ES2617206T3 - Instalación eléctrica con pila de combustible refrigerada que comprende una máquina térmica de absorción - Google Patents

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Abstract

Instalación (100) que comprende: - un módulo de potencia que suministra electricidad y libera calor, comprendiendo el módulo de potencia al menos una pila de combustible (12) dotada de un ánodo (12a) y de un cátodo (12b), y al menos un reformador (14), estando alimentado el ánodo (12b) de hidrógeno por el reformador (14) y estando alimentado el cátodo (12b) de oxígeno, comprendiendo la pila de combustible (12) un bucle (24) de evacuación de calor, - una máquina térmica de absorción (40) que incluye un primer hervidor (42), un condensador (46), un evaporador (48) y un absorbedor (50), un circuito de intercambio térmico (42a) del primer hervidor (42) que está insertado en el bucle (24) de evacuación de calor de la pila de combustible (12) para refrigerar ésta, y - un circuito cerrado de circulación (10) de un líquido, comprendiendo dicho circuito cerrado de circulación (10) al menos un intercambiador de calor (26, 28, 30, 32) que incluye un circuito calentador(26a, 28a, 30a, 32a) acoplado térmicamente al módulo de potencia y un circuito calentado (26b, 28b, 30b, 32b) insertado en dicho circuito cerrado de circulación (10), intercambiando dicho circuito cerrado de circulación (10) calor con dicho circuito calentador(26a, 28a, 30a, 32a), calentando así el líquido del circuito cerrado de circulación (10), y en la cual un circuito de intercambio térmico (48a) del evaporador (48) está insertado en dicho circuito cerrado de circulación (10) de un líquido, siendo atravesado dicho circuito de intercambio térmico (48a) del evaporador (48) por dicho líquido calentado del circuito cerrado de circulación (10) después de su paso por el circuito calentado (26b, 28b, 30b, 32b) de dicho intercambiador (26, 28, 30, 32), para enfriar este líquido calentado de dicho circuito de circulación (10), estando caracterizada la instalación (100) por que el condensador (46) de la máquina térmica de absorción (40) comprende un circuito de intercambio térmico (46a) que está insertado en un circuito de alimentación (18) de aire al cátodo (12b) y/o al reformador (14), para calentar este aire.

Description

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DESCRIPCION
Instalacion electrica con pila de combustible refrigerada que comprende una maquina termica de absorcion Campo de la invencion
La presente invencion tiene por objeto una instalacion que comprende un modulo de potencia que suministra electricidad, liberando calor y que necesita ser refrigerado.
Mas particularmente, la presente invencion se refiere a una instalacion que comprende un modulo de potencia que incluye al menos una pila de combustible dotada de un anodo y de un catodo y, al menos, un reformador que suministra hidrogeno al anodo.
La instalacion segun la invencion esta adaptada particularmente para ser embarcada, principalmente a bordo de una aeronave tal como un avion.
Estado de la tecnica anterior
Un modulo de potencia de ese tipo que libera calor debe ser refrigerado a fin de garantizar su buen funcionamiento. En particular, la pila de combustible debe ser mantenida a su temperatura de funcionamiento correcta.
Una instalacion que comprende un modulo de potencia y un sistema de refrigeracion de tal modulo de potencia es conocida. El sistema de refrigeracion de una instalacion tal comprende un bucle cerrado de circulacion de un lfquido que intercambia calor con el modulo de potencia, teniendo esto como efecto calentar dicho lfquido. El lfquido calentado es enfriado a continuacion a su paso por un radiador acoplado a un ventilador que impulsa aire exterior. Este sistema de refrigeracion incluye, igualmente, un bucle de evacuacion del calor generado espedficamente por la pila, integrado en ella. Asf, como en el bucle cerrado de circulacion de un lfquido, el calor liberado espedficamente por la pila de combustible es extrafdo por un lfquido que circula por dicha pila y es intercambiado a traves de un radiador acoplado a un ventilador que impulsa aire exterior.
Tal sistema de refrigeracion, que hace intervenir al menos un radiador acoplado a un ventilador para enfriar el lfquido, es voluminoso. Esto tiene como efecto el hacer diffcil su instalacion en un sistema embarcado.
Asimismo, este sistema de refrigeracion es poco eficaz y en consecuencia degrada el rendimiento del modulo de potencia.
Por otro lado, el rendimiento de este sistema de refrigeracion es dependiente de la diferencia de temperatura entre el lfquido precitado, de dicho bucle cerrado y de dicho bucle de evacuacion, y el aire exterior impulsado por los ventiladores. En efecto, esta diferencia de temperatura puede estar, en ciertos casos, limitada principalmente en el caso en el que la instalacion esta situada en una zona caliente tal como un pafs caluroso por ejemplo.
Ademas, en esta instalacion, el calor intercambiado entre el lfquido del bucle cerrado de circulacion y las zonas calientes del modulo se pierde y no puede ser utilizado como fuente de energfa auxiliar. Es lo mismo para el calor generado espedficamente por la pila de combustible intercambiado con dicho bucle de evacuacion de calor generado espedficamente por la pila de combustible.
Se conoce, asimismo, del documento de patente internacional WO 2007/114802, un maquina termica de absorcion insertada en un circuito de evacuacion de calor espedfico de una pila de combustible.
Presentacion de la invencion
Un objetivo de la presente invencion es remediar al menos sustancialmente los inconvenientes precitados.
La invencion alcanza su objetivo proponiendo una instalacion que comprende:
- un modulo de potencia que suministra electricidad y libera calor, comprendiendo el modulo de potencia al menos una pila de combustible dotada de un anodo y de un catodo, y al menos un reformador, estando alimentado el anodo de hidrogeno por el reformador y estando alimentado el catodo de oxfgeno, comprendiendo la pila de combustible un bucle de evacuacion de calor,
- una maquina termica de absorcion que incluye un primer hervidor, un condensador, un evaporador y un absorbedor, un circuito de intercambio termico del primer hervidor que esta insertado en el bucle de evacuacion de calor de la pila de combustible para refrigerar esta, y
- un circuito cerrado de circulacion de un lfquido, comprendiendo dicho circuito cerrado de circulacion al menos un intercambiador de calor que incluye un circuito calentador acoplado termicamente al modulo de potencia y un circuito calentado insertado en dicho circuito cerrado de circulacion, intercambiando calor dicho circuito cerrado de circulacion con dicho circuito de calentamiento, calentando asf el lfquido del circuito cerrado de circulacion, y
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- un circuito de intercambio termico del evaporador que esta insertado en dicho circuito cerrado de circulacion de un lfquido, siendo atravesado dicho circuito de intercambio termico del evaporador por dicho Ifquido calentado del circuito cerrado de circulacion despues de su paso por el circuito calentado de dicho intercambiador, para enfriar este lfquido calentado de dicho circuito de circulacion.
Se comprende que la maquina termica de absorcion que comprende el primer hervidor, el condensador, el evaporador y el absorbedor, es conocida de por st El primer hervidor, el condensador, el evaporador y el absorbedor son intercambiadores de calor espedficos, es decir que permiten transferir energfa termica (calor) de un fluido a otro.
Ademas, se comprende que “primer hervidor” significa que la maquina termica de absorcion no esta limitada a un solo hervidor sino que puede comprender otro hervidor, por ejemplo, como se describe mas abajo.
Esta maquina termica de absorcion funciona esencialmente gracias a la facultad de ciertos fluidos de absorber o desorber un vapor. Esta maquina utiliza, por tanto, como “fluidos de trabajo” una mezcla binaria en la cual uno de los fluidos es mas volatil que el otro, siendo denominado este “fluido criogenico”.
Por otro lado, se comprende que el bucle de evacuacion de calor de la pila de combustible incluye un fluido caloportador que extrae el calor generado espedficamente por la pila de combustible durante su funcionamiento. Asf, se comprende que el fluido caloportador que ha extrafdo el calor liberado por la pila de combustible atraviesa el circuito de intercambio termico del primer hervidor de la maquina termica de absorcion cediendo el calor extrafdo a una mezcla de un fluido criogenico y de un absorbente contenida en el primer hervidor (en la presente memoria, se comprende por “circuito de intercambio termico” un circuito en el cual circula un fluido que cede o absorbe calor).
Esto tiene como efecto hacer hervir o desorber una parte del fluido criogenico que es enviada al condensador para ser condensada por intercambio de calor con un fluido mas fno que circula por un circuito de intercambio termico del condensador, produciendo esto un fluido criogenico lfquido. La mezcla concentrada en absorbente que queda en el primer hervidor alimenta al absorbedor.
El fluido criogenico lfquido que sale del condensador para a continuacion a un evaporador para ser vaporizado por intercambio de calor con un fluido mas caliente que circula por el circuito de intercambio termico del evaporador. Este vapor de fluido criogenico a la salida del evaporador pasa, a continuacion, al absorbedor donde es absorbido por la mezcla concentrada en absorbente que viene del primer hervidor, que se carga entonces de fluido criogenico. El calor liberado por esta reaccion exotermica es transferido a un fluido que circula por un circuito de intercambio termico del absorbedor. Se obtiene en el absorbedor una solucion diluida en absorbente que alimente a continuacion al primer hervidor.
Estas disposiciones permiten refrigerar la pila de combustible y mantenerla a su temperatura de funcionamiento optima.
En esta memoria, dicho intercambiador de calor, denominado en adelante “intercambiador”, es conocido de por si. Como se menciono arriba, se trata de un dispositivo que permite transferir la energfa termica de un fluido a otro.
Se entiende aqrn por “circuito calentador”, un circuito en el cual circula un fluido caliente que cede energfa termica. Se entiende entonces, aqrn, por “circuito calentado”, un circuito por el cual circula un fluido fno que recibe la energfa termica de dicho fluido caliente que circula por el circuito calentador.
Asimismo, se entiende aqrn por “acoplado termicamente” que el circuito calentador esta integrado en un circuito de fluido caliente que dimana del modulo de potencia, tal como un fluido de alimentacion de la pila y/o del reformador o bien un fluido de evacuacion de la pila y/o del reformador, etc., y que el fluido caliente atraviesa el circuito calentador.
Se comprende, entonces, que el fluido caliente que circula por el circuito calentador de dicho intercambiador transfiere calor al lfquido del circuito cerrado de circulacion que circula por el circuito calentado de dicho intercambiador. Esto tiene como efecto enfriar el fluido caliente que dimana del modulo de potencia y calentar el lfquido del circuito cerrado de circulacion, denominado en adelante “lfquido calentado del circuito cerrado de circulacion”.
Se comprende, asimismo, que el lfquido calentado del circuito cerrado de circulacion constituye el lfquido mas caliente precitado que circula por el circuito de intercambio termico del evaporador. Asf, se comprende que este lfquido calentado que circula por el circuito de intercambio termico del evaporador va a ceder calor al fluido criogenico contenido en el evaporador y que viene del condensador. A la salida del circuito de intercambio termico del evaporador, el lfquido del circuito cerrado de circulacion esta, entonces, mas fno y es reenviado hacia el circuito calentado de dicho intercambiador de calor para intercambiar calor con dicho circuito calentador de dicho intercambiador.
Gracias a estas disposiciones, se refrigera el modulo de potencia a fin de asegurar su buen funcionamiento.
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Asimismo, estas disposiciones minimizan el tamano y el peso de la instalacion.
Estas disposiciones permiten, igualmente, disipar una potencia termica mayor con respecto a la instalacion de la tecnica anterior en la cual se utilizaba un radiador acoplado a un ventilador que impulsa aire para enfriar el fluido que circula por el bucle de evacuacion de calor generado espedficamente por la pila. Esto es debido al hecho de que en una maquina termica de absorcion el fluido criogenico circula por un circuito cerrado en donde el calor latente del fluido criogenico (cantidad de calor intercambiado durante un cambio de estado del fluido criogenico) es utilizado para el funcionamiento de la maquina termica de absorcion. En efecto, un fluido capta mas energfa termica por unidad de masa cuando cambia de estado que cuando eleva su temperatura por calor sensible (intercambia energfa termica sin cambio de fase del fluido), como es el caso en la instalacion de la tecnica anterior en la cual el calor generado espedficamente por la pila es intercambiado con el aire impulsado por un ventilador.
Asimismo, gracias a estas disposiciones, la instalacion esta menos sometida a las temperaturas exteriores con respecto a dicho dispositivo de la tecnica anterior que comprende un radiador acoplado a un ventilador que impulsa aire. En efecto, dependiendo el funcionamiento de la maquina termica de absorcion principalmente de la energfa termica que se aporta al absorbedor, las condiciones exteriores influyen poco o nada en su rendimiento.
Ademas, en la instalacion segun la invencion, el lfquido del circuito cerrado de circulacion circula por un circuito cerrado y es enfriado por transferencia de calor al evaporador despues de su paso por el circuito calentado de dicho intercambiador. La refrigeracion del lfquido del circuito cerrado de circulacion no depende, pues, de las condiciones exteriores.
Asf, la instalacion segun la invencion se hace autonoma frente a su entorno.
Por fin, gracias a estas disposiciones, se optimiza el rendimiento energetico del modulo de potencia (cogeneracion electricidad-calor) ya que el calor generado por el modulo de potencia es utilizado para el funcionamiento de la maquina termica de absorcion. Se utiliza, por tanto, esta energfa termica para enfriar el lfquido del circuito cerrado de circulacion despues de su paso por el circuito calentado de dicho intercambiador. Este lfquido enfriado alimenta a continuacion al circuito calentado de dicho intercambiador para intercambiar calor con el circuito calentador de dicho intercambiador.
Asimismo, el condensador de la maquina termica de absorcion comprende un circuito de intercambio termico que esta insertado en un circuito de alimentacion de aire al catodo y/o al reformador, para calentar este aire.
Se comprende que el fluido mas fno precitado que circula por el circuito de intercambio termico del condensador es el aire. Este aire viene, por ejemplo, del ambiente exterior y absorbe el calor de los vapores de fluido criogenico, teniendo esto como efecto calentar el aire.
Gracias a estas disposiciones, se recupera energfa termica para calentar el aire que alimenta al catodo asf como al reformador y, en particular, al quemador de dicho reformador.
En ciertos modos de realizacion, el absorbedor de la maquina termica de absorcion comprende un circuito de intercambio termico que esta insertado en un circuito de alimentacion de agua al reformador, para calentar esta agua.
Se comprende que, para funcionar, el reformador necesita ser alimentado de agua, preferiblemente de agua caliente o de vapor de agua. En efecto, en este ejemplo, el reformador efectua un reformado por vapor que consiste en una reaccion catalttica a alta temperatura (alrededor de 800 °C) entre un carburante y el agua, que permite producir un gas rico en hidrogeno. Esta reaccion esta seguida, generalmente, por una segunda reaccion catalftica, a saber, la reaccion de gas con el agua, que convierte el monoxido de carbono y el agua en hidrogeno y dioxido de carbono.
Asf, el fluido precitado que circula por el circuito de intercambio termico del absorbedor es agua, agua fna en este ejemplo. El agua fna, al vaporizarse, “capta”, por transferencia termica, el calor de los vapores de fluido criogenico que salen del evaporador y son inyectados en el absorbedor. El agua asf vaporizada alimenta al reformador.
En ciertos modos de realizacion, la maquina termica de absorcion es una maquina termica de absorcion de doble efecto, comprendiendo dicha maquina termica de absorcion a doble efecto un segundo hervidor.
Esta maquina termica de absorcion de doble efecto se conoce de por sf.
Esta maquina termica de absorcion de doble efecto que comprende el segundo hervidor difiere de la maquina termica de absorcion que comprende solamente el primer hervidor en que el segundo hervidor esta alimentado por la mezcla concentrada en absorbente que queda en el primer hervidor y en que el vapor de fluido criogenico que sale del primer hervidor atraviesa un circuito de intercambio termico de dicho segundo hervidor. Asf, el vapor de fluido criogenico que sale del primer hervidor intercambia calor con la mezcla concentrada en absorbente procedente del primer hervidor. Esto tiene como efecto hacer hervir o desorber el resto de fluido criogenico de la mezcla concentrada en absorbente procedente del primer hervidor. El vapor de fluido criogenico asf generado en el segundo hervidor alimenta el condensador. Esto tiene como efecto, igualmente, condensar el vapor de fluido criogenico
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procedente del primer hervidor que atraviesa el circuito de intercambio termico del segundo hervidor. El Kquido de fluido criogenico as^ obtenido a la salida del circuito de intercambio termico del segundo hervidor es expansionado antes de alimentar el condensador. Asimismo, la solucion concentrada en absorbente que queda en el segundo hervidor alimenta al absorbedor.
Esta disposicion permite utilizar dos veces el calor liberado por el funcionamiento de la pila de combustible. Se comprende, entonces, que esta disposicion permite optimizar el rendimiento energetico del modulo de potencia. En efecto, esta maquina termica de absorcion de doble efecto permite obtener un Coeficiente de Rendimiento (COP) superior a 1.
En ciertos modos de realizacion, el circuito calentador de un intercambiador de calor tal esta conectado a un circuito de evacuacion de gases de un quemador del reformador. Por ejemplo, este intercambiador de calor es un condensador.
En la presente memoria, el condensador es conocido de por sf y constituye un intercambiador de calor que permite condensar un gas y recuperar un lfquido de condensado correspondiente. En el ejemplo, el lfquido es agua.
Se comprende que el quemador del reformador emite gases quemados calientes de combustion. Estos gases calientes de combustion circulan en el circuito calentador del intercambiador e intercambian calor con el lfquido del circuito cerrado de circulacion que circula por el circuito calentado del intercambiador, calentando asf dicho lfquido. Este lfquido calentado del circuito cerrado de circulacion alimenta a continuacion al circuito de intercambio termico del evaporador y sale enfriado de dicho circuito de intercambio termico del evaporador.
Ademas, en la presente memoria, efectuando el reformador un reformado por vapor, el agua contenida en estos gases quemados es recuperada con el fin de ser reinyectada en el reformador.
En ciertos modos de realizacion, el circuito calentador de un intercambiador de calor tal esta conectado a un circuito de alimentacion anodico, entre el reformador y el anodo. En una variante, un intercambiador de calor tal es un condensador.
Se comprende que el reformador produce un gas caliente, rico en hidrogeno. Asf, a fin de no danar la pila de combustible, este gas rico en hidrogeno debe ser enfriado y el agua que contiene debe ser eliminada antes de alimentar al anodo. Para hacer esto, este gas rico en hidrogeno atraviesa el circuito calentador del intercambiador para intercambiar calor con el lfquido del circuito cerrado de circulacion que circula por el circuito calentado del intercambiador y condensar el agua que contiene, calentando asf dicho lfquido del circuito cerrado de circulacion. Este lfquido calentado del circuito cerrado de circulacion alimenta a continuacion al circuito de intercambio termico del evaporador y sale enfriado de dicho circuito de intercambio termico del evaporador. Por otro lado, el agua condensada es retornada, como anteriormente, al reformador.
En ciertos modos de realizacion, el circuito calentador de un intercambiador de calor tal esta conectado a un circuito de evacuacion de fluido anodico, conectado al anodo. En una variante, un intercambiador de calor tal es un condensador.
Se comprende que el gas evacuado al anodo pasa por el circuito calentador del intercambiador para intercambiar calor con el lfquido del circuito cerrado de circulacion que circular por en el circuito calentado de dicho intercambiador, calentando asf dicho lfquido. Este lfquido calentado del circuito cerrado de circulacion alimenta a continuacion al circuito de intercambio termico del evaporador y sale enfriado de dicho circuito de intercambio termico del evaporador. Asimismo, el agua de este gas es recuperada para alimentar al reformador.
En ciertos modos de realizacion, el circuito calentador de un intercambiador de calor tal esta conectado a un circuito de evacuacion de fluido catodico conectado al catodo. En una variante, un intercambiador de calor tal es un condensador.
Se comprende que el gas evacuado del catodo pasa por el circuito calentador del intercambiador para intercambiar calor con el lfquido del circuito cerrado de circulacion que circula por el circuito calentado del intercambiador, calentando asf dicho lfquido. Este lfquido calentado del circuito cerrado de circulacion alimenta a continuacion al circuito de intercambio termico del evaporador y sale enfriado de dicho circuito de intercambio termico del evaporador. Asimismo, el agua de este gas es recuperada para alimentar al reformador.
En ciertos modos de realizacion, un lfquido de condensado recuperado en un condensador tal alimenta al reformador a traves de un circuito de condensado.
Como se menciono anteriormente, el reformador efectua un reformado por vapor que necesita una alimentacion de agua. Se comprende entonces que el agua recuperada en el o en cada condensador constituye el condensado y alimenta al reformador.
En ciertos modos de realizacion, la pila de combustible es una pila de combustible con membrana de intercambio de protones a alta temperatura.
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Este tipo de pila de combustible presenta la ventaja de aceptar un gas rico en hidrogeno, producido por un reformador, para alimentar su anodo y el ox^geno procedente del aire exterior para alimentar su catodo.
Asimismo, este tipo de pila es propicia para a cogeneracion. En efecto, durante su funcionamiento nominal, suministra casi tanta potencia termica como electrica.
En ciertos modos de realizacion, la instalacion es embarcada.
La invencion se refiere, igualmente, a una aeronave que comprende la instalacion tal como la descrita anteriormente.
Varios modos de realizacion se describen en la presente memoria. No obstante, salvo precision en contrario, las caractensticas descritas en relacion con un modo de realizacion cualquiera pueden aplicarse a otro modo de realizacion.
Breve descripcion de los dibujos
La invencion y sus ventajas se comprenderan mejor con la lectura de la descripcion detallada que se hace a continuacion de un modo de realizacion de la invencion dado a tftulo de ejemplo no limitativo. Esta descripcion hace referencia a la figura unica anexa, en la cual:
- la unica figura representa una vista esquematica de una instalacion con un modulo de potencia segun la invencion.
Descripcion detallada de ejemplos de realizacion
La figura unica ilustra una instalacion 100 que comprende esencialmente un modulo de potencia que libera calor y un circuito cerrado de circulacion 10 de un ftquido, denominado en adelante “circuito cerrado de circulacion 10”. En este ejemplo, el ftquido del circuito cerrado de circulacion 10 es agua.
En la presente memoria, la instalacion 100 esta embarcada en una aeronave tal como un avion. Asf, el agua del circuito cerrado de circulacion 10 viene, en este ejemplo, de una reserva de agua del avion.
El modulo de potencia comprende una pila de combustible 12 dotada de un anodo 12a y de un catodo 12b. El modulo de potencia comprende, igualmente, un reformador 14 dotado de un quemador 14a, que produce un gas caliente rico en hidrogeno. En el ejemplo, el reformador 14 efectua un reformado por vapor consistente en una reaccion catalftica a alta temperatura (alrededor de 800 °C) entre un carburante y agua, produciendo un gas rico en hidrogeno. Esta reaccion esta seguida, generalmente, por una segunda reaccion catalftica, a saber, la reaccion de gas con el agua, que convierte el monoxido de carbono y el agua en hidrogeno y dioxido de carbono. Gases calientes de combustion que resultan de estas reacciones, y se denominan en lo que sigue de la presente memoria “gases quemados”, son expulsados por el quemador fuera del avion por una salida S1, despues de haber atravesado un circuito de evacuacion 15 de los gases del quemador.
Asimismo, en este ejemplo, la pila de combustible 12 es una pila de combustible de membrana de intercambio de protones a alta temperatura que suministra, en funcionamiento nominal, casi tanta potencia termica como electrica. Este tipo de pila 12 presenta la ventaja de aceptar una alimentacion anodica de un gas rico en hidrogeno producido por el reformador 14, a traves de un circuito de alimentacion anodica 16 que conecta una salida del reformador 14 a una entrada del anodo 12a. Este tipo de pila 12 acepta, asimismo, una alimentacion catodica de oxfgeno a partir del aire exterior.
Este aire exterior es extrafdo por via de un circuito de alimentacion 18 de aire al catodo 12b y del quemador 14a del reformador 14. Por toro lado, este circuito de alimentacion 18 alimenta, igualmente, al reformador 14, y mas precisamente, a su quemador 14a.
Un circuito de evacuacion 20 de los gases anodicos, es decir los gases que salen del anodo 12a, conecta una salida del anodo 12a con el exterior del avion por una salida S2, para el escape de dichos gases. Asimismo, un circuito de evacuacion 22 de los gases catodicos, es decir los gases que salen del catodo 12b, conecta una salida del catodo 12b con el exterior del avion para el escape de estos gases por una salida S3.
La pila de combustible 12 comprende un bucle 24 de evacuacion de calor generado por el funcionamiento de dicha pila 12. Aqrn, un fluido caloportador circula por dicho bucle 24 y extrae el calor generado por el funcionamiento de la pila de combustible.
La instalacion 100 comprende, asimismo, cuatro intercambiadores de calor 26, 28, 30, 32 que son, en este ejemplo, condensadores. En una variante, la instalacion 100 podna comprender mas o menos intercambiadores y/o condensadores.
Cada condensador 26, 28, 30, 32 comprende un circuito calentador 26a, 28a, 30a, 32a, acoplado termicamente al modulo de potencia, es decir, que el circuito calentador esta integrado en un circuito de fluido caliente que dimana del modulo de potencia, tal como un fluido de alimentacion de la pila 12 o bien un fluido de evacuacion de la pila 12
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y/o del reformador 14, etc. Asf, los circuitos calentadores 26a, 28a, 30a, 32a, estan conectados, respectivamente, al circuito de evacuacion 15 de los gases quemados del quemador 14a, al circuito de alimentacion anodica 16, al circuito de evacuacion 20 de los gases anodicos y al circuito de evacuacion 22 de los gases catodicos.
Por otro lado, cada condensador 26, 28, 30, 32 comprende, respectivamente, un circuito calentado 26b, 28b, 30b, 32b, insertado en el circuito cerrado de circulacion 10 de agua. Se entiende por “insertado” que el agua del circuito cerrado de circulacion 10 circula por cada circuito calentado 26b, 28b, 30b, 32b. Asimismo, los circuitos calentados 26b, 28b, 30b, 32b, estan insertados en paralelo los unos con respecto a los otros en el circuito cerrado de circulacion 10 de agua entre una primera conduccion 10a de agua y una segunda conduccion 10b de agua de dicho circuito cerrado de circulacion 10.
Ademas, cada condensador 26, 28, 30, 32 comprende un deposito 26c, 28c, 30c, 32c, de agua condensada. Esta agua condensada recuperada es inyectada al reformador 14 por via de un circuito 36 de condensado.
A fin de regular la temperatura interna de la pila de combustible 12, y asegurar pues su buen funcionamiento, esta debe ser refrigerada. En este ejemplo, siendo la pila 12 del tipo de membrana de intercambio de protones a alta temperatura, su temperatura debe ser mantenida en la proximidad de 170 °C. Para hacer esto, la instalacion comprende una maquina termica de absorcion 40, de doble efecto, en este ejemplo. Esta maquina termica de absorcion 40 de doble efecto es conocida de por sf y se denomina en adelante “maquina termica”.
La estructura de la maquina termica 40 va a describirse en la parte siguiente de la descripcion. Los terminos “aguas arriba” y “aguas abajo” estan definidos con respecto al sentido normal de circulacion de un fluido criogenico y/o de un absorbente en una maquina termica de absorcion.
Ella incluye, esencialmente, un primer hervidor 42 que comprende una mezcla de un fluido criogenico y de un absorbente. El fluido criogenico es, en este ejemplo, agua y el absorbente, bromuro de litio. Esta mezcla contenida en el primer hervidor 42 se denomina en adelante “mezcla diluida”.
La maquina termica 40 incluye, asimismo, un segundo hervidor 44, un condensador 46, un evaporador 48 y un absorbedor 50.
Ademas, en esta maquina termica de absorcion 40:
- un circuito de intercambio termico 42a del primer hervidor 42 esta insertado en el bucle 24 de evacuacion de calor de la pila de combustible 12,
- un primer circuito 52 de criogenico que comprende tres subcircuitos 52a, 52b, 52c, conecta el primer hervidor 42 al condensador 46,
- un circuito de intercambio termico 44a del segundo hervidor 44 esta insertado en dicho primer circuito 52 de criogenico,
- un primer expansor 54 esta insertado en el primer circuito 52 de criogenico, aguas abajo del circuito de intercambio termico 44a del segundo hervidor 44 y aguas arriba del condensador 46,
- un segundo circuito 56 de criogenico conecta el segundo hervidor 44 al condensador 46,
- un circuito de alimentacion 58 al segundo hervidor 44 conecta el primer hervidor 42 al segundo hervidor 44,
- un circuito de intercambio termico 46a del condensador 46 esta insertado en un circuito de alimentacion 18 de aire al catodo y al quemador 14a del reformador 14,
- un tercer circuito 62 de criogenico conecta el condensador 46 con el evaporador 48,
- un segundo expansor 64 esta insertado en el tercer circuito 62 de criogenico, aguas abajo del condensador 46 y aguas arriba del evaporador 48,
- un circuito de intercambio termico 48a del evaporador 48 esta insertado en el circuito cerrado de circulacion 10 de agua, aguas abajo del circuito calentado 26b, 28b, 30b, 32b de cada intercambiador 26, 28, 30, 32,
- un cuarto circuito 66 de criogenico conecta el evaporador 48 con el absorbedor 50,
- un circuito de intercambio termico 50a del absorbedor 50 esta insertado en un circuito de alimentacion 68 de agua al reformador 14, tomando su fuente este circuito 68, en este ejemplo, en una reserva de agua fna,
- un circuito de alimentacion 70 de mezcla concentrada en absorbente conecta el segundo hervidor 44 al absorbedor 50,
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- un circuito de alimentacion 72 al primer hervidor 42 conecta el absorbedor 50 al primer hervidor 42 por medio de una bomba 74, conectada al circuito de alimentacion 72 al primer hervidor 42, aguas abajo del absorbedor 50 y aguas arriba del primer hervidor 42.
Esta maquina termica 40 comprende, asimismo, un primer intercambiador de calor 76 que incluye un primer circuito de intercambio termico 76a insertado en el circuito 70 de mezcla concentrada en absorbente y una segundo circuito de intercambio termico 76b insertado en el circuito de alimentacion 72 al primer hervidor 42.
La maquina termica 40 comprende, igualmente, un segundo intercambiador de calor 78 que incluye un primer circuito de intercambio termico 78a insertado en el circuito de alimentacion 58 al segundo hervidor 44 y un segundo circuito de intercambio termico 78b insertado en el circuito de alimentacion 72 al primer hervidor 42.
El funcionamiento de la instalacion 100 segun la invencion va a ser descrito a continuacion.
A fin de recuperar agua para alimentar el reformador 14, el circuito calentador 26a del condensador 26 de los gases quemados esta conectado al circuito de evacuacion 15 de los gases del quemador 14a. Los gases quemados emitidos por el quemador 14a atraviesan dicho circuito calentador 26a e intercambian su calor con el circuito calentado 32b del condensador 26 de los gases quemados en el cual circula el agua del circuito cerrado de circulacion 10. Por otro lado, el agua condensada contenida en los gases quemados es recuperada en el deposito 26c de dicho condensador 26 de los gases quemados y alimentada al reformador 14 por el circuito 36 de condensado.
Lo mismo que anteriormente, se recupera el agua del gas caliente, rico en hidrogeno, que sale del reformador 14 por el circuito de alimentacion anodica 16 para reinyectarla en el reformador 14. Ademas, este gas rico en hidrogeno que sale del del reformador 14 debe ser enfriado y deshidratado antes de alimentar al anodo 12a. Desde este punto de vista, el circuito calentador 28a del condensador pre-anodico 28 esta conectado al circuito de alimentacion anodica 16. Asf, el gas rico en hidrogeno que sale del reformador 14 pasa por el circuito calentador 28a del condensador pre- anodico 28 e intercambia calor con el circuito calentado 28b de dicho condensador 28 por el cual circula el agua del circuito cerrado de circulacion 10. El agua de condensacion recuperada en el deposito 28c del condensador pre- anodico 28 es inyectada en el reformador 14 por el circuito 36 de condensado.
Se recupera igualmente el agua contenida en los gases evacuados del anodo 12a. Para hacer esto, el circuito calentador 30a del condensador post-anodico 30 esta conectado al circuito de evacuacion 20 de los gases anodicos. El fluido caliente que sale del anodo 12a pasa por el circuito calentador 30b del condensador post-anodico 30 e intercambia calor con el circuito calentado 30b del condensador post-anodico 30 en el cual circula el agua del circuito cerrado de circulacion. Como anteriormente, el agua condensada recuperada en el deposito 30c del condensador post-anodico 30 es inyectada al reformador 14 por el circuito 36 de condensado.
Por fin, se recupera el agua contenida en los gases evacuados del catodo 12b. Asf, el circuito calentador 32a del condensador post-catodico 32 esta conectado al circuito de evacuacion 22 de los gases catodicos. El fluido caliente que sale del catodo 12b atraviesa el circuito calentador 38a del condensador post-catodico 32 e intercambia calor con el circuito calentado 38b del condensador post-catodico 32 en el cual circula el agua del circuito cerrado de circulacion. El agua de condensacion recuperada en el deposito 32c de dicho condensador post-catodico 32 es enviada hacia el reformador 14 por el circuito 36 de condensado.
Asf, se comprende que el agua del circuito cerrado de circulacion 10 que sale de cada circuito calentado, 26b, 28b, 30b, 32b esta calentada y se denomina en adelante “agua caliente”.
Por otro lado, como se menciono anteriormente, la pila de combustible 12 debe ser refrigerada.
Para hacer esto, el circuito de intercambio termico 42a del primer hervidor 42 esta insertado en el bucle 24 de evacuacion de calor de la pila de combustible 12.
Asf, el fluido caloportador de dicho bucle 24, que ha extrafdo el calor generado por el funcionamiento de la pila de combustible 12, intercambia este calor con la mezcla de fluido criogenico y de absorbente (denominada “mezcla diluida” en lo que sigue) contenida en el primer hervidor 42.
Esto tiene, entonces, como efecto hacer hervir o desorber una parte del fluido criogenico de la mezcla diluida contenida en el primer hervidor 42- La mezcla que queda en el primer hervidor 42 que ha “perdido” agua, se denomina “mezcla concentrada en absorbente de primer hervidor 42”.
Esta mezcla concentrada en absorbente del primer hervidor 42 alimenta al segundo hervidor 44 por el circuito de alimentacion 58 al segundo hervidor 44. Asimismo, dicho vapor de fluido criogenico generado en el primer hervidor 42 atraviesa el primer subcircuito 52a del primer circuito 52 de criogenico y atraviesa el circuito de intercambio termico 44a del segundo hervidor 44. En consecuencia, este vapor de fluido criogenico que atraviesa el circuito de intercambio termico 44a del segundo hervidor 44 intercambia calor con la mezcla concentrada en absorbente de primer hervidor 42, contenida en el segundo hervidor 44.
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Esto tiene como efecto hacer hervir o desorber el fluido criogenico Kquido restante, contenido en este mezcla concentrada en absorbente procedente del primer hervidor 42 y contenida en el segundo hervidor 44.
El vapor de fluido criogenico generado en el segundo hervidor 44 alimenta al condensador 46 por el segundo circuito 56 de criogenico para alimentar al condensador 46. Asimismo, el vapor de fluido criogenico procedente del primer hervidor 42 sale condensado del circuito de intercambio termico 44a del segundo hervidor 44.
El fluido criogenico asf generado atraviesa el segundo subcircuito 52b del primer circuito 52 de criogenico y es expansionado por el primer expansor 54.
El vapor de fluido criogenico asf generado atraviesa el tercer subcircuito 52c del primer circuito 52 de criogenico para alimentar al condensador 46.
La mezcla que queda en el segundo hervidor 44, que es pobre en criogenico, se denomina en lo que sigue de la descripcion “mezcla concentrada en absorbente de segundo hervidor 44”. Esta mezcla concentrada en absorbente de segundo hervidor 44 alimenta al absorbedor 50 a traves del circuito de alimentacion 70 de mezcla concentrada en absorbente.
El vapor de fluido criogenico contenido en el condensador 46 procedente del tercer subcircuito 52b, es condensado por intercambio de calor con el circuito de intercambio termico 46a del condensador 46 insertado en el circuito 18 de alimentacion de aire al catodo 12b y al quemador 14a del reformador 14. Estando el aire mas fno que dicho vapor de fluido criogenico, este ultimo transfiere el calor que contiene al aire, generando esto aire caliente. Este aire caliente, que sale del circuito de intercambio termico 46a del condensador, alimenta al catodo 12b de la pila de combustible 12 y al quemador 14a del reformador 14.
Por otro lado, el fluido criogenico lfquido formado en el condensador 46 sale de dicho condensador 46 por el tercer circuito 62 de criogenico y alimenta al evaporador 48, despues de haber sufrido un laminado a traves del segundo expansor 64. El laminado tiene como efecto bajar la presion del fluido criogenico lfquido.
Asimismo, como se menciono anteriormente, el circuito de intercambio termico 48a del evaporador 48 esta insertado en el circuito cerrado de circulacion 10 de agua aguas abajo de la salida del circuito calentado 26b, 28b, 30b, 32b de cada intercambiador 26, 28, 30, 32. Asf, el agua del circuito cerrado de circulacion 10 que sale del circuito calentado 26b, 28b, 30b, 32b de cada uno de los intercambiadores 26, 28, 30, 32 atraviesa el circuito de intercambio termico 48a del evaporador 48. Siendo esta agua caliente del circuito cerrado de circulacion 10 mas caliente que el fluido criogenico contenido en el evaporador 48, por el tercer circuito 62 de criogenico, dicha agua caliente del circuito cerrado de circulacion 10 transfiere calor al fluido criogenico lfquido contenido en el evaporador 48.
Esto tiene como efecto vaporizar el fluido criogenico contenido en el evaporador y enfriar el agua caliente del circuito cerrado de circulacion, esta agua enfriada del circuito cerrado de circulacion se denomina en lo que sigue de la presente memoria “agua fna”. El agua fna alimenta a continuacion al circuito calentador 26a, 28a, 30a, 32a de cada condensador 26, 28, 30, 32 para que intercambie termicamente con el circuito calentado 26b, 28b, 30b, 32b de cada condensador 26, 28, 30, 32.
Despues, este vapor de fluido criogenico generado en el evaporador 48 atraviesa el cuarto circuito 66 de vapor de fluido criogenico para alimentar al absorbedor 50.
Estando insertado el circuito de intercambio termico 50a del absorbedor 50 en el circuito de alimentacion 68 de agua al reformador 14, esta agua fna capta, al vaporizarse, el calor emitido por la absorcion del vapor de fluido criogenico procedente del evaporador 48. Esto tiene, entonces, como efecto condensar este vapor de fluido criogenico que se mezcla con la mezcla concentrada en absorbente de segundo hervidor 44, procedente de dicho segundo hervidor 44 por el circuito de alimentacion 70 de mezcla concentrada en absorbente. Esta mezcla obtenida en el absorbedor 50 constituye la mezcla diluida en absorbente y alimenta al primer hervidor 42 a traves del circuito de alimentacion 72 al primer hervidor 42 por medio de la bomba 74.
Por otro lado, el primer circuito 76a del primer intercambiador de calor 76, insertado en el circuito 70 de mezcla concentrada en absorbente, absorbe el calor de esta mezcla y la transfiere a su segundo circuito 76b insertado en el circuito de alimentacion 72 al primer hervidor 42.
Lo mismo, el primer circuito 78a del segundo intercambiador 78 insertado en el circuito de alimentacion 58 al segundo hervidor 44 capta el calor de la mezcla concentrada en absorbente de primer hervidor 42 y lo transfiere a su segundo circuito 78b insertado en el circuito de alimentacion 72 al primer hervidor 42.
El primer y el segundo intercambiadores de calor 76, 78, tienen por funcion reducir la cantidad de calor que debe ser evacuada en el absorbedor 50.
Asf, gracias a la instalacion segun la invencion, para 100 kW de potencia frigonfica disponibles, se utilizaran alrededor de 40 kW para recuperar el agua contenida en los gases que salen del catodo, alrededor de 30 kW para recuperar el agua contenida en el gas rico en hidrogeno que alimenta al anodo, alrededor de 25 kW para recuperar
el agua contenida en los gases calientes de combustion y alrededor de 5 kW para recuperar el agua contenida en los gases que salen del anodo.
Aunque la presente invencion haya sido descrita haciendo referencia a un ejemplo de realizacion espedfico, es evidente que pueden efectuarse modificaciones y cambios sobre este ejemplo sin salir del alcance general de la 5 invencion tal como se define por las reivindicaciones. En particular, caractensticas individuales del modo de realizacion ilustrado/mencionado pueden ser combinadas en modos de realizacion adicionales. En consecuencia, la descripcion y el dibujo deben ser considerados en un sentido ilustrativo en vez de restrictivo.

Claims (14)

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    REIVINDICACIONES
    1. Instalacion (100) que comprende:
    - un modulo de potencia que suministra electricidad y libera calor, comprendiendo el modulo de potencia al menos una pila de combustible (12) dotada de un anodo (12a) y de un catodo (12b), y al menos un reformador (14), estando alimentado el anodo (12b) de hidrogeno por el reformador (14) y estando alimentado el catodo (12b) de oxfgeno, comprendiendo la pila de combustible (12) un bucle (24) de evacuacion de calor,
    - una maquina termica de absorcion (40) que incluye un primer hervidor (42), un condensador (46), un evaporador (48) y un absorbedor (50), un circuito de intercambio termico (42a) del primer hervidor (42) que esta insertado en el bucle (24) de evacuacion de calor de la pila de combustible (12) para refrigerar esta, y
    - un circuito cerrado de circulacion (10) de un lfquido, comprendiendo dicho circuito cerrado de circulacion (10) al menos un intercambiador de calor (26, 28, 30, 32) que incluye un circuito calentador(26a, 28a, 30a, 32a) acoplado termicamente al modulo de potencia y un circuito calentado (26b, 28b, 30b, 32b) insertado en dicho circuito cerrado de circulacion (10), intercambiando dicho circuito cerrado de circulacion (10) calor con dicho circuito calentador(26a, 28a, 30a, 32a), calentando asf el lfquido del circuito cerrado de circulacion (10), y en la cual
    un circuito de intercambio termico (48a) del evaporador (48) esta insertado en dicho circuito cerrado de circulacion (10) de un lfquido, siendo atravesado dicho circuito de intercambio termico (48a) del evaporador (48) por dicho lfquido calentado del circuito cerrado de circulacion (10) despues de su paso por el circuito calentado (26b, 28b, 30b, 32b) de dicho intercambiador (26, 28, 30, 32), para enfriar este lfquido calentado de dicho circuito de circulacion (10),
    estando caracterizada la instalacion (100) por que el condensador (46) de la maquina termica de absorcion (40) comprende un circuito de intercambio termico (46a) que esta insertado en un circuito de alimentacion (18) de aire al catodo (12b) y/o al reformador (14), para calentar este aire.
  2. 2. Instalacion (100) segun la reivindicacion 1, caracterizada por que el absorbedor de la maquina termica de absorcion (40) comprende un circuito de intercambio termico (50a) que esta insertado en un circuito de alimentacion (68) de agua al reformador (14), para calentar esta agua.
  3. 3. Instalacion (100) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizada por que la maquina termica de absorcion (40) es una maquina termica de absorcion de doble efecto, comprendiendo dicha maquina termica de absorcion de doble efecto un segundo hervidor (44).
  4. 4. Instalacion (100) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que el circuito calentador (26a) de tal intercambiador de calor (26) esta conectado a un circuito de evacuacion (15) de los gases de un quemador (14a) del reformador (14).
  5. 5. Instalacion (100) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por que el circuito calentador (28a) de tal intercambiador de calor (28) esta conectado a un circuito de alimentacion anodica (16), entre el reformador (14) y el anodo (12a).
  6. 6. Instalacion (100) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por que el circuito calentador (30a) de tal intercambiador de calor (30) esta conectado a un circuito de evacuacion (20) de fluido anodico conectado al anodo (12a).
  7. 7. Instalacion (100) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por que el circuito calentador (32a) de tal intercambiador de calor (32) esta conectado a un circuito de evacuacion (22) de fluido catodico conectado al catodo (12b).
  8. 8. Instalacion (100) segun la reivindicacion 4, caracterizada por que el intercambiador de calor (26) precitado es un condensador.
  9. 9. Instalacion (100) segun la reivindicacion 5, caracterizada por que el intercambiador de calor (28) precitado es un condensador.
  10. 10. Instalacion (100) segun la reivindicacion 6, caracterizada por que el intercambiador de calor (30) precitado es un condensador.
  11. 11. Instalacion (100) segun la reivindicacion 7, caracterizada por que el intercambiador de calor (32) precitado es un condensador.
  12. 12. Instalacion (100) segun la reivindicacion 2 y una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizada por que un lfquido de condensado recuperado en tal condensador (26, 28, 30, 32) alimenta al reformador (14) a traves de un circuito (36) de condensado.
  13. 13. Instalacion (100) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizada por que la pila de combustible (12) es una pila de combustible de membrana de intercambio de protones a alta temperature.
  14. 14. Instalacion (100) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizada por que esta embarcada.
    5 15. Aeronave que comprende la instalacion (100) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14.
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