BRPI0714215A2

BRPI0714215A2 - sistema de cÉlulas de combustÍvel com reformador e pàs-queimador

Info

Publication number: BRPI0714215A2
Application number: BRPI0714215-3A
Authority: BR
Inventors: Matthias Boltze; Michael Rozumek; Stefan Kaeding; Manfred Pfalzgraf; Andreas Angl; Beate Bleeker; Michael Suessl; Markus Bedenbecker
Original assignee: Enerday Gmbh
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2013-01-29
Also published as: KR20090028628A; CN101490886A; AU2007272142A1; DE102006032471A1; EA200970027A1; WO2008006334A1; US20100212991A1; EP2041821A1; JP2009543305A; CA2657457A1

Abstract

SISTEMA DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL COM REFORMADOR DE PàS-QUEIMADOR. A presente invenção refere-se a um sistema de células de combustível (10), abrangendo um reformador (12) com uma zona de oxidação (48), à qual é aduzível combustível reservado por meio de um dispositivo de adução de combustível (50) para reação com agente de oxidação; e um pós-queimador (36) com uma zona de oxidação (60), á qual é aduzível combustível reservado por meio de um dispositivo de adução de combustível para reação com agente de oxidação. A presente invenção é caracteizada pelo fato de que o dispositivo de adução de combustível (62) do pós-queimador (36) são projetados para deduzir combust´vel de tal maneira que o combustível aduzido pelo dispositivo de adução de combustível (50) do reformador se distingue do combustível aduzido pelo dispositivo de adução de combustível (62) do pós-queimador (36) quanto ao tipo de combustível e/ou ao estado de agregado e/ou à temperatura de adução. A invenção refere-se também a um veiculo automotor compreendendo dito sistema de cédulas de combustível e a um processo para operação do mesmo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL COM REFORMADOR E PÓS-QUEIMA- DOR".

A presente invenção refere-se a um sistema de células de com- bustível, abrangendo um reformador com uma zona de oxidação, à qual é aduzível o combustível reservado por meio de um dispositivo de adução de combustível para reação com agente de oxidação; e com um pós-queimador com uma zona de oxidação, à qual é aduzível o combustível reservado por meio de um dispositivo de adução de combustível para reação com agente de oxidação.

Além disso, a invenção refere-se a um veículo automotor com esse sistema de células de combustível.

Além disso, a invenção refere-se à operação de um sistema de células de combustível, abrangendo as etapas: adução de combustível que se encontra em um tanque de combustível a uma zona de oxidação de um reformador, em que o combustível é reagido com agentes de oxidação; e adução de combustível que se encontra em um tanque de combustível a uma zona de oxidação de um pós-queimador, em que o combustível é rea- gível com agentes de oxidação. Sistemas de células de combustível servem à reação de energia

química em energia elétrica. O elemento central nesses sistemas é uma cé- lula de combustível, em que pela reação controlada de hidrogênio e oxigênio é liberada energia elétrica. Sistemas de células de combustível devem estar em condições de processar combustíveis usuais na prática. Como em uma célula de combustível são reagidos hidrogênio e oxigênio, o combustível de- ve ser de tal maneira tratado que o gás aduzido ao ânodo da célula de com- bustível deve possui uma fração tão alta quanto possível de hidrogênio - sendo essa a função do reformador. Para essa finalidade, a um reformador são aduzidos combustível e agente de oxidação, de preferência ar. No re- formador ocorre então uma reação do combustível com o agente de oxida- ção. Um reformador do estado atual da técnica é conhecido da DE 103 59 205 A1. Para, de um lado, se emitir gases de combustão do sistema de célu- Ia de combustível tão isento de substâncias nocivas quanto possível no am- biente, e, de outro lado, disponibilizar uma fonte de calor para o pré- aquecimento de diversos componentes e aduções de meio do sistema de células de combustível, está previsto um pós-queimador no sistema de célu- Ias de combustível. Um pós-queimador do estado atual da técnica é conhe- cido da DE 10 2004 049 903 A1.

Constitui objetivo da presente invenção aperfeiçoar de tal manei- ra o sistema de células combustíveis segundo o gênero, o veículo automotor segundo o gênero e o processo segundo o gênero para operação de um sis- tema de células combustíveis de tal maneira que possa ser obtida uma ope- ração otimizada do sistema de células de combustível.

Esse objetivo é alcançado pelas reivindicações independentes.

Configurações e execuções vantajosas da invenção se depreen- dem das reivindicações dependentes. O sistema de células de combustível segundo a invenção é es-

truturado com base no estado atual da técnica segundo o gênero de tal ma- neira que o dispositivo de adução de combustível do reformador e o disposi- tivo de adução de combustível do pós-queimador são projetados para aduzir combustível de tal maneira que o combustível aduzido pelo dispositivo de adução de combustível do reformador se distingue do combustível aduzido pelo dispositivo de adução de combustível do pós-queimador quanto ao tipo de combustível e/ou ao estado de agregado e/ou à temperatura de adução. Isso tem a vantagem, relativamente ao estado atual da técnica, de que es- ses paramentos podem ser de tal maneira selecionados e adaptados que resultam ótimas condições iniciais para a respectiva evaporação na corres- pondente zona de oxidação do reformador ou do pós-queimador. Isso tem ainda a vantagem de que a área de trabalho do sistema de células de com- bustível é ampliada, porque o reformador e o pós-queimador podem ser ope- rados de modo aperfeiçoado e adaptado à respectiva configuração construti- va. Isso é sobretudo especialmente vantajoso quando se deseja operar de tal maneira um sistema de células de combustível que seja disponibilizado um rendimento térmico adicional no pós-queimador, por exemplo, para fins de aquecimento, independentemente da geração de corrente. Por operação do pós-queimador com combustível, que se distingue do combustível do re- formador relativamente ao tipo de combustível e/ou ao estado de agregado e/ou à temperatura de adução, pode ser produzido um rendimento térmico especialmente alto sem produzir o mesmo efeito no reformador. O reforma- dor poderia então trabalhar em operação mínima ou até mesmo ser desliga- do. Em operação estacionária, a combustão pode ser de tal maneira opera- da na zona de oxidação do pós-queimador que é produzido tanto rendimento térmico quanto possível, sem que isso tenha influência sobre os outros com- ponentes no sistema de células de combustível.

O sistema de células de combustível segundo a invenção pode ser ainda de tal maneira executado, vantajosamente, que o dispositivo de adução de combustível do reformador é projetado para ser unido com um primeiro tanque de combustível, e o dispositivo de adução de combustível do pós-queimador é projetado para ser unido com um segundo tanque de com- bustível separado. Devido às distintas temperaturas, entalpias e velocidades de evaporação de diferentes tipos de combustível, pelo suprimento da zona de oxidação do reformador e da zona de oxidação do pós-queimador com distintos tipos de combustível os tipos de combustível podem ser seleciona- dos de tal maneira que na respectiva zona a evaporação e a reação a ela associada decorram de maneira ótima.

Ademais, a invenção disponibiliza um veículo automotor com um sistema de células de combustível, que proporciona as vantagens anterior- mente descritas por transposição. O processo segundo o gênero é ainda configurado de maneira

vantajosa pelo fato de que o combustível aduzido à zona de oxidação do reformador se distingue do combustível aduzido à zona de oxidação do pós- queimador quanto a tipo de combustível e/ou estado de agregado e/ou tem- peratura de adução. Também no âmbito do processo de acordo com a in- venção isso tem, perante o estado atual da técnica, a vantagem de que es- ses parâmetros podem ser selecionados e adaptados de tal maneira que resultam ótimas condições iniciais para a respectiva evaporação na corres- pondente zona de oxidação do reformador ou do pós-queimador. Isso tem também ainda a vantagem de que a área de trabalho do reformador e do pós-queimador pode ser operada de modo aperfeiçoado e adaptado à res- pectiva configuração construtiva. Isso é sobretudo especialmente vantajoso quando se deseja operar de tal maneira um sistema de células de combustí- vel que seja disponibilizado um rendimento térmico adicional no pós- queimador, por exemplo para fins de aquecimento, independentemente da geração de corrente. Por operação do pós-queimador com combustível, que se distingue do combustível do reformador relativamente ao tipo de combus- tível e/ou ao estado de agregado e/ou à temperatura de adução, pode ser produzido um rendimento térmico especialmente alto sem produzir o mesmo efeito no reformador. O reformador poderia então trabalhar em operação mínima ou até mesmo ser desligado. Em operação estacionária, a combus- tão pode ser de tal maneira operada na zona de oxidação do pós-queimador que é produzido tanto rendimento térmico quanto possível, sem que isso tenha influência sobre os outros componentes no sistema de células de combustível.

Além disso, o processo segundo a invenção pode ainda ser exe- cutado de tal maneira que o combustível aduzido à zona de oxidação do re- formador é aduzido de um primeiro tanque de combustível e o combustível aduzido à zona de oxidação do pós-queimador de um segundo tanque de combustível separado. Devido às distintas temperaturas, entalpias e veloci- dades de evaporação de diferentes tipos de combustível, pelo suprimento da zona de oxidação do reformador e da zona de oxidação do pós-queimador com distintos tipos de combustível os tipos de combustível podem ser sele- cionados de tal maneira que na respectiva zona a evaporação e a reação a ela associada decorram de maneira ótima.

Formas de execução vantajosas da invenção serão explicadas a seguir a título de exemplo com referência aos desenhos em apenso. Mostram:

figura 1 - uma representação esquemática de um sistema de células combustíveis conforme um primeiro exemplo de execução; figura 2 - uma representação esquemática de um reformador conforme o primeiro exemplo de execução;

figura 3 - uma representação esquemática de um pós- queimador conforme o primeiro exemplo de execução, figura 4 - uma representação esquemática de um sistema de

células de combustível conforme um segundo exemplo de execução.

A figura 1 mostra uma representação esquemática de um siste- ma de células de combustível conforme um primeiro exemplo de execução. O sistema de células de combustível 10 instalado em um veículo automotor abrange um reformador 12, ao qual através de uma primeira linha combustí- vel 14 é aduzido combustível de um primeiro tanque de combustível 16. A- lém disso, ao reformador 12 em um outro ponto de adução por meio de uma segunda linha de combustível 18 é aduzido combustível do primeiro tanque de combustível 16. Além disso, ao reformador 12 através de uma primeira linha de maio de oxidação 22 é aduzido meio de oxidação, por exemplo ar. O reformado produzido pelo reformador 12 é aduzido através de uma linha de reformado 24 a uma pilha de células de combustível 26. Quanto ao re- formado, trata-se de um gás contendo hidrogênio, que é reagido na pilha de células de combustível 26 com auxílio de ar de adução de cátodo transpor- tado por uma linha de ar de adução de cátodo 28 com geração de corrente e calor. A corrente gerada é captável por conexões 30 elétricas. No caso re- presentado, o gás de escape de ânodo é aduzido através de uma linha de gás de escape de ânodo 32 a uma unidade de mistura 34 de um pós- queimador 36. Ao pós-queimador 36 pode ser aduzido através de uma ter- ceira linha de combustível 38 combustível proveniente de um segundo tan- que de combustível 20. Como tipos de combustível para o primeiro e o se- gundo tanques de combustível 16, 20, vêm ao caso diesel, gasolina, biogás, gás natural e outros tipos de combustível conhecidos do estado atual da téc- nica. No âmbito do primeiro exemplo de execução, o tipo de combustível no primeiro tanque de combustível 16 se distingue então do tipo de combustível no segundo tanque de combustível 20. Além disso, ao pós-queimador 36 através de uma segunda linha de agente de oxidação 40 é aduzível agente de oxidação. No pós-queimador 36 ocorre uma reação do gás de escape de ânodo obtido com o combustível e agente de oxidação transportado para um gás de escape de combustão, que é misturado em uma unidade de mistura 42 com ar de escape de cátodo, que é transportado através de uma linha de ar de escape de cátodo 44 da pilha de células de combustível 26 para a uni- dade de mistura 42. O gás de escape de combustão, que praticamente não contém substâncias nocivas, atravessa um trocador de calor 46 para o pré- aquecimento de ar de adução de cátodo e deixa finalmente o sistema de células de combustível 10. A figura 2 mostra uma representação esquemática do reforma-

dor conforme o primeiro exemplo de execução. O reformador 12 abrange uma zona de oxidação 48, à qual combustível é aduzível com um dispositivo de adução de combustível 50 primário. O dispositivo de adução de combus- tível 50 está unido com a primeira linha de combustível 14, de modo que ao dispositivo de adução de combustível 50 primário é aduzido o tipo de com- bustível, que está reservado no primeiro tanque de combustível 16. Além disso, está previsto um dispositivo de adução de agente de oxidação 52 uni- do com a primeira linha de agente de oxidação 22, por meio do qual o agen- te de oxidação pode ser aduzido à zona de oxidação 48. Dentro da zona de oxidação 48 tem lugar uma reação de combustível e agente de oxidação em uma combustão ou reação de oxidação exotérmica completa. O fluxo de gás produto quente então resultante entra então em uma zona de mistura a ju- sante, isto em, à direta na figura 2. As distintas zonas do reformador estão separadas entre si por linhas tracejadas no desenho da figura 2. As zonas podem estar separadas entre si por características construtivas ou apresen- tarem transição fluente entre si. Na zona de mistura 54 ao fluxo de gás pro- duto resultante por meio de um dispositivo de adução de combustível 56 se- cundário é misturado combustível adicional. No presente exemplo de execu- ção, o dispositivo de adução de combustível primário e secundário 50, 56 apresenta respectivamente um bocal de injeção e de preferência um bocal venturi, mas o combustível pode também ser aduzido por meio de um dispo- sitivo de adução de combustível do tipo de construção de evaporação, que apresenta uma unidade de evaporação porosa, à zona de oxidação 48 ou à zona de mistura 54. O dispositivo de adução de combustível 56 secundário está unido com a segunda linha de combustível 18, de modo que combustí- vel reservado no primeiro tanque de combustível 16 pode ser aduzido ao dispositivo de adução de combustível 56 secundário. Adicionalmente pode ser previsto que à zona de mistura 54 seja aduzido agente de oxidação. A mistura de gás misturada com o combustível adicional entra em uma zona de reforma 58, onde é reagida em uma reação endotérmica em uma mistura de gás rica em hidrogênio, de preferência por meio de um catalisador ali dis- posto. Esse reformado, isto é, mistura de gás rica em hidrogênio, deixa o reformador 12 através da linha de reformado 24 e está disponível para ulte- rior uso para a pilha de células de combustível 26.

A figura 3 mostra uma representação esquemática de um pós- queimador conforme o primeiro exemplo de execução, O pós-queimador 36 abrange uma zona de oxidação 60, à qual é aduzível combustível com um dispositivo de adução de combustível 62. O dispositivo de adução de com- bustível 62 está unido com a terceira linha de combustível 38, de modo que ao dispositivo de adução de combustível 62 é aduzido o tipo de combustível, que está reservado no segundo tanque de combustível 20. No presente e- xemplo de execução o dispositivo de adução de combustível 62 é um bocal de injeção e, de preferência, um bocal venturi, mas o combustível também pode ser aduzido à zona de oxidação 60 por meio de um dispositivo de adu- ção de combustível do tipo de construção de evaporação, que apresenta uma unidade de evaporação porosa. Além disso, está previsto um dispositi- vo de adução de agente de oxidação 64 unido com a segunda linha de agen- te de oxidação 40, por meio do qual agente de oxidação é aduzível à zona de oxidação. Dentro da zona de oxidação 60 tem lugar uma reação de com- bustível e agente de oxidação em uma reação de oxidação exotérmica, isto é, de uma combustão tão completa quanto possível. O gás de escape de combustão então resultante entra em uma zona de mistura 66 a jusante, isto é, à direita na figura 3. As distintas zonas do pós-queimador 36 estão sepa- radas entre si por linhas tracejadas no desenho na figura 3. As zonas podem estar separadas entre si por características construtivas ou apresentarem transição fluente entre si. Na zona de mistura 66 ao gás de escape de com- bustão resultante é misturado gás de escape de ânodo por meio da unidade de mistura 34. A mistura de gás misturada com o gás de escape de ânodo entra em uma zona de combustão 68, que é cheia no exemplo de execução mostrado por um corpo poroso, no qual a mistura de gás queima quase completamente, isto é, a mistura de gás vais e extinguindo no corpo poroso na zona de combustão 68.

Em uma modificação do primeiro exemplo de execução, no pri- meiro tanque de combustível 16 e no segundo tanque de combustível 20 é reservado combustível do mesmo tipo de combustível que se distingue, no entanto, por seu estado de agregado (isto é, em forma de gás, líquido). Por exemplo, então em um tanque de combustível pode haver um determinado combustível em forma líquida e no outro tanque de combustível do mesmo tipo de combustível em um estado gasoso, o que é obtido pelo fato de que tanto em um tanque de combustível como também na linha de combustível correspondente há uma pressão maior do que no outro tanque de combustí- vel, que conserva o combustível em um estado gasoso.

Referências, que são a seguir idênticas às empregadas no pri- meiro exemplo de execução, caracterizam elementos idênticos ao primeiro exemplo de execução com igual funcionalidade, cuja descrição foi dispensa- da para se evitar repetições.

A figura 4 mostra uma representação esquemática de um siste- ma de células de combustível conforme um segundo exemplo de execução. O sistema de células de combustível 10 do segundo exemplo de execução se distingue do sistema de células de combustível representado na figura 1 pelo fato de que, em lugar do primeiro e segundo tanques de combustível 16 e 20, está instalado um único tanque de combustível 70 no veículo automo- tor. Esse tanque de combustível 70 supre a primeira, a segunda e a terceira linhas de combustível 14, 18 e 38 com combustível do mesmo tipo de com- bustível. No segundo exemplo de execução, o dispositivo de adução de combustível 50 do reformador 12 e o dispositivo de adução de combustível 62 do pós-queimador 36 são de tal maneira executados ou de tal maneira operados que o combustível aduzido pelo dispositivo de adução de combus- tível 50 primário do reformador 12 quando da adução na correspondente zona do reformador 12 apresenta uma outra temperatura que não a do com- bustível aduzido pelo dispositivo de adução de combustível 62 do pós- queimador 36. Para tanto, o dispositivo de adução de combustível 50 primá- rio e o dispositivo de adução de combustível 62 são providos de um disposi- tivo de aquecimento ou resfriamento não representado. Alternativamente, essa temperatura de adução distinta do combustível pode ser obtida também por meio de um dispositivo de aquecimento ou resfriamento na primeira e/ou terceira linha de combustível 14, 38. Essa distinção de temperatura pode também levar a que o combustível no dispositivo de adução de combustível 50 primário do reformador 12 seja aduzido em um outro estado de agregado que não no dispositivo de adução de combustível 62 do pós-queimador 36. Chama-se explicitamente atenção para o fato de que, embora os

distintos exemplos de execução e suas modificações tenham sido descritos separadamente com base nas figuras associadas, toda e qualquer combina- ção dos distintos exemplos de execução e modificações está dentro do âm- bito da invenção. Por exemplo, é perfeitamente possível uma combinação do primeiro e segundo exemplos de execução, em que são aduzidos distintos tipos de combustível em um reformador e um pós-queimador com distintas temperaturas.

Embora nas figuras descritas isso não esteja explicitamente re- presentado, nas linhas de combustível 14, 18 e 38, nas linhas de agente de oxidação 22 e 40 bem como na linha de ar de adução de cátodo 28 podem estar previstos correspondentes dispositivos de transporte, como por exem- plo bombas ou ventoinhas e/ou servo-válvulas, para regulagem do fluxo de passagem.

As características da invenção apresentadas na descrição ante- rior, nos desenhos bem como nas reivindicações podem ser essenciais à execução da invenção tanto individualmente como também em qualquer combinação. LISTAGEM DE REFERENCIAS: sistema de células de combustível

12 reformador

14 primeira linha de combustível

16 primeiro tanque de combustível

18 segunda linha de combustível

segundo tanque de combustível

22 primeira linha de agente de oxidação

24 linha de reformado

26 pilha de células de combustível

conexões elétricas

34 unidade de mistura

36 pós-queimador

38 terceira linha de combustível

40 segunda linha de agente de oxidação

42 unidade de mistura

44 linha de gás de escape de cátodo

46 trocador de calor

48 zona de oxidação

50 dispositivo de adução de combustível primário

52 dispositivo de adução de agente de oxidação

54 zona de mistura

56 dispositivo de adução de combustível secundário

58 zona de reforma

60 zona de oxidação

62 dispositivo de adução de combustível

64 dispositivo de adução de agente de oxidação

66 zona de mistura

68 zona de combustão

70 tanque de combustível

Claims

1. Sistema de células de combustível (10), abrangendo: - um reformador (12) com uma zona de oxidação (48), à qual é aduzível combustível reservado por meio de um dispositivo de adução de combustível (50) para reação com agente de oxidação; e - um pós-queimador (36) com uma zona de oxidação (60), à qual é aduzível combustível reservado por meio de um dispositivo de adução de combustível (62) para reação com agente de oxidação, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de adução de combustível (50) do reformador (12) e o dispositivo de adução de combustível (62) do pós- queimador (36) são projetados para aduzir combustível de tal maneira que o combustível aduzido pelo dispositivo de adução de combustível (50) do re- formador se distingue do combustível aduzido pelo dispositivo de adução de combustível (62) do pós-queimador (36) quanto ao tipo de combustível e/ou ao estado de agregado e/ou à temperatura de adução.

2. Sistema de células de combustível (10) de acordo com a rei- vindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de adução de combustível (50) do reformador (12) é projetado para ser unido com um pri- meiro tanque de combustível (16), e o dispositivo de adução de combustível (62) do pós-queimador (36) é projetado para ser unido com um segundo tanque de combustível (20) separado.

3. Veículo automotor com um sistema de células de combustível (10), como definido em uma das reivindicações precedentes.

4. Veículo automotor de acordo com a reivindicação 3, caracteri- zado pelo fato de que estão previstos dois tanques de combustível (16, 20), sendo que um dos tanques de combustível (16) está unido com o dispositivo de adução de combustível (50) do reformador (12) e o segundo tanque de combustível (20) está unido com o dispositivo de adução de combustível (62) do pós-queimador (36).

5. Processo para operação de um sistema de células de com- bustível (10), abrangendo as etapas: - adução de combustível que se encontra em um tanque de combustível (16; 70) a uma zona de oxidação (48) de um reformador (12), em que o combustível é reagível com agente de oxidação; e - adução de combustível que se encontra em um tanque de combustível (20; 70) a uma zona de oxidação (60) de um pós-queimador (36), em que o combustível é reagível com agente de oxidação.

6. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o combustível aduzido à zona de oxidação (48) do reformador (12) é aduzido de um primeiro tanque de combustível (16) e o combustível aduzido à zona de oxidação (60) do pós-queimador (36) é aduzido de um segundo tanque de combustível (20) separado.