodo; e um trocador de calor recebendo o suprimento do gás de descarga do quei- mador de combustão auxiliar, e por meio do qual o oxidante para suprimento à extremidade do catodo da célula de combustível é preaquecível.
A invenção se refere além do mais a um veículo motorizado compreendendo um desses sistemas de células de combustível.
Os sistemas de células de combustível servem para converter energia química em energia elétrica. O elemento central desses sistemas é uma célula de combustível, que libera energia elétrica pela reação controla- da de hidrogênio e oxigênio. Uma vez que em uma célula de combustível ou em uma pilha de células de combustível, hidrogênio e oxigênio são reagidos, o combustível usado deve ser condicionado de modo que o gás suprido ao anodo da célula de combustível tenha o percentual de hidrogênio mais alto possível, essa sendo a tarefa do reformador. O gás rico em hidrogênio su- prido à extremidade do anodo da célula de combustível é descarregado na saída da extremidade do anodo como um gás de descarga de anodo, analo- gamente ao oxidante suprido à extremidade do catodo sendo descarregado na saída da extremidade do catodo como o gás de descarga de catodo. Para combustão do gás de descarga de anodo da célula de combustível, os sis- temas de células de combustível geralmente fazem uso de um queimador de combustão auxiliar, compreendendo um suprimento de ar natural ou utilizan- do o gás de descarga de catodo da célula de combustível. Este último prin- cípio tem a vantagem de que a energia térmica existente no gás de descarga de catodo é geralmente recuperada por um trocador de calor, localizado a jusante do queimador de combustão auxiliar, eliminando, desse modo, a ne- cessidade para um recuperador adicional na linha do gás de descarga de catodo. Um desses sistemas de células de combustível é descrito, por e- xemplo, no pedido de patente DE 101 42 578 A1. No entanto, a desvanta- gem nessa técnica anterior é que o controle em circuito fechado do queima- dor de combustão auxiliar, que usa o gás de descarga de anodo, é de difícil atingimento, ou, de fato, inatingível, uma vez que a carga de fluxo do gás de descarga de catodo para o fluxo do gás de descarga de anodo é fixa.
É, desse modo, objeto da presente invenção sofisticar o sistema de célula de combustível genérico, de modo que um melhor controle do queimador de combustão auxiliar seja então obtenível, enquanto fazendo uso simultaneamente da energia térmica do gás de descarga de catodo.
Esse objeto é atingido pelos aspectos da reivindicação 1.
Os aspectos vantajosos e outras concretizações da invenção são tirados das reivindicações dependentes.
O sistema de célula de combustível de acordo com a invenção é baseado na técnica anterior genérica, pelo fato de que o suprimento do gás de descarga de catodo é possível por uma linha de gás de descarga de ca- todo para o trocador de calor, a jusante do queimador de combustão auxiliar. Isso propicia então um bom controle em circuito aberto ou fechado do quei- mador de combustão auxiliar, com recuperação simultânea da energia térmi- ca do gás de descarga de anodo e do gás de descarga de catodo com ape- nas um trocador de calor. A energia térmica do gás de descarga de anodo se mantém no gás de descarga deixando o queimador de combustão auxili- ar, e se faz uso do trocador de calor, a jusante do queimador de combustão auxiliar, para preaquecer o ar de alimentação do catodo. Por desvio do queimador de combustão auxiliar com o gás de descarga de catodo, é então possível suprir o queimador de combustão auxiliar separadamente com oxi- dante, e a despeito disso, ainda fazer uso da energia térmica do gás de des- carga de catodo para preaquecer o ar de alimentação do catodo. Por essa possibilidade de um suprimento separado do queimador de combustão auxi- liar com oxidante, o acoplamento do ar de alimentação do catodo e do gás de descarga de catodo fica então vantajosamente desfeito. Uma outra van- tagem dessa configuração é que fazendo-se uso da energia térmica dos ga- ses de descarga do anodo e do catodo, o queimador de combustão auxiliar fica então aliviado de tensão térmica.
Além disso, o sistema de célula de combustível de acordo com a invenção pode ser ainda sofisticado, de modo que uma válvula seja propor- cionada, com a qual o gás de descarga de catodo, entre a célula de combus- tível e o trocador de calor, pode ser então desviado, totalmente ou em parte, obtendo-se, desse modo, a vantagem de uma partida mais rápida. Se na partida o sistema do gás de descarga de catodo fosse inteiramente suprido ao trocador de calor, levaria mais tempo até o ar de alimentação do catodo fosse preaquecido suficientemente. Isso é porque com essa válvula, o su- primento do gás de descarga de catodo para o trocador de calor pode ser então controlado, significando na prática que pouco ou nenhum gás de des- carga de catodo é suprido ao trocador de calor na fase de partida do sistema de célula de combustível, mas, em vez disso, apenas o gás de descarga do queimador de combustão auxiliar. Após a fase de partida, quando o gás de descarga de catodo está suficientemente quente, o gás de descarga de ca- todo pode ser inteiramente suprido ao trocador de calor.
Além do mais, essa outra concretização pode ser configurada de modo que a válvula seja alojada fora de um isolamento, que isola termica- mente pelo menos a célula de combustível, o queimador de combustão auxi- liar e o trocador de calor do meio ambiente. Essa configuração tem a vanta- gem de que a válvula fica então aliviada de tensão térmica por ficar localiza- da fora do isolamento, de modo que válvulas usuais (EGR) podem ser agora usadas.
Além disso, o sistema de célula de combustível de acordo com a invenção pode ser configurado de modo que um sensor de temperatura seja proporcionado na linha do gás de descarga de catodo, a montante do troca- dor de calor. Esse sensor de temperatura possibilita então o controle da temperatura de entrada do gás de descarga de anodo escoando para o tro- cador de calor, por variação da relação do gás de descarga de anodo do queimador de combustão auxiliar, na relação de gás de descarga de anodo do queimador de combustão auxiliar para o gás de descarga de catodo. A- lém do mais, a temperatura monitorada serve como uma variável para co- mandar o controle em circuito fechado da válvula na linha de derivação do gás de descarga de catodo.
Além do mais, pode-se proporcionar para que a linha do gás de descarga de catodo seja estruturada como um invólucro circundando o queimador de combustão auxiliar, resultando em um alívio em tensão térmi- ca do queimador de combustão auxiliar, uma vez que por configuração da linha do gás de descarga de catodo, circundando o queimador de combustão auxiliar na forma de um invólucro, serve como uma camisa para resfriamento do queimador de combustão auxiliar, enquanto que o calor descarregado pelo queimador de combustão auxiliar pode ser suprido ao trocador de calor, para preaquecimento do ar de alimentação do catodo, em conseqüência do que o queimador de combustão auxiliar precisa então de menos energia térmica, possibilitando, desse modo, que o queimador de combustão auxiliar seja resfriado melhor, a despeito da energia térmica remanescente no siste- ma de célula de combustível.
Além disso, o sistema de célula de combustível de acordo com a invenção pode ser configurado de modo que, em uma linha de alimentação de oxidante, para suprir oxidante ao queimador de combustão auxiliar, um meio de distribuição controlável separadamente é então proporcionado, por meio do qual o suprimento de oxidante pode ser controlado, independente- mente da alimentação do ar do catodo, obtendo-se, desse modo, um bom controle em circuito aberto e fechado do queimador de combustão auxiliar.
Com o veículo motorizado de acordo com a invenção incorpo- rando esse sistema de célula de combustível, as vantagens indicadas acima são obtidas correspondentemente no veículo motorizado.
Uma concretização preferida da invenção vai ser detalhada a seguir com referência aos desenhos em anexo, por meio de exemplo, em que:
a Figura 1 é uma representação esquemática de um sistema de célula de combustível, de acordo com uma primeira concretização exemplifi- cativa; e
a Figura 2 é uma representação esquemática de um sistema de célula de combustível, de acordo com uma segunda concretização exempli- ficativa.
Com referência então à Figura 1, ilustra-se uma representação esquemática de um sistema de célula de combustível de acordo com uma primeira concretização exemplificativa. O sistema de célula de combustível instalado em um veículo motorizado compreende um reformador 12, que recebe um suprimento de combustível por uma primeira linha de combustível 14 do tanque de combustível 16, combustível também sendo suprido ao re- formador 12 por meio de uma segunda linha de combustível 18. Esse com- bustível pode ser diesel, gasolina, biogás ou qualquer outro tipo de combus- tível conhecido na técnica anterior. Além do mais, o reformador 12 recebe um suprimento de oxidante, por exemplo, ar, por uma primeira linha de oxi- dante 22. O material reformado gerado pelo reformador 12 é suprido, por uma linha de material reformado 24, a uma pilha de células de combustível 26. Como uma alternativa à pilha de células de combustível 26, apenas uma célula de combustível pode ser proporcionada. O material reformado em questão é um gás rico em hidrogênio, que é reagido na pilha de células de combustível 26, com a ajuda do ar de alimentação do catodo (um oxidante), fornecido por uma linha de ar de alimentação do catodo 28, gerando eletrici- dade e calor. A eletricidade gerada pode ser coletada por terminais elétricos 30. No caso ilustrado, o gás de descarga de anodo é suprido por uma linha de gás de descarga de anodo 32 a um misturador 34 de um queimador de combustão auxiliar 36. O queimador de combustão auxiliar 36 recebe um suprimento de combustível do tanque de combustível 16, por uma terceira linha de combustível 38. Além do mais, o queimador de combustão auxiliar 36 recebe um suprimento de oxidante por uma segunda linha de oxidante 40. São proporcionados nas linhas de combustível 14, 18 e 38, nas linhas de oxidante 22 e 40, bem como na linha de ar de alimentação do catodo 28 meios de distribuição correspondentes, tais como, por exemplo, bombas ou sopradores, e/ou válvulas de controle para controle em circuito fechado do fluxo. Nessa disposição, o controle em circuito fechado do meio de distribui- ção atribuído à segunda linha de oxidante 40, é separado daquele do meio de distribuição atribuído à primeira linha de oxidante 22. No queimador de combustão auxiliar 36, o gás de descarga de anodo exaurido é reagido com o suprimento de combustível e oxidante a um gás da câmara de combustão, que é misturado com o gás de descarga de catodo em um misturador 42 fornecido por uma linha de gás de descarga de catodo 44, da pilha de célu- las de combustível 26 para o misturador 42. O gás de descarga de combus- tão, que contém praticamente zero de emissões nocivas, escoa pelo troca- dor de calor 46, para aquecer o ar de alimentação do catodo, antes de deixar finalmente o sistema de célula de combustível por uma saída de gás de des- carga 20. A parte da linha entre o misturador 42 e o trocador de calor 46 é simultaneamente uma parte da linha do gás de descarga de catodo, bem como uma parte da linha de descarga do queimador de combustão auxiliar.
O sistema de célula de combustível, particularmente, o reformador 12, a pi- lha de células de combustível 26, o queimador de combustão auxiliar 36 e o trocador de calor 46, é circundado por um isolamento térmico 10, que isola termicamente esses componentes do meio ambiente. Proporciona-se ainda um controlador (não mostrado) para ativar o controle em circuito fechado do meio de distribuição proporcionado nas linhas de suprimento de combustível e oxidante 14, 18, 22, 38 e 40.
Com referência agora à Figura 2, ilustra-se uma representação esquemática de um sistema de célula de combustível de acordo com uma segunda concretização exemplificativa. Para evitar repetição tediosa, apenas as diferenças em comparação com a primeira concretização são discutidas a seguir. Um efeito da mistura de gás de descarga de catodo, como discutido na outra concretização exemplificativa, pelo misturador 42, é um provável retardo na partida do sistema, porque o gás de descarga de catodo vai estar ainda frio na partida, isto é, não suficientemente quente para preaquecer suficientemente o ar de alimentação do catodo pelo trocador de calor 46. Isso é porque em um outro desenvolvimento vantajoso na segunda concreti- zação, uma linha de derivação do gás de descarga de catodo 48 é desviada da linha do gás de descarga de catodo 44, entre a pilha de células de com- bustível 26 e o misturador 42, para a direção da saída do gás de descarga 20 na outra extremidade, a jusante do trocador de calor 46. A linha de deri- vação do gás de descarga de catodo 48 é dotada com uma válvula 50, como um tipo de válvula de garganta, com a qual o fluxo do gás de descarga de catodo suprido ao misturador 42 pode ser controlado. Também disposto a jusante do trocador de calor 46 fica um sensor de temperatura 52, mais pre- cisamente a montante da ramificação da linha de derivação do gás de des- carga de catodo 48, na linha do gás de descarga de catodo 44, para contro- lar a temperatura do gás de descarga de catodo. Como uma alternativa, o sensor de temperatura 52 pode ser disposto entre o misturador 42 e o troca- dor de calor 46, para sentir a temperatura de entrada do gás de descarga de anodo que segue para o trocador de calor 46. Por avaliação desse sensor de temperatura, um controlador eletrônico 54 é capaz de ativar corresponden- temente a válvula 50. Na partida do sistema, a válvula 50 é aberta suficien- temente de modo que a maior parte do gás de descarga de catodo é desvia- da do trocador de calor 46 pela linha de derivação do gás de descarga de catodo 48, resultando no trocador de calor 46 recebendo apenas ou basica- mente o gás de descarga do queimador de combustão auxiliar, a uma alta temperatura, em uma rápida partida do sistema, isto é, um rápido preaque- cimento do ar de alimentação do catodo na linha do ar de alimentação do catodo 28. Uma vez que o sistema tenha atingido uma certa temperatura operacional, de modo que também a temperatura do gás de descarga de catodo aumenta, a válvula 50 é fechada inteira e mais continuamente, de modo que o gás de descarga de catodo é suprido ao misturador 42 e, desse modo, ao trocador de calor 46, resultando no efeito de recuperação sendo obtido. Quando a válvula 50 é assim controlada, a temperatura sentida pelo sensor de temperatura 52 serve como a variável de comando. Para aliviar a tensão térmica, a válvula 50 é preferivelmente disposta fora do isolamento térmico 10, possibilitando, desse modo, o emprego de componentes usuais, como válvulas EGR, como conhecidas dos sistemas de descarga automoti- vos. Estruturalmente, a linha do gás de descarga de catodo 44 é configura- da, de preferência, envolvendo o queimador de combustão auxiliar 36. Por exemplo, a linha do gás de descarga de catodo 44 pode ser configurada co- mo um tubo espiral circundando o queimador de combustão auxiliar 36. Co- mo uma alternativa, a linha do gás de descarga de catodo 44 pode envolver o queimador de combustão auxiliar 36, como uma luva de invólucro dupla pelo espaço intermediário pelo qual escoa o gás de descarga de catodo.
Em uma outra versão, a linha do gás de descarga de catodo 44 pode ser dotada com um meio de distribuição controlável, por meio do qual o controle em circuito fechado do fluxo do gás de descarga de catodo é possí- vel.
Deve-se entender que os aspectos da invenção como descritos na descrição acima, nos desenhos e como reivindicado podem ser essenci- ais para o atingimento da invenção, tanto por eles mesmos, como em qual- quer combinação.
Lista dos números de referência
10 - isolamento térmico
12 - reformador
14 - primeira linha de combustível
16 - tanque de combustível
18 - segunda linha de combustível
20 - saída do gás de descarga
22 - primeira linha de oxidante
24 - linha de material reformado
26 - pilha de células de combustível
28 - linha de ar de alimentação do catodo
30 - terminais elétricos
32 - linha do gás de descarga de anodo
34 - misturador
36 - queimador de combustão auxiliar
38 - terceira linha de combustível
40 - segunda linha de oxidante
42 - misturador 44 - linha de gás de descarga de catodo 46 - trocador de calor
48 - linha de derivação do gás de descarga de catodo 50 - válvula 52 - sensor de temperatura 54 - controlador eletrônico

Claims (7)

1. Sistema de célula de combustível compreendendo: - uma célula de combustível (26) recebendo o suprimento de um gás rico em hidrogênio na extremidade do anodo e um oxidante na extremi- dade do catodo, para reação na célula de combustível (26) em um gás de descarga de anodo e gás de descarga de catodo; - um queimador de combustão auxiliar (36) recebendo o supri- mento do gás de descarga de anodo; e - um trocador de calor (46) recebendo o suprimento do gás de descarga do queimador de combustão auxiliar, e por meio do qual o oxidante para suprimento à extremidade do catodo da célula de combustível (26) é preaquecível, caracterizado pelo fato de que o suprimento do gás de descarga de catodo é possível por uma linha do gás de descarga de catodo (44) para o trocador de calor (46), a jusante do queimador de combustão auxiliar (36).
2. Sistema de célula de combustível de acordo com a reivindica- ção 1, caracterizado pelo fato de que uma válvula (50) é proporcionada, com a qual o gás de descarga de catodo, entre a célula de combustível (26) e o trocador de calor (46), pode ser desviado inteiramente ou em parte.
3. Sistema de célula de combustível de acordo com a reivindica- ção 2, caracterizado pelo fato de que a válvula (50) é alojada fora de um iso- lamento (10), isolando termicamente pelo menos a célula de combustível (26), o queimador de combustão auxiliar (36) e o trocador de calor (46) do meio ambiente.
4. Sistema de célula de combustível de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que um sensor de temperatura (52) é proporcionado na linha do gás de descarga de catodo (44), a montante do trocador de calor (46).
5. Sistema de célula de combustível de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a linha do gás de descarga de catodo (44) é estruturada como um invólucro circundan- do o queimador de combustão auxiliar (36).
6. Sistema de célula de combustível de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que em uma linha de alimentação de oxidante (40), para suprimento de oxidante ao queimador de combustão auxiliar (36), um meio de distribuição controlável separadamente é proporcionado.
7. Veículo motorizado compreendendo um sistema de célula de combustível como definido em qualquer uma das reivindicações anteriores.
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