ES2588228T3 - Aparato para la generación de un gas que se puede utilizar para el arranque y el apagado de una pila de combustible - Google Patents

Aparato para la generación de un gas que se puede utilizar para el arranque y el apagado de una pila de combustible Download PDF

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Abstract

Un generador de gas de reducción (14) para el arranque y el apagado de una pila de combustible (12), que comprende: una fuente de oxidante estructurada para suministrar un oxidante con bajo contenido de oxígeno (O2), teniendo el oxidante con bajo contenido de O2 un contenido de O2 inferior al del aire atmosférico; una entrada de combustible (38) configurada para recibir un combustible de hidrocarburo; una cámara de fusión (32) en comunicación fluida con dicha fuente de oxidante y en comunicación fluida con dicha entrada de combustible, estando dicha cámara de fusión estructurada para recibir el combustible de hidrocarburo y el oxidante con bajo contenido de oxígeno (O2), y para descargar una mezcla de alimentación que contiene tanto el combustible de hidrocarburo como el oxidante con bajo contenido de oxígeno (O2); un reactor catalítico (34) en comunicación fluida con dicha cámara de fusión, estando dicho reactor catalítico estructurado para recibir la mezcla de alimentación y para convertir catalíticamente la mezcla de alimentación en un gas de reducción; y una salida de gas de reducción acoplada de manera fluida a dicho reactor catalítico y en comunicación fluida con al menos uno de un ánodo (20) y un reformador (26) de la pila de combustible, dicha salida del gas de reducción operativa para dirigir el gas de reducción a dicho al menos uno del ánodo y del reformador de la pila de combustible, incluyendo además el generador de gas de reducción un sistema de control (6) configurado para ejecutar instrucciones de programa para regular una temperatura de control mediante la variación tanto del contenido de O2 del oxidante con bajo contenido de O2 como de la relación oxidante/combustible de la mezcla de alimentación.

Description

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DESCRIPCION
Aparato para la generacion de un gas que se puede utilizar para el arranque y el apagado de una pila de combustible
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a sistemas de pila de combustible, y mas particularmente, a un aparato para la generacion de un gas que se puede utilizar para el arranque y apagado de una pila de combustible.
Antecedentes
Los sistemas de pila de combustible, tales como plantas de potencia basadas en pila de combustible y equipos de generacion de potencia basados en pila de combustible moviles, generan potencia electrica a traves de reacciones electro-quimicas, y estan entrando en un mayor uso debido a que los subproductos de escape son normalmente mas limpios que las plantas de potencia tradicionales, y porque las pila de combustible pueden generar electricidad de manera mas eficaz que las plantas de potencia tradicionales. Los sistemas de pila de combustible emplean, a menudo, pila de pila de combustible individual, cada pila de combustible incluyendo normalmente un anodo, un catodo, y un electrolito situado entre el anodo y el catodo. La carga electrica se acopla al anodo y al catodo. El anodo y el catodo son electricamente conductores y permeables a los gases necesarios, tales como hidrogeno y oxigeno, respectivamente. En una pila de combustible de oxido solida (SOFC), el electrolito se configura para pasar iones de oxigeno, y tiene poca o ninguna conductividad electrica con el fin de impedir el paso de electrones libres del catodo al anodo. A fin de que las reacciones electro-quimicas tengan lugar de manera eficaz, algunas pila de combustible se hacen funcionar a temperaturas elevadas, por ejemplo, con temperaturas de anodo, catodo y electrolito proximas a 700 °C a 1000 °C o mayores para una SOFC.
Durante la operacion normal, se suministra un gas de sintesis en el anodo, y un oxidante, tal como aire, se suministra al catodo. Algunos sistemas de pila de combustible incluyen un reformador interno que reforma cataliticamente el combustible en un gas de sintesis (syngas) mediante el uso de un oxidante. El combustible puede ser un combustible convencional, tal como gas natural, gasolina, combustible diesel, o un combustible alternativo, tal como bio-gas, etc. El gas de sintesis incluye normalmente hidrogeno (H2), que es un gas que se utiliza con frecuencia en pila de combustible de muchos tipos. El gas de sintesis puede contener otros gases adecuados como combustible, tales como monoxido de carbono (CO), que sirve como un reactivo para algunos tipos de pila de combustible, por ejemplo, las pila de combustible SOFC, aunque el monoxido de carbono puede ser perjudicial para otros tipos de pila de combustible, tales como pila de combustible PEM (membrana de intercambio de protones). Ademas, el gas de sintesis incluye normalmente otros subproductos del reformador, tales como vapor de agua y otros gases, por ejemplo, nitrogeno y dioxido de carbono (CO2), metano (normalmente al 1 %), asi como altas trazas de hidrocarburos sin reaccionar, tales como etano.
En cualquier caso, el gas de sintesis se oxida en una reaccion electro-quimica en el anodo con los iones de oxigeno recibidos del catodo a traves de la migracion a traves del electrolito. La reaccion crea vapor de agua y electricidad en forma de electrones libres en el anodo que se utilizan para alimentar la carga electrica. Los iones de oxigeno son creados a traves de una reduccion del oxidante del catodo mediante el uso de los electrones que regresan de la carga electrica en el catodo.
Una vez que se arranca la pila de combustible, los procesos internos mantienen la temperatura requerida para la operacion. Sin embargo, con el fin de arrancar la pila de combustible, los componentes del sistema de pila de combustible primarios se deben calentar, y algunos componentes del sistema de pila de combustible se deben proteger de danos durante el arranque. Por ejemplo, el anodo se puede ver sometido a danos de oxidacion en presencia de oxigeno a temperaturas por debajo de la temperatura de operacion normal en ausencia de gas de sintesis. Ademas, el reformador puede requerir una quimica especifica ademas de calor, con el fin de iniciar las reacciones cataliticas que generan el gas de sintesis. Ademas, el arranque del sistema de pila de combustible se debe realizar de una manera de seguridad, por ejemplo, a fin de evitar una mezcla inflamable de la formacion durante el proceso de arrancada. Aun mas, es deseable purgar la pila de combustible con un gas no explosivo y no oxidante durante la etapa inicial de arrancada.
El documento WO2008/091801 A2 divulga una camara de combustion de multiples etapas para el arranque de un sistema de pila de combustible de la camara de combustion que incluye un quemador de oxidacion parcial.
El documento US 5.928.805 A divulga un sistema de suministro de gas de cubierta y arrancada para un generador de potencia de pila de combustible de oxido solida.
Lo que se necesita en la tecnica es un aparato y un metodo mejorados para el arranque y apagado de una pila de combustible.
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Sumario
La presente invencion proporciona un generador de gas de reduccion de acuerdo con la reivindicacion independiente 1 para el arranque y apagado de una pila de combustible. Ademas, la invencion proporciona un sistema de pila de combustible de acuerdo con la reivindicacion independiente 14. Por ejemplo, las realizaciones de la presente invencion pueden emplear un generador de nitrogeno para generar una corriente rica en nitrogeno, por ejemplo, mediante el uso de una membrana de separacion de nitrogeno, que se puede utilizar para purgar uno o mas componentes del subsistema auxiliares u otros componentes de una planta de potencia de pila de combustible.
Ademas, la misma y/u otras realizaciones de la presente invencion pueden incluir la generacion de un oxidante con bajo contenido de oxigeno, que combina el oxidante con el combustible para producir una mezcla de alimentacion, y convierte despues cataliticamente la mezcla de alimentacion en un gas de reduccion.
Ademas, la misma y/u otras realizaciones de la presente invencion pueden incluir variar el contenido de oxigeno del oxidante y variar tambien la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion a fin de mantener el gas de reduccion a una temperatura deseada, por ejemplo, una temperatura de reaccion o una temperatura aguas abajo del reactor.
Ademas, la misma y/o diferentes realizaciones de la presente invencion pueden incluir controlar el contenido de oxigeno del oxidante y controlar tambien la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion con el fin de mantener una temperatura de salida del catalizador deseada, mientras que proporciona una reduccion deseada de la fuerza del gas de reduccion, por ejemplo, variando el contenido de combustible del gas de reduccion, mientras que se proporciona un caudal deseado del gas de reduccion.
Aun mas, la misma y/o diferentes realizaciones de la presente invencion pueden incluir controlar el contenido de oxigeno del oxidante y controlar tambien la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion con el fin de mantener una temperatura de salida del catalizador deseada, mientras se proporciona una reduccion deseada de la fuerza del gas de reduccion, por ejemplo, variando el contenido de combustible del gas de reduccion, mientras se varia el flujo del gas de reduccion.
Todavia adicionalmente, la misma y/o diferentes realizaciones de la presente invencion pueden incluir controlar el contenido de oxigeno del oxidante y controlar tambien la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion con el fin de mantener una temperatura de salida del catalizador de gas de reduccion deseada, mientras se varia, por ejemplo, cambia, la intensidad de reduccion del gas de reduccion, por ejemplo, variando el contenido de combustible del gas de reduccion.
Aun todavia mas, la misma y/o diferentes realizaciones de la presente invencion pueden incluir el mantenimiento de una temperatura, por ejemplo, de un dispositivo de calentamiento, en o por encima de la temperatura de encendido del catalizador de la mezcla de alimentacion con el fin de reducir la cantidad del tiempo necesario para comenzar a producir el gas de reduccion.
Breve descripcion de los dibujos
La descripcion en la presente memoria hace referencia a los dibujos adjuntos, en los que numeros de referencia se refieren a partes similares en las diversas vistas, y en los que:
La Figura 1 representa esquematicamente un sistema de pila de combustible de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
La Figura 2 representa esquematicamente el sistema de pila de combustible de la Figura 1 con mayor detalle, incluyendo un generador de gas de reduccion de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
Las Figuras 3A-3D son un diagrama de flujo que representa un metodo para el arranque y apagado de una pila de combustible que utiliza un generador de gas de reduccion de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
La Figura 4 es un grafico que representa los parametros de conversion catalitica en un reactor catalitico de un generador de gas de reduccion de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
Descripcion detallada
Con el fin de promover una comprension de los principios de la invencion, a continuacion se hara referencia a las realizaciones ilustradas en los dibujos y un lenguaje especifico sera utilizado para describir las mismas. No obstante, se entendera que ninguna limitacion del alcance de la invencion se pretende por la ilustracion y descripcion de ciertas realizaciones de la invencion. Ademas, cualquier alteracion y/o modificaciones de la realizacion o realizaciones ilustradas y/o descritas se contemplan como dentro del alcance de la presente invencion. Ademas,
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cualquier otra aplicacion de los principios de la invencion, como se ilustra y/o describen en la presente memoria, como se le ocurririan normalmente a un experto en la materia a la que pertenece la invencion, se contemplan como dentro del alcance de la presente invencion.
Con referencia a continuacion a las Figuras, y, en particular, la Figura 1, se representa un esquema de un sistema de pila de combustible 10 de acuerdo con una realizacion de la presente invencion. El sistema de pila de combustible 10 incluye una o mas de una pila de combustible 12, e incluye un sistema de pila de combustible 14. Un generador de gas de reduccion 10 se configura para proporcionar potencia a una carga electrica 16, por ejemplo, a traves de lineas de potencia electrica 18. En la presente realizacion, la pila de combustible 12 es una pila de combustible de oxido solida (SOFC), aunque se entendera que la presente invencion es igualmente aplicable a otros tipos de pila de combustible, tales como las pila de combustible alcalinas, pila de combustible de carbonato fundido (MCFC), pila de combustible de acido fosforico (PAFC), y pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM). En la presente realizacion, el sistema de pila de combustible 10 es adecuado, pero no esta limitado, para su uso en un sistema hibrido de turbina de pila de combustible cuando se emplean corrientes de alimentacion a alta presion.
El generador de gas de reduccion 14 de la presente realizacion se configura para generar un gas de reduccion que tiene un contenido de combustible (que es principalmente hidrogeno - H2 y monoxido de carbono - CO) que puede variar dentro de un intervalo de composicion de contenidos combustibles de aproximadamente el 3 % a contenidos de combustibles de aproximadamente el 45 %. En otras realizaciones, diferentes intervalos de composicion se pueden emplear, por ejemplo, un intervalo de contenido de combustible de aproximadamente el 2 % a un contenido de combustible de aproximadamente el 50 % en algunas realizaciones, y de un contenido de combustible de aproximadamente el 1 % a un contenido de combustible de aproximadamente el 60 % en otras realizaciones. Como se indica mas adelante, el generador de gas de reduccion 14 de la presente realizacion esta adaptado para producir un gas de inicio en la forma de un gas de reduccion que tiene como funcion principal proteger el anodo de la pila de combustible 12 de la oxidacion durante el arranque de la pila de combustible 12, por ejemplo, durante el sistema de calentamiento antes de la generacion de potencia. A medida que se inicia la generacion de potencia, el gas de reduccion transiciona hacia fuera.
En la realizacion de la Figura 1, diversas caracteristicas, componentes e interrelaciones entre los mismos de los aspectos de una realizacion de la presente invencion se representan. Sin embargo, la presente invencion no se limita a la realizacion particular de la Figura 1 ni a los componentes, caracteristicas e interrelaciones entre los mismos como se ilustran en la Figura 1 y se describen en la presente memoria. Por ejemplo, otras realizaciones incluidas en la presente invencion, manifestandose la presente invencion por los principios descritos explicita e implicitamente en la presente memoria a traves de las presentes Figuras y la descripcion detallada y establecidos en las reivindicaciones, pueden incluir un mayor o menor numero de componentes, caracteristicas y/o interrelaciones entre los mismos, y/o pueden emplear diferentes componentes y/o caracteristicas con la misma y/o diferente naturaleza y/o relaciones entre los mismos, que se pueden emplear para realizar funciones similares y/o diferentes en relacion con aquellas ilustradas en la Figura 1 y descritas en la presente memoria.
Con referencia a continuacion a la Figura 2, la pila de combustible 12 y el generador de gas de reduccion 14 se describen con mayor detalle. La pila de combustible 12 incluye al menos uno de cada uno de un anodo 20, un electrolito 22, un catodo 24, y un reformador 26. El anodo 20, el electrolito 22 y el catodo 24 se consideran parte de la pila de combustible 12. El reformador 26 es un reformador de vapor interno que recibe vapor de agua como un constituyente de una corriente de gas producto reciclada de pila de combustible, y el calor para la operacion de las reacciones electro-quimicas de la pila de combustible 12. El generador de gas de reduccion 14 no es una parte de la pila de combustible 12, sino mas bien, se configura para la generacion de gases para su uso en el arranque y apagado de la pila de combustible 12.
El anodo 20 se acopla electricamente a una carga electrica 16 a traves de linea de potencia electrica 18, y el catodo 24 se acopla tambien electricamente a la carga electrica 16 a traves de la otra linea de potencia electrica 18. El electrolito 22 se dispone entre el anodo 20 y el catodo 24. El anodo 20 y el catodo 24 son electricamente conductores, y son permeables al oxigeno, por ejemplo, iones de oxigeno. El electrolito 22 se configura para pasar los iones de oxigeno, y tiene poca o ninguna conductividad electrica, por ejemplo, a fin de impedir el paso de electrones libres desde el catodo 24 hasta el anodo 20.
El reformador 26 se acopla al anodo 20, y se configura para recibir un combustible y un oxidante y para reformar de la mezcla de combustible/oxidante en un gas de sintesis (syngas) que consiste principalmente en hidrogeno (H2), monoxido de carbono (CO), asi como otros subproductos del reformador, tales como vapor de agua en forma de vapor, y otros gases, por ejemplo, nitrogeno y dioxido de carbono (CO2), metano sin reaccionar (CH4), asi como trazas de hidrocarburos sin reaccionar. En la presente realizacion, el oxidante empleado por pila de combustible 12 durante la operacion normal, es decir, en el modo de produccion de potencia para suministrar potencia electrica a la carga electrica 16, es aire, y el combustible es gas natural, aunque se entiende que otros oxidantes y/o combustibles se pueden emplear sin apartarse del alcance de la presente invencion.
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El gas de smtesis se oxida en una reaccion electro-qmmica en el anodo 20 con los iones de oxigeno recibidos del catodo 24 a traves de la migracion a traves del electrolito 22. La reaccion electro-qmmica crea vapor de agua y potencia electrica en una forma de electrones libres en el anodo que se utilizan para accionar la carga electrica 16. Los iones de oxigeno se crean a traves de una reduccion del oxidante del catodo mediante el uso de los electrones que retornan de la carga electrica 16 en el catodo 24.
Una vez que se arranca la pila de combustible 12, los procesos internos mantienen la temperatura requerida para las operaciones normales de generacion de potencia. Sin embargo, con el fin de arrancar la pila de combustible, los componentes primarios del sistema de pila de combustible se deben calentar, incluyendo el anodo 20, el electrolito 22, el catodo 24 y el reformador 26.
Ademas, algunos componentes de la pila de combustible 12 pueden estar protegidos de danos durante el arranque, por ejemplo, debido a la oxidacion. Por ejemplo, el anodo 20 se puede ver sometido a dano oxidativo en presencia de oxigeno a temperaturas por encima de la ambiente, pero por debajo de la temperatura de operacion normal de la pila de combustible 12 en ausencia de gas de smtesis. Tambien, el reformador 26 puede necesitar una quimica especifica, por ejemplo, H2O en forma de vapor, ademas del calor proporcionado durante el arranque de la pila de combustible 12, con el fin de iniciar las reacciones cataliticas que generan el gas de smtesis. Ademas, es deseable que la pila de combustible 12 se pueda arrancar de manera de seguridad, por ejemplo, a fin de evitar la formation de una mezcla combustible durante el proceso de arrancada. Por lo tanto, puede ser deseable purgar el anodo 20 con un gas de reduccion no inflamable durante el arranque inicial a medida que se aumenta la temperatura del anodo 20. En un aspecto, una caracteristica del generador de gas de reduccion 14 es que el gas de reduccion se puede diluir suficientemente en combustibles para evitar la formacion potencial de una mezcla inflamable (es decir, potencialmente explosiva) tras la mezcla con el aire. Esto puede ser deseable durante la portion de baja temperatura de calentamiento de la pila de combustible 12 donde cualquier combustible mezclado con el aire se encuentra por debajo de la temperatura de auto-ignicion, y por lo tanto, se puede acumular potencialmente para formar cantidades peligrosas de gases inflamables potencialmente a presion dentro del recipiente que contiene de la pila de combustible 12.
La fuerza de gas de reduccion para la protection del anodo 20 de la pila de combustible 12 a partir de la migracion de oxigeno puede ser bastante alta, por ejemplo, hasta un contenido de combustible del 45 % en la presente realization, hasta el 50 % en otras realizaciones, y hasta un contenido de combustible del 60 % en otras realizaciones adicionales. Los mecanismos que causan la migracion de oxigeno a traves del electrolito 22 hasta el lado del anodo 20 de la pila de combustible 12 son a menudo dependientes de la temperatura, e incluyen la permeation a oxigeno a traves del electrolito 22 o transferencia de oxigeno inducida por corrientes de cortocircuito. Ademas, los mecanismos de fugas fisicos pueden empeorar con la temperatura a medida que los materiales se expanden de forma diferencial. Por tanto, la capacidad del generador de gas de reduccion 14 para aumentar el contenido de combustible a altas temperaturas de la pila de combustible 12 durante el arranque puede ser particularmente util en la proteccion del anodo 20 contra danos oxidativos.
Desde una perspectiva de seguridad, puede ser posible pasar a una mayor intensidad de reduccion a temperaturas mas altas de la pila de combustible 12 durante el arranque, puesto que la posibilidad de mezclar el gas de reduccion con un volumen de presion de aire para formar una mezcla combustible en o cerca de la pila de combustible 12 se reduce si el gas de reduccion es superior a la temperatura de auto-ignicion, debido a que el gas de reduccion tenderia a quemarse inmediatamente despues de la mezcla con el aire. Ademas, esto puede evitar la acumulacion de una mezcla inflamable que puede deflagrarse potencialmente si la mezcla entrara repentinamente en contacto con una fuente de ignition, ya que tal mezcla tenderia a quemarse inmediatamente cuando se encuentra por encima de la temperatura de auto-ignicion, en vez de acumular una gran cantidad de la mezcla.
Por lo tanto, en algunas realizaciones, puede ser deseable operar el generador de gas de reduccion 14 de tal manera que el gas de reduccion se encuentre inicialmente reduciendo debilmente y muy por debajo del limite de inflamabilidad, por ejemplo, contenido de combustible del 3 % en la presente realizacion, aunque otros valores se pueden emplear, por ejemplo, contenido de combustible del 2 % en algunas realizaciones y un contenido de combustible del 1 % o menos en otras realizaciones. En todavia otras realizaciones, el contenido de combustible puede ser superior al 3 %. El contenido de combustible puede posteriormente cambiar a una condition de reduccion fuerte (es decir, combustibles superiores) (mayor intensidad de reduccion) cuando las condiciones de temperatura en la pila de combustible 12, por ejemplo, en el anodo 20, son lo suficientemente altas como para asegurar que el gas de reduccion se encuentra muy por encima de su limite de inflamabilidad inferior. Por ejemplo, la condicion de reduccion fuerte puede ser de hasta un contenido combustibles del 45 % en la presente realizacion, de hasta un contenido combustibles del 50 % en otras realizaciones, y de hasta un contenido combustibles del 60 % o mas en otras realizaciones, dependiendo de las condiciones en la pila de combustible 12. Una mayor entrada de energia al sistema con un gas de reduccion mas fuerte se puede compensar por la disminucion del flujo de combustible al quemador de gases de escape de la planta de potencia de pila de combustible para dichas plantas, con tales equipos.
En consecuencia, las realizaciones de la presente invention pueden emplear el generador de gas de reduccion 14 para generar un gas de purga para purgar la pila de combustible 12 de oxidantes, en particular, en el catodo 24, asi
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como para generar un gas de seguridad, es dedr, un gas de reduccion debil que tiene un nivel relativamente bajo de combustibles.
Ademas, las realizaciones de la presente invencion pueden tambien emplear el generador de gas de reduccion 14 para producir un gas de reduccion de intensidad de reduccion variable. La composicion del gas de reduccion proporcionado mediante el generador de gas de reduccion 14 se puede configurar tambien para contener vapor adecuado para iniciar la operacion del reformador interno 26 a medida que se inicia el flujo de corriente de combustible de la pila de combustible 12, por ejemplo, gas natural. En consecuencia, el gas de reduccion suministrado a la pila de combustible 12 procedente del generador de gas de reduccion 14 se puede considerar como un gas de transicion puesto que la produccion de potencia por la pila de combustible 12 se intensifica. Ademas, el generador de gas de reduccion 14 de la presente realization puede ser capaz de una rapida arrancada, por ejemplo, para la protection de anodo 20 en el caso de eventos de apagado de emergencia en la pila de combustible 12, por ejemplo, mediante el mantenimiento de ciertos elementos del generador de gas de reduccion 14 a temperaturas elevadas con el fin de acelerar el inicio de las reacciones cataliticas que producen el gas de reduccion.
En la presente realizacion, como se ilustra en la Figura 2, el generador de gas de reduccion 14 incluye un sistema de combustible 28, un sistema de oxidante 30, una camara de fusion 32, y un reactor catalitico 34 que tiene un catalizador 36. En la presente realizacion, las salidas del sistema de combustible 28 y del sistema de oxidante 30 se combinan en la camara de fusion 32 y se dirigen a alimentar la pila de combustible 12 a traves del reactor catalitico 34 para proporcionar selectivamente gas de purga, gas de seguridad, y el gas de reduccion de fuerza variable hasta el anodo 20 y el reformador 26.
En la realizacion representada en la Figura 2, diversas caracteristicas, componentes e interrelaciones entre los mismos de los aspectos de una realizacion de la presente invencion se representan. Sin embargo, la presente invencion no esta limitada a la realizacion particular de la Figura 2 ni a los componentes, las caracteristicas e interrelaciones entre los mismos como se ilustran en la Figura 2 y se describen aqui. Por ejemplo, otras realizaciones incluidas en la presente invencion, manifestandose la presente invencion por los principios descritos explicita e implicitamente en la presente memoria a traves de las presentes Figuras y la description detallada y establecidos en las reivindicaciones, pueden incluir un mayor o menor numero de componentes, caracteristicas y/o interrelaciones entre los mismos, y/o pueden emplear diferentes componentes y/o caracteristicas con la misma y/o diferente naturaleza y/o relaciones entre los mismos, que se pueden emplear para realizar funciones similares y/o diferentes en relation con aquellas ilustradas en la Figura 2 y descritas aqui.
En cualquier caso, en la realizacion de la Figura 2, el sistema de combustible 28 incluye una entrada de combustible 38, un regulador de presion 40, un sorbente de captura de azufre 42, un controlador de flujo de combustible 44, y una valvula de control combustible de posicion/salida variable 46. La entrada de combustible 38 se configura para recibir un combustible de hidrocarburo, por ejemplo, gas natural, y sirve como una fuente del combustible de hidrocarburo utilizada por el generador de gas de reduccion 14. El regulador de presion 40 se acopla de manera fluida a la entrada de combustible 38, y regula la presion del combustible de hidrocarburo. El sorbente de captura de azufre 42 se acopla de manera fluida a regulador de presion 40, y se configura para capturar el azufre de la corriente de combustible recibida procedente del regulador de presion de combustible 40. El controlador de flujo de combustible 44 y la valvula de control de combustible 46 se acoplan a la salida del sorbente de captura de azufre 42, y se configuran para controlar la cantidad de combustible suministrado a la camara de fusion 32.
El sistema oxidante 30 funciona como una fuente de oxidante para el generador de gas de reduccion 14, e incluye una entrada de aire 48, un compresor de aire 50 como una fuente de aire a presion, un regulador de presion 52, un generador de nitrogeno 54 que tiene una membrana de separation de nitrogeno 56, una valvula de control de aire de posicion/salida variable 58, un controlador de flujo de aire 60, una valvula de control de oxidante de posicion/salida variable 62, un controlador de flujo de oxidante 64 y un sensor de oxigeno 66.
La entrada de aire 48 puede ser cualquier estructura o abertura capaz de proporcionar aire, y se acopla de manera fluida al compresor de aire 50, que comprime el aire ambiente recibido de la atmosfera. El regulador de presion 52 se acopla de manera fluida al compresor de aire 50, y regula la presion de aire suministrado al generador de gas de reduccion 14. La valvula de control de aire 58 es parte de un sistema de carga de aire estructurado para anadir aire de forma variable al gas rico en nitrogeno recibido del generador de nitrogeno 54 para producir un oxidante que tiene un contenido de O2 variable.
El contenido O2 se puede detectar por el sensor de oxigeno 66, que se puede utilizar por el sistema de control del generador de gas de reduccion 14 para variar el contenido de O2 del oxidante suministrado a la camara de fusion 32. Por ejemplo, en condiciones de operacion normales, el contenido de O2se controla basandose en una temperatura de control, por ejemplo, la temperatura del catalizador 36 en la presente realizacion, aunque otras temperaturas se pueden utilizar en otras realizaciones, por ejemplo, la temperatura de salida del gas de reduccion mediante el generador de gas de reduccion 14. Sin embargo, durante el arranque del generador de gas de reduccion 14, el sensor de oxigeno 66 se puede utilizar para proporcionar retroalimentacion hasta que la temperatura esta disponible como una retroalimentacion. La cantidad o flujo del oxidante que tiene el contenido de O2 variable se controla por la
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valvula de control de oxidante 62 y el controlador de flujo de oxidante 64.
El generador de nitrogeno 54 se configura para generar una corriente rica en nitrogeno, que se puede utilizar como un gas de purga, y que tambien se puede combinar con el aire para formar una corriente oxidante de bajo contenido de oxigeno (O2), por ejemplo, una corriente de aire con nitrogeno diluido, utilizada por el generador de gas de reduccion 14 para formar un gas de reduccion. La pureza de la corriente rica en nitrogeno puede variar con las necesidades de la aplicacion particular, por ejemplo, y puede consistir esencialmente en nitrogeno. Como alternativa, se considera que en otras realizaciones, se pueden emplear otros gases en lugar de o ademas de nitrogeno, tales como argon o helio, para su uso como gas de purga y/o como un constituyente de una corriente de oxidante de bajo contenido de O2, por ejemplo, como diluyente (diluyente) de aire. En la presente memoria, "oxidante de bajo contenido de O2" significa que el contenido de oxigeno de la corriente de oxidante es menor que el del aire atmosferico en las mismas condiciones de presion y temperatura.
El generador de nitrogeno 54 y la valvula de control de aire 58 se acoplan fluidamente en paralelo al regulador de presion 52, y reciben aire a presion desde el compresor de aire 50 para su uso en las operaciones del generador de gas de reduccion 14. El generador de nitrogeno 54 tiene una salida 54A, por ejemplo, una abertura o paso estructurado para descargar los productos del generador de nitrogeno 54. El generador de nitrogeno 54 esta estructurado para recibir el aire procedente de la entrada de aire 48, extraer el oxigeno (O2) del aire, y descargar el equilibrio en la forma de un gas rico en nitrogeno desde la salida. El O2 extraido se descarga del generador de nitrogeno 54 a la atmosfera en la presente realization, aunque se entendera que en otras realizaciones, el O2 extraido se puede emplear para otros fines relacionados con la pila de combustible 12 y/o el generador de gas de reduccion 14, por ejemplo, como parte de una corriente de oxidante.
La membrana de separation de nitrogeno 56 del generador de nitrogeno 54 se configura para separar el oxigeno del aire recibido de la entrada de aire 48, y proporciona la corriente rica en nitrogeno, que despues se combina con el aire suministrado por la valvula de control de aire 58 para obtener el oxidante de bajo contenido de O2, que se entrega a la valvula de control de oxidante 62. La valvula de control de oxidante 62 se acopla de manera fluida con las salidas de tanto el generador de nitrogeno 54 como de la valvula de control de aire 58. El sensor de oxigeno 66, que pueden tener la forma de un analizador de O2, se acopla de manera fluida aguas abajo a la valvula de control de oxidante 62, y proporciona una senal de control a traves de la linea de control 68 que acopla comunicativamente el sensor de oxigeno 66 con el controlador de flujo de aire 60. El controlador de flujo de aire 60 proporciona senales de control a la valvula de control de aire 58 para controlar la cantidad de aire anadido a la corriente rica en nitrogeno basandose en la entrada de control del sensor de oxigeno 66.
La camara de fusion 32 esta en comunicacion fluida con la salida del generador de nitrogeno 54 y la entrada de combustible 38, y esta estructurada para recibir y combinar el combustible de hidrocarburo y el gas rico en nitrogeno y descargar una mezcla de alimentation que contiene tanto el combustible como el oxidante que incluye el gas rico en nitrogeno en el reactor catalitico 34. El reactor catalitico 34 esta estructurado para recibir la mezcla de alimentacion y convertir cataliticamente la mezcla de alimentacion en un gas de reduccion. La forma de la camara de fusion 32 es una simple conexion de fontaneria que une la corriente de oxidante con la corriente de combustible en la presente realizacion, aunque cualquier disposition que este estructurada para combinar una corriente de oxidante con una corriente de combustible se puede emplear sin apartarse del alcance de la presente invention. Por ejemplo, se puede emplear una camara de mezcla dedicada que tiene paletas generadoras de vortices para mezclar las corrientes.
El generador de gas de reduccion 14 incluye una valvula de control de inicio que tiene un elemento de valvula 70 y un elemento de valvula 72; y un calentador de mezcla de alimentacion 74, que se puede utilizar para iniciar el proceso de generation de gas de reduccion. En una forma, lo elementos de valvula 70 y 72 son parte de un elemento de valvula combinado. Las entradas de los elementos de valvula 70 y 72 se acoplan de manera fluida a la camara de fusion 32 aguas debajo de la misma. La salida del elemento de valvula 70 se acopla de manera fluida al reactor catalitico 34 para proporcionar la mezcla de alimentacion al catalizador 36 del reactor catalitico 34. La salida del elemento de valvula 72 se acopla de forma fluida a la entrada del calentador de mezcla de alimentacion 74. En una forma, la valvula de control de inicio es una valvula de tres vias que opera los elementos de valvula 70 y 72 para dirigir el flujo que entra en la valvula de control de inicio en el reactor catalitico 34 directamente o por medio del calentador de mezcla de alimentacion 74. Como alternativa, se considera que otras disposiciones de valvula se pueden emplear, tal como una par de valvulas de control de inicio individuales en lugar de la valvula de control de inicio con elementos de valvula 70 y 72.
El calentador de mezcla de alimentacion 74 incluye un cuerpo de calentamiento 76 y una bobina de flujo 78 dispuesto adyacente al cuerpo de calentamiento 76. La salida del calentador de mezcla de alimentacion 74 se acopla de forma fluida al reactor catalitico 34 para proporcionar la mezcla de alimentacion caliente al catalizador 36 del reactor catalitico 34. En el modo de operation normal, los elementos de valvula 70 y 72 dirigen toda la mezcla de alimentacion directamente al reactor catalitico 34. En el modo de arranque, la mezcla de alimentacion se dirige a traves del calentador de mezcla de alimentacion 74. En una forma, la totalidad de la mezcla de alimentacion se dirige a traves del calentador de mezcla de alimentacion 74, aunque en otras realizaciones, cantidades menores se pueden calentar.
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El calentador de mezcla de alimentacion 74 se configura para "encender" el catalizador 36 del reactor catalitico 34 (iniciar la reaccion catalftica de combustible y oxidante) mediante el calentamiento de la mezcla de alimentacion, que se suministra despues al reactor catalitico 34. En una forma, la mezcla de alimentacion se calienta por el calentador de mezcla de alimentacion 74 a una temperatura de precalentamiento por encima de la temperatura de encendido del catalizador de la mezcla de alimentacion (la temperatura de encendido del catalizador es la temperatura a la que se inician las reacciones en el catalizador, por ejemplo, el catalizador 36). Una vez que el catalizador 36 esta encendido, las reacciones exotermicas que tienen lugar en el catalizador 36 mantienen la temperatura del reactor catalitico 34 en un nivel controlado, tal como se expone a continuacion. Ademas, una vez se enciende el catalizador 36 puede que ya no sea necesario calentar la mezcla de alimentacion, en cuyo caso los elementos de valvula 70 y 72 se situan para dirigir la totalidad de la mezcla de alimentacion directamente al reactor catalitico 34, sin pasar por el calentador de alimentacion de mezcla 74.
Con el fin de proporcionar un suministro rapido de gas de reduccion en caso de una apagado repentina de la pila de combustible 12, el cuerpo de calentamiento 76 se configura para mantener continuamente una temperatura suficiente para encender el catalizador 36 durante las operaciones de produccion de potencia normales de pila de combustible 12. Es decir, mientras que la pila de combustible 12 esta operando en modo de produccion de potencia para suministrar potencia a la carga electrica 16, que es el modo de operacion normal de la pila de combustible 12, el cuerpo de calentamiento 76 mantiene una temperatura de precalentamiento suficiente para calentar la mezcla de alimentacion con el fin de poder de encender rapidamente el catalizador para el arranque del generador de gas de reduccion 14 de modo que el gas de reduccion se puede suministrar a la pila de combustible 12 durante la apagado.
Ademas, uno o mas calentadores catalizadores 80 se disponen adyacentes al reactor catalitico 34, y se configuran para calentar el catalizador 36 y mantener el catalizador 36 a una temperatura de precalentamiento que se encuentra en o por encima de la temperatura de encendido del catalizador para la mezcla de alimentacion suministrada al reactor catalitico 34. Esta temperatura de precalentamiento se mantiene durante las operaciones normales de la pila de combustible 12 en el modo de produccion de potencia en caso de una necesidad repentina de gas de reduccion, por ejemplo, en el caso de tener que apagar la pila de combustible 12.
En otras realizaciones, se considera como alternativa que otro calentador 82 se puede utilizar en lugar de o ademas de los calentadores 74 y 80, por ejemplo, un calentador 82 situado adyacente al reactor catalitico 34 en el lado aguas arriba. Una disposicion de este tipo se puede emplear para suministrar calor mas directamente al catalizador 36 con el fin de iniciar la reaccion cataiitica de la mezcla de alimentacion en una porcion aguas arriba del reactor catalitico 34.
En la presente realizacion, los calentadores 74, 80 y 82 son calentadores electricos, aunque se considera que, como alternativa, en otras realizaciones, se pueden emplear calentadores de combustion indirectos ademas de o en lugar de los calentadores electricos. Ademas, aunque la presente realizacion emplea tanto el calentador de mezcla de alimentacion 74 y los calentadores 80 para encender rapidamente la mezcla de alimentacion en el catalizador, se considera, como alternativa, que en otras realizaciones, solo uno de tales calentadores se puede emplear, o un mayor numero de calentadores se pueda emplear, sin apartarse del alcance de la presente invencion.
Un sensor de temperatura de control 84 se situa adyacente al catalizador 36 del reactor catalitico 34, y esta estructurado para medir la temperatura del catalizador 36. En una forma, el sensor de temperatura de control 84 esta estructurado para proporcionar una senal que indica la temperatura de una porcion del catalizador 36 a traves de una linea de deteccion 92 que acopla comunicativamente el controlador de flujo de aire 60 con el sensor de temperatura de control 84. La temperatura de control es una temperatura empleada por el sistema de control 96 en la regulacion de la salida del generador de gas de reduccion 14. El controlador de flujo de aire 60 se configura para dirigir las operaciones de la valvula de control de aire 58 basandose en la senal recibida desde el sensor de temperatura de control 84 junto con la senal recibida desde el sensor de oxigeno 66. En otra forma, se pueden detectar otras temperaturas con la finalidad de controlar el generador de gas de reduccion 14. Por ejemplo, en una de tales realizaciones, la temperatura del gas de reduccion producido por el generador de gas de reduccion 14, por ejemplo, como la salida del reactor catalitico 34, se puede medir y utilizar como una retroalimentacion de la temperatura de control para dirigir las operaciones de la valvula de control de aire 58.
Un sensor de deteccion de combustibles 86 en el gas de reduccion, que en la presente realizacion esta en la forma de un sensor de hidrogeno (H2) o analizador de H2, se configura para determinar la cantidad de uno o mas combustibles, por ejemplo, por ciento en moles, presentes en la salida del gas de reduccion con el reactor catalitico 34. En otras realizaciones, el sensor de deteccion de combustibles 86 en el gas de reduccion puede estar en la forma de un sensor o un analizador de monoxido de carbono (CO) ademas de o en lugar del sensor/analizador de H2. En cualquier caso, una linea de control 94 acopla comunicativamente el controlador de flujo de combustible 44 y el sensor de deteccion de combustibles 86 en el gas de reduccion. El sensor de deteccion de combustibles 86 en el gas de reduccion se configura para suministrar una senal que refleja el contenido de combustible en el gas de reduccion a alimentarse en el controlador de flujo de combustible 44. El controlador de flujo de combustible 44 se configura para controlar la cantidad de combustible suministrado a la camara de fusion 32.
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La salida de gas de reduccion a traves del reactor catalitico 34 se enfria utilizando un intercambiador de calor 88. En una forma, el intercambiador de calor 88 es un intercambiador de calor indirecto. En otras realizaciones, se pueden emplear otros tipos de intercambiadores de calor. En una forma, el sensor de deteccion de combustibles 86 en el gas de reduccion se situa corriente abajo del intercambiador de calor 88. En otras formas, el sensor de deteccion de combustibles 86 en el gas de reduccion se puede situar en otros lugares, por ejemplo, aguas arriba del intercambiador de calor 88 o en el interior de o montado en el intercambiador de calor 88.
La salida de presion del reactor catalitico 34 se mantiene mediante un regulador de contrapresion 90 aguas abajo del intercambiador de calor 88. El intercambiador de calor 88 mantiene la temperatura del gas de reduccion aguas abajo de reactor catalitico 34 a un nivel adecuado para evitar danos al regulador de contrapresion 90. En una forma, el gas de reduccion se enfria hasta entre 100 °C y 150 °C mediante el uso de aire de enfriamiento. En otras realizaciones, otros fluidos adecuados se pueden utilizar como el disipador de calor, y otras temperaturas se pueden utilizar. En una forma, un bucle de control (no mostrado) se puede utilizar para controlar la temperatura del gas de reduccion que sale del intercambiador de calor 88 mediante la variacion del flujo del aire de enfriamiento u otro fluido de enfriamiento.
La salida del generador de gas de reduccion 14 se acopla de manera fluida al reactor catalitico 34, y esta en comunicacion fluida con el anodo 20, por ejemplo, ya sea directamente o por medio del reformador 26. La salida del regulador de contrapresion 90 sirve como una salida de gas de reduccion en la presente realization, y se opera para dirigir el gas de reduccion hasta el anodo 20 y el reformador 26. La "salida de gas de reduccion" es la salida del generador de gas de reduccion 14 que descarga el producto del generador de gas de reduccion 14 en la pila de combustible 12, y puede ser una o mas de cualquiera de una abertura o paso estructurado para descargar los productos del generador de gas de reduccion 14.
El controlador de flujo de combustible 44, el controlador de flujo de aire 60 y el controlador de flujo de oxidante 64 forman un sistema de control 96 que esta estructurado para controlar la temperatura y la composition quimica de la mezcla de producto suministrada desde el reactor catalitico 34 basandose en la salida de senales por el sensor de oxigeno 66 (durante el arranque en la presente realizacion), el sensor de temperatura de control 84 y la sensor de deteccion de combustibles 86 en el gas de reduccion. En particular, la valvula de control de aire 58 se controla por el controlador de flujo de aire 60 para regular el contenido de O2 de la corriente de oxidante suministrada a la camara de fusion 32, por ejemplo, la cantidad de O2 expresada como un porcentaje en moles del O2 en la corriente de oxidante. La valvula de control de oxidante 62 se controla por el controlador de flujo de oxidante 64 para regular el flujo de la corriente de oxidante formada de gas rico en nitrogeno y aire suministrado a la camara de fusion 32. La valvula de control de combustible 46 se controla por el controlador de flujo de combustible 44 para regular la cantidad de combustible de hidrocarburo suministrado a la camara de fusion 32.
Por lo tanto, en la presente realizacion, el sistema de control 96 se configura para controlar el contenido de oxigeno (O2) de la corriente de oxidante, y controlar tambien la relation oxidante/combustible de la mezcla de alimentation, que se define por una relacion de la cantidad de oxidante en la mezcla de alimentacion con respecto a la cantidad de combustible de hidrocarburo en la mezcla de alimentacion, por ejemplo, el caudal masico de la corriente de oxidante en relacion con el caudal masico de la corriente de combustible de hidrocarburo. En particular, el contenido de O2 de la corriente de oxidante suministrada a la camara de fusion 32 se controla por la valvula de control de aire 58 a traves de la salida de controlador de flujo de aire 60 basandose en la senal recibida desde el sensor de oxigeno 66. Ademas, la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion suministrada al reactor catalitico 34 se controla por la valvula de control de combustible 46 y la valvula de control de oxidante 62 bajo la direction del controlador de flujo de combustible 44 y del controlador de flujo de oxidante 64, respectivamente. En una forma, el flujo de la salida del gas de reduccion a traves del generador de gas de reduccion 14 se controla por la valvula de control de oxidante 62, por ejemplo, incluyendo un desplazamiento u otra compensation para tener en cuenta la cantidad de combustible en la mezcla de alimentacion, mientras que la relacion oxidante/combustible se controla, a continuation, mediante la valvula de control de combustible 46. En otras realizaciones, se pueden emplear otros esquemas de control.
En la presente realizacion, cada uno del controlador de flujo de combustible 44, controlador de flujo de aire 60 y controlador de flujo de oxidante 64 se basan en un microprocesador, y ejecutan instrucciones de programa en forma de software con el fin de realizar los actos descritos en la presente memoria. Sin embargo, se contempla, como alternativa, que cada uno de tales controladores y de las instrucciones de programa correspondientes pueden estar en la forma de cualquier combination de software, firmware y hardware, y pueden reflejar la salida de dispositivos discretos y/o circuitos integrados, que se pueden situar conjuntamente en una ubicacion particular o distribuirse a traves de mas de una ubicacion, incluyendo todos los dispositivos digitales y/o analogicos configurados para lograr los mismos resultados o resultados similares como un contralado basado en procesador que ejecuta instrucciones basadas en software o firmware, sin apartarse del alcance de la presente invention. Ademas, se entendera que cada uno del controlador de flujo de combustible 44, controlador de flujo de aire 60 y controlador de flujo de oxidante 64 puede ser parte de un unico sistema de control integrado, por ejemplo, un microordenador, sin apartarse del alcance de la presente invencion.
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En cualquier caso, el sistema de control 96 se configura para ejecutar instrucciones de programa tanto para variar el contenido de O2 de la corriente de oxidante como para variar la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion mientras se mantiene una temperatura seleccionada del gas de reduccion con el fin de conseguir un contenido de combustible seleccionado a un caudal deseado. El caudal se puede variar, por ejemplo, dependiendo de la aplicacion o fase operativa particular. El sistema de control 96 varia el contenido de O2 de la corriente de oxidante y la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion basandose en la salida del sensor de temperatura de control 84, el sensor de oxigeno 66 y el sensor de deteccion de combustibles 86 en el gas de reduccion.
El generador de gas de reduccion 14 se puede emplear durante el arranque y apagado de la pila de combustible 12, por ejemplo, para proporcionar el gas de reduccion de varias fuerzas de reduccion, incluyendo el gas de reduccion en la forma de un gas de seguridad (no inflamable), y en algunas realizaciones, para proporcionar un gas de purga sin combustibles.
El gas de reduccion se genera mediante la combinacion de la corriente rica en nitrogeno con aire suministrado a traves de la valvula de control de aire 58 para formar la corriente de oxidante, que se regula con la valvula de control de oxidante 62 y se combina con el combustible de hidrocarburo suministrado a traves de la valvula de control de combustible 46 para formar la mezcla de alimentacion que se convierte cataliticamente en el reactor catalitico 34 en el gas de reduccion. Como se expone en la presente memoria, el contenido de O2 de la corriente de oxidante y la relacion de combustible/oxidante de la mezcla de alimentacion se varia por el sistema de control 96 con el fin de regular la temperatura de control, por ejemplo, en el reactor catalitico 34, mientras que tambien se controla la intensidad de reduccion del gas de reduccion para lograr el contenido combustibles seleccionado al caudal deseado.
El contenido de combustible se puede seleccionar con el fin de proporcionar la configuracion quimica apropiada del gas de reduccion durante las diversas fases en los procesos de arrancada y apagado de la pila de combustible 12. En la presente realizacion, el sistema de control 96 esta estructurado para mantener la temperatura de control, por ejemplo, la temperatura del catalizador 36, mientras que se varia el contenido de combustible. Por ejemplo, la intensidad de reduccion se puede variar de una reduccion debil, es decir, una intensidad de reduccion baja, a efectos de la formacion de un gas de seguridad, a una intensidad de reduccion alta que tiene un mayor contenido de combustible. El contenido de combustible es principalmente en la forma de hidrogeno (H2) y monoxido de carbono (CO).
El gas de seguridad se puede suministrar a la pila de combustible 12 durante el aumento hasta alcanzar la temperatura de operacion de la pila de combustible. En una forma, el gas de reduccion se puede suministrar a la pila de combustible 12 en forma de un gas de seguridad al reformador de transicion 26 en servicio. En otra forma, a medida que aumenta la temperatura de operacion de la pila de combustible 12, por ejemplo, la temperatura del anodo 20 y del reformador 26, la fuerza del gas de reduccion se puede aumentar aumentando el contenido de combustible del gas de reduccion, que puede asi proteger el anodo 20 a temperaturas superiores a las que de otro modo se podria producir una cantidad significativa de dano oxidativo, por ejemplo, debido a la migracion de oxigeno a traves del electrolito 22 u otras fugas. Ademas, como el anodo 20 (y/o el reformador 26, en algunas realizaciones) se aproxima a las temperaturas de operacion normales, el contenido de combustible del gas de reduccion se puede aumentar adicionalmente para lograr niveles de contenido de combustible similares a los del gas de sintesis que se produce por reformador 26 durante las operaciones normales de generacion de potencia de la pila de combustible 12, que puede ayudar a iniciar las reacciones de produccion de potencia electrica normales del anodo 20. En realizaciones en las que suministran al reformador 26, esto puede ayudar a iniciar las reacciones cataliticas operativas normales del reformador 26.
En cuanto al gas de purga, en algunas realizaciones, un gas de purga no combustible se puede generar por el generador de nitrogeno 54 en la forma de una corriente rica en nitrogeno, por ejemplo, que consiste principalmente en nitrogeno, que se puede suministrar a las pila de combustible 12 a traves del regulador de contrapresion 90, aunque otros sistemas de plomeria para dirigir la salida del generador de nitrogeno 54 a la pila de combustible 12 se pueden emplear como alternativa. En una forma, el gas de purga se puede suministrar a la pila de combustible 12, por ejemplo, para purgar uno o mas del catodo 24 y/u otros componentes de la pila de combustible 12, por ejemplo, cuando se desea un arranque en frio de la pila de combustible 12. En otra forma, el gas de purga se puede suministrar a la pila de combustible 12 para purgar la pila de combustible 12 antes de su mantenimiento. En otra forma mas, el generador de nitrogeno 54 y/o un segundo generador de nitrogeno se pueden emplear para crear un gas de purga. Por ejemplo, en el caso de una perdida de suministro de aire principal de la planta de potencia durante una apagado de emergencia, una purga en el catodo rica en nitrogeno se puede suministrar al catodo 24 con, por ejemplo, mediante el uso del generador de nitrogeno 54 y/o un segundo generador de nitrogeno, mientras que el generador de nitrogeno 54 se utiliza para generar el gas de reduccion suministrado al bucle del anodo 20. Tales realizaciones se pueden utilizar para asegurar que mezclas no inflamables "seguras" residan en el recipiente de la pila de combustible 12.
Habiendo descrito de este modo medios a modo de ejemplo para variar el contenido de combustible de la salida de gas de reduccion a traves del reactor catalitico 34 mientras se mantiene una temperatura de salida de gas de reduccion constante del reactor catalitico 34, incluyendo medios para variar el contenido de O2 en el oxidante
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suministrado a la camara de fusion 32 y medios para variar la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion que sale de la camara de fusion 32, una realizacion a modo de ejemplo de un metodo para generar un gas de purga y un gas de reduction para el arranque y apagado de una pila de combustible se describe como sigue. La realizacion a modo de ejemplo se describe con respecto a las Figuras 3A-3D, que forman un diagrama de flujo que tiene bloques de control B100-B146 que representan un metodo para el arranque y apagado de una pila de combustible. Si bien una secuencia particular de eventos se ilustra y describe en la presente memoria, se entendera que la presente invention no esta tan limitada, y que se pueden emplear otras secuencias que tienen el mismo o diferentes actos en numeros menores o mayores y en el mismo o diferente orden sin apartarse del alcance de la presente invencion.
Con referencia a continuation a la Figura 3A, en el bloque B100, una orden para arrancar la pila de combustible 12 se recibe por el sistema de control 96, por ejemplo, a traves de un operario de la pila de combustible 12.
En el bloque B102, se acopla un sistema de derivation. El sistema de derivation abre una linea de ventilation para ventilar la salida del generador de gas de reduccion 14, y cierra la trayectoria de flujo a la pila de combustible 12. La salida del generador de gas de reduccion se ventila hasta que el bucle de control, por ejemplo, sistema de control 96, tiene parametros de proceso dentro de sus limites prescritos, momento en el que el sistema de derivacion cierra la linea de ventilacion y abre la trayectoria de flujo a la pila de combustible 12.
El aire se suministra a continuacion al generador de gas de reduccion 14, por ejemplo, a traves de la entrada de aire 48, mediante el inicio de la operation del compresor de aire 50.
En el bloque B104, el compresor de aire 50 comprime el aire recibido de la entrada de aire 48. En una forma, el aire se comprime a una presion en un intervalo de 5 bares absolutos a 14 bares absolutos. En otras realizaciones, la presion del aire comprimido puede caer dentro de un intervalo diferente, por ejemplo, en un intervalo de 2 bares absolutos a 25 bares absolutos en algunas realizaciones, y en otras realizaciones, 1 bar absoluto a 30 bares absolutos. La presion suministrada por el compresor de aire 50 puede variar, por ejemplo, dependiendo de las caracteristicas de la membrana de separation de nitrogeno 56 y del generador de nitrogeno 54.
En el bloque B106, la corriente de gas rico en nitrogeno se genera en el generador de nitrogeno 54 del generador de gas de reduccion 14 mediante el suministro de aire comprimido a la membrana de separacion de nitrogeno 56. El O2 se retira del aire por membrana de separacion de nitrogeno 56 como un subproducto del proceso de generation de nitrogeno dirigiendose remotamente, por ejemplo, para su uso en otros lugares, o simplemente ventilandose, mientras que la corriente rica en nitrogeno resultante se dirige hacia la valvula de control oxidante 62. En la presente realizacion, la corriente rica en nitrogeno contiene oxigeno, aunque a niveles inferiores a la del aire ambiente. En otras realizaciones, la corriente de nitrogeno puede consistir esencialmente en nitrogeno (por ejemplo, <1 % de O2).
En el bloque B110, se anade aire comprimido a la corriente rica en nitrogeno de manera controlada por la valvula de control de aire 58 bajo la direction del controlador de flujo de aire 60 para formar una corriente de oxidante de bajo contenido de oxigeno (O2), es decir, una corriente de oxidante que tiene menos O2 que el aire atmosferico ambiente.
En el bloque B112, un flujo de combustible de hidrocarburo al generador de gas de reduccion 14 se inicia por la valvula de control de combustible 46 bajo la direccion del controlador de flujo de combustible 44. El flujo de combustible se puede ajustar inicialmente a un valor predeterminado anticipado para alcanzar el contenido de combustible deseado del gas de reduccion y la temperatura de control, y podra modificarse posteriormente.
En el bloque B114, la corriente de oxidante se combina con la corriente de combustible de hidrocarburo en la camara de fusion 32 para formar la mezcla de alimentacion que tiene una relacion oxidante/combustible, por ejemplo, definida por una relacion del caudal masico de la corriente de oxidante en la mezcla de alimentacion con respecto al caudal masico de la corriente de combustible de hidrocarburo en la mezcla de alimentacion.
Con referencia a continuacion a la Figura 3B, en el bloque B116, los dispositivos de calentamiento son operados a una temperatura en o por encima de la temperatura de encendido del catalizador de la mezcla de alimentacion, y la salida de calor de los dispositivos de calentamiento se suministra a la mezcla de alimentacion. En una forma, los dispositivos de calentamiento se activan inmediatamente despues de recibir la orden para arrancar la pila de combustible 12, por ejemplo, inmediatamente despues del bloque B100. En otras realizaciones, los dispositivos de calentamiento se pueden activar en otros momentos adecuados para la aplicacion, por ejemplo, dependiendo de la cantidad de tiempo que tardan los calentadores en alcanzar la temperatura deseada. En la presente realizacion, los dispositivos de calentamiento son el calentador de mezcla de alimentacion 74 y el calentador 80, aunque en otras realizaciones, se puede emplear solo un calentador o se puede emplear una pluralidad de calentadores en lugar de o ademas de uno o ambos del calentador de mezcla de alimentacion 74 y el calentador 80. Los tipos o formas de calentadores utilizados en otras realizaciones pueden variar con las necesidades de la aplicacion.
El cuerpo de calentamiento 76 y la bobina de flujo 78 se mantienen en o por encima de la temperatura de encendido del catalizador de la mezcla de alimentacion. El calor del cuerpo de calentamiento 76 y de la bobina de flujo 78 se suministra a la mezcla de alimentacion mediante la desviacion de la mezcla de alimentacion a traves del calentador
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de mezcla de alimentacion 74, en particular, la bobina de flujo 78. En una forma, la totalidad de la mezcla de alimentacion se desv^a a traves del calentador de mezcla de alimentacion 74. En otra forma, una porcion de la mezcla de alimentacion se desvia a traves del calentador de mezcla de alimentacion 74. La mezcla de alimentacion se desvia a la bobina de flujo 78 mediante el control de la salida de la valvula de control de inicio para operar los elementos de valvula 70 y 72. La mezcla de alimentacion caliente resultante se dirige al catalizador 36 del reactor catalitico 34 para ayudar a iniciar las reacciones cataliticas que alcanzan el gas de reduccion. Una vez que se han iniciado las reacciones cataliticas en el reactor catalitico 34, la valvula de control de inicio de tres vias se reorienta para dirigir la totalidad de la mezcla de alimentacion directamente al reactor catalitico 34, sin pasar por el calentador de mezcla de alimentacion 74. Aunque la presente solicitud se describe utilizando un calentador de mezcla de alimentacion 74 con el cuerpo de calentamiento 76 y la bobina de flujo 78, se entendera que otros tipos de calentadores se pueden emplear en realizaciones que utilizan un calentador de mezcla de flujo.
El calentador 80 de la presente realizacion esta en la forma de un calentador de banda electrica, y mantiene el catalizador 36 en o por encima de la temperatura de encendido del catalizador de la mezcla de alimentacion, promoviendo asi el encendido rapido (por lo tanto, el re-encendido) del catalizador 36. Se entendera que otros tipos de calentadores se pueden emplear sin apartarse del alcance de la presente invencion.
En otras realizaciones, el calentador 82 se puede emplear para calentar el catalizador 36 en o cerca de la ubicacion en la que se suministra la mezcla de alimentacion del catalizador 36 con el fin de iniciar las reacciones cataliticas. En otras diversas realizaciones, uno o mas calentadores 82 se pueden utilizar en lugar de o ademas de los calentadores 74 y 80.
En el bloque B118, la mezcla de alimentacion caliente se dirige al catalizador 36, donde se inician las reacciones cataliticas. En una forma, las reacciones cataliticas se inician basandose en el calor recibido del calentador de mezcla de alimentacion 74. En otras formas, las reacciones se pueden iniciar basandose en el calor recibido del calentador de mezcla de alimentacion 74 y/o el calentador 80 y/o el calentador 82).
En el bloque B120, la mezcla de alimentacion se convierte cataliticamente en gas de reduccion en el reactor catalitico 34 del generador de gas de reduccion 14.
En el bloque B122, el contenido de O2 de la corriente de oxidante y la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion se controlan, cada uno, por el sistema de control 96 para mantener la temperatura de control seleccionada del gas de reduccion y para producir el gas de reduccion en la forma de un gas de seguridad. En una forma, el contenido de O2 de la corriente de oxidante se controla por el controlador de flujo de aire 60 que dirige las operaciones de la valvula de control de aire 58, aunque en otras realizaciones, el contenido de O2 de la corriente de oxidante se puede controlar de manera diferente. En una forma, la relacion/combustible oxidante se controla por el controlador de flujo de combustible 44 que dirige las operaciones de la valvula de control de combustible 46 respectiva, aunque en otras realizaciones, la relacion/combustible oxidante se puede controlar de manera diferente. Antes de alcanzar la temperatura de control, el control del contenido de O2 puede basarse en la salida del sensor de oxigeno 66. Una vez que se alcanza una temperatura que indica la combustion catalitica, el algoritmo de control conmuta a la realimentacion basandose en el sensor de temperatura de control 84. La temperatura de control en algunas realizaciones puede, por ejemplo, ser una funcion de reduccion del caudal de gas (carga de catalizador), el tiempo en servicio, o algun otro parametro de operacion. En otras realizaciones, la salida de uno o ambos del sensor de oxigeno 66 y la temperatura de control del sensor 84 se pueden emplear durante el arranque y/o operacion normal del sistema.
El caudal de la mezcla de alimentacion se controla principalmente por el controlador de flujo de oxidante 64 que dirige las operaciones de la valvula de control de oxidante 62. En la forma de un gas de seguridad, es decir, una mezcla de gas de reduccion debil, el gas de reduccion puede tener un contenido de combustible (por ejemplo, predominantemente CO+ H2) de aproximadamente el 4,5 %. Otros gases reductores que tienen porcentajes mayores o menores de contenido de combustible se pueden emplear sin apartarse del alcance de la presente invencion.
Debido a que el flujo de masa de la mezcla de alimentacion se basa predominantemente en el caudal de la corriente de flujo de oxidante, el flujo total de la mezcla de alimentacion, y por lo tanto la salida de gas de reduccion a traves del generador de gas de reduccion 14, se basa principalmente en el caudal de la corriente de flujo de control de oxidante como se rige por el controlador de flujo de oxidante 64. El control de la temperatura seleccionada en la presente realizacion es de 800 °C, que se mide en uno de los puntos mas calientes en el catalizador 36, y que en la presente realizacion alcanza una temperatura media generalizada de 770 °C. La temperatura seleccionada en la presente realizacion es un valor de temperatura predeterminado seleccionado basado en las consideraciones de la vida de los componentes del generador de gas de reduccion 14 y de la pila de combustible 12, asi como en la eficacia de la conversion catalitica. Otros valores de temperatura y los lugares de medicion se pueden emplear en otras realizaciones.
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En el bloque B124, el sistema de derivation se desacopla del modo de derivation, y el gas de reduction en la forma de un gas de seguridad se dirige, por tanto, desde el generador de gas de reduccion 14 al anodo 20 de la pila de combustible 12. En otras realizaciones, el gas de seguridad se puede dirigir al reformador 26.
Con referencia a continuation a la Figura 3C, se ilustra un bloque B126. En una forma, el bloque B126 se omite, y el flujo de proceso pasa directamente al bloque B128. En otra forma, en el bloque B126 del contenido de O2 de la corriente de oxidante y la relation oxidante/combustible de la mezcla de alimentation se controla para variar selectivamente la intensidad de reduccion del gas de reduccion variando selectivamente el contenido de combustible del gas de reduccion mientras se mantiene la temperatura seleccionada del gas de reduccion del bloque B122. Como se ha expuesto anteriormente con respecto al bloque B122, en una forma, el contenido de O2 de la corriente de oxidante se controla por el controlador de flujo de aire 60 que dirige las operaciones de la valvula de control de aire 58. En otras formas, el contenido de O2 de la corriente de oxidante se puede controlar de manera diferente. En una forma, la relacion oxidante/combustible se controla principalmente por el controlador de flujo de combustible 44, y el flujo de gas de reduccion se controla principalmente por el controlador de flujo de oxidante 64 que dirige las operaciones de la valvula de control de oxidante 62. En otras formas, la relacion oxidante/combustible y la reduccion del caudal de gas se pueden controlar de manera diferente.
El control del contenido de O2 de la corriente de oxidante y de la relacion de oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion para variar selectivamente la intensidad de reduccion del gas de reduccion mientras se mantiene la temperatura seleccionada y el caudal de salida del gas de reduccion a traves del reactor catalitico 34 en la presente realization se describe a continuacion.
El generador de gas de reduccion 14 convierte cataliticamente el oxidante de bajo contenido O2 y el combustible de hidrocarburo para formar el gas de reduccion con suficiente contenido de combustible para proteger el anodo 20 de la pila de combustible de la pila de combustible 12 durante el arranque y apagado de la planta de potencia del sistema de pila de combustible 10. Mediante el ajuste del contenido de O2 del gas oxidante en combination con el cambio de la relacion oxidante/combustible, la intensidad del gas de reduccion se puede cambiar mientras que la temperatura de operation del catalizador se mantiene constante, por ejemplo, a una temperatura de conversion ideal. Esta temperatura se detecta por el sensor de temperatura de control 84 y se utiliza como entrada al sistema de control 96 para su uso en el mantenimiento de la temperatura de salida del reactor catalitico 34 a la temperatura seleccionada.
Con referencia a continuacion a la Figura 4, se representa un ejemplo de los parametros del reactor catalitico 34. Los parametros ilustrados incluyen el caudal masico 100 de la corriente de oxidante; caudal masico 102 de la corriente de combustible; el porcentaje (%) de aire estequiometrico 104, que representa la cantidad de porcentaje de aire en la corriente de oxidante en relacion con la cantidad de aire necesario para la combustion completa de la corriente de combustible de hidrocarburo; y la relacion de oxigeno/carbono (O2/C) 106. En el grafico de la Figura 4, la abscisa es el contenido de H2 del gas de reduccion, la ordenada de la izquierda esta en unidades porcentuales y tambien gramos por segundo (g/s), contra la que el % de aire estequiometrico 104 y el caudal masico 100 de la corriente de oxidante se representan. La ordenada de la derecha esta en unidades tanto de fraction molar como g/s, contra la que la relacion O2/C 106 y el caudal masico 102 de la corriente de combustible de hidrocarburo se representan.
La Figura 4 ilustra los parametros de operacion del reactor catalitico 34 a traves de una intervalo de composiciones de gas de reduccion del 2 % al 20 % de H2 y del 1 % al 10 % de CO (del 3 % al 30 % de CO+ H2). Para producir un mayor contenido de combustible (CO+ H2), el contenido de O2 en el oxidante se eleva. A una relacion de oxidante/combustible constante de la mezcla de alimentacion, por ejemplo, relacion aire a combustible, el aumento del contenido de O2 en la corriente de oxidante reduce los combustibles y eleva la temperatura de operacion. Sin embargo, en la presente realizacion, a medida que el contenido de O2 en la corriente de oxidante aumenta, la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion disminuye al mismo tiempo, es decir, se hace mas rica en combustible, a fin de lograr un mayor contenido de combustible a la misma temperatura operativa.
Mediante la variation de tanto el contenido de O2 en la corriente de oxidante como de la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion, un amplio intervalo de reduccion de intensidades del gas de reduccion se puede lograr a una temperatura de operacion seleccionada del catalizador, por ejemplo, 770 °C en la presente realizacion. Por ejemplo, en una forma, el intervalo se puede extender desde una intensidad del gas de reduccion que representa las condiciones de operacion normales del reformador 26 (~45 % de CO+ H2) a condiciones de reduccion debil (~3 % de CO+ H2). En otras formas, diferentes intervalos se pueden emplear, por ejemplo, como se expone en la presente memoria.
Como se acerca el 20 % del contenido de H2 en el gas de reduccion se acerca, las condiciones en el reactor catalitico 34, podran acercarse a las que se producen normalmente en el reformador 26 en el modo de production de potencia a medida que el oxidante se acerca al aire con respecto al % de contenido de O2 y la relacion molar O2 a C alcanza 0,65. A medida que el gas de reduccion se vuelve en mas rico en combustibles, el flujo de combustible puede aumentar por un factor de aproximadamente el 4 al 20 % de H2 en relacion con las condiciones de reduccion debil. El porcentaje del combustible quemado puede disminuir de manera significativa ya que las condiciones se
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acercan a aquellas en el reformador 26. La temperatura se puede mantener debido a que el menor porcentaje de ox^geno de combustion se compensa con la combinacion del mayor caudal de combustible y menor disipacion de calor a traves de menos dilucion de N2 en el oxidante. Por tanto, a pesar de que la concentracion de O2 en el oxidante aumenta para una mayor intensidad de reduccion, como un porcentaje del oxigeno requerido para consumir completamente el combustible, el nivel de oxigeno disminuye. En la presente realizacion, el contenido de porcentual de CO es de aproximadamente ^ del contenido porcentual de H2 a la temperatura de operacion deseada, y por lo tanto el contenido de combustible del gas de reduccion es de aproximadamente 1,5 veces el contenido porcentual de H2 en el gas de reduccion. Si bien se describe en la presente solicitud con respecto a un sistema de pila de combustible, se entendera que el generador de gas de reduccion 14 es igualmente aplicable a otros sistemas, tales como sistemas de generacion de gas de reduccion para otros fines.
Con referencia de nuevo a la Figura 3C, en el bloque B128, el gas de reduccion se suministra al reformador 26, y al anodo 20, por ejemplo, a traves de reformador 26.
En el bloque B130, se inicia una transition de la pila de combustible 12 en el modo de production de potencia, lo que incluye suministrar a la pila de combustible 12 flujos del combustible primario y del oxidante primario que se proporcionan normalmente a la pila de combustible 12 para la operacion en el modo de produccion de potencia, en contraste con el oxidante y el combustible de hidrocarburo suministrados al generador de gas de reduccion 14 para generar el gas de reduccion para su uso durante el arranque o la apagado de la pila de combustible 12. La transicion al modo de produccion de potencia incluye tambien porciones de calentamiento de la pila de combustible 12, incluyendo el anodo 20 y el reformador 26, a la temperatura de operacion normal de manera controlada a fin de reducir las tensiones mecanicas que podrian resultar de gradientes termicos dentro y entre dichos componentes. El calentamiento de la pila de combustible 12 se puede realizar antes, durante y despues de la provision del gas de reduccion a la pila de combustible 12, y se puede realizar hasta que se alcanzan las temperaturas de operacion satisfactorias en tales porciones, por ejemplo, el anodo 20 y reformador 26. Durante la transicion al modo de produccion de potencia, el sistema de derivation puede transicionar en el modo de derivation.
En el bloque B132, la pila de combustible 12 se opera en el modo de produccion de potencia, es decir, el modo de operacion normal, para suministrar potencia a la carga electrica 16.
En el bloque B134, el flujo de aire y flujo de combustible suministrado al generador de gas de reduccion 14 se terminan, poniendo fin a la produccion de gas de reduccion a traves del generador de gas de reduccion 14.
Con referencia a continuation a la Figura 3D, en el bloque B136, la temperatura del dispositivo de calentamiento se mantiene en o por encima de la temperatura requerida para iniciar la reaction catalitica de la mezcla de alimentation en el catalizador 36. Esta temperatura se mantiene durante la operacion de la pila de combustible en el modo de produccion de potencia, por ejemplo, a fin de proporcionar una reanudacion rapida del generador de gas de reduccion 14, incluyendo la reanudacion rapida del catalizador 36, en caso de tener que apagar la pila de combustible 12.
En el bloque B138, una orden para apagar la pila de combustible 12 desde el modo de produccion de potencia se recibe por el sistema de control 96, por ejemplo, a traves de una entrada humana o un proceso automatizado. Se observara que en algunas realizaciones, el bloque B136 se puede realizar con posterioridad a la reception de la instruction de apagar la pila de combustible 12. Por ejemplo, en algunas realizaciones, el dispositivo de calentamiento puede no calentarse a una temperatura de o por encima de la temperatura de encendido del catalizador hasta que la orden de apagar la pila de combustible 12 se recibe.
En el bloque B140, el generador de gas de reduccion 14 genera el gas de reduccion en respuesta a la orden, por ejemplo, mediante la realizacion de todas o algunas de las acciones que se indican anteriormente con respecto a los bloques B102 a B128, incluyendo el control del contenido de O2 en la corriente de oxidante y la relation oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion para variar selectivamente la intensidad de reduccion del gas de reduccion variando selectivamente el contenido de combustible del gas de reduccion a un nivel deseado, mientras se mantiene una temperatura seleccionada, por ejemplo, la temperatura seleccionada del bloque B122, anterior.
En el bloque B142, el gas de reduccion generado por el generador de gas de reduccion 14 se suministra al anodo 20 de la pila de combustible 12 desconectando el sistema de derivacion del modo de derivacion. Esto puede ayudar a evitar el dano oxidativo del anodo 20 durante el apagado de la pila de combustible 12. Inicialmente, el gas de reduccion puede tener una alta intensidad de reduccion, que puede disminuir a medida que la temperatura de pila de combustible 12 disminuye.
En el bloque B144, se inicia una transicion de la pila de combustible 12 fuera del modo de produccion de potencia, incluyendo la reduccion gradual del flujo al anodo 20 del combustible primario que normalmente se proporciona durante la operacion en el modo de produccion de potencia.
En el bloque B146, el flujo de aire y el flujo de combustible suministrado al generador de gas de reduccion 14 se terminan, poniendo fin a la produccion de gas de reduccion a traves del generador de gas de reduccion 14. El bloque
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B146 se puede ejecutar despues de que el anodo 20 esta lo suficientemente frio a una temperatura a la que el dano oxidativo no es una preocupacion, que puede variar con los materiales utilizados para la fabricacion de anodos 20.
Un generador de gas de reduccion de acuerdo con algunas realizaciones de la presente solicitud puede incluir un suministro de aire comprimido que alimenta una membrana polimerica de separacion de nitrogeno, que utiliza la alta presion para separar el oxigeno del nitrogeno a traves de una fibra de polimero. Tales realizaciones pueden evitar la necesidad de nitrogeno mineral. En otras realizaciones, se pueden emplear otras fuentes de nitrogeno. El gas producto es una corriente rica en nitrogeno que se agota en oxigeno. Una valvula de derivacion de posicion variable puede desviar una corriente relativamente pequena del aire de alimentacion alrededor del generador de nitrogeno para la mezcla con la corriente rica en nitrogeno. En algunas realizaciones, el flujo de aire de derivacion es directamente proporcional al contenido de oxigeno final de las corrientes combinadas. La corriente mezclada de gas de producto rico en nitrogeno y aire de derivacion se puede denominar como una corriente de oxidante, que pasa a traves de un dispositivo de control de flujo que establece el flujo de oxidante al proceso. La valvula de derivacion controla las proporciones de aire de derivacion y el gas rico en nitrogeno para alcanzar el contenido de oxigeno deseado en la corriente de oxidante.
Una cantidad relativamente pequena de combustible de hidrocarburo se puede dosificar en la corriente de oxidante a traves de un dispositivo de control de flujo. En un modo de flujo en estado estacionario, la mezcla de oxidante y combustible premezclada se alimenta directamente en un reactor catalitico que convierte la mezcla de alimentacion en el gas de reduccion. En comparacion con la combustion ordinaria en el aire, la corriente de oxidante con contenido de oxigeno reducido se puede traducir en menos de combustible por unidad de combustibles conseguido en el gas de reduccion. Por lo tanto, la entrada de energia quimica requerida (es decir, la carga termica debido a la entrada de combustible) por unidad de produccion de combustibles (por ejemplo, H2 y CO) se puede reducir tambien, y por lo tanto, puede tener que extraerse menos calor del gas de proceso para enfriar la corriente de producto a una temperatura requerida. La dilucion de nitrogeno de la corriente de oxidante puede disminuir tambien la temperatura de reaccion en el intervalo lo que puede ser preferible para el catalizador, y puede no exceder los limites de materiales en el intercambiador de calor aguas abajo. En contraste con las realizaciones de la presente invention, un reactor disenado para la combustion con aire normal (en contraste con el oxidante rico en nitrogeno empleado en las realizaciones de la presente invencion) a la escala requerida podria ser complejo, y podria requerir camisas de enfriamiento que probablemente necesiten un refrigerante liquido, o de otra manera un muy alto flujo volumetrico de gas refrigerante, y por lo tanto, tendrian una carga termica relativamente grande con el fin de proteger los materiales del reactor de la temperatura excesiva. En contraste, el reactor catalitico de algunas realizaciones de la presente invencion se puede disenar para operar a una temperatura mas baja y sin la necesidad de enfriamiento externo.
La oxidation del combustible con un oxidante agotado en oxigeno puede producir un intervalo dado de concentration de combustible (o flujo molar) en un intervalo mucho mas amplio de relation aire-combustible en relation con la combustion normal con aire, lo que hace que el control del contenido de combustible sea mas facil de conseguir.
Termopar o termopares pueden monitorizar la temperatura de salida a la salida del catalizador. El termopar puede actuar como la entrada de control para la valvula de derivacion de aire. Si la temperatura de salida cayese muy por debajo del punto de consigna, una senal de control abriria la derivacion en cierta cantidad, puesto que un flujo de oxidante que tiene una mayor proportion de O2 eleva la temperatura de salida (oxidando mas combustible) y viceversa. La temperatura del punto de consigna se establece lo suficientemente alta como para conseguir una conversion completa de la mezcla de alimentacion inflamable para la composition de gas equilibrada, pero no demasiado elevada como para acercarse a las temperaturas limites de operation de los materiales, ya sea para el catalizador o el intercambiador de calor aguas abajo.
Un sensor de oxigeno 66 puede medir el contenido de oxigeno basandose en el volumen de la corriente de oxidante aguas abajo del punto de mezcla para el aire de derivacion y la corriente rica en nitrogeno que sale del generador de nitrogeno. Una realization alternativa puede emplear la concentracion de oxigeno medida en lugar de la temperatura de salida para situar la valvula de control de derivacion de aire de modo que la temperatura de salida se mantiene a un valor de punto de consigna. Esto puede ser preferible en el arranque antes de que una temperatura de salida representativa del reactor en estado estacionario este disponible para establecer la posicion de la valvula de derivacion.
El sensor de oxigeno puede ser un sensor de zirconia pequeno mantenido a una alta temperatura, por ejemplo, alrededor de 600 °C para algunas realizaciones, que desarrolla un potencial de Nernst cuando se expone al oxigeno, que se relaciona con el contenido de oxigeno del gas. El sensor se puede situar en situ. Sin embargo, como alternativa, el sensor se puede sumergir en una estela pequena controlada que se elimina descendentemente por soplado de la linea de proceso principal a traves de un orificio de flujo critico. El software de control puede determinar la relacion entre la desviacion del contenido de oxigeno medido con respecto al valor objetivo, y la cantidad incremental de la valvula de derivacion se abre como resultado de ello. El sensor puede tener una respuesta rapida a los cambios en el contenido de oxigeno del gas de proceso, y por lo tanto, los parametros de ajuste optimizados en el bucle de control de la valvula de derivacion de aire pueden proporcionar un control mas
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fiable a traves de un intervalo mas amplio de condiciones.
El intercambiador de calor aguas abajo enfria el gas de reduccion a una temperatura requerida para la introduccion del gas de reduccion en el proceso aguas abajo. Un bucle de control de la temperatura puede variar un flujo de aire de enfriamiento u otro medio de enfriamiento hacia el intercambiador de calor basandose en la desviacion de la temperatura de salida del catalizador desde el punto de consigna de temperatura del gas de salida. El intercambiador de calor puede ser una aleacion de acero compacta o diseno ceramico para resistir la temperatura del gas que sale del catalizador.
Un sensor de hidrogeno o de combustibles puede extraer una corriente deslizante del gas de proceso aguas abajo del intercambiador de calor para medir el porcentaje en volumen de hidrogeno o combustibles como constituyente del gas de reduccion. El software de control puede comparar el % de H2 medido con un valor de consigna, y basandose en la diferencia envia una senal de control para alimentar la valvula de control. Si el % de H2 medido se desvia demasiado por debajo del punto de consigna, la alimentacion de combustible se incremental, y viceversa. El software de control puede determinar la relacion entre la desviacion del % de H2 medido con el % de H2 diana, y la cantidad incremental de la valvula de combustible se abre o cierra.
Un metodo para la medicion continua de hidrogeno utiliza un sensor de hidrogeno de conductividad termica calibrado en el intervalo permisible de contenido de hidrogeno del gas de reduccion. Al igual que con el sensor de oxigeno, un orificio de flujo critico se puede utilizar como una forma relativamente barata y facil de medir una estela muy pequena del gas de reduccion en el flujo de gas de muestra correcto al sensor.
Un metodo para la reanudacion rapida del catalizador desde una condicion de espera para llevar el generador de gas de reduccion de nuevo en linea lo mas rapido posible para eventos imprevistos en el sistema de pila de combustible que requeriran un suministro inmediato de gas de reduccion de seguridad se puede proporcionar tambien por las realizaciones de la presente invencion. Una capacidad de reanudacion rapida puede evitar la necesidad de un almacenamiento en botellas del gas de reduccion necesario para cubrir la brecha entre el momento en que se exige el gas y el tiempo requerido para llevar el generador de gas de reduccion en linea. Un metodo de reanudacion rapida puede emplear un calentador con una masa termica elevada situado justo aguas arriba del reactor catalitico y, por ejemplo, un par de valvulas o una valvula de tres vias para desviar el flujo de mezcla de alimentacion a traves del calentador. Durante la operacion normal, la valvula dirige la mezcla directamente en el reactor catalitico, sin pasar por el calentador. En el arranque, el flujo se puede desviar a traves del calentador. En ausencia de flujo, por ejemplo, en condiciones de inactividad del generador de gas de reduccion, el calentador se suministra continuamente con potencia suficiente para mantener el metal a la temperatura de precalentamiento deseada, mientras se equilibra una perdida de calor relativamente pequena, y por lo tanto, esta demanda de potencia puede ser pequena. Dentro del calentador, una bobina de flujo se puede envolver con un cuerpo metalico. El calentador puede contener suficiente masa termica de manera que cuando el flujo se inicia en un intento de reanudacion, la corriente del proceso adquiere inmediatamente la temperatura de ignicion diana.
Un diseno de este tipo puede ser relativamente de seguridad, debido a que puede lograr un buen aislamiento electrico entre la mezcla inflamable y la fuente de alimentacion que actua sobre el cuerpo metalico. Antes de una secuencia de reanudacion, el calentador regula la potencia del metal interno a la temperatura requerida antes de la introduccion del flujo, y solo debe mantener la potencia para compensar la perdida de calor a traves del aislamiento circundante en esta condicion.
En un intento de arranque, la potencia puede aumentar inmediatamente para mantener o elevar la temperatura de precalentamiento de consigna hasta que se logre la reaccion de la mezcla de alimentacion del catalizador. Una vez esto se consigue, por ejemplo, como se indica por un aumento suficiente de la temperatura a la salida del catalizador, el flujo se puede desviar alrededor del calentador de ignicion directamente en el catalizador (modo de flujo operativo normal) para evitar el sobrecalentamiento del catalizador.
Para promover aun mas la reanudacion rapida, calentadores de banda pueden proporcionar una fuente de calor adicional. Los calentadores de banda pueden rodear el reactor catalitico para mantener el catalizador en o por encima de la temperatura de encendido del catalizador antes de que se inicie el flujo en el arranque. Antes del arranque, los calentadores de banda proporcionarian preferentemente la energia para compensar la perdida de calor a traves del aislamiento que rodea a los calentadores de banda. Una vez que el catalizador esta encendido, los calentadores de banda se pueden apagar cuando la temperatura superficial se eleva por encima de la temperatura de consigna de los calentadores. La alimentacion al calentador se puede desactivar o interrumpir para mantener la masa termica del calentador en el punto de consigna de temperatura para la reanudacion siguiente.
Otras realizaciones alternativas podrian simplificar el sistema de calentamiento mediante el empleo de un calentador estrechamente acoplado a la entrada del catalizador. Este enfoque puede utilizar un calentador de masa termica baja que iniciaria localmente la reaccion cerca de la parte frontal del catalizador mediante acoplamiento termico estrecho, que en tales realizaciones puede reducir potencialmente el numero de piezas y el coste del generador de gas de reduccion.
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En una realizacion adicional, el generador de gas de reduction puede reemplazar el reformador interno para el sistema de pila de combustible para aquellas realizaciones en las que el generador de gas de reduccion esta estructurado para producir un gas de reduccion que es adecuado para la production de potencia en el sistema de pila de combustible. En algunas de tales realizaciones, el generador de gas de reduccion se puede utilizar para la produccion de un gas de reduccion de una composition para el arranque y apagado del sistema de pila de combustible, y para la produccion de un gas de reduccion de una composicion alternativa para la operation normal del sistema de pila de combustible.
Las realizaciones de la presente invention incluyen un generador de gas de reduccion para el arranque y apagado de una pila de combustible que incluye una fuente de oxidante estructurada para suministrar un oxidante con bajo contenido de oxigeno (O2), teniendo el oxidante con bajo contenido de O2 un contenido de O2 inferior al del aire atmosferico. El generador de gas de reduccion de la presente invencion incluye tambien una entrada de combustible configurada para recibir un combustible de hidrocarburo, una camara de fusion en comunicacion fluida con dicha fuente de oxidante y en comunicacion fluida con la entrada de combustible, estando la camara de fusion estructurada para recibir el combustible de hidrocarburo y el oxidante con bajo contenido de oxigeno (O2), y para descargar una mezcla de alimentation que contiene tanto el combustible de hidrocarburo, como el oxidante con bajo contenido de oxigeno (O2). El generador de gas de reduccion incluye tambien un reactor catalitico en comunicacion fluida con la camara de fusion, estando el reactor catalitico estructurado para recibir la mezcla de alimentacion y para convertir cataliticamente la mezcla de alimentacion en un gas de reduccion. El generador de gas de reduccion incluye tambien una salida de gas de reduccion acoplada de manera fluida al reactor catalitico y en comunicacion fluida con al menos uno de un anodo y un reformador de la pila de combustible, la salida del gas de reduccion operativa para dirigir el gas de reduccion a al menos uno del anodo y del reformador de la pila de combustible, incluyendo ademas el generador de gas de reduccion un sistema de control configurado para ejecutar instrucciones de programa para regular una temperatura de control mediante la variation tanto del oxidante con bajo contenido de O2 como de la relation oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion.
Un perfeccionamiento de la realizacion puede incluir un generador de nitrogeno que puede operar para extraer el oxigeno (O2) del aire y descargar el equilibrio en la forma de un gas rico en nitrogeno, formando el gas rico en nitrogeno de al menos una parte del oxidante con bajo contenido de O2.
Otro perfeccionamiento de la realizacion puede incluir un sistema de carga de aire acoplado a la salida del generador de nitrogeno. El sistema de carga de aire esta estructurado para anadir de forma variable aire al gas rico en nitrogeno para variar el contenido de O2 del oxidante con bajo contenido de O2.
Otro perfeccionamiento de la realizacion puede incluir una valvula estructurada para anadir una cantidad controlada de aire a uno del gas rico en nitrogeno y de la mezcla de alimentacion.
Otro perfeccionamiento de la realizacion puede incluir el generador de nitrogeno que puede incluir una membrana de separation de nitrogeno configurada para separar el nitrogeno del aire.
El generador de gas de reduccion de la presente invencion incluye un sistema de control configurado para ejecutar instrucciones de programa para regular una temperatura de control mediante la variacion tanto del el contenido de O2 del oxidante con bajo contenido de O2 como la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion.
Otro perfeccionamiento de la realizacion puede incluir un sensor de temperatura de control y un sensor de O2 acoplado en comunicacion al sistema de control.
Otro perfeccionamiento de la realizacion puede incluir una valvula de control de oxidante acoplada en comunicacion al sistema de control. La valvula de control oxidante puede estar estructurada para controlar un flujo del oxidante como se indica por el sistema de control y una valvula de control de combustible acoplada en comunicacion al sistema de control. La valvula de control de combustible puede estar estructurada para controlar un flujo del combustible de hidrocarburo como se indica por el sistema de control, en el que el sistema de control se configura para ejecutar instrucciones de programa para variar la relacion oxidante/combustible mediante el control de la salida de al menos una de la valvula de control de combustible y la valvula de control oxidante.
Otro perfeccionamiento de la realizacion puede incluir un sistema de control configurado para ejecutar instrucciones de programa para variar selectivamente un contenido de combustible del gas de reduccion mientras se mantiene una temperatura seleccionada del gas de reduccion variando tanto el contenido de O2 del oxidante como la mezcla de alimentacion oxidante/combustible.
Otro perfeccionamiento de la realizacion puede incluir al menos dos de un sensor de temperatura de control, un sensor de oxigeno y un sensor de detection de combustibles en el gas de reduccion acoplado en comunicacion al sistema de control.
Otro perfeccionamiento de la realizacion puede incluir un intercambiador de calor acoplado de manera fluida aguas abajo del reactor catalitico, en el que el intercambiador de calor puede estar configurado para controlar una
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temperatura del gas de reduction.
Otro perfeccionamiento de la realization puede incluir un calentador de aguas arriba del reactor catalitico, en el que el calentador se puede configurar para iniciar una reaction catalitica en el catalizador del reactor catalitico mediante el calentamiento de al menos una portion de la mezcla de alimentation y el suministro de mezcla caliente al reactor catalitico.
En otro perfeccionamiento de la realizacion el calentador puede incluir un cuerpo configurado para mantener continuamente una temperatura en uno de y por encima de la temperatura de encendido del catalizador de la mezcla de alimentacion durante las operaciones normales de la pila de combustible.
Otro perfeccionamiento de la realizacion puede incluir al menos uno de un calentador del catalizador configurado para mantener el catalizador del reactor catalitico a una temperatura de y por encima de una temperatura de encendido del catalizador de la mezcla de alimentacion durante las operaciones normales de la pila de combustible o un otro calentador dispuesto adyacente a la entrada del reactor catalitico y estructurado para iniciar la reaccion catalitica de la mezcla de alimentacion en una porcion aguas arriba del reactor catalitico.
Otro perfeccionamiento de la realizacion puede incluir medios para variar un contenido de combustible del gas de reduccion mientras se mantiene una temperatura de control constante.
En otro perfeccionamiento de la realizacion la mezcla de alimentacion incluye un oxidante que tiene un contenido de O2. Los medios para variar pueden incluir un medio para variar el contenido de O2 en el oxidante o un medio para variar una relation oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion.
Otra realizacion de la presente invention es un sistema de pila de combustible que incluye una pila de combustible, que incluye un anodo, un catodo, un electrolito acoplado al anodo y el catodo, y un reformador, incluyendo el sistema de pila de combustible un generador de gas de reduccion configurado para el arranque y apagado de la pila de combustible, incluyendo el generador de gas de reduccion una fuente de oxidante estructurada para suministrar una corriente de oxidante con bajo contenido de oxigeno (O2), teniendo la corriente de oxidante con bajo contenido de O2 un contenido de O2 inferior al del aire atmosferico. El generador de gas de reduccion incluye tambien una entrada de combustible configurada para recibir un combustible de hidrocarburo y una camara de fusion en comunicacion fluida con dicha fuente de oxidante y en comunicacion fluida con la entrada de combustible, estando la camara de fusion estructurada para recibir el combustible de hidrocarburo y la corriente de oxidante con bajo contenido de O2, y para descargar una mezcla de alimentacion que contiene tanto el combustible de hidrocarburo, como la corriente de oxidante con bajo contenido O2. El generador de gas de reduccion incluye tambien un reactor catalitico en comunicacion fluida con la camara de fusion, estando el reactor catalitico estructurado para recibir la mezcla de alimentacion y para convertir cataliticamente la mezcla de alimentacion en un gas de reduccion, incluyendo tambien el generador de gas de reduccion una salida de gas de reduccion acoplada de manera fluida al reactor catalitico y en comunicacion fluida con al menos uno de un anodo y un reformador, la salida del gas de reduccion operativa para dirigir el gas de reduccion a al menos uno del anodo y del reformador, incluyendo ademas el generador de gas de reduccion un sistema de control configurado para ejecutar instrucciones de programa para regular una temperatura de control mediante la variation tanto del contenido de O2 del oxidante con bajo contenido de O2 como la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion.
Un perfeccionamiento de la realizacion puede incluir una entrada de aire o un generador de nitrogeno en comunicacion fluida con la entrada de aire. El generador de nitrogeno puede tener una salida del generador de nitrogeno y estructurarse para recibir aire de la entrada de aire para extraer O2 del aire recibido de la entrada de aire, y descargar desde la salida del generador de nitrogeno el equilibrio en la forma de un gas rico en nitrogeno. El gas rico en nitrogeno puede formar al menos una parte de la corriente de oxidante con bajo contenido de O2.
Tambien se describe un generador de gas de reduccion que puede incluir una fuente de oxidante estructurada para suministrar corriente de oxidante con bajo contenido de oxigeno (O2). La corriente de oxidante con bajo contenido de O2 puede tener un contenido de O2 inferior al del aire atmosferico. El generador de gas de reduccion tambien puede incluir una fuente de combustible acoplada de manera fluida a la fuente de oxidante y estructurada para suministrar un combustible de hidrocarburo. El generador de gas de reduccion tambien puede incluir una camara de fusion acoplada de manera fluida a la fuente de combustible y a la fuente de oxidante. La camara de fusion puede estar estructurada para combinar el oxidante y el combustible de hidrocarburo en una mezcla de alimentacion. La mezcla de alimentacion puede tener una relacion oxidante/combustible definida por una relacion de la cantidad del oxidante en la mezcla de alimentacion con respecto a la cantidad del combustible de hidrocarburo en la mezcla de alimentacion. El generador de gas de reduccion puede incluir tambien un reactor catalitico acoplado de forma fluida a la camara de fusion y estructurado para convertir cataliticamente la mezcla de alimentacion para generar un gas de reduccion. El generador de gas de reduccion tambien puede incluir un sistema de control configurado para ejecutar instrucciones de programa para controlar el caudal de la mezcla de alimentacion y ambos el contenido de O2 de la corriente de oxidante y la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion para mantener una temperatura de control predeterminada mientras se varia un contenido de combustible de la salida del gas de reduccion a traves del reactor catalitico.
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En un perfeccionamiento de la realization la fuente de oxidante emplea un generador de nitrogeno para suministrar un gas rico en nitrogeno.
En otro perfeccionamiento de la realizacion el generador de nitrogeno incluye un polimero de separation de nitrogeno.
En otro perfeccionamiento de la realizacion el generador de gas de reduction puede estar estructurado para suministrar el gas de reduccion a una pila de combustible que tiene al menos uno de un anodo y un reformador. De acuerdo con la invention, el generador de gas de reduccion puede incluir una salida de gas de reduccion acoplada de manera fluida al reactor catalitico y en comunicacion fluida con al menos uno del anodo y el reformador, la salida del gas de reduccion operativa para dirigir el gas de reduccion a al menos uno de dicho anodo y reformador.
En la presente memoria se divulga un generador de gas de reduccion que puede incluir un medio para proporcionar una corriente de oxidante, un medio para suministrar un combustible de hidrocarburo, y un medio para combinar el oxidante y el combustible de hidrocarburo en una mezcla de alimentation. La mezcla de alimentation puede tener una relation oxidante/combustible definida por una relation de la cantidad del oxidante en la mezcla de alimentacion con respecto a la cantidad del combustible de hidrocarburo en la mezcla de alimentacion. El generador de gas de reduccion puede incluir tambien un medio para convertir cataliticamente la mezcla de alimentacion en un gas de reduccion. El generador de gas de reduccion puede incluir tambien un medio para controlar tanto el contenido de O2 en la corriente de oxidante como la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion para variar selectivamente un contenido de combustible del gas de reduccion mientras se mantiene una temperatura de control seleccionada.
Tambien se divulga un sistema para purgar una pila de combustible que puede incluir una entrada de aire estructurada para recibir aire atmosferico. El sistema para purgar una pila de combustible tambien puede incluir un compresor acoplado de manera fluida a la entrada de aire. El compresor puede estar estructurado para comprimir el aire atmosferico recibido de la entrada de aire a una presion superior a la presion atmosferica ambiente. El sistema para purgar una pila de combustible puede incluir tambien un generador de nitrogeno acoplado de forma fluida al compresor y acoplado de forma fluida a la pila de combustible. El generador de nitrogeno puede estar estructurado para generar una corriente rica en nitrogeno del aire comprimido y proporcionar la corriente rica en nitrogeno para purgar al menos un componente asociado con la pila de combustible.
El generador de nitrogeno puede incluir una membrana de separacion de nitrogeno estructurada para separar el oxigeno del aire comprimido con la presion del aire comprimido para suministrar la corriente rica en nitrogeno.
Un regulador de presion se puede incluir acoplado de forma fluida entre el compresor y el generador de nitrogeno. El regulador de presion puede estar estructurado para regular automaticamente la presion del aire comprimido hasta el nivel deseado.
Tambien se describe un sistema de pila de combustible que puede incluir una pila de combustible y un sistema de purga acoplado a la pila de combustible. El sistema de purga puede incluir una entrada de aire estructurada para recibir el aire atmosferico. El sistema de purga puede tambien incluir un compresor acoplado de manera fluida a la entrada de aire. El compresor puede estar estructurado para comprimir el aire atmosferico recibido de la entrada de aire a una presion superior a la presion atmosferica ambiente. El sistema de purga tambien puede incluir un generador de nitrogeno dispuesto de manera fluida entre el compresor y la pila de combustible. El generador de nitrogeno puede estar estructurado para generar una corriente rica en nitrogeno del aire comprimido y para proporcionar la corriente rica en nitrogeno para purgar al menos un componente asociado con la pila de combustible.
En la presente memoria se divulga un sistema de control estructurado para ejecutar instrucciones de programa para controlar un caudal de una mezcla de alimentacion y ambos del contenido O2 de una corriente de oxidante y la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion para mantener una temperatura de control predeterminada en uno de un reactor catalitico y una salida de gas de reduccion a traves del reactor catalitico.
El sistema de control puede estar estructurado para ejecutar instrucciones de programa para mantener la temperatura de control predeterminada mientras se varia un contenido de combustible de la salida de gas de reduccion a traves del reactor catalitico.
El sistema de control puede estar estructurados para ejecutar instrucciones de programa para descargar selectivamente el gas de reduccion en uno o ambos de un anodo de una pila de combustible y un reformador de una pila de combustible.
En otro perfeccionamiento de la realizacion la cantidad de gas de reduccion descargada en cada uno del anodo y del reformador varia entre el 0 % y el 100 % de la cantidad total descargada desde el reactor catalitico.
Si bien la invencion se ha descrito en conexion con lo que se considera actualmente que es la realization mas practica y preferida, se debe entender que la invencion no esta limitada a la realizacion o realizaciones divulgadas, sino que por el contrario, pretende cubrir diversas modificaciones y disposiciones equivalentes incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Ademas se debe entender que aunque el uso de la palabra preferible, de 5 preferencia, o preferida/o En la description anterior indica que la caracteristica asi descrita puede ser mas deseable, sin embargo, puede no ser necesaria y cualquier realizacion que carezca de la mima puede contemplarse como estando dentro de la alcance de la invencion, alcance que se define por las siguientes reivindicaciones. En la lectura de las reivindicaciones se pretende que cuando se utilizan palabras tales como "un", "una", "al menos uno" y "al menos una portion", no haya ninguna intention de limitar la pretension de un solo articulo a menos que se 10 especifique de lo contrario en la revindication. Ademas, cuando se utiliza la expresion "al menos una porcion" y/o "una porcion" el articulo puede incluir una porcion y/o todo el articulo a menos que se indique especificamente lo contrario.

Claims (14)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un generador de gas de reduccion (14) para el arranque y el apagado de una pila de combustible (12), que comprende:
    una fuente de oxidante estructurada para suministrar un oxidante con bajo contenido de oxigeno (O2), teniendo el
    oxidante con bajo contenido de O2 un contenido de O2 inferior al del aire atmosferico;
    una entrada de combustible (38) configurada para recibir un combustible de hidrocarburo;
    una camara de fusion (32) en comunicacion fluida con dicha fuente de oxidante y en comunicacion fluida con
    dicha entrada de combustible, estando dicha camara de fusion estructurada para recibir el combustible de
    hidrocarburo y el oxidante con bajo contenido de oxigeno (O2), y para descargar una mezcla de alimentacion que
    contiene tanto el combustible de hidrocarburo como el oxidante con bajo contenido de oxigeno (O2);
    un reactor catalitico (34) en comunicacion fluida con dicha camara de fusion, estando dicho reactor catalitico
    estructurado para recibir la mezcla de alimentacion y para convertir cataliticamente la mezcla de alimentacion en
    un gas de reduccion; y
    una salida de gas de reduccion acoplada de manera fluida a dicho reactor catalitico y en comunicacion fluida con al menos uno de un anodo (20) y un reformador (26) de la pila de combustible, dicha salida del gas de reduccion operativa para dirigir el gas de reduccion a dicho al menos uno del anodo y del reformador de la pila de combustible,
    incluyendo ademas el generador de gas de reduccion un sistema de control (6) configurado para ejecutar instrucciones de programa para regular una temperatura de control mediante la variacion tanto del contenido de O2 del oxidante con bajo contenido de O2 como de la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion.
  2. 2. El generador de gas de reduccion (14) de la reivindicacion 1, que comprende ademas un generador de nitrogeno (54) operable para extraer el oxigeno (O2) del aire y descargar el equilibrio en la forma de un gas rico en nitrogeno, formando el gas rico en nitrogeno al menos una parte del oxidante con bajo contenido de O2.
  3. 3. El generador de gas de reduccion (14) de la reivindicacion 2, que comprende ademas un sistema de carga de aire acoplado a dicha salida del generador de nitrogeno, estando dicho sistema de carga de aire estructurado para anadir de forma variable aire al gas rico en nitrogeno para variar el contenido de O2 del oxidante con bajo contenido de O2.
  4. 4. El generador de gas de reduccion (14) de la reivindicacion 2, que incluye ademas una valvula estructurada para anadir una cantidad controlada de aire a uno del gas rico en nitrogeno y de la mezcla de alimentacion.
  5. 5. El generador de gas de reduccion (14) de la reivindicacion 2, en el que dicho generador de nitrogeno incluye una membrana de separacion de nitrogeno (56) configurada para separar el nitrogeno del aire.
  6. 6. El generador de gas de reduccion (14) de la reivindicacion 1, que comprende ademas un sensor de temperatura de control (84) y un sensor de O2 (66) acoplado en comunicacion a dicho sistema de control (96).
  7. 7. El generador de gas de reduccion (14) de la reivindicacion 1, que comprende ademas:
    una valvula de control de oxidante (62) acoplada en comunicacion a dicho sistema de control (96), dicha valvula de control oxidante estructurada para controlar un flujo del oxidante de acuerdo con las indicaciones de dicho sistema de control; y
    una valvula de control de combustible (46) acoplada en comunicacion a dicho sistema de control, dicha valvula de control de combustible estructurada para controlar un flujo del combustible de hidrocarburo de acuerdo con las indicaciones de dicho sistema de control,
    en el que dicho sistema de control esta configurado para ejecutar instrucciones de programa para variar la relacion oxidante/combustible mediante el control de la salida de al menos una de dicha valvula de control de combustible y dicha valvula de control oxidante.
  8. 8. El generador de gas de reduccion (14) de la reivindicacion 1, en el que el sistema de control (96) esta configurado para ejecutar instrucciones de programa para variar selectivamente un contenido de combustible del gas de reduccion mientras se mantiene una temperatura seleccionada del gas de reduccion variando tanto el contenido de O2 del oxidante como la relacion oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion.
  9. 9. El generador de gas de reduccion (14) de la reivindicacion 8, que comprende ademas al menos dos de un sensor de temperatura de control (84), un sensor de oxigeno (66) y un sensor de deteccion de combustibles (86) en el gas de reduccion acoplados comunicativamente a dicho control de sistema (96).
  10. 10. El generador de gas de reduccion (14) de la reivindicacion 1, que comprende ademas un intercambiador de calor (88) acoplado de manera fluida aguas abajo de dicho reactor catalitico (34), dicho intercambiador de calor configurado para controlar una temperatura de dicho gas de reduccion.
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    15
    20
    25
    30
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    40
  11. 11. El generador de gas de reduccion (14) de la reivindicacion 1, que comprende ademas un calentador (74) aguas arriba de dicho reactor catalitico (34), dicho calentador configurado para iniciar una reaccion catalttica en el catalizador (36) de dicho reactor catalitico mediante el calentamiento de al menos una porcion de la mezcla de alimentacion y el suministro de la mezcla caliente a dicho reactor catalitico.
  12. 12. El generador de gas de reduccion (14) de la reivindicacion 11, en el que dicho calentador (74) incluye un cuerpo (76) configurado para mantener continuamente una temperatura a, o por encima de, una temperatura de encendido del catalizador (36) de la mezcla de alimentacion durante las operaciones normales de la pila de combustible (12).
  13. 13. El generador de gas de reduccion (14) de la reivindicacion 1, que comprende ademas al menos uno de:
    un calentador (80) del catalizador configurado para mantener el catalizador (36) de dicho reactor catalitico (34) a una temperatura de, o por encima de, una temperatura de encendido del catalizador de la mezcla de alimentacion durante las operaciones normales de la pila de combustible (12); y
    otro calentador (82) dispuesto adyacente a la entrada de dicho reactor catalitico y estructurado para iniciar la reaccion catalitica de la mezcla de alimentacion en una porcion aguas arriba de dicho reactor catalitico.
  14. 14. Un sistema de pila de combustible (10), que comprende:
    una pila de combustible (12), que incluye un anodo (20), un catodo (24), un electrolito (22) acoplado a dicho anodo y a dicho catodo, y un reformador (26); y
    un generador de gas de reduccion (14) configurado para el arranque y el apagado de la pila de combustible, incluyendo el generador de gas de reduccion:
    una fuente de oxidante estructurada para suministrar una corriente de oxidante con bajo contenido de oxigeno (O2), teniendo la corriente de oxidante con bajo contenido de O2 un contenido de O2 inferior al del aire atmosferico;
    una entrada de combustible (38) configurada para recibir un combustible de hidrocarburo; una camara de fusion (32) en comunicacion fluida con dicha fuente de oxidante y en comunicacion fluida con dicha entrada de combustible, estando dicha camara de fusion estructurada para recibir el combustible de hidrocarburo y la corriente de oxidante con bajo contenido de O2, y para descargar una mezcla de alimentacion que contiene tanto el combustible de hidrocarburo como la corriente de oxidante con bajo contenido de O2;
    un reactor catalitico (34) en comunicacion fluida con dicha camara de fusion, estando dicho reactor catalitico estructurado para recibir dicha mezcla de alimentacion y para convertir cataliticamente dicha mezcla de alimentacion en un gas de reduccion; y
    una salida de gas de reduccion acoplada de manera fluida a dicho reactor catalitico y en comunicacion fluida con al menos uno de dicho anodo y dicho reformador, dicha salida del gas de reduccion operativa para dirigir el gas de reduccion a dicho al menos uno de dicho anodo y dicho reformador,
    incluyendo ademas el generador de gas de reduccion un sistema de control (96) configurado para ejecutar instrucciones de programa para regular una temperatura de control mediante la variation tanto del contenido de O2 de la corriente de oxidante con bajo contenido de O2 como la relation oxidante/combustible de la mezcla de alimentacion.
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