BRPI0718070A2 - Sistemas e métodos de troca de calor de célula de comustível - Google Patents

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Description

"SISTEMAS E MÉTODOS DE TROCA DE CALOR DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL"
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção se refere ao gerenciamento de energia dentro de sistemas de célula de combustível. Especificamente, a presente invenção se refere aos sistemas e métodos de troca de calor dentro de sistemas de célula de combustível.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
Sistemas de Célula de Combustível de Óxido-Sólido (SOFC) operam eficientemente mediante conversão da energia, contida em um fluxo de combustível, em calor e eletricidade utilizáveis. A recuperação de calor nos sistemas SOFC é comumente obtida através do uso de trocadores de calor (por exemplo, invólucro e tubo, chapa e aleta e micro canal) em uma variedade de configurações de fluxo (fluxo múltiplo, contrafluxo, co- fluxo, fluxo transversal). Alguns dos fluxos de fluido no sistema são líquidos e alguns são gasosos, dos quais alguns contêm vapor de água. A eficiência do sistema SOFC pode ser derivada mediante comparação da energia potencial contida no fluxo de combustível entrando no sistema com o calor e energia utilizáveis totais produzidos pelo sistema e disponíveis ao usuário. A eficiência total do sistema SOFC é importante uma vez que tem impacto sobre a viabilidade comercial do produto de sistema SOFC no mercado de aplicação escolhido. Perdas térmicas e elétricas são importantes na determinação da eficiência total do sistema SOFC. O gerenciamento da transferência de calor e massa dentro do sistema SOFC influencia a magnitude das perdas térmicas e elétricas.
O próprio sistema SOFC opera mediante conversão da energia no combustível em calor e eletricidade utilizando um processo eletroquímico. A eficiência desse processo depende de vários fatores, incluindo a concentração do combustível pelo lado do combustível da célula de combustível, pressão parcial de oxigênio pelo lado do ar da célula de combustível, e a temperatura da célula de combustível.
Para operar, a célula de combustível consome combustível e consome oxigênio no ar na reação eletroquímica. Além da eletricidade gerada por essa reação, energia térmica em excesso é criada pelo processo eletroquímico na região da área ativa de célula de combustível. Para manter o processo de conversão de energia, combustível e ar precisam ser fornecidos à célula de combustível e calor precisa ser removido da célula de combustível. Comumente, o calor gerado pela reação da célula de combustível é parcialmente consumido mantendo a própria célula de combustível e seu ambiente adjacente em temperatura de operação, e a maior parte do calor restante é retirada da célula de combustível utilizando-se o fluxo de ar, e/ou o fluxo de exaustão de combustível.
Em geral, uma célula de combustível operacional não consome todo o combustível no fluxo de combustível, e similarmente não consome todo o oxigênio no fluxo de ar. Como a célula de combustível não consome integralmente o combustível e o oxigênio no ar, deve haver um método de remover o fluxo de combustível esgotado (comumente denominado gás residual de anódio) e o fluxo de ar alterado (comumente denominado gás residual de catódio) a partir da área ativa da célula de combustível. Desse modo, o combustível é alimentado à área ativa de célula de combustível, e removido da mesma, e o ar é alimentado à área ativa de célula de combustível, e removido da mesma.
Para obter conversão eficaz de energia por intermédio da célula de combustível, um reformador de combustível pode ser incluído na linha de fornecimento de combustível antes da célula de combustível ou a reformação pode ocorrer internamente na tubagem de célula de combustível, para reformar o combustível à base de hidrocarboneto para um fluxo rico em hidrogênio antes do gás de combustível alcançar a célula de combustível.
SOFCs operam efetivamente em uma temperatura de operação especificada, freqüentemente acima de uma faixa de temperaturas em torno da temperatura de operação especificada. Essa temperatura de operação efetiva é tipicamente definida pelo tipo de material usado nas camadas ativas da célula de combustível - por exemplo, 720-950°C para YSZ, 500-650°C para CGO.
Para os SOFCs, os fluxos de ar e combustível de chegada podem ser aquecidos até aproximadamente a temperatura de operação da célula de combustível antes dos fluxos alcançarem a área ativa da célula de combustível. Isso melhora a eficiência de operação da célula de combustível e reduz os gradientes de temperatura e, portanto, as tensões térmicas, às quais a célula de combustível seria submetida se os fluidos de temperatura ambiente entrassem em contato com as estruturas quentes da célula de combustível de 500-900°C. A eficiência também é aperfeiçoada ao equilíbrio térmico aperfeiçoado da célula para a faixa de temperaturas de operação ótima. Devido às elevadas temperaturas de operação, o fluxo de combustível é normalmente um gás no ponto, ou próximo do ponto onde ele encontra a área ativa da célula de combustível.
A energia térmica pode ser extraída dos fluxos de gás saindo da área ativa da célula de combustível (gases residuais de anódio e catódio) e usada para aquecer os fluxos de combustível e ar entrando na área ativa da célula de combustível. Isso geralmente é conseguido mediante misturação do fluxo de combustível de descarga da célula de combustível (o qual contém energia química na forma de combustível não-utilizado) e o fluxo de ar de descarga da célula de combustível e queimando-se a mistura resultante muito próximo da tubagem de célula de combustível (conforme mostrado na US5212023 e EP1037296) e utilizando-se a energia gerada por esse processo para passar, por intermédio do trocador de calor, para o fluxo de ar de chegada.
Quando os sistemas de célula de combustível são alimentados com combustível de hidrocarboneto não é incomum que um reformador de combustível seja colocado no fluxo de combustível à frente da tubagem de célula de combustível para facilitar a reformação do combustível de hidrocarboneto em partes constituintes: hidrogênio, dióxido de carbono, monóxido de carbono e outros elementos. Há vários métodos de reformação adequados para uso de célula de combustível os quais são conhecidos e desse modo não são aqui detalhados. Métodos de reformação típica incluem reformação auto-térmica (ATR), reformação a vapor (SR), reformação de mudança de água-gás (WGS) e reformação de oxidação parcial (POX ou CPOX).
Em resumo, para operação efetiva do reformador, existem alguns métodos de reformação que não requerem que água seja adicionada ao fluxo de combustível para operar (por exemplo, CPOX), e existem aqueles que requerem que água seja adicionada (por exemplo, ATR, SR, WGS).
Tipos de reformadores que não utilizam água, tal como CPOX, não exigem que uma unidade de fornecimento de água seja parte do sistema de célula de combustível. Para aqueles versados na técnica, será entendido que tais sistemas que não têm água adicionada produzem uma concentração de hidrogênio inferior no fluxo de combustível reformado do que é provida a partir dos sistemas que têm água adicionada, os quais produzem um fluxo de combustível mais rico em hidrogênio.
Para eficiência ótima de operação da célula de combustível, as opções de reformação utilizando vapor oferecem ganhos consideravelmente superiores na potencial eficiência de operação. Em sistemas procurando tal eficiência, a água é adicionada ao sistema para produzir vapor. O vapor pode ser provido a partir do teor de água no fluxo de descarga pelo lado de combustível e/ou a partir de uma fonte de água ou meio de armazenamento de água. Na partida do sistema a partir da temperatura ambiente, pode não haver vapor diretamente disponível no sistema a partir do fluxo de descarga pelo lado de combustível, e desse modo o vapor pode ser gerado a partir de um meio de armazenamento de água utilizando um gerador de vapor.
Em algumas aplicações, existe uma exigência de se aquecer uma carga externa - por exemplo, um armazenamento de água quente. Desse modo parte do calor gerado pelo sistema SOFC pode ser usada para prover essa exigência de aquecimento. SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Aspectos da invenção procuram prover ao menos um ou mais elementos de troca de calor, possivelmente integrados, para um sistema de célula de combustível que é/são arranjados para transferir calor entre o fluxo de descarga de ao menos um dos fluxos de descarga pelo lado do combustível e pelo lado de ar da tubagem de células de combustível, os quais são separados em gases residuais de anódio e catódio, separados. Em aspectos da invenção, a transferência é para transferir calor a partir do fluxo(s) de descarga para fluxos de ar e combustível sendo alimentados na tubagem de célula de combustível, enquanto também, em alguns aspectos da invenção, transferindo calor para uma carga térmica externa tal como um dispositivo de recebimento de calor, por exemplo, meio de armazenamento térmico e/ou dispositivo de rejeição de calor, por exemplo, um radiador e/ou um dispositivo de transferência de calor, por exemplo, uma bomba de calor ou Motor Stirling.
Condensação de água a partir do fluxo(s) de descarga, por exemplo, qualquer um ou ambos, gás residual de anódio e o gás residual de catódio também pode ocorrer, para transferência adicional de calor. A energia a partir do combustível não-utilizado no gás residual de anódio pode também ser utilizada mediante queima do gás de combustível não- utilizado para gerar calor. Em um aspecto, esse calor é alimentado de volta ao sistema de célula de combustível. Em outro aspecto o sistema de célula de combustível recebe calor a partir de outra fonte (por exemplo, um reformador colocador ao lado de um sistema de descarga automotivo, ou descarga de turbina) e o calor gerado pela queima de gás de combustível não-utilizado é usado para outros propósitos fora do sistema de célula de combustível.
Um aspecto da invenção provê um método de alterar a temperatura dos gases
residuais saindo de ao menos uma tubagem de célula de combustível, a ao menos uma tubagem de célula de combustível tendo percursos de fluxo separados de gás residual de anódio e de catódio, o método compreendendo passar o gás residual de anódio separado a partir de ao menos uma tubagem de célula de combustível e fluido de transferência de calor através do primeiro elemento de troca de calor para permutar o calor entre o gás residual de anódio e o fluido de transferência de calor.
Em aspectos da invenção, para separar as alimentações de fluido para os elementos de troca de calor, o arranjo e combinação de elemento(s) de troca de calor e/ou a controlabilidade das cargas de fluido permitem que energia térmica suficiente seja retornada ao sistema de célula de combustível para operação sustentada, e são vantajosos e melhoram a operação e eficiência do sistema, enquanto permitindo que ocorra a condensação do vapor de água independentemente, a partir de ao menos um dos fluxos de gás residual de anódio e de gás residual de catódio para maximizar a recuperação de calor para uso da carga de calor do sistema de célula de não-combustível. Em aspectos da invenção, a ordem e a colocação dos elementos de troca de calor
(os quais podem ser elementos de troca de calor de condensador) são definidas pela exigência para aperfeiçoar a transferência de energia de calor a partir dos gases de descarga quentes da tubagem de célula de combustível para os fluidos frios de chegada, e para condensar o máximo de vapor possível a partir dos fluxos de descarga de gás residual de anódio e/ou de catódio (os quais podem estar em um estágio após combinação e combustão dos gases residuais de anódio e catódio para formar um gás residual de queimador) para capturar a energia térmica latente e para recuperar a água condensada para uso no sistema e/ou em outro lugar. Para um sistema SOFC, a quantidade máxima de vapor de água disponível por volume geralmente ocorre no fluxo de gás residual de anódio. Desse modo, esse fluxo, em termos de energia, é a fonte combinada mais eficaz de recuperação de água condensada e calor. Portanto, em um aspecto, esse fluxo é submetido ao processo de condensação mais eficaz. Se o sistema envolve um único fluido de transferência térmica circulante, então para que isso ocorra um elemento de troca de calor de condensador de gás residual de anódio para a condensação de água a partir do gás residual de anódio é colocado de tal modo que ele recebe o fluido de transferência térmica de temperatura mais baixa (por exemplo, água de esfriamento circulando a partir de um meio de armazenamento térmico) à frente de quaisquer outros elementos de troca de calor de condensação que são incluídos no mesmo circuito de fluido de transferência térmica.
Com o propósito de clareza, um elemento de troca de calor de condensador ou trocador de calor de condensador é definido aqui como um trocador de calor que é projetado de modo que quando ele está em operação ele pode ser condensar a água de um dos fluxos passando através da unidade de trocador de calor.
O gás residual de anódio compreende combustível não-convertido, energia térmica e vapor de água. É vantajoso recuperar o máximo possível dessa energia mediante recuperação da energia térmica no sistema, o que também inclui recuperar o calor latente contido no vapor de água carregado no fluxo, e recuperar a energia química no combustível não-queimado transportado no fluxo.
Ao condensar o gás residual de anódio para recuperar a energia térmica latente e o vapor de água como líquido, uma queda significativa em temperatura no fluxo de gás residual de anódio deve ser conseguida - dependendo das condições de operação, fazendo cair a temperatura do fluxo para significativamente abaixo de IOO0C1 por exemplo, 50°C ou inferior. Mediante remoção de grande parte da energia térmica a partir do fluxo de gás residual de anódio, a maior parte da energia térmica transportada no fluxo segue para o fluido de transferência térmica e apenas uma pequena quantidade da energia térmica permanece no fluxo de gás residual de anódio. Supondo que o fluido de transferência de calor seja água, a menos que a água seja pressurizada, ela pode, geralmente, ser aquecida até apenas 100°C, embora mais normalmente 50-85°C. Nessas temperaturas, a água poderia não ser capaz de uso como uma fonte de energia de alta temperatura para efetivamente alimentar essa energia de volta ao sistema de célula de combustível, o qual está em uma temperatura superior a dessa água agora aquecida; desse modo o calor pode ser exportado para a carga térmica ou meio de armazenamento, para uso como uma fonte de calor, por exemplo, em um sistema de aquecimento doméstico.
A remoção da energia térmica latente e da água condensada a partir do fluxo de gás residual de anódio pode afetar a eficiência térmica do sistema de célula de combustível. Portanto, de acordo com um aspecto da invenção, é provida uma configuração de célula de combustível, onde ao menos alguma da energia térmica é transferida a partir do gás residual de anódio por um elemento de troca de calor adicional, antes de ele alcançar um trocador de calor de condensador. Essa energia térmica, transferida antes de alcançar o trocador de calor de condensação, pode ser passada de volta para o sistema de tubagem de célula de combustível utilizando uma das cargas de fluido de temperatura inferior entrando no sistema de tubagem de célula de combustível, tal como a carga pelo lado do ar. Como as cargas de fluido para a tubagem são principalmente gases, e o gás residual de anódio é um gás, o elemento de troca de calor adicional pode ser um trocador de calor de gás para gás. Desse modo, em certos aspectos, é possível transferir parte da energia térmica de gás residual de anódio para o fluxo de ar de chegada da tubagem de célula de combustível, desse modo aquecendo o mesmo antes dele entrar na tubagem de célula de combustível pelo lado do catódio.
Como alguma energia térmica é removida do fluxo de gás residual de anódio pelo elemento de troca de calor adicional (gás/gás) em certos aspectos da invenção, a qual pode ser uma unidade de troca de calor de aquecedor de ar, as exigências operacionais e de tamanho do elemento de troca de calor, que pode ser um trocador de calor de condensador de gás/água, para o qual o gás residual de anódio flui após passar através do trocador de calor adicional, podem ser reduzidas. Isso pode permitir um volume reduzido do circuito de fluido de transferência de calor e uma bomba de fluido de transferência de calor menor (e assim reduzindo a carga parasítica elétrica do sistema de célula de combustível). Além disso, o tamanho exigido do meio de armazenamento térmico e do radiador térmico pode ser reduzido, o que pode prover um sistema mais compacto.
Em um aspecto da invenção, um queimador é provido para misturar e queimar os gases residuais de anódio e catódio. O queimador então produz o gás residual de queimador. Um segundo elemento de troca de calor, para recuperar o calor a partir desse gás residual de queimador é provido em aspectos da invenção, e esse pode fazer uso do mesmo fluido de transferência de calor que o elemento de troca de calor de condensador de gás residual de anódio. O fluido de transferência de calor pode ter passado através do primeiro elemento de troca de calor (gás residual de anódio) antes de passar através do segundo elemento de troca de calor (gás residual de queimador), o qual em certos aspectos da invenção é referido como um trocador de calor de recuperação de calor de célula de combustível, de modo que o gás residual de anódio permuta calor com o fluido de transferência de calor antes de o fluido de transferência de calor ser aquecido adicionalmente no trocador de calor de recuperação de calor de célula de combustível. Isso pode ser vantajoso onde o gás residual de anódio contém uma proporção maior de vapor e de exalação de água do que o gás residual de queimador. Como o gás residual de catódio geralmente contém menos vapor de água do que o gás residual de anódio, existe uma vantagem marginal em se tentar recuperar a quantidade pequena de energia associada ao vapor de água de gás residual de catódio em comparação com aquela disponível a partir da condensação do vapor de água do gás residual de anódio.
Desse modo, o vapor de água no gás residual de catódio poderia não ser condensado. Portanto, o gás residual de catódio saindo da célula de combustível é alimentado ao queimador como a carga de oxidante pós-queimador, isto é, um trocador de calor não precisa ser provido no fluxo de gás residual de catódio entre a célula de combustível e o queimador. O gás residual de catódio saindo da célula de combustível pode ser alimentado diretamente ao queimador, e pode não haver perda de calor significativa a partir do gás residual de catódio. A carga de gás residual de catódio de temperatura superior para o queimador ajuda a manter uma alta temperatura do queimador. Essa característica permite que a carga de oxidante para o queimador seja introduzida sem ser aquecida; o que significa que haverá mais energia térmica disponível no gás residual de queimador, a qual pode ser usada em modalidades para aquecer um reformador de combustível. Especificamente, combinação de um gás residual de anódio de calor permutado de conteúdo de vapor de água relativamente baixo alimentado no queimador com um gás residual de catódio de temperatura relativamente elevada permite que o queimador opere em uma temperatura superior, de modo que uma unidade de reformador, endotérmica, termicamente conectada ao fluxo de gás residual de queimador pode ser operada sem entrada adicional de calor. Tal arranjo pode significar que nenhum queimador adicional é exigido para aquecer o reformador, nenhum fornecimento de combustível adicional é exigido durante a operação do reformador e/ou a percentagem de combustível não-queimada do gás residual de anódio não precisa ser aumentada. Alternativamente, o segundo trocador de calor pode ser provido antes do queimador e esfriar o gás residual de catódio antes de ele ser queimado. Um trocador de calor adicional pode ser provido entre a tubagem de célula de combustível produzindo o gás residual de catódio, e o queimador.
Em um aspecto da invenção, o gás residual de queimador pode ser passado através de outro elemento de troca de calor, antes de alcançar a segunda unidade de troca de calor, o que pode ocorrer por razões similares para passar o gás residual de anódio através do elemento de troca de calor adicional antes de passar o mesmo através do primeiro elemento de troca de calor.
Os tamanhos relativos e as características de transferência de energia dos elementos de troca de calor providos (que pode incluir um ou mais do primeiro e segundo elementos de troca de calor (os quais podem estar condensando), o elemento de troca de calor adicional (o qual pode ser de gás para gás), e/ou o outro elemento de troca de calor entre o queimador e o segundo elemento de troca de calor) pode ser equilibrado para obter boa transferência térmica a partir do gás residual de anódio para o ar de chegada, enquanto permitindo que a recuperação de calor de condensação ocorra e também obter boa recuperação térmica para o depósito de calor ou carga de calor.
Mediante recuperação de água a partir do gás(es) desprendido(s) no sistema, um sistema auto-suficiente pode ser provido em termos de utilização de água. A água recebida a partir do gás(es) desprendido(s) pode ser usada em um processo de reformação para o combustível, antes da entrada nas células de combustível. Tal sistema reduz o consumo de água, quando a água é recuperada e reutilizada. Em locais remotos, a necessidade de um fornecimento de água separado pode ser completamente removida. Embora a invenção e os Ieiautes não sejam limitados a uma aplicação, a operação
em temperatura intermediária (400-650°C) da tecnologia de célula de combustível do requerente (conforme mostrado em GB2368450 - aqui incorporado integralmente mediante referência), em comparação com os modelos de alta temperatura operando acima de 700°C, significa que os componentes do sistema que são expostos aos fluidos de alta temperatura podem ser feitos de metais não-exóticos, permitindo um modelo de sistema mais flexível e a seleção resultante de materiais de especificação inferior e de custo inferior para os componentes do sistema. Tais materiais incluem o uso de componentes de aço inoxidável para o suporte da célula de combustível e as chapas bipolares, significando que a vedação pelo lado do combustível de anódio pode ser obtida simplesmente mediante ação de soldar a chapa de suporte da célula de combustível à chapa bipolar adjacente. A vedação pelo lado do ar pode simplesmente ser conseguida através do uso de uma gaxeta de compressão, feita de um material tal como vermiculita.
Adicionalmente, temperaturas de operação intermediárias dos componentes de sistema e fluxos de fluido permitem um modelo termicamente acoplado e termicamente integrado. Isso resulta em redução de custo e complexidade do sistema.
O arranjo de trocador de calor estreitamente acoplado dos aspectos da presente invenção pode ser aplicado em uma variedade de aplicações, compreendendo geração combinada de esfriamento e força, geração tripla (geração combinada de calor, esfriamento e força), geração de força estacionária e produção de energia auxiliar. Aspectos da presente invenção são particularmente úteis em sistemas de força e calor combinados, e fontes de energia de rede independente. A taxa de calor removida do sistema SOFC para o armazenamento térmico ou para a carga térmica pode ser controlada por ao menos uma bomba de circulação, a qual permite um grau de controle da quantidade de energia retirada do sistema pelos elementos de troca de calor de condensador e, portanto, da quantidade de energia disponível a ser realimentada ao sistema e também do grau de condensação que pode ser obtido.
Em uma configuração de acordo com um aspecto da invenção de ao menos dois elementos de troca de calor, esses podem ser combinados na mesma unidade, desse modo proporcionando uma unidade mais eficaz e eficiente em termos de custo. Adicionalmente, onde há conexões de fluido, reduzidas, pode-se conseguir uma unidade global mais leve e uma embalagem mais simples.
Em um aspecto da invenção, ao menos o elemento de troca de calor de
condensador de gás residual de anódio pode ser alimentado com mais do que um fluido de transferência de calor. Por exemplo, algum calor transferido a partir do gás residual de anódio pode ser alimentado ao fornecimento de combustível do sistema de célula de combustível, e a quantidade de calor transferida é parcialmente controlada pelo fluxo de combustível, o qual é regulado pelas exigências de energia de aplicação, e também mediante controle da taxa de fluxo do outro fluido de transferência de calor, digamos através de uma bomba de circulação no sistema de absorção/liberação de calor. Os fluidos de transferência de calor usados podem ser variados e o desempenho e, portanto, o modelo do trocador de calor será determinado em parte pelas taxas de fluxo de fluido de transferência de calor assim como pela capacidade térmica do fluido de transferência de calor. Tais fluidos poderiam incluir água quer seja em um sistema fechado de circulação ou em um sistema aberto de circulação, refrigerantes (por exemplo, a partir de um resfriador de absorção), combustíveis (por exemplo, a partir de um veículo ou gás canalizado), ou ar.
Em aspectos da invenção, a temperatura de operação da célula(s) de combustível na tubagem de célula de combustível pode estar entre 1100C-1100°C, 250°C-650°C, ou 450°C-850°C. Em aspectos da invenção, a célula(s) de combustível pode ser SOFC sustentada por metal.
DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS
Modalidades da invenção serão descritas agora, simplesmente mediante exemplo, com referência aos desenhos anexos, nos quais:
A Figura 1a mostra um sistema de célula de combustível incluindo um sistema de troca de calor de acordo com uma modalidade da invenção;
A Figura 1b mostra uma variação do sistema mostrado na Figura 1a;
A Figura 1c mostra uma variação do sistema mostrado na Figura 1a, com um percurso de fluxo reformado alternativo para o conjunto de tubagem de célula de combustível omitindo a unidade de trocador de calor de resfriador de reformador;
A Figura 2a mostra um sistema de troca de calor de acordo com uma modalidade da invenção, para uso no sistema de célula de combustível mostrado na Figura 1a ou 1b;
A Figura 2b mostra um sistema de troca de calor alternativo de acordo com uma modalidade da invenção;
A Figura 2c mostra outro sistema de troca de calor alternativo de acordo com uma modalidade da invenção; A Figura 2d mostra outro sistema de troca de calor alternativo de acordo com uma modalidade da invenção;
A Figura 3 mostra um sistema de célula de combustível alternativo incluindo um sistema de troca de calor de acordo com uma modalidade da invenção;
A Figura 4 mostra um sistema de troca de calor para uso no sistema de célula de
combustível da Figura 3;
A Figura 5 mostra um sistema de célula de combustível alternativo incluindo um sistema de troca de calor de acordo com uma modalidade da invenção; e
A Figura 6 mostra primeiro e segundo elementos de troca de calor, combinados, de acordo com uma modalidade da invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES DA INVENÇÃO A Figura 1a mostra um sistema de célula de combustível 100 incluindo um sistema de troca de calor 120 de acordo com uma modalidade da invenção. O sistema de célula de combustível 100 inclui um conjunto de tubagem de célula de combustível 110 e um sistema de troca de calor 120. O sistema de célula de combustível 100 inclui também uma unidade de queimador/reformador 130, uma unidade de aquecimento de partida 140, e um tanque de armazenamento de água de condensação 150.
Com referência à Figura 1a, os percursos de fluxo de fluido seguidos pelo gás oxigênio (por exemplo, ar) e o gás combustível para a operação do sistema de célula de combustível são mostrados.
Em primeiro lugar, será descrito o sistema de alimentação pelo lado de ar. O gás contendo oxigênio, comumente ar, é fornecido ao sistema de célula de combustível 100 a partir do meio ambiente por intermédio de uma unidade de filtro de ar (não mostrada) e um dispositivo mecânico de movimento de ar, na presente modalidade um ventilador de ar de velocidade variável 172 - com a velocidade do ventilador sendo controlada por uma unidade de controle de sistema (não mostrada). A unidade de filtro de ar pode ser montada em uma armação envolvendo o sistema. O ar é aspirado através da unidade para o ventilador de ar 172 com perdas mínimas de pressão. Em seu caminho através do ventilador 172, se a direção do fluxo de ar for controlada, o ar pode captar calor a partir das superfícies quentes/trocadores de calor com os quais ele entra em contato, tal como trocadores de calor 174 montados nas unidades de transformador e meios eletrônicos de energia.
Esse ar então é alimentado a partir do ventilador de ar 174 para uma unidade de troca de calor de aquecedor de ar 122 no sistema de troca de calor 120. A unidade de troca de calor de aquecedor de ar 122 é um trocador de calor de gás/gás. Uma das alimentações de gás é o ar de chegada alimentado a partir do ventilador de ar 172; a outra é o gás residual de anódio proveniente do conjunto de tubagem de célula de combustível (discutido em relação ao fluxo pelo lado de combustível, abaixo). Sob operação normal da unidade 122, uma determinada quantidade da energia térmica é transferida a partir do gás residual de anódio a partir do lado de combustível do conjunto de tubagem de célula de combustível (baixando o fluxo de gás residual de anódio a partir da temperatura de saída da tubagem de célula de combustível, de aproximadamente 500-650°C, até acima da temperatura de ponto de ebulição da água, de aproximadamente 100-200°C) à medida que ele é avançado através do trocador de calor 122 para aquecer o fluxo de ar de chegada (aquecendo o fluxo de ar a partir de temperatura aproximadamente ambiente, 0-50°C a 100-250°C). A diferença nas taxas de aquecimento se deve às taxas de fluxo significativamente mais altas do fluxo de ar versus o gás residual de anódio. O grau de esfriamento provido ao gás residual de anódio pela unidade de troca de calor de aquecimento de ar 122 pode ser controlado pelo fluxo de ar através da unidade 122, o qual por sua vez é controlado pela velocidade do ventilador 172.
A temperatura do ar saindo da unidade de trocador de calor de aquecedor de ar 122 sob condições normais de operação terá aumentado. Contudo, a temperatura do ar é aumentada ainda mais até a temperatura exigida para a temperatura de entrada de ar da tubagem de célula de combustível. A temperatura do ar de entrada da tubagem de célula de combustível é controlável. Isso pode ser conseguido conforme descrito abaixo.
O ar aquecido saindo da unidade de trocador de calor de aquecedor de ar 122 flui então através de um trocador de calor de pré-aquecedor de ar 142 na unidade de pré- aquecimento de ar 140. O trocador de calor de pré-aquecedor de ar 142 é usado para incrementar a temperatura do fornecimento de ar de chegada até aproximadamente, ou na temperatura de operação da tubagem mediante utilização da energia térmica contida no fluxo de queimador de gás de pós-descarga. Para auxiliar no controle da temperatura de entrada da tubagem de célula de combustível, uma válvula de desvio de ar controlável 140, incluída em uma linha de desvio de ar 182, permite que o ar seja fornecido a partir de um ponto antes da unidade de troca de calor de aquecedor de ar até um ponto após o trocador de calor de pré-aquecedor de ar, mas antes da tubagem de célula de combustível. A válvula de controle variável de desvio de ar 180 nessa linha de desvio 182 permite o controle da temperatura do ar mediante misturação do ar de desvio com o ar de saída do trocador de calor de pré-aquecimento à frente do ar entrando na tubagem de célula de combustível mediante controle do volume de ar que é desviado. Em uma modalidade alternativa, a linha de desvio de ar e a válvula são omitidas a partir do sistema.
A unidade de pré-aquecimento de ar 140 dessa modalidade inclui um queimador de partida 144, o qual na presente modalidade é suprido com combustível a partir da mesma fonte que o fornecimento de combustível de sistema de célula de combustível (embora em outras modalidades ele pudesse ser um aquecedor elétrico) e o qual é inflamado para aquecer o ar passando através do trocador de calor de pré-aquecedor 142 em certas circunstâncias. Especificamente, ele é operativo durante partida do sistema de célula de combustível 100, quando o trocador de calor da unidade de aquecedor de ar 122 não estiver produzindo calor suficiente para aquecer o ar de chegada até a temperatura de operação desejada. O queimador de partida 144 também pode operar durante mudanças súbitas em carga, por exemplo, onde a saída exigida a partir do conjunto de tubagem de célula de combustível 110 é aumentada, exigindo uma temperatura de operação aumentada do conjunto de tubagem de célula de combustível 110. O queimador de partida e o pré- aquecedor podem ser uma só unidade.
O fornecimento de ar entra então no conjunto de tubagem de célula de combustível 110 pelo lado de ar (o lado de catódio), na área ativa pelo lado de catódio de célula de combustível 112. O fluxo de ar agora aquecido flui para o lado de ar da tubagem de célula de combustível 112, cruzando sobre as áreas de catódio da tubagem de célula de combustível, sendo submetido ao esgotamento de oxigênio, e captando calor a partir do lado de catódio 112 da área ativa de célula de combustível e do meio ambiente envolvente e das superfícies. No fim da área ativa de catódio de célula de combustível 112, o fluxo de ar agora parcialmente esgotado de oxigênio é denominado gás residual de catódio com uma temperatura de aproximadamente 500-650°C.
O gás residual de catódio, quando ele tiver passado através do conjunto de tubagem de célula de combustível 110 não combina imediatamente com o gás residual de anódio como nos sistemas de célula de combustível anteriores, mas em vez disso, o gás residual de catódio saindo da célula de combustível passa diretamente para um queimador 132 na unidade de queimador/reformador 130.
O lado de alimentação de combustível será agora descrito. Na presente modalidade, o combustível é um combustível contendo hidrocarboneto, por exemplo, gás engarrafado (tal como LPG) ou gás canalizado, tal como gás natural ou gás municipal. Alternativamente, outras alimentações de combustível poderiam ser hidrogênio (nenhum reformador de gás combustível seria exigido nesse caso) ou fontes tais como gás de carvão, ou monóxido de carbonos, ou gás de digestor anaeróbico, ou biogás, ou gás automotivo, ou gasolina ou diesel ou combustíveis de aviação (querosene ou Jet-AI) ou tais combustíveis similares.
A alimentação de combustível ao sistema de célula de combustível 100 é regulada de modo a ajustar a pressão e taxa de fluxo controlável (seja mediante regulagem a partir de uma alimentação principal, ou a partir de ao menos uma bomba controlável, antes de passar através de ao menos uma válvula de isolamento, através de uma unidade de dessulfurização opcional e recarregável, e se exigido para uma bomba de reforço de pressão de gás com amortecedor de pulsação opcional). A temperatura de alimentação do gás de combustível principal, por exemplo, um fornecimento de gás natural, variará geralmente de 0-50°C, mais normalmente, de 12-25°C. Mediante colocação da unidade de dessulfurização antes da bomba, a unidade de remoção de enxofre é exposta a uma exigência de pressão inferior e isso tem implicações em seu projeto, uso de materiais e também para manutenção/recarregamento do dessulfurizador.
Várias alimentações podem sair dessa linha de combustível dependendo das
exigências do sistema. Em primeiro lugar, conforme descrito acima, uma carga é provida ao queimador de partida 144. Essa pode ser tirada antes ou após a unidade de dessulfurização. Essa carga de alimentação é exigida para alimentar o queimador de partida na partida do sistema ou em momentos de rápida mudança de carga, digamos, a partir de um ponto de operação de baixa energia até energia total, conforme discutido acima. O queimador de partida 144 é, na presente modalidade, um queimador sub-estequiométrico produzindo um fluxo de descarga quente para então alimentar o pré-aquecedor de ar para aquecer o ar fluindo através da tubagem de célula de combustível e, portanto, aquecer o conjunto de tubagem de célula de combustível 110. O gás de descarga a partir do queimador de partida 144 flui então para um trocador de calor de condensador de gás residual de recuperação de calo de célula de combustível/queimador 124 no sistema de troca de calor 120 (discutido em mais detalhe abaixo). Em nenhum ponto durante partida ou operação normal o trocador de calor de pré-aquecedor de ar se torna um depósito de calor para o ar aquecido de chegada proveniente da unidade de troca de calor de aquecedor de ar.
Uma alimentação separada adicional é provida após a unidade de dessulfurização e abastece o queimador 132 da unidade de reformador de queimador 130. Essa alimentação de combustível é usada apenas para partida do sistema, onde o queimador 132 é funcionado enquanto o ar de rápido aquecimento estiver circulando através da tubagem de célula de combustível para aquecer o conjunto de tubagem de célula de combustível 110, e componentes de sistema, relacionados, até aproximadamente a temperatura de operação. O queimador 132 então reage com o ar e os reagentes de combustível esgotados no fluxo de descarga de tubagem de célula de combustível e o fluxo de gás quente resultante (50- 750°C) entra em um reformador 134 dentro da unidade de queimador/reformador 130 para aquecer o reformador 134 até próximo à temperatura de operação. Na presente modalidade, o combustível dessulfurizado é usado como uma alimentação para o queimador 132 uma vez que ele simplifica o modelo de catalisador de queimador. Além disso, o uso de uma bomba supera os problemas de contrapressão que poderiam surgir como resultado das quedas de pressão no percurso de fluxo a jusante do queimador 132. Contudo, se for usado um queimador tolerante ao enxofre, então o combustível dessulfurizado não é uma exigência específica.
Na modalidade mostrada na Figura 1a, o combustível restante é alimentado, por intermédio de uma válvula de retenção opcional (não mostrada), a um misturador de gás combustível/vapor 136 e gerador de vapor 139, onde ele se mistura com o vapor. A temperatura do combustível alimentado a vapor é elevada até 120-400°C, antes de ele entrar em um trocador de calor de reformador 138, no qual o fluxo de combustível capta a temperatura a partir de um fluxo de reformado passando a partir do reformador 134 (discutido abaixo), elevando a temperatura do fluxo de combustível para 350-550°C antes de ele passar para o reformador de combustível 134. A reação endotérmica de um catalisador provido no reformador 134 para o processo de reformação tem calor alimentado a partir da saída do queimador 132 que passa através do reformador 134. O combustível agora reformado (reformado) sai do reformador 134 entre 500-750°C antes de passar de volta através do outro lado do permutador de calor de reformador 138 para transferir parte de seu calor para aquecer o gás combustível de chegada. O trocador de calor de reformador 138 e o reformador de combustível 134 podem ser uma só unidade. Além disso, o queimador 132 pode estar na mesma unidade que o reformador 134 e o permutador de calor de reformador 138.
Em outra modalidade, mostrada na Figura 1b, e a qual de outra forma é idêntica àquela descrita com referência à Figura 1a, o combustível restante é alimentado, por intermédio de uma válvula de retenção opcional (não mostrada) a um misturador de gás combustível/vapor 136, onde ele é misturado com vapor, como na primeira modalidade. A temperatura do combustível alimentado a vapor é elevada para 120-400°C na modalidade mostrada na Figura 1d, antes de entrar no trocador de calor de reformador 138, no qual o fluxo de combustível capta a temperatura a partir do fluxo de reformado passando a partir do reformador 134, elevando a temperatura do fluido de combustível para 350-650°C antes de passar para o reformador de combustível 134. Na modalidade mostrada na Figura 1b, a reação é exotérmica, mais propriamente do que endotérmica, mediante reação de um catalisador provido no reformador 134. Na modalidade mostrada na Figura 1b, o processo de reformação é de auto-sustentação. Portanto, nessa modalidade, o calor a partir do gás residual de queimador não é exigido, e o gás residual de queimador não é alimentado através do reformador 134. O combustível agora reformado (reformado) sai do reformador 134 entre 500-750°C antes de passar de volta através do outro lado do permutador de calor de reformador 138 para transferir parte de seu calor para aquecer o gás combustível de chegada. O trocador de calor de reformador 138 e o reformador de combustível 134 podem ser uma só unidade. Adicionalmente, o queimador 132 pode não estar na mesma unidade que o reformador 134 e o trocador de calor de reformador 138. O fluxo de gás residual de queimador pode ser alimentado a partir do queimador 132 para o misturador de gás combustível/vapor 136.
Retornando agora à Figura 1a, o gás reformado sai do trocador de calor de reformador 138 em aproximadamente 350-550°C antes de entrar no conjunto de tubagem de célula de combustível 110 pelo lado de combustível 114. O reformado passa através da área ativa de célula de combustível pelo lado de anódio 114, passando através dos lados de anódio das células de combustível na tubagem de célula de combustível, sendo submetido às reações eletroquímicas exotérmicas para captar os íons de oxigênio que cruzaram o conjunto de célula de combustível a partir do ar no lado de catódio, produzindo eletricidade e liberando o calor. Esses íons de oxigênio se combinam com o hidrogênio no fluxo de reformado para produzir vapor, assim fechando a reação eletroquímica e guiando os elétrons em torno do circuito de carga elétrica a partir de um lado da tubagem de célula de combustível para o outro por intermédio do sistema eletrônico de força e cargas elétricas. As cargas elétricas podem ser internas ao sistema de célula de combustível, e externas ao sistema de célula de combustível.
O fluxo de reformado é convertido em um fluxo menos rico em hidrogênio à medida que ele se desloca através da área ativa de célula de combustível pelo lado de anódio 114. Quando ele sai da área ativa de célula de combustível pelo lado de anódio 114 ele é denominado gás residual de anódio. O gás residual de anódio leva com ele o vapor a partir da área de célula de combustível, e também capta o calor a partir da área ativa de célula de combustível pelo lado de anódio 114 e seu ambiente e superfície circundante.
O gás residual de anódio sai do conjunto de tubagem de célula de combustível 110 em 500-620°C. Esse fluxo de gás residual de anódio passa então para a unidade de troca de calor de aquecedor de ar de gás-gás 122 para ceder parte de sua energia térmica ao fluxo de gás de chegada, cuja energia térmica é então retornada ao conjunto de tubagem de célula de combustível 110 por intermédio da alimentação de gás pelo lado de ar. O gás residual de anódio sai da unidade de trocador de calor de aquecedor de ar 122 em aproximadamente 100-300°C. Esse fluxo passa então para dentro de um trocador de calor de condensador de gás residual de anódio 126, onde a temperatura é reduzida para uma temperatura tão baixa quanto razoavelmente possível (0-100°C, mas preferivelmente estando na faixa de 20-60°C) dada a temperatura ambiente e a capacidade de esfriamento do fluido de transferência de calor de permutador de calor. Em tais temperaturas, a condensação de vapor de gás residual de anódio pode ocorrer para recuperar a água contida dentro do fluxo de gás residual de anódio e, portanto, recuperar o calor latente associado da energia de evaporação. Esse permutador de calor de condensador de gás residual de anódio 126 é um permutador de calor de gás/líquido, com uma preferência para um meio de armazenamento de elevada energia térmica sendo usado no lado oposto do permutador de calor para o gás residual de anódio como o fluido de transferência de calor. Tal meio poderia ser, digamos, água a partir de um meio de armazenamento térmico, ou uma mistura de água a partir de um radiador de refrigeração em um automóvel, ou um fluido refrigerante, ou um óleo ou outro fluido combustível. O meio também poderia ser o ar. O trocador de calor de condensador de gás residual de anódio 126 é arranjado de tal modo que o condensado pode ser coletado e drenado a partir do trocador de calor 126, por intermédio de defletores se exigido quando montado para uma aplicação onde o movimento é incerto. O permutador de calor 126 é discutido em mais detalhe abaixo.
O gás residual de anódio flui então a partir do trocador de calor de condensação 126 para o queimador 132, onde ele é combinado com o gás residual de catódio e queimado sobre um catalisador adequado ou na presença de uma chama. O esfriamento do gás residual de anódio permite que o queimador 132 opere em uma temperatura inferior, o que reduz o custo do queimador.
A reação do queimador consome, e desse modo remove, qualquer combustível não-utilizado a partir do fluxo de gás residual de anódio e produz um fluxo de gás quente de aproximadamente 600-850°C, denominado fluxo de gás residual de queimador, o qual é uma continuação do fluxo de gás residual de catódio. O fluxo de gás residual de queimador então é alimentado diretamente ao
reformador 134 na modalidade mostrada na Figura 1a para termicamente equilibrar a reação do reformador endotérmico de alimentação de combustível por intermédio do trocador de calor de reformador 134 para aquecer o reformador 134. O fluxo de gás residual de queimador sai do reformador a 580-720°C. O queimador 132 e o reformador 134 podem ser parte da mesma unidade.
Conforme discutido acima, na modalidade mostrada na Figura 1 b, o gás residual de queimador não passa através do reformador 134. Em ambas as modalidades mostradas nas Figuras 1a e 1b, o fluxo de gás residual de queimador então é alimentado a ao menos um gerador de vapor 139, onde a energia térmica é parcialmente transferida por intermédio de uma superfície de troca de calor em água para gerar vapor que é alimentado ao fluxo de combustível que abastece o reformador 134. A água para o gerador de vapor é armazenada no tanque de armazenamento de água de condensação 150. O gás residual de queimador sai do gerador de vapor 139 entre 400-650°C, dependendo das condições de operação do sistema. O gerador de vapor 139 e o misturador de gás combustível/vapor 136 podem ser combinados em uma só unidade. O queimador 132 e/ou o reformador 134 também podem ser providos na mesma única unidade.
O gás residual de queimador passa então através do queimador de partida 144 e através da unidade de troca de calo de pré-aquecedor de ar 142 (a qual, como discutido acima, é um trocador de calor de gás para gás) onde alguma da energia térmica é transferida através do trocador de calor 142 para aquecer o fluxo de ar de chegada. Na presente modalidade, essa ação de aquecimento reduz a temperatura do gás residual de queimador até 100-350°C no modo de estado constante. O fluxo de gás residual de queimador esfriado passa então para o trocador de calor de condensador de recuperação de calor de célula de combustível 124, onde a temperatura é reduzida para uma temperatura tão baixa quanto razoavelmente possível (0-80°C, porém preferivelmente na faixa de 15-50°C) dada a temperatura ambiental e a capacidade de esfriamento do fluido de transferência de calor do trocador de calor. Nessas temperaturas, condensação de vapor do gás residual de queimador pode ocorrer para recuperar a água contida dentro do fluxo de gás residual de queimador e, portanto, recuperar o calor latente associado da energia de evaporação. Desse modo, o gás residual de catódio passa através do queimador 132, reformador 134, gerador de vapor 139 e unidade de pré-aquecimento de ar 140 antes de entrar no permutador de calor de condensador de recuperação de calor de célula de combustível 124, mas após a unidade de queimador o gás residual de catódio foi combinado com o gás residual de anódio e então queimado na unidade de queimador, de modo que ele é denominado gás residual de queimador.
O trocador de calor de condensador de recuperação de calor de célula de combustível 124 pode ser um trocador de calor de gás/líquido, com um meio de armazenamento de elevada energia térmica estando no lado oposto do trocador de calor para o gás residual de queimador. Tal meio, na presente modalidade, é a água a partir de um meio de armazenamento térmico, mas alternativamente poderia ser proveniente de um radiador de refrigeração em um automóvel ou um sistema de bomba de calor de fonte do solo. O trocador de calor 124 é arranjado de tal modo que o condensado pode ser coletado e drenado a partir do trocador de calor, por intermédio de defletores se exigido quando montados para uma aplicação onde o movimento é incerto. O trocador de calor 124 é descrito em mais detalhe abaixo.
O fluido de transferência de calor que alimenta o trocador de calor de condensador de recuperação de calor de célula de combustível 124 também pode ser o mesmo que aquele que flui por intermédio do trocador de calor de condensador de gás residual de anódio 126. Assim, o trocador de calor de condensador de gás residual de anódio 126 e o trocador de calor de condensador de recuperação de calor de célula de combustível 124 podem ser a mesma unidade com uma alimentação pelo lado de esfriamento comum. Na presente modalidade, o arranjo é que o fluido de transferência de calor esfriará em primeiro lugar o gás residual de anódio para recuperar a quantidade máxima de calor latente e, portanto, condensado, a partir do gás residual de anódio. Tal arranjo é discutido em mais detalhe abaixo. Na presente modalidade, o fluido de transferência de calor é água líquida, embora outros fluidos de transferência de calor, tal como óleo, refrigerantes líquidos ou gasosos, combustíveis líquidos ou gasosos, ou ar ou semelhante também pudessem ser usadas.
Em uma modalidade alternativa, o fluido de transferência de calor fluindo através dos trocadores de calor 124, 126 é dividido e flui por intermédio de cada trocador de calor 124, 126 e os volumes de fluxo para cada trocador de calor 124, 126 são controlados, por exemplo, passivamente ou por intermédio de um arranjo de estrangulamento simples, para otimizar a remoção de calor a partir de cada lado de resfriamento de trocador de calor. O fluido de transferência de calor aquecido é então alimentado ao meio de armazenamento térmico, ou à carga térmica, ou à unidade de transferência térmica ou ao dispositivo de rejeição de calor. Os trocadores de calor de condensador podem ser esfriados mediante uso de fluxo de ar frio, especialmente onde o sistema de célula de combustível não é um sistema CHP (calor e energia combinados) ou um sistema de geração tripla, tal como aquele provido por um arranjo de ventilador, ou por intermédio de uma superfície fria tal como uma área de um navio que está abaixo da linha de água - tal com, por exemplo, uma área do casco, ou leme, ou flape, ou uma superfície de satélite ou uma superfície de aeronave.
O condensado a partir dos trocadores de calor de condensador 124, 126 é coletado e alimentado ao tanque de coleta de condensado 150 onde ele pode ser filtrado, desgaseificado, condicionado e armazenado no tanque de armazenamento de água de condensação 150 pronto para uso como água para o gerador de vapor 139 da unidade de queimador/reformador 130.
Mediante recuperação de água a partir do gás(es) desprendido(s) saindo das células de combustível, a água pode ser reutilizada no processo de reformação. Isso reduz, e pode eliminar em algumas modalidades, a necessidade de um fornecimento de água separado para o sistema de célula de combustível como um todo. Devido a isso, processamento significativamente inferior é exigido para a água usada no sistema, o que resulta em menos exigências para a unidade de processamento (por exemplo, abrandamento), e menor tamanho global do sistema. A energia térmica permanecendo na água recuperada também pode ser usada para garantir que a temperatura do sistema de água como um todo permaneça acima da temperatura de congelação da água.
O fluxo de gás residual de queimador sai do sistema de trocador de calor 120 e passa através de uma válvula de retenção opcional (não mostrada) antes de sair da unidade por intermédio de um conjunto de chaminé para a atmosfera ou outro sistema de extração. Na presente modalidade, um conjunto de queimador e trocador de calor de
condensador integrado adicional 160 é incorporado ao sistema. Tal unidade é similar a um conjunto de queimador e trocador de calor de condensador integrado encontrado nas unidades de caldeira de condensação, domésticas. Essa unidade tem uma alimentação de combustível separada. O conjunto de queimador e trocador de calor de condensador, integrado 160 pode funcionar independentemente do sistema de célula de combustível 100, mas é contido dentro do mesmo envelope de sistema, sendo controlado pelos meios eletrônicos de controle que são comuns a ambos, sistema de célula de combustível 100 e conjunto de queimador e trocador de calor de condensador integrado 160. A alimentação de combustível não necessariamente requer dessulfurização se os compostos de enxofre estiverem presentes no gás combustível. Tal trocador de calor adicional permite que energia térmica adicional seja provida ao meio de armazenamento térmico ou carga de calor, e para ocorrer condensação adicional se exigido quer seja para recuperação adicional de energia ou para a provisão de água condensada. Unidade de trocador de calor de condensador e queimador integrada, independentes, porém ligadas que proporcionam produção de calor adicional independente da célula de combustível. Esse trocador de calor adicional independente também pode fornecer água de condensação adicional se o sistema de condensação incluir uma configuração de remoção de contaminadores, adequada para remover quaisquer contaminadores de enxofre ou contaminadores nitrosos, ou similares, relacionados.
O conjunto de queimador e trocador de calor de condensador, integrado 160 tem sua própria bomba ou fornecimento de ar alimentado de soprador. O ar é fornecido ao conjunto de queimador e trocador de calor de condensador integrado 160 a partir do meio ambiente por intermédio de uma unidade de filtro de ar opcional (não mostrada) e um soprador de ar controlável. O filtro pode ser montado na armação envolvendo o sistema. O ar é aspirado através da unidade para o soprador de ar com perdas mínimas de pressão. Em seu caminho através da unidade, se a direção do fluxo de ar for controlada, o ar pode captar o calor a partir das superfícies quentes/trocadores de calor com os quais ele entra em contato. Além disso, o conjunto de queimador e trocador de calor de condensador integrado 160 tem sua própria bomba de circulação que circula o fluido de transferência de calor a partir da carga térmica ou do meio de armazenamento térmico. Isso pode ser idêntico ao fluido de transferência de calor usado no trocador de calor de condensador de gás residual de anódio 126 e trocador de calor de recuperação de calor de célula de combustível 124. A carga pode ser um meio de armazenamento térmico ou um conjunto de radiador de calor tal como um radiador para aplicações automotivas, um radiador para aquecimento ou refrigeração de contêiner de transporte, ou um radiador para um sistema de aquecimento de ambiente tal como aquele encontrado em situações domésticas ou comerciais típicas. Desse modo o conjunto de queimador e trocador de calor de condensador
integrado 160 pode operar independentemente a partir do sistema de célula de combustível 100 e ainda assim satisfazer às demandas térmicas a partir da fonte ou carga.
A eletricidade produzida pelo conjunto de tubagem de célula de combustível 110 é alimentada por intermédio da unidade eletrônica de energia à carga ou cargas elétricas. Alguma dessa energia pode ser tirada para alimentar as exigências de energia do sistema de célula de combustível seja diretamente ou por intermédio de alimentação de energia à rede de carga e tirando a energia de volta da rede de carga. Uma alimentação de reformado alternativa para a Figura 1a é mostrada na Figura 1c. Aqui o trocador de calor de reformador 138 é removido e, assim, ao fazer isso, a saída do reformador não é esfriada pelo trocador de calor de reformador, mas flui por intermédio de ao menos um conduto de fluido para o conjunto de tubagem de célula de combustível 110. O conduto de fluido pode ser projetado de tal modo a permitir suficiente redução da temperatura de saída do reformador de tal modo que o reformado entrando no conjunto de tubagem de célula de combustível está na temperatura certa, e está abaixo daquela na qual ele sai do reformador 134. Com tal alteração, o modelo da unidade de reformador 134 pode ser alterado para permitir a energia térmica de perda a partir do trocador de calor de reformador ausente 138. A alteração no modelo de sistema na Figura 1c é aplicável a todos os Ieiautes de sistema aqui revelados.
Um diagrama simplificado mostrando um sistema de troca de calor para uso no sistema de célula de combustível da Figura 1a tendo gases residuais de anódio e catódio/queimador separado é mostrado na Figura 2a. São mostrados três trocadores de calor. Esses são: um primeiro elemento de troca de calor 226 o qual pode ser, por exemplo, o trocador de calor de condensador de gás residual de anódio 126 da Figura 1a, um segundo elemento de troca de calor 224 o qual pode ser, por exemplo, o trocador de calor de condensador de gás residual de queimador/recuperação de calor de célula de combustível 124 da Figura 1a e um elemento de troca de calor adicional 222 o qual pode ser, por exemplo, o trocador de calor de aquecedor de ar 122 da Figura 1a. Adicionalmente, são mostrados quatro percursos de fluido. Esses são: 1. um primeiro percurso de fluxo 210 do fluido de transferência de calor através do primeiro elemento de troca de calor 226 e subseqüentemente através do segundo elemento de troca de calor 224; 2. um segundo percurso de fluido 212 através do elemento de troca de calor adicional 222 e subseqüentemente através do primeiro elemento de troca de calor 226; 3. um terceiro percurso de fluido 214 através do segundo elemento de troca de calor 224; e 4. um quarto percurso de fluido 216 através do elemento de troca de calor adicional 222.
O primeiro percurso de fluido de fluxo 210 vem do primeiro elemento de troca de calor 226 a partir de um lado frio de um meio de armazenamento térmico ou dispositivo ou unidade de rejeição de calor, e sai do segundo elemento de troca de calor 224 para um lado quente de um meio de armazenamento térmico ou dispositivo ou unidade de rejeição de calor de radiador. O primeiro fluido é água na presente modalidade. O meio de armazenamento térmico poderia ser um meio de armazenamento de aquecimento de água doméstica, e/ou poderia ser um sistema de aquecimento doméstico. Várias outras opções são descritas aqui e opções adicionais também serão evidentes para aqueles versados na técnica.
O segundo percurso de fluxo de fluido 212 vem para o elemento de troca de calor adicional 222 a partir de uma área ativa pelo lado de anódio de um sistema de célula de combustível, e subseqüentemente sai do primeiro elemento de troca de calor 226 para um queimador de um sistema de célula de combustível, por exemplo, conforme mostrado na Figura 1a. O segundo fluido é gás residual de anódio a partir da célula de combustível.
O terceiro percurso de fluxo de fluido 214 contém gás residual de queimador e vem
de um queimador de pré-aquecedor para o segundo elemento de troca de calor 224, e sai como descarga. O quarto percurso de fluxo de fluido 216 é ar, o qual é passado através do elemento de troca de calor adicional 224 e é então descarregado para ser usado no fluxo pelo lado de ar da célula de combustível. A capacidade de troca de calor para cada elemento pode ser variada mediante dimensionamento conforme apropriado, e mediante variação das taxas relativas de fluxo dos dois fluidos e/ou da temperatura de entrada do fluido de transferência de calor para o primeiro trocador de calor. Um exemplo de tal controle poderia incluir, por exemplo, uma bomba de fluido de transferência de calor de velocidade variável e/ou um dispositivo de controle de saída térmica variável (tal como um radiador e uma unidade de ventilador em um automóvel) através do qual o fluido de transferência de calor flui antes de entrar na primeira unidade de trocador de calor. Adicionalmente, a troca de calor total das duas unidades 224, 226 pode ser variada mediante mudança da taxa de fluxo do fluido de transferência de calor.
Em operação, gás residual de anódio quente flui a partir da célula de combustível ao longo do segundo percurso de fluido 212 através do elemento de troca de calor adicional 222. Calor é permutado a partir do gás residual de anódio para o ar aspirado para o sistema ao longo do quarto percurso de fluido 216. Calor é passado a partir do gás residual de anódio para o ar no elemento de troca de calor adicional 222, esfriando o gás residual de anódio e aquecendo o ar antes dele entrar no conjunto de célula de combustível. O elemento de troca de calor adicional 222 é um trocador de calor de gás-gás. O gás residual de anódio então continua ao longo do segundo percurso de fluido 212 até o primeiro elemento de troca de calor 226, o qual recebe o fluido de transferência de calor na forma de água ao longo do terceiro percurso de fluxo de fluido 210. O gás residual de anódio é adicionalmente esfriado pelo primeiro elemento de troca de calor 226, o qual é um trocador de calor de condensador e, assim remove o calor latente da energia de fusão a partir do gás residual de anódio. O fluido de transferência de calor é aquecido nessa troca de calor.
O fluido de transferência de calor passa então ao longo do primeiro percurso de fluido 210 até o segundo elemento de troca de calor 224 e recebe energia térmica a partir do gás residual de queimador no terceiro percurso de fluxo de fluido 214. O segundo elemento de troca de calor 224 também é um trocador de calor de condensador e, assim, remove o calor latente da energia de fusão a partir do gás residual de queimador. O fluido de transferência de calor é adicionalmente aquecido nesse processo de troca de calor. Em uma modalidade, o primeiro e o segundo elemento de troca de calor 226, 224 são combinados em uma só unidade. Em uma modalidade adicional, a unidade de troca de calor adicional 222 também é incorporada na única unidade. Em uma modalidade adicional, a primeira unidade de troca de calor e as unidades de troca de calor adicionais 226 e 222 são incorporadas em uma só unidade.
Em uma modalidade alternativa, mostrada na Figura 2b, o elemento de troca de calor e o quarto percurso de fluxo de fluido da Figura 2a são omitidos, o segundo percurso de fluxo de fluido sendo através apenas do primeiro elemento de troca de calor.
Em uma modalidade alternativa adicional, mostrada na Figura 2c, o segundo elemento de troca de calor da Figura 2a é omitido, e o primeiro percurso de fluxo de fluido é através apenas do primeiro elemento de troca de calor.
Em uma modalidade alternativa adicional, mostrada na Figura 2d, não somente o segundo elemento de troca de calor como também elementos de troca de calor adicionais da Figura 2a são omitidos. Nessa modalidade, o segundo percurso de fluxo de fluido é a partir da tubagem de célula de combustível, e através do primeiro elemento de troca de calor.
Em cada uma das Figuras 2, 2b, 2c, e 2d, as referências a condensado podem ser omitidas se nenhum condensado for gerado pelos elementos de troca de calor.
Uma modalidade adicional será descrita agora com referência à Figura 3. Nessa modalidade, a qual, com referência à Figura 1a, tem elementos semelhantes sendo referidos com referências semelhantes, uma unidade adicional de trocador de calor de gás-gás 380 é inserida entre o trocador de calor de gás residual de anódio 126 e o queimador 132. Esse trocador de calor de gás-gás adicional 380 utiliza o ar que está sendo atraído para a alimentação de ar de catódio para o sistema de célula de combustível a montante de qualquer calor sendo adicionado ao fluxo de ar, isto é, antes do trocador de calor de meios eletrônicos de energia 174, conforme mostrado. O esfriamento adicional oferecido pelo fluxo de ar proporciona a ocorrência de condensação adicional a partir do gás residual de anódio antes de ele ser retornado ao queimador 132 e como tal pode elevar a eficiência de operação total do sistema. Em uma alternativa, o ar que está sendo soprado para o condensador de queimador integrado 160, pode ser usado como a admissão de esfriamento para o trocador de calor adicional 380. Adicionalmente, nessa modalidade, o fluxo do ar para a unidade de queimador integrada 160 é passado através do trocador de calor de meios eletrônicos de energia 174, embora isso possa ser omitido.
Um sistema de troca de calor incorporando a invenção e contendo tal elemento de troca de calor adicional é mostrado na Figura 4. A Figura 4 corresponde à Figura 2a, com a exceção de que o elemento de troca de calor adicional 480 é provido em um segundo percurso de fluxo de fluido 412, ligeiramente modificado, após o primeiro elemento de troca de calor 126, e um quinto percurso de fluxo de fluido 418 é provido, através do elemento de troca de calor adicional 480. Isso resulta em mais condensado e, portanto, mais calor sendo removido do gás residual de anódio fluindo através do segundo percurso de fluxo de fluido 412.
Em uma modalidade adicional, o tubo transportando o gás residual de anódio a
partir do trocador de calor de condensador de gás residual de anódio para o queimador se estende na superfície externa do conjunto de sistemas, expondo o tubo às temperaturas ambientais tal como o ar ambiente, ou fluxo de ar cortado ou até mesmo água se, por exemplo, o tubo se tornar parte de um casco de um navio ou recurso similar que esteja abaixo da linha de água.
Outra modalidade desse trocador de calor de gás/gás adicional 380 é mostrada na Figura 5, os elementos correspondendo àqueles descritos com referência à Figura 1a, têm o mesmo numerai de referência. Nessa modalidade, o trocador de calor de meio eletrônico de energia 174 é esfriado pelo ar para o queimador de condensador integrado 160 e/ou para o conjunto de célula de combustível 110. O fluxo de ar também pode seguir através de um trocador de calor esfriado a ar adicional 590 para prover esfriamento adicional e, portanto, prover um efeito de condensação adicional.
A Figura 6 mostra primeiro e segundo elementos de troca de calor de condensador de recuperação de calor de célula de combustível e gás residual de anódio, combinados 624, 626 de acordo com uma modalidade da invenção, os quais podem ser conforme mostrado em uma modalidade anterior. Nessa modalidade, um tubo comum 610 define um primeiro percurso de fluxo de fluido de transferência de calor que transporta o fluido de transferência de calor. O diâmetro e a espessura desse tubo podem ser contínuos ou variáveis ou ter recurso de troca de calor adicionado para otimizar ou controlar a troca de calor, tal como aletas ou recursos de otimização de turbulência, para combinar com as exigências de troca térmica da unidade de trocador de calor combinada com base na especificação da aplicação e as temperaturas dos fluxos de fluido do trocador de calor. O primeiro elemento de troca de calor 626 inclui ainda um segundo percurso de fluxo de fluido, para o gás residual de anódio 612, o qual transporta o gás residual de anódio além do tubo 610, para permitir a troca de calor a partir do gás residual de anódio para o fluido de transferência de calor. O segundo elemento de troca de calor inclui ainda um terceiro percurso de fluxo de fluido 614 para receber gás residual de queimador e permitir a troca de calor a partir daquele gás para o fluido de transferência de calor.
Em uso, o fluido de transferência de calor, por exemplo, na forma de água ou água tratada, um fluido refrigerante, ou um óleo, ou outro fluido de combustível ou ar, flui através do tubo 610 a partir do primeiro elemento 626 e então para e através do segundo elemento 624. Quando o fluído de transferência de calor flui através do primeiro elemento 626, ele absorve a energia térmica a partir do gás residual de anódio no segundo percurso de fluxo de fluido 612. O gás residual de anódio é suficientemente esfriado de modo que o vapor no fluxo de gás se condensa e escoa para fora do primeiro elemento 626, na presente modalidade, simplesmente mediante fluxo por gravidade ou por intermédio de uma bomba de depuração. Quando o fluido de transferência de calor flui através do segundo elemento 624, ele absorve a energia térmica a partir do gás residual de queimador no terceiro percurso de fluxo de fluido 614. O gás residual de queimador também é suficientemente esfriado de modo que o vapor no fluxo de gás é condensado e escoa para fora do segundo elemento 624, na presente modalidade, também mediante o fluxo por gravidade. Alternativamente, se contrafluxo for um problema que tiver que ser evitado, o condensado pode ser drenado sob pressão muito ligeira por intermédio de uma válvula de sentido único de baixa pressão. Os gases saem do primeiro e segundo elemento 626, 624 tendo sido esfriados pelo fluido de transferência de calor, e o fluido de transferência de calor sai tendo sido aquecido por ambos os gases. As duas regiões de recebimento de ar 612, 614 dos trocadores de calor podem ser
unidas, por exemplo, mediante solda ou caldeamento ou outra tal técnica de união de material, a esse tubo 610 utilizando unidades de cobertura simples com alimentação simples para dentro e para fora das conexões. Tal tipo de conjunto pode ser vantajoso em que ele é muito simples de construir uma vez que tem poucos componentes, e pode ser fabricado em massa, por exemplo, mediante uso de processos de hidroformação, pode ser feito a partir de aços de baixo custo, pode ser facilmente dimensionado para diferentes aplicações e exigências térmicas e é flexível em localização e volume de embalagem, tendo uma dobra simples, flexível inserida na porção central. Outros exemplos de trocadores de calor adequados são: trocador de calor de chapa estampada, usinada, ou gravada; trocador de calor de invólucro e tubo e dispositivos de transferência de calor de múltipos fluxos.
Nas modalidades descritas acima, calor pode ser provido ao sistema de célula de combustível mediante inversão da direção de troca de calor através de um ou mais dos elementos de troca de calor discutidos acima. Essa abordagem pode ser usada, por exemplo, para partida do sistema de célula de combustível a partir de evitação de condensação, proteção contra congelação, frio, ou proteção contra baixa temperatura do sistema de célula de combustível. Isso pode ser conseguido de diversas formas, por exemplo, com referência à Figura 1a, mediante reversão da direção do ventilador 172 e admitindo o ar por intermédio da saída de descarga e através do elemento de troca de calor 124 o qual está recebendo o fluido de transferência de calor a partir de um meio de armazenamento térmico ou radiador em uma temperatura superior à temperatura do ar entrando na descarga. Desse modo o ar de chegada é aquecido e passado inversamente através do sistema em tal taxa de modo a prevenir a ocorrência de congelamento ou condensação dentro do sistema de célula de combustível. Tal modalidade poderia ser usada, por exemplo, em uma aplicação APU automotiva, onde o fluido de transferência de calor pode captar o calor a partir da descarga automotiva quente ou do lado quente do circuito de esfriamento de motor. Além disso, o ar entrando por intermédio da descarga do sistema de célula de combustível pode ser admitido a partir da descarga do motor ou até mesmo a partir do próprio fluxo de descarga do motor. Tais operações poderiam ocorrer continuamente enquanto a célula de combustível não está no modo de operação total, ou está em um ciclo de temporizador, ou ter acionada por certas condições monitoradas. Tais condições monitoradas poderiam incluir quando a temperatura do sistema de célula de combustível cai abaixo de certa temperatura (a qual poderia ser de 3 a 5°C para proteção contra congelamento), ou poderia ser uma medida da diferença de temperatura e umidade entre o sistema de célula de combustível e a temperatura do meio ambiente (para proteção contra condensação, por exemplo).
Em outra tal modalidade de aquecimento reverso, outra vez com referência à Figura 1a, energia elétrica é disponível ao sistema de célula de combustível quando o sistema de célula de combustível não está operacional. Exemplos incluem ser conectado à rede ou a um dispositivo de bateria. Embora o sistema de célula de combustível não esteja operando, a unidade de meios eletrônicos de energia 174 pode ser acionada a partir da fonte de energia elétrica conectada para produzir energia térmica suficiente para aquecer o ar de chegada e então permutar algum de seu calor através do trocador de calor de aquecedor de ar 122 para aquecer o fluxo de gás combustível. Em outra modalidade, o calor assim gerado pelos meios eletrônicos de energia é usado para aquecer o ar circulado através do sistema de célula de combustível por intermédio de unidade de ventilador 172 para prevenir condensação ou congelamento do sistema de célula de combustível quando o sistema não estiver em operação.
Em uma modalidade adicional da invenção, qualquer um ou ambos, primeiro e segundo elementos de troca de calor são adaptados para receber mais do que um fluido de transferência de calor. Em uma modalidade, o modelo de tal elemento de troca de transferência de calor permite a passagem do fluido de transferência de calor com ao menos duas zonas de troca de calor projetadas de tal modo que cada zona de troca de calor tem uma taxa controlável de fluxo de troca de calor fluindo através da mesma. Em outra modalidade, o primeiro fluido flui através do elemento de troca de transferência de calor e o elemento é arranjado de modo que os fluidos de troca de calor passam de forma controlável através de recintos separados no elemento de troca de calor de modo que eles não se misturam. Em certas modalidades o fluxo dos diferentes fluidos de troca de calor é controlável, para remover de forma controlada o calor em diferentes taxas.
A presente invenção foi descrita simplesmente como exemplo, e várias modificações, adições e/ou omissões se apresentarão àqueles versados na técnica, todos os quais formam parte da invenção, em conjunto com seus equivalentes.
A menos que o contexto indique claramente o contrário, os termos "compreender", "compreende", "compreendendo" e semelhantes devem ser interpretados em um sentido inclusivo mais propriamente do que exaustivo, isto é, o sentido de "incluindo, mas não limitado a".
100 sistema de célula de combustível 110 conjunto de tubagem de célula de combustível 120 sistema de troca de calor 122 unidade de troca de calor de aquecedor de ar
124 trocador de calor de condensador de gás residual de queimador/recuperação
de calor de célula de combustível 126 trocador de calor de condensador de gás residual de anódio 130 unidade de reformador/queimador 132 queimador
134 reformador
136 misturador de gás combustível/vapor
138 permutador de calor de reformador
139 gerador de vapor
140 unidade de pré-aquecimento de ar
142 trocador de calor de pré-aquecedor de ar 144 queimador de partida
150 tanque de armazenamento de água de condensação 160 conjunto de queimador e trocador de calor de condensador, integrado 172 ventilador de ar
174 trocador de calor de meios eletrônicos de energia 180 válvula de controle variável de desvio de ar 182 Iinhadedesvio 210 primeiro percurso de fluxo de fluido 212 segundo percurso de fluxo de fluido
214 terceiro percurso de fluxo de fluido 216 quarto percurso de fluxo de fluido 222 elemento de troca de calor adicional 224 segundo elemento de troca de calor 226 primeiro elemento de troca de calor
380/480 elemento de troca de calor adicional 412 segundo percurso de fluxo de fluido 418 quinto percurso de fluxo de fluido
590 trocador de calor esfriado a ar adicional
610 tubo (primeiro percurso de fluxo de fluido)
612 segundo percurso de fluxo de fluido
614 terceiro percurso de fluxo de fluido
626 primeiro elemento
624 segundo elemento

Claims (42)

1. Método de alterar a temperatura de gases residuais saindo de ao menos uma tubagem de célula de combustível, a ao menos uma tubagem de célula de combustível tendo percursos de fluxo de gases residuais de anódio e catódio separados, o método sendo CARACTERIZADO por compreender: passar o gás residual de anódio separado a partir de ao menos uma tubagem de célula de combustível e ao menos um fluido de transferência de calor através de um primeiro elemento de troca de calor para trocar calor entre o gás residual de anódio e o ao menos um fluido de transferência de calor; passar o gás residual de anódio separado a partir do primeiro elemento de permuta de calor para um queimador; e passar o gás residual de catódio separado saindo da ao menos uma tubagem de célula de combustível para o queimador.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro elemento de troca de calor esfria o gás residual de anódio e aquece o ao menos um fluido de transferência de calor.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO por compreender ainda: queimar os gases residuais de anódio e catódio, combinados, para produzir gás residual de queimador; e passar o gás residual de queimador e o ao menos um fluido de transferência de calor através de um segundo elemento de troca de calor para troca de calor entre o gás residual de queimador e o ao menos um fluido de transferência de calor.
4. Método, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo elemento de troca de calor esfria o gás residual de queimador e aquece o ao menos um fluido de transferência de calor.
5. Método, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que o gás residual de queimador esfriado é enviado a partir do segundo elemento de troca de calor para uma descarga.
6. Método, de acordo com a reivindicação 3, 4 ou 5, CARACTERIZADO pelo fato 30 de que o condensado a partir do gás de desprendido de queimador é formado no segundo elemento de troca de calor e enviado a partir do mesmo.
7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo elemento de troca de calor recebe o fluido de transferência de calor após ele ter sido enviado a partir do primeiro elemento de troca de calor.
8. Método, de acordo com a reivindicação 2, ou qualquer reivindicação dependente da mesma, CARACTERIZADO pelo fato de que o condensado a partir do gás residual de anódio é formado no primeiro elemento de troca de calor e enviado a partir do mesmo.
9. Método, de acordo com qualquer reivindicação precedente, CARACTERIZADO pelo fato de que o ao menos um fluido de troca de calor é escolhido a partir de um grupo compreendendo: água, fluido refrigerante, fluido anticongelante, fluidos misturados, combustível e ar.
10. Método, de acordo com qualquer reivindicação precedente, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro elemento de troca de calor recebe uma pluralidade de fluidos de transferência de calor.
11. Método, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO por compreender ainda controlar independentemente a taxa de fluxo de cada um dos fluidos de transferência de calor para otimizar a troca de calor para os fluidos de transferência de calor ou a partir deles.
12. Método, de acordo com qualquer reivindicação precedente, CARACTERIZADO por compreender ainda passar o gás residual de anódio separado através de um elemento de troca de calor adicional antes de ele ser recebido pelo primeiro elemento de troca de calor, o elemento de troca de calor adicional permutando calor entre o gás residual de anódio e um fluxo de fluido.
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de que o elemento de troca de calor adicional esfria o gás residual de anódio e aquece o fluxo de fluido.
14. Método, de acordo com a reivindicação 12 ou 13, CARACTERIZADO pelo fato de que o fluxo de fluido para o elemento de troca de calor adicional é um fluxo de gás de alimentação pelo lado de catódio, cujo gás de alimentação pelo lado de catódio subseqüentemente entra na ao menos uma tubagem de célula de combustível e sai como gás residual de catódio.
15. Método, de acordo com qualquer reivindicação precedente, CARACTERIZADO pelo fato de que a temperatura de operação da célula de combustível está entre 100°C e1.100°C, 250°C e 850°C, ou 450°C e 650°C.
16. Método, de acordo com a reivindicação 6 ou 8, ou qualquer reivindicação dependente da mesma, CARACTERIZADO pelo fato de que a água condensada é reciclada e usada para reformar o combustível antes de ele entrar na célula(s) de combustível.
17. Sistema de célula de combustível, CARACTERIZADO por compreender: ao menos uma tubagem de célula de combustível tendo saídas separadas e percursos de fluxo para o fluxo de gases residuais de anódio e catódio, respectivamente; um primeiro elemento de troca de calor acoplado para receber gás residual de anódio o qual foi enviado a partir da ao menos uma saída de gás residual de anódio de tubagem de célula de combustível, o primeiro elemento de troca de calor para permutar calor entre o gás residual de anódio a partir da ao menos uma tubagem de célula de combustível e o ao menos um fluido de transferência de calor; e um queimador configurado para receber e combinar o gás residual de anódio saindo do primeiro elemento de troca de calor e o gás residual de catódio saindo da ao menos uma tubagem de célula de combustível e queimar o mesmo para produzir gás residual de queimador.
18. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro elemento de troca de calor é configurado para esfriar o gás residual de anódio, e aquecer o fluido de transferência de calor.
19. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 18 ou 19, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro elemento de troca de calor é para reduzir a temperatura de operação do queimador.
20. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 19, CARACTERIZADO por compreender ainda um segundo elemento de troca de calor, acoplado para receber o fluido de transferência de calor e gás residual de queimador a partir do queimador, o segundo elemento de troca de calor para permutar calor entre o gás residual de queimador e o fluido de transferência de calor.
21. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 20, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo elemento de troca de calor é configurado para esfriar o gás residual de queimador e aquecer o fluido de transferência de calor.
22. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 20 ou 21, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo elemento de troca de calor compreende um trocador de calor de condensação.
23. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 20 a 22, CARACTERIZADO pelo fato de que o percurso de fluxo de fluido de troca de calor é definido pelo primeiro elemento de troca de calor seguido pelo segundo elemento de troca de calor, para passar o fluido de transferência de calor para dentro, através e para fora do primeiro elemento de troca de calor e subseqüentemente para dentro, através e para fora do segundo elemento de transferência de calor.
24. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 20 a 23, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo elemento de troca de calor é adaptado para receber uma pluralidade de fluidos de transferência de calor.
25. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 24, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro elemento de troca de calor compreende um permutador de calor de condensação.
26. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 25, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro elemento de troca de transferência de calor é adaptado para receber uma pluralidade de fluidos de transferência de calor.
27. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 26, CARACTERIZADO por compreender ainda um elemento de troca de calor adicional acoplado entre ao menos uma saída de gás residual de anódio de tubagem de célula de combustível e o primeiro elemento de troca de calor, para reduzir a temperatura do gás residual de anódio antes de ele entrar no primeiro elemento de troca de calor.
28. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 27, CARACTERIZADO pelo fato de que o elemento de troca de calor adicional é um trocador de calor de gás-gás.
29. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 27 ou 28, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro elemento de troca de calor e os elementos de troca de calor adicionais são integrados em uma só unidade.
30. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 20, ou qualquer reivindicação dependente da mesma, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro e o segundo elementos de troca de calor são integrados em uma só unidade.
31. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 30, CARACTERIZADO pelo fato de que a célula de combustível é uma célula de combustível de óxido sólido.
32. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 31, CARACTERIZADO pelo fato de que a célula de combustível é configurada para operar entre 10O0C-1100°C, 250°C-850°C, ou 450°C-650°C.
33. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 22 ou 25, ou qualquer reivindicação dependente das mesmas, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema é configurado para reciclar água a partir do trocador(es) de calor de condensação e fornecer a água a um reformador para reformar o combustível antes de ele entrar na célula(s) de combustível.
34. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 33, CARACTERIZADO por ser configurado para ser operado em um ambiente marinho.
35. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 33, CARACTERIZADO por ser configurado para ser operado em um ambiente automotivo.
36. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 33, CARACTERIZADO por ser configurado para ser operado em um ambiente aeronáutico.
37. Em um sistema de célula de combustível tendo saídas de gases residuais de anódio e catódio, separadas e percursos de fluxo a partir de ao menos uma tubagem de célula de combustível, um sistema de trocador de calor sendo CARACTERIZADO por compreender: um primeiro elemento de troca de calor de condensação acoplado para receber gás residual de anódio a partir da saída de gás residual de anódio da ao menos uma tubagem de célula de combustível do sistema de célula de combustível e fluido de transferência de calor, e enviar o gás residual de anódio esfriado, condensado a partir do gás residual de anódio e fluido de transferência de calor aquecido a partir do primeiro elemento de troca de calor; e um queimador acoplado ao primeiro elemento de troca de calor para receber o gás residual de anódio esfriado a partir do primeiro elemento de troca de calor e o gás residual de catódio saindo da ao menos uma tubagem de célula de combustível e queimar os mesmos para produzir gás residual de queimador.
38. Em um sistema de célula de combustível tendo saídas de gases residuais de anódio e catódio, separadas e percursos de fluxo a partir de ao menos uma tubagem de célula de combustível, um sistema de trocador de calor sendo CARACTERIZADO por compreender: um primeiro elemento de troca de calor de condensação acoplado para receber gás residual de anódio a partir da saída de gás residual de anódio da ao menos uma tubagem de célula de combustível e fluido de transferência de calor, e enviar o gás residual de anódio esfriado, condensado a partir do gás residual de anódio e fluido de transferência de calor aquecido a partir do primeiro elemento de troca de calor; um queimador acoplado ao primeiro elemento de toca de calor para receber o gás residual de anódio esfriado a partir do primeiro elemento de troca de calor e o gás residual de catódio saindo da ao menos uma tubagem de célula de combustível e queimar os mesmos para produzir gás residual de queimador; e um segundo elemento de troca de calor de condensação acoplado para receber o gás residual de queimador, e o fluido de transferência de calor, e enviar o gás residual de queimador esfriado, condensado a partir do gás residual de queimador e fluido de transferência de calor aquecido a partir do segundo elemento de troca de calor.
39. Em um sistema de célula de combustível tendo saídas de gases residuais de anódio e catódio, separadas e percursos de fluxo a partir de ao menos uma tubagem de célula de combustível, um sistema de trocador de calor sendo CARACTERIZADO por compreender: um primeiro elemento de troca de calor de condensação acoplado para receber gás residual de anódio a partir da saída de gás residual de anódio da ao menos uma tubagem de célula de combustível e fluido de transferência de calor, e enviar o gás residual de anódio esfriado, condensado a partir do gás residual de anódio e fluido de transferência de calor aquecido a partir do primeiro elemento de troca de calor; um queimador acoplado ao primeiro elemento de toca de calor para receber o gás residual de anódio esfriado a partir do primeiro elemento de troca de calor e o gás residual de catódio saindo da ao menos uma tubagem de célula de combustível e queimar os mesmos para produzir gás residual de queimador; e um segundo elemento de troca de calor de condensação acoplado para receber o gás residual de queimador, e o fluido de transferência de calor, e enviar o gás residual de queimador esfriado, condensado a partir do gás residual de queimador e fluido de transferência de calor aquecido a partir do segundo elemento de troca de calor; e um elemento de troca de calor adicional acoplado no percurso de fluxo de fluido de gás residual de anódio entre ao menos uma tubagem de célula de combustível e o primeiro elemento de troca de calor, configurado para reduzir a temperatura do gás residual de anódio passando através do mesmo antes de ele entrar no primeiro elemento de troca de calor.
40. Em um sistema de célula de combustível tendo saídas de gases residuais de anódio e catódio, separadas e percursos de fluxo a partir de ao menos uma tubagem de célula de combustível, um sistema de trocador de calor sendo CARACTERIZADO por compreender: um primeiro elemento de troca de calor de condensação acoplado para receber gás residual de anódio a partir da saída de gás residual de anódio da ao menos uma tubagem de célula de combustível e ao menos um fluido de transferência de calor, e enviar o gás residual de anódio esfriado, condensado a partir do gás residual de anódio e fluido de transferência de calor aquecido a partir do primeiro elemento de troca de calor; e um elemento de troca de calor adicional acoplado no percurso de fluxo de fluido de gás residual de anódio entre ao menos uma tubagem de célula de combustível e o primeiro elemento de troca de calor, configurado para reduzir a temperatura do gás residual de anódio passando através do mesmo antes de ele entrar no primeiro elemento de troca de calor.
41. Método de esfriar gases residuais saindo de ao menos uma tubagem de célula de combustível tendo percursos de fluxo de gás residual de anódio e catódio, separados, CARACTERIZADO por ser substancialmente como mais acima descrito com referência a qualquer um dos desenhos anexos.
42. Sistema de célula de combustível, CARACTERIZADO por ser substancialmente como mais acima descrito com referência a qualquer uma das reivindicações anexas.
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