ES2557816T3 - Procedimiento de operación de una disposición de células de combustible con una mezcla gaseosa con una proporción de gas de reacción y una proporción de gas inerte, así como una disposición de células de combustible apropiada para ello - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de operación de una disposición de células de combustible (10) con una mezcla gaseosa (G) con una proporción de gas de reacción (H2) y una proporción de gas inerte (IG), atravesando la mezcla gaseosa (G) sucesivamente varios grupos de células de combustible (1, 2), cuyas células de combustible son atravesadas en cada caso en paralelo por la mezcla gaseosa (G), caracterizado porque la proporción de gas inerte de la mezcla gaseosa conteniendo gas de reacción asciende a más del 10% en volumen y porque la relación (λ) entre el flujo volumétrico de mezcla gaseosa (G) conducido en el respectivo grupo de células (1, 2) respecto del flujo volumétrico de mezcla gaseosa (G) estequiométricamente requerido para una reacción completa de la proporción de gas de reacción (H2) en este grupo de células (1 y/o 2) aumenta.
Description
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DESCRIPCION
Procedimiento de operation de una disposition de celulas de combustible con una mezcla gaseosa con una proportion de gas de reaction y una proportion de gas inerte, as! como una disposicion de celulas de combustible apropiada para ello.
La presente invention se relaciona con un procedimiento de operacion de una disposicion de celulas de combustible con una mezcla gaseosa con una proporcion de gas de reaccion y una proporcion de gas inerte, atravesando la mezcla gaseosa sucesivamente varios grupos de celulas de combustible, cuyas celulas de combustible son atravesadas en cada caso en paralelo por la mezcla gaseosa. La invencion se relaciona ademas con una disposicion de celulas de combustible con varios grupos de celulas de combustible, conectadas en serie en un dispositivo de suministro de gas y cuyas celulas de combustible pueden ser atravesadas en cada caso en paralelo a traves del dispositivo de suministro de gas por una mezcla gaseosa con una proporcion de gas de reaccion y una proporcion de gas inerte.
En las celulas de combustible se produce habitualmente energla electrica mediante la conduction conjunta de los gases de reaccion hidrogeno y oxlgeno en una reaccion electroqulmica. El hidrogeno se alimenta a las celulas de combustible o bien en forma pura o como gas combustible con una proporcion de hidrogeno y el oxlgeno se alimenta a las celulas de combustible o bien en forma pura o en forma de aire.
La forma, en que se alimentan el hidrogeno y el oxlgeno a las celulas de combustible, depende considerablemente del entorno operativo en que operan las celulas de combustible. Si las celulas de combustible operaran por ejemplo en un espacio hermeticamente cerrado, deberlan las celulas de combustible producir una cantidad lo mas baja posible de gases de escape, pues de lo contrario este debe recogerse y en cada caso comprimirse. Estas celulas de combustible operan por tanto generalmente con oxlgeno puro e hidrogeno puro, con el objeto de que estos gases de reaccion reaccionen, durante la operacion de las celulas de combustible, esencialmente sin residuos para dar agua y las celulas de combustible generen por consiguiente practicamente ningun gas de escape.
Si se produce gas combustible en un reformador, este no estara a su salida en forma pura, sino como mezcla gaseosa con altas proporciones de agua y gases inertes como por ejemplo dioxido de carbono, nitrogeno y monoxido de carbono. Para poder posibilitar tambien aqul una operacion lo mas libre de gases de escape posible, primero se purifica la mezcla gaseosa y se libera de los componentes indeseables. El monoxido de carbono perjudicial para las celulas de combustible puede transformarse por via qulmica en dioxido de carbono o metano. El agua puede extraerse facilmente por condensation. Para la extraction de las proporciones de gas inerte remanentes, tlpicamente en una cantidad del 10 al 60% en volumen, se utilizan normalmente membranas de separation, que consisten en finas laminas metalicas. Estas membranas son, sin embargo, caras, propensas a cargas termicas alternantes y se vuelven inservibles en caso de fugas.
El documento US 2004/0185316 A1 muestra una disposicion de celulas de combustible, en la que una mezcla gaseosa, consistente en una proporcion de gas de reaccion y una proporcion de gas inerte, atraviesa sucesivamente varios grupos de celulas de combustible, cuyas celulas de combustible son atravesadas en cada caso en paralelo por la mezcla gaseosa. La proporcion de gas inerte contenida en la mezcla gaseosa se recoge en una celula de limpieza, disminuyendo el rendimiento de la celula de limpieza. Cuando un sensor de tension de la celula de limpieza detecta una calda de rendimiento por debajo de un valor llmite, se abre una valvula de limpieza y se evacua la proporcion de gas inerte mediante un incremento del suministro de gas a la disposicion de celulas de combustible.
En el documento US 3,711,333 se describe una disposicion de celulas de combustible, en la que una mezcla gaseosa conteniendo oxlgeno atraviesa sucesivamente varios grupos de celulas de combustible, cuyas celulas de combustible son atravesadas en cada caso en paralelo por la mezcla gaseosa. Mediante la distribution de las celulas de combustible en forma de cascada con numero decreciente de celulas de combustible crece el flujo volumetrico de la mezcla gaseosa mediante las celulas de combustible. Simultaneamente aumenta la proporcion de gas inerte en la mezcla gaseosa y disminuye la proporcion de oxlgeno.
En la US 3 668 011 A se describe una baterla de celulas de combustible, que comprende varios grupos de celulas de combustible conectados en serie. Cada grupo de celulas de combustible contiene varias celulas de combustible, conectadas paralelamente. Ademas, disminuye en direction de flujo el numero de celulas de combustible en cada grupo adicional de celulas de combustible, en comparacion con el grupo de celulas de combustible anterior. Proposito de esta distribucion es vencer una alta resistencia al flujo en las celulas de combustible y posibilitar un suministro suficiente de gas de reaccion.
Es objeto de la presente invencion especificar un procedimiento de operacion de una disposicion de celulas de combustible y una disposicion de celulas de combustible apropiada para la puesta en marcha del procedimiento, que, en caso de empleo de mezclas gaseosas conteniendo gas de reaccion con relativamente altas proporciones de gas inerte superiores al 10% en volumen, posibilita una operacion de la disposicion de celulas de combustible con un
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buen grado de efectividad y pequenas cantidades de gases de escape, pudiendo prescindirse del empleo de membranas de separacion para la extraccion de los componentes de gas inerte de la mezcla gaseosa.
El objeto dirigido al procedimiento se resuelve mediante un procedimiento con las caracterlsticas de la reivindicacion 1. El objeto dirigido a la disposition de celulas de combustible se resuelve mediante una disposition de celulas de combustible con las caracterlsticas de la reivindicacion 6. Configuraciones favorables son en cada caso objeto de las subreivindicaciones.
La invention parte de la consideration de que puede prescindirse de la membrana de separacion, cuando la disposicion de celulas de combustible se proyecta de tal modo que pueda operar con las altas proporciones de gas inerte de mas del 10% en volumen.
Fundamentalmente puede observarse una generation estable de energla y un buen grado de efectividad durante la operation de una disposicion de celulas de combustible con una mezcla gaseosa conteniendo gas de reaction con altas proporciones de gas inerte de mas del 10% en volumen, cuando todas las celulas de combustible de la disposicion de celulas de combustible son atravesadas en paralelo por la mezcla gaseosa, llevandose esto a cabo con un flujo volumetrico claramente mayor que el realmente necesario para la completa reaccion electroqulmica de la proportion de gas de reaccion en las celulas de combustible. De este modo sin embargo una mayor proportion del gas de reaccion abandona las celulas de combustible, sin implicarse en la reaccion, lo que, por un lado, vuelve no rentable la operacion del sistema completo constituido por reformador y disposicion de celulas de combustible, aunque por otro tampoco es deseable en muchos casos de aplicacion, particularmente durante la operacion de la disposicion de celulas de combustible en un espacio hermeticamente cerrado.
Las perdidas de gas de reaccion pueden mantenerse de nuevo pequenas cuando la mezcla gaseosa conteniendo gas de reaccion no atraviesa las celulas de combustible en paralelo, sino secuencialmente (y/o en serie). De este modo siempre se consume mas completamente el gas de reaccion en la direction de flujo mediante las celulas de combustible. Evidentemente esto conlleva una concentration de las proporciones de gas inerte en la mezcla gaseosa, es decir la proporcion de gases inertes en la mezcla gaseosa conteniendo gas de reaccion crece constantemente, lo que se asocia a un correspondiente empeoramiento del grado de efectividad de las celulas de combustible.
Estos efectos contrarios se combinan conforme a la invencion aumentando la relation entre el flujo volumetrico de mezcla gaseosa conducido en el correspondiente grupo de celulas respecto del flujo volumetrico de mezcla gaseosa estequiometricamente necesario para una reaccion completa de la proporcion de gas de reaccion en este grupo de celulas para tres grupos de celulas atravesados sucesivamente.
La conexion en serie de los grupos de celulas de combustible conlleva en realidad una concentracion de la proporcion de gas inerte en la direccion de flujo de la mezcla gaseosa, es decir que la proporcion de los gases inertes en la mezcla gaseosa aumenta continuamente en la direccion de flujo de la mezcla gaseosa, aunque al mismo tiempo aumenta tambien la relacion del flujo volumetrico de mezcla gaseosa entrando en los grupos de celulas respecto del flujo volumetrico de mezcla gaseosa realmente necesario para la completa reaccion electroqulmica. La menor proporcion de gas de reaccion en la mezcla gaseosa en un siguiente grupo de celulas atravesado se equilibra por consiguiente al menos parcialmente mediante un correspondientemente mayor flujo volumetrico de la mezcla gaseosa en el siguiente grupo de celulas atravesado en comparacion con el anterior grupo de celulas atravesado. De este modo se proporciona a las celulas de combustible del siguiente grupo de celulas atravesado, suficiente gas de reaccion para una reaccion electroqulmica estable y un buen grado de efectividad, con disminucion simultanea de la concentracion del gas de reaccion en la mezcla gaseosa. Por consiguiente, la disposicion de celulas de combustible elimina una mezcla gaseosa residual, que en comparacion con un unico grupo de celulas alimentado puramente en paralelo contiene una concentracion considerablemente menor de gas de reaccion. La perdida de gas de reaccion se reduce de este modo considerablemente. La mezcla de gases residuales puede alimentarse sin gran perdida de grado de efectividad al sistema global constituido por el reformador y la disposicion de celulas de combustible, por ejemplo, al quemador del reformador.
El procedimiento puede emplearse tanto para el lado anodico de las celulas de combustible como tambien para el lado catodico de las celulas de combustible, es decir, que el gas de reaccion puede ser, por el lado anodico, un gas combustible generado por el reformador y/o, por el lado catodico, aire.
El deseado aumento de la relacion de flujos volumetricos puede ajustarse a traves del numero y/o tamano de las celulas de combustible y/o la densidad de corriente de los grupos de celulas individuales. Los grupos de celulas de combustible incluyen preferentemente en cada caso celulas de combustible similares, y el deseado aumento de la relacion se ajusta a traves del numero de celulas de combustible en los grupos de celulas de combustible. Se entiende por celulas de combustible similares en este contexto celulas de combustible iguales en lo que se refiere a tamano y estructura.
La mezcla gaseosa preferentemente atraviesa sucesivamente tantos grupos de celulas, hasta que la proporcion de gas de reaccion en la mezcla gaseosa quede por debajo de un valor predefinido deseado.
En una disposicion de celulas de combustible conforme a la invention se conectan varios grupos de celulas de combustible en serie en un dispositivo de suministro de gas. Las celulas de combustible de los grupos de celulas de 5 combustible pueden ser atravesadas en cada caso en paralelo por el gas de reaccion, configurandose los grupos de celulas de combustible de tal manera que tres grupos de celulas conectados en serie en el dispositivo de suministro de gas puedan ser atravesados, con una relation en cada caso creciente entre el flujo volumetrico de mezcla gaseosa alimentado en el correspondiente grupo de celulas respecto del flujo volumetrico de mezcla gaseosa estequiometricamente necesaria para una reaccion completa de la proporcion de gas de reaccion en este grupo de 10 celulas, ajustandose la relacion creciente a traves del numero de celulas de combustible y/o su tamano y/o la densidad de corriente de los grupos de celulas de combustible.
Los grupos de celulas de combustible pueden consistir, por ejemplo, en, en cada caso, un lote de celulas de combustible. Todos estos lotes de celulas de combustible se pueden entonces combinar en un unico bloque de celulas de combustible, es decir que forman un denominado bloque de celulas de combustible "en cascada".
15 Cada uno de los grupos de celulas de combustible puede consistir tambien sin embargo en uno o varios bloques de celulas de combustible alimentados en cada caso en paralelo con la mezcla gaseosa y por consiguiente forman una etapa de una instalacion de celulas de combustible con varias etapas dispuestas en cascada.
Las consideraciones y ventajas mencionadas respecto al procedimiento conforme a la invencion sirven conforme al sentido tambien para la disposicion de celulas de combustible conforme a la invencion.
20 La presente invencion, as! como configuraciones favorables de la invencion conformes a las caracterlsticas de las subreivindicaciones se describen a continuation mas a fondo en base a los ejemplos de ejecucion en las Figuras. Muestran:
FIG 1 una representation de principios de un primer ejemplo de ejecucion de una disposicion de celulas de combustible conforme a la invencion,
25 FIG 2 una representacion de principios de un segundo ejemplo de ejecucion de una disposicion de celulas de combustible conforme a la invencion y
FIG 3 una representacion de principios un tercer ejemplo de ejecucion de una disposicion de celulas de combustible conforme a la invencion.
Una disposicion de celulas de combustible 10 conforme a la invencion mostrada en la FIG 1 muestra tres grupos de 30 celulas de combustible 1, 2, 3, atravesados sucesivamente por una mezcla gaseosa G, que presenta una proporcion
de gas de reaccion, aqul una proporcion de hidrogeno H2, y una proporcion de gas inerte IG. Antes de la alimentation de la mezcla gaseosa G al primer grupo de celulas 1 la proporcion de hidrogeno H2 asciende a por ejemplo aproximadamente un 90% en volumen y la proporcion de gas inerte a aproximadamente un 10% en volumen. La proporcion de gas inerte IG comprende gases inertes como por ejemplo nitrogeno, dioxido de carbono y 35 gases nobles. La mezcla gaseosa G circula entonces por medio del conducto de alimentacion de gas 4 sucesivamente a traves de los grupos de celulas 1, 2, 3 y abandona la disposicion de celulas de combustible a traves de un conducto de elimination de gases residuales 5, en el que se conecta una valvula 6 para el control de la evacuation de gases residuales. En los grupos de celulas 1, 2, 3, las celulas de combustible son atravesadas en cada caso en paralelo por la mezcla gaseosa H2, IG.
40 Tras la conexion de un consumidor electrico a las celulas de combustible de los grupos de celulas de combustible 1,
2, 3, se produce, debido a la reaccion electroqulmica del hidrogeno H2 con oxlgeno en las celulas de combustible en la direction de flujo de la mezcla gaseosa G a traves de los grupos de celulas de combustible 1, 2, 3, una disminucion de la proporcion de hidrogeno H2 en la mezcla gaseosa G. Con ello aumenta sin embargo en la direccion de flujo de la mezcla gaseosa G la proporcion de gas inerte IG en la mezcla gaseosa G. La resultante 45 disminucion de la proporcion de hidrogeno H2 se equilibra ahora aumentando la relacion A entre el flujo volumetrico de mezcla gaseosa G alimentada al correspondiente grupo de celulas y el flujo volumetrico de mezcla gaseosa G estequiometricamente necesaria para una reaccion electroqulmica completa de la proporcion de hidrogeno H2 en este grupo de celulas para los grupos de celulas sucesivamente atravesados.
Un incremento tal del flujo volumetrico puede ajustarse fundamentalmente a traves del numero de celulas de 50 combustible y/o del tamano de las celulas de combustible y/o la densidad de corriente en los grupos de celulas de combustible 1, 2, 3. Los grupos de celulas de combustible 1, 2, 3 incluyen preferentemente en cada caso celulas de combustible similares, es decir iguales respecto a tamano y estructura, y la relacion creciente A se ajusta a traves del numero de celulas de combustible en los grupos de celulas de combustible.
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Ademas, ahora se define una tasa de limpieza S como la relacion entre la proporcion de gas de reaccion en el flujo volumetrico de gas que abandona un grupo de celulas y la proporcion de gas de reaccion en el flujo volumetrico de gas que entra en el grupo de celulas:
S = Proporcion de gas de reaccion en el flujo volumetrico de gas que abandona un grupo de celulas
Proporcion de gas de reaccion en el flujo volumetrico de gas que entra en el grupo de celulas
En este contexto solo se considera la proporcion reactiva en el flujo volumetrico de gas. La proporcion de gas inerte no se tiene en cuenta en este contexto, aunque esta vinculada en un contexto funcional a la concentracion de entrada y al consumo de gas de reaccion en los grupos de celulas.
La relacion A se define como la relacion entre el flujo volumetrico de gas alimentado a un grupo de celulas y el flujo volumetrico de gas estequiometricamente necesario para una reaccion completa de la proporcion de gas de reaccion en el grupo de celulas.
En lo sucesivo se parte ahora simplificadamente de que, debido a una conexion electrica en serie de todas las celulas de la disposicion de celulas de combustible 10, a traves de todas estas celulas de combustible fluye tambien una corriente electrica igual de grande. Cada una de las celulas de combustible consume, por consiguiente, el mismo volumen Vz de hidrogeno por unidad de tiempo, por ejemplo 1 litro por hora. Un grupo de celulas de combustible con N celulas de combustible consume, por consiguiente, por unidad de tiempo un volumen VN= n*Vz de hidrogeno. Para la tasa de limpieza S y/o la relacion A de un grupo de celulas con n celulas de combustible es valido entonces
S = numero de celulas en los siguientes grupos de celulas
n + numero de celulas en los siguientes grupos de celulas l = n + numero de celulas en los siguientes grupos de celulas
n
En este contexto se partio, sin embargo, de que no se lleva a cabo ninguna eliminacion de gases residuales a traves del conducto de eliminacion de gases residuales 5. Para considerar una eliminacion de gases residuales de este tipo se define ahora una tasa de eliminacion de gases residuales SP como el flujo volumetrico de gas residual que abandona el ultimo grupo de celulas 3. Para el caso de que el flujo volumetrico de gas residual sea funcion lineal del consumo de gas, puede utilizarse para la tasa de eliminacion de gases residuales SP un numero ficticio de celulas n'. Por consiguiente, es valido
S = numero de celulas en los siguientes grupos de celulas + n’
n + numero de celulas en los siguientes grupos de celulas + n ’
l = n + numero de celulas en los siguientes grupos de celulas + n’
n
Para los grupos de celulas de combustible 1, 2, 3 de la disposicion de celulas de combustible 10 sirven por consiguiente las siguientes tasas de limpieza S1, S2 y/o S3 y relaciones A1, A2 y/o A3
y
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, rc, + n2 + n3 + ri , _n2 + n, + n' , + a'
Aty — I ^2 " ' “ / ^3
siendo ni, n2, n3 el correspondiente numero de celulas de combustible atravesadas en paralelo de los grupos de celulas de combustible 1, 2 y/o 3. En base a estas formulas se pueden ahora seleccionar ni, n2 y n3 de tal manera que se ajuste el deseado aumento de A en la direccion de flujo de la mezcla gaseosa G a traves de los grupos de celulas 1,2, 3.
Si se selecciona, por ejemplo, n1 = 20, n2 = 6, n3 = 3 y n' = 9, se origina
Y, por consiguiente. el deseado aumento de A en la direccion de flujo de la mezcla gaseosa G a traves de los grupos de celulas de combustible 1, 2 y 3.
Tal y como se representa en la FIG 2, se pueden combinar todos los grupos de celulas de combustible de la disposicion de celulas de combustible de FIG 1 en un unico bloque de celulas de combustible y formar, por consiguiente, un bloque de celulas de combustible en cascada.
El bloque de celulas de combustible 20 mostrado en la FIG 2 se construye a partir de 29 celulas de combustible representadas esquematicamente n1, n2, ..., n29. Para una mejor vision general se representan en la ilustracion de la FIG 2 los espacios gaseosos del lado del catodo de las celulas de combustible n a n29 sobre los espacios gaseosos del lado del anodo de las mismas celulas de combustible n1 a n29.
El lado del anodo 18 del bloque de celulas de combustible 2 se subdivide ademas en la direccion de flujo de una mezcla gaseosa del lado del anodo GA con una proporcion de hidrogeno H2 y una proporcion de gas inerte IG primero en un grupo de celulas 12, en el que las celulas de combustible n a n20 son atravesadas en paralelo. El siguiente grupo de celulas 14 cuenta con las celulas de combustible atravesadas en paralelo n21 a n26. Le sigue el grupo de celulas 16 con tres celulas de combustible atravesadas en paralelo n26 a n29. Los grupos de celulas 12, 14, 16 son atravesados por la mezcla gaseosa GA sucesivamente en esta secuencia.
El lado del catodo 28 del bloque de celulas de combustible 2 se subdivide en la direccion de flujo de una mezcla gaseosa del lado del catodo GK con una proporcion de oxlgeno 02 y una proporcion de gas inerte IG primero en un grupo de celulas 22, en el que las celulas de combustible n29 a mo son atravesadas en paralelo, un segundo grupo de celulas 24, en el que las celulas de combustible n9 a n4 son atravesadas en paralelo, y un tercer grupo de celulas 26, en el que las celulas de combustible n3 a n son atravesadas en paralelo. Los grupos de celulas 22, 24, 26 son atravesados por la mezcla gaseosa GK sucesivamente en esta secuencia
Durante la operacion del bloque de celulas de combustible 20, la mezcla gaseosa del lado del anodo GA circula a traves del conducto de suministro de hidrogeno 4 en el bloque de celulas de combustible 20. La proporcion de hidrogeno H2 de la mezcla gaseosa del lado del anodo GA entrante en el bloque de celulas de combustible 20 se encuentra en aproximadamente un 90% en volumen. El restante 10% en volumen incluye gases inertes como por ejemplo nitrogeno, dioxido de carbono y gases nobles. La mezcla gaseosa GA circula entonces a traves de los grupos de celulas 12 a 16 conectados sucesivamente, es decir en serie, del lado del gas por medio del conducto de suministro de gas 4 y abandona el bloque de celulas de combustible 20 a traves de un conducto de eliminacion de gases residuales 5.
La mezcla gaseosa del lado del catodo GK es aire con una proporcion de oxlgeno O2 de aproximadamente un 60% en volumen y una proporcion de gas inerte IG de aproximadamente un 40% en volumen. La mezcla gaseosa GK se alimenta a traves de un conducto de suministro de oxlgeno 8 en el grupo de celulas 22, atraviesa los grupos de celulas 24, 26 conectados sucesivamente, es decir en serie, del lado del gas por medio del conducto de suministro de gas 8 y abandona el bloque de celulas de combustible 20 a traves de otro conducto de eliminacion de gases residuales 9.
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Tras la conexion de un consumidor electrico al bloque de celulas de combustible 20 se produce, debido a la reaccion electroqulmica de las proporciones de hidrogeno H2 con las proporciones de oxlgeno O2 en las celulas de combustible ni a n29 en la direccion de flujo de las mezclas gaseosas GA y GK a traves del bloque de celulas de combustible 20, una disminucion de la proportion de oxlgeno O2 en la mezcla gaseosa del lado del catodo GK y de la proporcion de hidrogeno H2 en la mezcla gaseosa del lado del anodo GA. Con ello aumenta sin embargo en la direccion de flujo de las mezclas gaseosas GA, GK tanto en el lado del anodo 18 como tambien en el lado del catodo 28 la proporcion de gas inerte IG en la respectiva mezcla gaseosa GA, GK. La disminucion resultante de la proporcion de gas de reaccion H2 y/o O2 en la respectiva mezcla gaseosa GA, GK se equilibra aumentando la relation A entre el flujo volumetrico de mezcla gaseosa alimentado al correspondiente grupo de celulas y el flujo volumetrico de mezcla gaseosa estequiometricamente necesaria para una reaccion electroqulmica completa de la proporcion de gas de operation en este grupo de celulas para los grupos de celulas sucesivamente atravesados. La disminucion de la proporcion de gas de reaccion en grupos de celulas consecutivos se equilibra por consiguiente mediante el aumento del flujo volumetrico de mezcla gaseosa alimentado al correspondiente grupo de celulas.
De este modo, todas las celulas de combustible del bloque de celulas de combustible 20 tendran suficiente gas de reaccion disponible para una reaccion electroqulmica estable, con disminucion simultanea de la concentration de los gases de reaccion en las mezclas gaseosas. El bloque de celulas de combustible puede operar, por consiguiente, con un buen grado de efectividad y al mismo tiempo solo con presencia de pequenas cantidades de gases residuales y/o de escape.
Para la homogenization del rendimiento del bloque de celulas de combustible 20, el bloque de celulas de combustible es atravesado por las mezclas gaseosas del lado del catodo y del anodo GK, GA en sentido contrario. De este modo es posible aportar a la proporcion de oxlgeno O2 decreciente durante la circulation a traves del bloque de celulas de combustible 20 en la mezcla gaseosa del lado del catodo GK y/o la proporcion de hidrogeno H2 decreciente en la mezcla gaseosa del lado del anodo GA en cada caso una alta proporcion de hidrogeno fresco y/u oxlgeno fresco.
Conforme a la FIG 3 puede tratarse, en el caso de los grupos de celulas de combustible, tambien de etapas de una instalacion de celulas de combustible sucesivamente atravesadas por una mezcla gaseosa conteniendo gas de reaccion, presentando cada una de las etapas en cada caso uno o varios bloques de celulas de combustible atravesados en paralelo por la mezcla gaseosa, cuyas celulas de combustible son atravesadas de nuevo en cada caso en paralelo por la mezcla gaseosa.
La instalacion de celulas de combustible 100 representada esquematicamente en la FIG 3 se muestra desde la perspectiva de suministro y evacuation del gas de reaccion en varias etapas 30, 40, 50 conectadas en serie. La primera etapa 30 comprende cuatro bloques de celulas de combustible 31 a 34, conectados en paralelo por el lado del gas de operacion. La segunda etapa 40 muestra dos bloques de celulas de combustible 41, 42 conectados en paralelo por el lado del gas de operacion y la tercera etapa 50 muestra un unico bloque de celulas de combustible 51.
Durante la operacion de la instalacion de celulas de combustible 100 circula una mezcla gaseosa del lado del anodo GA con proporciones de hidrogeno H2 y proporciones de gas inerte IG a traves del conducto de suministro de gas 70 paralelamente en los lados anodicos de los bloques de celulas de combustible 31 a 34 de la primera etapa 30 de la instalacion de celulas de combustible 100. Aparte de lo mencionado, circula una mezcla gaseosa del lado del catodo GK consistente en proporciones de oxlgeno 02 y proporciones de gas inerte IG a traves del conducto de suministro de gas 72 en los bloques de celulas de combustible 31 a 34 de la primera etapa 30. Tras atravesar la primera etapa 30, las mezclas gaseosas GA, GK atraviesan en paralelo los bloques de celulas de combustible 41, 42 de la segunda etapa 40 y finalmente el bloque de celulas de combustible 51 de la tercera etapa 50.
Debido a la conexion en serie de las etapas individuales 30, 40, 50 disminuye en la direccion de flujo la proporcion de gas de reaccion en la respectiva mezcla gaseosa. las etapas individuales 30, 40, 50 de la instalacion de celulas de combustible 100 se proyectan, sin embargo, por ejemplo a traves del respectivo numero de celulas de combustible, de tal manera, que la proporcion de gas de reaccion decreciente se compensa mediante un correspondiente aumento de la relacion del flujo volumetrico de mezcla gaseosa introducido en la respectiva etapa respecto del flujo volumetrico de mezcla gaseosa estequiometricamente necesario para una reaccion completa de la proporcion de gas de reaccion en la etapa. Todas las celulas de combustible de la instalacion de celulas de combustible 100 pueden operar, por consiguiente, con un buen grado de efectividad, abandonando la instalacion de celulas de combustible una mezcla gaseosa, que presenta solo aun escasa proporcion de gases de reaccion. Una instalacion de celulas de combustible 100 de este tipo con varias etapas dispuestas en cascada 30, 40, 50 puede construirse a partir de bloques de celulas de combustible similares modularmente construidos y se producen en serie por ello con poco esfuerzo y con bajo coste.
Los numeros de grupos de celulas de combustible mostrados en los ejemplos de ejecucion con sus respectivos numeros de celulas de combustible son solo para ejemplificar. Las mezclas gaseosas atraviesan preferentemente sucesivamente tantos grupos de celulas, hasta que la proporcion de gas de reaccion en la mezcla gaseosa quede
por debajo de un valor predefinido deseado. En funcion de esto y de la proporcion de gas de reaccion en la mezcla gaseosa antes de la alimentacion al primer grupo de celulas, pueden tambien ser favorables otros numeros de grupos de celulas de combustible con en cada caso otros numeros de celulas de combustible.
Las valvulas 6 (veanse las FIG 1 y 2) conectadas en los conductos de eliminacion de gases residuales se regulan 5 preferentemente de tal manera, que el flujo volumetrico de gases residuales sea lo mas pequeno posible y se ajusten las deseadas relaciones A en la direccion de flujo de la mezcla gaseosa. Esto es posible, por una parte, supervisando la tension del ultimo grupo de celulas. En caso de un descenso de la tension se elevarla entonces el flujo volumetrico de gases residuales mediante ulterior apertura de la valvula y, por el contrario. Alternativamente, el control de la valvula 6 puede relacionarse tambien con la corriente electrica generada por las celulas de combustible.
10 El ajuste de la valvula y, por consiguiente, el flujo volumetrico de gases residuales se regularlan entonces proporcionalmente a la corriente electrica.
Claims (9)
- 510152025303540REIVINDICACIONES1. Procedimiento de operacion de una disposition de celulas de combustible (10) con una mezcla gaseosa (G) con una proportion de gas de reaction (H2) y una proportion de gas inerte (IG), atravesando la mezcla gaseosa (G) sucesivamente varios grupos de celulas de combustible (1, 2), cuyas celulas de combustible son atravesadas en cada caso en paralelo por la mezcla gaseosa (G), caracterizado porque la proporcion de gas inerte de la mezcla gaseosa conteniendo gas de reaccion asciende a mas del 10% en volumen y porque la relation (A) entre el flujo volumetrico de mezcla gaseosa (G) conducido en el respectivo grupo de celulas (1, 2) respecto del flujo volumetrico de mezcla gaseosa (G) estequiometricamente requerido para una reaccion completa de la proporcion de gas de reaccion (H2) en este grupo de celulas (1 y/o 2) aumenta.
- 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, ajustandose la relacion creciente (A) a traves del numero de celulas de combustible y/o el tamano de las celulas de combustible y/o la densidad de corriente de los grupos de celulas de combustible (1,2).
- 3. Procedimiento segun la reivindicacion 2, incluyendo los grupos de celulas de combustible (1, 2) en cada caso celulas de combustible similares, y ajustandose la relacion creciente (A) a traves del numero de celulas de combustible en los grupos de celulas de combustible (1, 2).
- 4. Procedimiento segun una de las anteriores reivindicaciones, atravesando la mezcla gaseosa (G) sucesivamente tantos grupos de celulas (1, 2, 3), hasta que la proporcion de gas de reaccion (H2) en la mezcla gaseosa (G) caiga por debajo de un valor predefinido.
- 5. Procedimiento segun una de las anteriores reivindicaciones, regulandose un flujo volumetrico de gas residual que abandona la disposicion de celulas de combustible (10) en funcion de la tension de celula del ultimo grupo de celulas (3) en la direction de flujo de la mezcla gaseosa o de la corriente electrica generada por las celulas de combustible.
- 6. Disposicion de celulas de combustible (10) con varios grupos de celulas de combustible (1, 2), que se conectan en serie en un dispositivo de suministro de gas (4) y cuyas celulas de combustible puede atravesar en cada caso paralelamente a traves del dispositivo de suministro de gas (4) una mezcla gaseosa (G) con una proporcion de gas de reaccion (H2) y una proporcion de gas inerte (IG), caracterizado porque la proporcion de gas inerte de la mezcla gaseosa conteniendo gas de reaccion asciende a mas del 10% en volumen y porque los grupos de celulas de combustible (1, 2) se configuran de tal manera, que tres grupos de celulas (1, 2) conectados en serie en el dispositivo de suministro de gas (4) con una relacion en cada caso creciente (A) entre el flujo volumetrico de mezcla gaseosa (G) conducido en el respectivo grupo de celulas (1 y/o 2) respecto del flujo volumetrico de mezcla gaseosa (G) estequiometricamente requerido para una reaccion completa de la proporcion de gas de reaccion (H2) en este grupo de celulas (1 y/o 2), ajustandose la relacion creciente (A) a traves del numero de celulas de combustible y/o del tamano de las celulas de combustible y/o la densidad de corriente de los grupos de celulas de combustible (1, 2).
- 7. Disposicion de celulas de combustible (10) segun la reivindicacion 6, incluyendo los grupos de celulas de combustible (1, 2) en cada caso celulas de combustible similares, y ajustandose la relacion creciente (A) a traves del numero de celulas de combustible en los grupos de celulas de combustible (1, 2).
- 8. Disposicion de celulas de combustible (10) segun al menos una de las reivindicaciones 6 a 7, combinandose todos los grupos de celulas de combustible (12, 14, 16) en un bloque de celulas de combustible (20).
- 9. Disposicion de celulas de combustible (10) segun al menos una de las reivindicaciones 6 a 7, consistiendo cada uno de los grupos de celulas de combustible en uno o varios bloques de celulas de combustible (31 - 34, 41 - 42, 51) atravesables en cada caso en paralelo por la mezcla gaseosa (G) y formando por consiguiente una etapa de una instalacion de celulas de combustible (100) con varias etapas dispuestas en cascada (30, 40, 50).
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