ES2633168T3 - Sistema y método de enfriamiento para uso con una celda de combustible - Google Patents

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Abstract

Un método para enfriar una celda (12) de combustible, que comprende: suministrar hidrógeno a un ánodo (14) de la celda de combustible y suministrar aire y agua a un cátodo (16) de la celda de combustible; producir un fluido desde la celda (12) de combustible, en el que por lo menos una porción del fluido comprende un primer fluido; suministrar el primer fluido a un primer intercambiador (26) de calor y condensar por lo menos una porción del primer fluido en agua utilizando el primer intercambiador de calor; suministrar a un segundo intercambiador (28) de calor el agua condensada por el primer intercambiador (26) de calor; enfriar el agua condensada por el primer intercambiador (26) de calor que fluye a través del segundo intercambiador (28) de calor; y suministrar el agua fría al cátodo de la celda (12) de combustible; caracterizado porque el cátodo (16) se conecta a un pasaje (24) de salida de cátodo que tiene un primer separador (30b) de agua configurado para suministrar el primer fluido al primer intercambiador (26) de calor.

Description

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DESCRIPCION
Sistema y metodo de enfriamiento para uso con una celda de combustible Campo tecnico
Esta divulgacion se dirige en general a sistemas de enfriamiento para uso con una celda de combustible. Antecedentes
Algunos tipos de la celda de combustible pueden incluir un anodo, un catodo, y una membrana porosa situada entre el anodo y el catodo. La membrana se configura para permitir un flujo de especies ionicas seleccionadas desde el catodo hasta el anodo. En respuesta a este movimiento de iones a traves de la membrana, los electrones fluyen desde el anodo hasta el catodo.
Una celda de combustible funciona al hacer reaccionar hidrogeno en el anodo y oxfgeno en el catodo. El oxfgeno se puede obtener de aire atmosferico y el hidrogeno puro se suministra normalmente al anodo. Las reacciones que se producen en el catodo y el anodo pueden generar un calor considerable. Para disipar este calor, se han desarrollado diversos sistemas de enfriamiento. Un tipo de sistema de enfriamiento utiliza inyeccion de agua al catodo (CWI), en el que se suministra agua de enfriamiento al catodo de una celda de combustible y se deja mezclar con uno o mas gases suministrados al catodo.
Ademas de mantener la celda de combustible dentro de un rango de temperaturas de funcionamiento limitado, un sistema de enfriamiento tambien debe funcionar sin la necesidad de agregar o eliminar el agua del sistema de enfriamiento. Un sistema de enfriamiento de “agua neutra” puede conservar el agua o ahorrar tiempo el tiempo gastado por el operador con la adicion o eliminacion de agua.
Algunos sistemas de enfriamiento tradicionales no son capaces de proporcionar de manera eficiente enfriamiento suficiente y lograr un balance de agua adecuado bajo todas las condiciones de funcionamiento porque normalmente se utiliza un solo intercambiador de calor tanto para condensar como para agua de enfriamiento. Las funciones de combinar condensar y enfriar en un solo dispositivo es problematico debido a los requisitos diferentes necesarios para mantener el equilibrio de agua y enfriamiento adecuado. Por ejemplo, para eliminar el exceso de agua del sistema de enfriamiento, una velocidad del ventilador de un intercambiador de calor se reduce generalmente para crear un gas de escape caliente que puede transportar mas agua fuera del sistema de enfriamiento. Sin embargo, reducir la velocidad del ventilador aumenta la temperatura del agua, que puede resultar en una temperatura de la celda de combustible que es demasiado alta. Como tal, a menudo es diffcil eliminar el agua y prevenir el sobrecalentamiento de la celda de combustible utilizando sistemas de enfriamiento tradicionales.
La presente divulgacion esta dirigida a superar uno o mas de los problemas o desventajas de los sistemas de enfriamiento de la tecnica anterior.
Resumen
La presente invencion se define en la reivindicacion adjunta 1. Un aspecto de la presente divulgacion se dirige a un sistema de enfriamiento para uso con una celda de combustible. El sistema de enfriamiento comprende un primer intercambiador de calor conectado de forma fluida a un pasaje de salida de la celda de combustible. El primer intercambiador de calor condensa por lo menos una porcion de un fluido que pasa a traves del pasaje de salida de la celda de combustible en agua lfquida. El sistema de enfriamiento tambien comprende un segundo intercambiador de calor conectado de forma fluida a un pasaje de salida del primer intercambiador de calor y un pasaje de entrada de la celda de combustible. El segundo intercambiador de calor se configura para enfriar un fluido que pasa en el pasaje de entrada de la celda de combustible. Adicionalmente, el pasaje de salida de la celda de combustible y el pasaje de entrada de la celda de combustible se conectan de forma fluida a un catodo de la celda de combustible, y el pasaje de entrada de la celda de combustible se configura para suministrar agua al catodo.
Otro aspecto de la presente divulgacion se dirige a un sistema de energfa. El sistema de energfa comprende una celda de combustible que tiene un catodo conectado de forma fluida a un pasaje de salida y un pasaje de entrada, en el que el pasaje de insercion se configura para suministrar por lo menos agua parcialmente recirculada al catodo. El sistema de energfa tambien comprende un primer intercambiador de calor conectado de forma fluida a el pasaje de salida de la celda de combustible, en el que el primer intercambiador de calor se configura para convertir por lo menos una porcion de un fluido que pasa a traves del pasaje de salida de la celda de combustible en agua. Adicionalmente, el sistema de energfa comprende un segundo intercambiador de calor conectado de forma fluida a un pasaje de salida del primer intercambiador de calor y el pasaje de entrada de la celda de combustible, en el que el segundo intercambiador de calor se configura para enfriar un fluido que pasa en el pasaje de entrada de la celda de combustible.
Otro aspecto de la presente divulgacion se dirige a un metodo para enfriar una celda de combustible. El metodo comprende suministrar hidrogeno a un anodo de la celda de combustible y suministrar aire y agua a un catodo de la celda de combustible, y producir un fluido desde la celda de combustible, en el que por lo menos una porcion del
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fluido comprende un primer fluido. El metodo tambien comprende suministrar el primer fluido a un primer intercambiador de calor y condensar por lo menos una porcion del primer fluido en agua utilizando el primer intercambiador de calor. Un segundo intercambiador de calor se suministra con por lo menos uno de la salida del fluido desde la celda de combustible y el agua condensada por el primer intercambiador de calor. Adicionalmente, el metodo comprende enfriar un fluido que fluye a traves del segundo intercambiador de calor, y suministrar el fluido fno a la celda de combustible.
Otros objetos y ventajas de la presente divulgacion se expondran en parte en la descripcion que sigue, y en parte seran obvios a partir de la descripcion, o se pueden aprender por la practica de la presente divulgacion. Los objetos y ventajas de la presente divulgacion se realizaran y alcanzaran por medio de los elementos y combinaciones particularmente senalados en las reivindicaciones adjuntas.
Se debe entender que tanto la descripcion general anterior como la siguiente descripcion detallada son solo de ejemplo y explicativas y no son restrictivas de los sistemas, dispositivos y metodos, como se reivindica.
Breve descripcion de los dibujos
Los dibujos acompanantes, que se incorporan en y constituyen una parte de esta especificacion, ilustran diversas realizaciones de la presente descripcion y junto con la descripcion, sirven para explicar los principios de la presente divulgacion.
La Figura 1 proporciona una representacion esquematica de un sistema de enfriamiento realizacion de ejemplo divulgada un bucle de recirculacion.
La Figura 2 proporciona una representacion esquematica de un sistema de enfriamiento realizacion de ejemplo divulgada que comprende dos bucles de recirculacion.
La Figura 3 proporciona una representacion esquematica de un sistema de enfriamiento, de acuerdo con un ejemplo que no cae dentro de la invencion reivindicada, que comprende un intercambiador de calor configurado para separar y condensar agua.
La Figura 4 proporciona una representacion esquematica de un sistema de enfriamiento, de acuerdo con otra realizacion de ejemplo divulgada que comprende un intercambiador de calor con flujo de fluido hacia abajo.
La Figura 5 proporciona un diagrama de una carga termica predeterminada por los intercambiadores de calor, de acuerdo con una realizacion de ejemplo divulgada.
La Figura 6 proporciona un diagrama de equilibrio de agua y carga termica predeterminada por los intercambiadores de calor, de acuerdo con otra realizacion de ejemplo divulgada.
La Figura 7A proporciona una representacion esquematica de una vista delantera de un intercambiador de calor, de acuerdo con una realizacion de ejemplo divulgada.
La Figura 7B proporciona una representacion esquematica de una vista posterior de un intercambiador de calor, de acuerdo con una realizacion de ejemplo divulgada.
La Figura 8A proporciona una representacion esquematica de una vista en corte de parte de un intercambiador de calor, de acuerdo con una realizacion de ejemplo divulgada.
La Figura 8B proporciona una representacion esquematica de una vista posterior de parte de un intercambiador de calor, de acuerdo con una realizacion de ejemplo divulgada.
La Figura 9A proporciona una representacion esquematica de un montaje de filtro completo, de acuerdo con una realizacion de ejemplo divulgada.
La Figura 9B proporciona una representacion esquematica de una vista en explosion de un ensamble de filtro, de acuerdo con una realizacion de ejemplo divulgada.
La Figura 9C proporciona una representacion esquematica de una vista lateral de un ensamble de filtro, de acuerdo con una realizacion de ejemplo divulgada.
Descripcion de las realizaciones
Ahora se hara referencia en detalle a las realizaciones de ejemplo de la presente divulgacion, cuyos ejemplos se ilustran en los dibujos adjuntos. Siempre que sea posible, se utilizaran los mismos numeros de preferencia en todos los dibujos para referirse a partes iguales o similares.
La Figura 1 proporciona una representacion esquematica de un sistema 10 de enfriamiento de la presente divulgacion para uso con una celda 12 de combustible. La celda 12 de combustible es una celda de combustible del tipo inyeccion de agua de catodo (CWI), por lo cual se suministra agua de enfriamiento a un catodo 16.
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La celda 12 de combustible puede comprender un anodo 14 conectado de forma fluida a un pasaje 18 de entrada de anodo y un pasaje 20 de salida de anodo. El pasaje 18 de entrada de anodo se puede configurar para suministrar hidrogeno al anodo 14. El pasaje 20 de salida se puede conectar de forma fluida al pasaje de entrada 18 para por lo menos hacer recircular parcialmente hidrogeno a traves de anodo 14.
El catodo 16 se puede conectar de forma fluida a un pasaje 22 de entrada de catodo y un pasaje 24 de salida de catodo. El pasaje 22 de entrada de catodo puede comprender un pasaje 22a configurado para suministrar aire al catodo 16 y un pasaje 22b configurado para suministrar agua al catodo 16. El pasaje 24 de salida se puede conectar de forma fluida al pasaje 22 de entrada para por lo menos hacer recircular parcialmente agua a traves del catodo 16. Un experto medianamente versado en la tecnica reconocera que se puede suministrar la celda 12 de combustible con fuentes recirculadas o frescas de hidrogeno, aire, y agua utilizando diversas configuraciones de uno o mas pasajes.
El sistema 10 de enfriamiento comprende un primer intercambiador 26 de calor y un segundo intercambiador 28 de calor. Los intercambiadores 26 y 28 de calor se pueden configurar para condensar, separar, atrapar, o enfriar el agua suministrada al mismo en forma de gas, vapor, o lfquido. Los intercambiadores 26 y 28 de calor se conectan de forma fluida a uno o mas pasajes para el sistema 10 de enfriamiento. Por ejemplo, el primer intercambiador 26 de calor se conecta de forma fluida al pasaje 24 de salida de la celda 12 de combustible y segundo intercambiador 28 de calor se conecta de forma fluida a pasaje 22b de entrada de la celda 12 de combustible.
El sistema 10 de enfriamiento comprende un separador (30) de agua y tambien puede comprender otros dispositivos, tales como un dispositivo 32 de almacenamiento, una bomba 34, o un filtro 36. El separador 30 de agua se configura para por lo menos separar parcialmente agua desde un flujo de fluido que entra en el separador 30 de agua. El dispositivo 32 de almacenamiento se puede configurar para almacenar agua, y puede comprender un tanque, un pasaje de diametro grande, o un reservorio expandible. La bomba 34 se puede configurar para mover un fluido a traves de un pasaje. El filtro 36 se puede configurar para por lo menos separar parcialmente materia en partroulas, iones, u otros componentes no deseados desde un fluido. El sistema 10 de enfriamiento Tambien puede comprender una o mas valvulas (no mostradas) u otros dispositivos de fluidos.
Las realizaciones mostradas y descritas aqrn son de ejemplo, y son posibles otras configuraciones con base en la presente divulgacion. Por ejemplo, uno o mas de los dispositivos descritos aqrn pueden no ser requeridos o se pueden disponer en diversas configuraciones en todo el sistema 10 de enfriamiento. Se contempla que una o mas funciones de estos dispositivos se pueden incorporar en el sistema 10 de enfriamiento utilizando estos y otros dispositivos.
Como se muestra en las Figuras 1-4, el pasaje 20 de salida puede comprender un separador 30a de agua configurado para separar una porcion de agua contenida dentro del pasaje 20 de salida. Las Figuras 1, 2, y 4 muestran el pasaje 24 de salida con un separador 30b de agua, mientras que la Figura 3, no caen dentro de la invencion reivindicada, muestra que el pasaje 24 de salida carece del separador 30b de agua. El separador 30a de agua se puede operar para suministrar agua al separador 30b de agua, como se muestra en las Figuras 1, 2, y 4, o el dispositivo 32 de almacenamiento, como se muestra en la Figura 3. El separador 30b de agua se puede operar para suministrar agua al dispositivo 32 de almacenamiento a traves de un primer pasaje 23 de salida. El separador 30b de agua tambien se configura para suministrar un fluido a un segundo pasaje 25 de salida. El fluido suministrado al segundo pasaje 25 de salida comprende agua en una forma gaseosa, de vapor, o de gotas.
El segundo pasaje 25 de salida se conecta de forma fluida al primer intercambiador 26 de calor y se configura para proporcionar el primer intercambiador 26 de calor con un fluido. El fluido puede ser de forma predominante gas como el agua que generalmente se ha eliminado del fluido mediante el separador 30b de agua. Por lo menos algo del agua restante en el fluido se condensa o separa por el primer intercambiador 26 de calor. El agua retenida por el primer intercambiador 26 de calor se puede suministrar al dispositivo 32 de almacenamiento y hacer recircular a traves del sistema 10 de enfriamiento a traves de un bucle 44 de recirculacion. El agua que fluye a traves del bucle 44 de recirculacion se puede enfriar por el segundo intercambiador 28 de calor antes de retornar a la celda 12 de combustible. Como se explica adelante, el primer intercambiador 26 de calor generalmente se puede operar independientemente del segundo intercambiador 28 de calor para mejorar la operacion y eficiencia general para el sistema 10 de enfriamiento.
El intercambiador 26 de calor puede comprender uno o mas componentes configurados para controlar una temperatura de un fluido que entra, dentro de, o que sale del intercambiador 26 de calor. Por ejemplo, el intercambiador 26 de calor puede comprender uno o mas ventiladores 38 configurados para controlar la temperatura de un fluido que pasa en un pasaje 40 de escape. Espedficamente, el intercambiador 26 de calor puede comprender dos ventiladores de enfriamiento (vease Figura 7A).
Al controlar la temperatura de fluido, se puede controlar de forma selectiva una tasa de condensacion de agua. Adicionalmente, la cantidad de agua dentro del sistema 10 de enfriamiento se puede ajustar al suministrar el agua retenida dentro del intercambiador 26 de calor al sistema 10 de enfriamiento. Durante este tiempo se puede mantener este equilibrio de agua dentro de un rango deseado de tal manera que la cantidad total de agua dentro del sistema 10 de enfriamiento es en general constante. Dicha “neutralidad de agua” significa que el sistema 10 de
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enfriamiento puede operar con poca o nada del agua que se suministra por fuentes externas. Esto puede incluir producir agua a traves de la celda 12 de combustible a una tasa que es aproximadamente igual a la tasa de perdida de agua a traves del pasaje 40 de escape. Un desajuste de corto plazo en las tasas las tasas de produccion y perdida de agua se pueden regular al suministrar agua en exceso al dispositivo 32 de almacenamiento o eliminar agua desde el dispositivo 32 de almacenamiento.
El intercambiador 26 de calor puede comprender uno o mas pasajes 42 de salida configurados para suministrar agua al sistema 10 de enfriamiento. Como se muestra en la Figura 1, el dispositivo 32 de almacenamiento se puede suministrar con agua desde el separador 30b de agua a traves del pasaje 23 de salida y el intercambiador 26 de calor por el pasaje 42 de salida. El agua almacenada dentro del dispositivo 32 de almacenamiento se puede suministrar al segundo intercambiador 28 de calor por la bomba 34. El segundo intercambiador 28 de calor por lo menos enfna parcialmente el agua antes de que pase a traves del filtro 36 y en pasaje 22b de entrada. De esta manera, el intercambiador 28 de calor puede controlar la temperatura del agua antes el agua se dirige de nuevo en el catodo 16.
Como se muestra en la Figura 2, de acuerdo con otra realizacion de ejemplo, el sistema 10 de enfriamiento puede comprender un segundo bucle 46 de recirculacion para el agua de enfriamiento en el bucle 44 de recirculacion. Espedficamente, el segundo bucle 46 de recirculacion puede conectar de forma fluida un bucle 44 de recirculacion de tal manera que por lo menos parte del agua suministrada al bucle 44 de recirculacion se puede suministrar al bucle 46 de recirculacion. Mientras que en el bucle 46 de recirculacion, el agua se puede enfriar por el segundo intercambiador 28 de calor como se describio anteriormente, tambien se puede entender que el bucle 46 de recirculacion puede o no puede comprender el dispositivo 32 de almacenamiento, la bomba 34, u otro dispositivo para el sistema 10 de enfriamiento.
La Figura 3 proporciona una representacion esquematica para el sistema 10 de enfriamiento, de acuerdo con un ejemplo que no cae dentro de la invencion reivindicada, en el que el pasaje 24 de salida desde la celda 12 de combustible esta en comunicacion fluida directa con el primer intercambiador 26 de calor. En esta configuracion, se suministra salida de fluidos desde el catodo 16 hasta el primer intercambiador 26 de calor sin que pase a traves de un separador de agua. El primer intercambiador 26 de calor de esta manera puede funcionar como un separador de agua para separar el agua desde la salida de fluido por el catodo 16. La salida de agua por el separador 30a de agua se puede suministrar directamente al dispositivo 32 de almacenamiento.
La Figura 4 proporciona una representacion esquematica para el sistema 10 de enfriamiento, de acuerdo con otra realizacion de ejemplo, en el que el primer intercambiador 26 de calor comprende una trayectoria de flujo descendente. Como se explica adelante, el primer intercambiador 26 de calor se pueden configurar para operar con una ruta de flujo ascendente o una trayectoria de flujo descendente.
En un diseno de flujo ascendente, por ejemplo como se muestra en las Figuras 1-3, el fluido suministrado desde el pasaje 24 de salida o separador 30b de agua puede entrar en un colector 48 inferior ubicado en una region inferior del primer intercambiador 26 de calor. El fluido luego se puede hacer fluir a traves del primer intercambiador 26 de calor en una direccion ascendente general hasta un colector 50 superior ubicado en una region superior del primer intercambiador 26 de calor. Esta ruta de flujo ascendente puede permitir que el agua se condense dentro del primer intercambiador 26 de calor para fluir hacia abajo debido a la gravedad, contra el flujo ascendente del fluido. El agua condensada luego se puede drenar del colector 48 inferior y en el dispositivo 32 de almacenamiento a traves del pasaje 42 de salida. En un diseno de flujo descendente, por ejemplo como se muestra en la Figura 4, el fluido desde la celda 12 de combustible puede ingresar en el primer intercambiador 26 de calor a traves del colector 50 superior. El fluido luego se puede hacer fluir en una direccion descendente general al colector 48 inferior y salir del primer intercambiador 26 de calor a traves del pasaje 40 de escape. El agua condensada en el primer intercambiador 26 de calor tambien puede fluir generalmente hacia abajo y se puede drenar del colector 48 inferior a traves del pasaje 42 de salida.
Como se discutio previamente, el sistema 10 de enfriamiento puede ofrecer mayor flexibilidad de diseno que los sistemas de enfriamiento tradicionales. El sistema 10 de enfriamiento puede comprender menos componentes, fontanena simplificada, u ocupar menos espacio que los sistemas tradicionales. En funcionamiento, el sistema 10 de enfriamiento tambien puede proporcionar una o mas de otras ventajas sobre los sistemas tradicionales, tales como el control independiente de la temperatura del agua y el equilibrio de agua. Adicionalmente, el sistema 10 de enfriamiento puede permitir el ajuste de la division de la carga de calor total entre los intercambiadores 26 y 28 de calor para mejorar el rendimiento de enfriamiento o rango de operacion.
Para las situaciones cuando el equilibrio de agua para el sistema 10 de enfriamiento es generalmente constante, el calor total rechazado por el sistema 10 de enfriamiento puede ser relativamente constante sobre un rango de condiciones de funcionamiento de la celda 12 de combustible. En estas situaciones, el sistema 10 de enfriamiento se puede configurar para dividir el rechazo de calor total requerido para enfriar celda 12 de combustible entre intercambiadores 26 y 28 de calor. Se puede controlar esta division al ajustar un parametro de operacion de la celda 12 de combustible o sistema 10 de enfriamiento, tal como, por ejemplo, estequiometna de aire, temperatura de entrada de agua del catodo 16, o tasa de flujo para el agua 22b de enfriamiento,
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Por ejemplo, la Figura 5 muestra opciones de parametro de operacion para un sistema de celda de combustible que requiere aproximadamente 15 kW de rechazo de calor total para lograr un equilibrio de agua positivo de aproximadamente 0.4 g/s. Al cambiar los parametros de operacion como se indica en la Tabla 1 (estequiometna de aire aproximadamente 1.5 a aproximadamente 2.5, temperatura del agua aproximadamente 55 a aproximadamente 65°C, tasa de flujo de agua aproximadamente 15 a aproximadamente 25 ml/hr/Amp/celda), la division de carga termica entre el primer intercambiador 26 de calor (HX1) y el segundo intercambiador 28 de calor (HX2) puede variar desde aproximadamente 25%/aproximadamente 75% a aproximadamente 78%/aproximadamente 22%.
Tabla 1: Ejemplo de opciones de parametro que opera la celda de combustible
Marcado
Estequiometna de aire Tasa de flujo de agua (g/s) Temperatura de agua (°C) Carga termica total (kw) Carga HX1 (kW) Carga HX2 (kW) Carga HX1 (%) Carga HX2 (%)
A
—1.5 -25 -55 -14.8 -3.7 -11.1 -25 -75
B
-2.5 -15 -65 -15.8 -12.4 -3.4 -78 -22
El sistema 10 de enfriamiento puede operar utilizando un rango menos restrictivo de condiciones de funcionamiento al limitar uno o mas parametros de operacion. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 5, limitando la estequiometna de aire a aproximadamente 1.75 a aproximadamente 2.25 (puntos C&D), en lugar de aproximadamente 1.50 a aproximadamente 2.50 (puntos A&B), mientras que se mantiene el mismo rango de flujo de agua y la temperatura puede reducir una carga maxima requerida sobre el primer intercambiador 26 de calor desde aproximadamente 12.4 hasta aproximadamente 11.7 kW y sobre el segundo intercambiador 28 de calor desde aproximadamente 11.1 hasta aproximadamente 10.3 kW. Limitando adicionalmente el flujo de agua y temperatura adicionalmente se puede reducir los requerimientos operacionales para uno o ambos intercambiadores 26 y 28 de calor.
Tambien se puede operar el sistema 10 de enfriamiento para controlar un equilibrio de agua dentro de un rango deseado. Por ejemplo, al aumentar la carga termica total rechazada a traves de intercambiadores 26 y 28 de calor, se puede condensar mas agua mediante el primer intercambiador 26 de calor. Se puede crear un equilibrio de agua mas positivo por lo cual se proporciona mas agua mediante el primer intercambiador 26 de calor de tal manera que aumenta la cantidad total de agua contenida en el sistema 10 de enfriamiento. La Figura 6 muestra como la carga termica rechazada a traves de intercambiadores 26 y 28 de calor se puede ajustar para proporcionar un equilibrio de agua positivo o neutro.
En algunos casos, reducir la carga termica total puede crear un equilibrio de agua negativo o neutro. Por ejemplo, el primer intercambiador 26 de calor puede proporcionar un equilibrio de agua generalmente neutro al condensar agua o controlar una temperatura de fluidos que pasa a traves del pasaje 40 de escape de tal manera que la tasa de agua que sale del sistema 10 de enfriamiento es aproximadamente igual a la tasa de agua producida en la reaccion de combustible entre hidrogeno y oxfgeno. Si la cantidad total de agua en el sistema 10 de enfriamiento excede un nivel deseado, el primer intercambiador 26 de calor puede operar para eliminar mas agua desde el sistema 10 de enfriamiento a traves del pasaje 40 de escape que se produce en la reaccion de la celda de combustible. Este control de retroalimentacion se puede utilizar para mantener una cantidad deseada de agua en el sistema 10 de enfriamiento. Espedficamente, un nivel deseado de agua en el dispositivo 32 de almacenamiento se puede mantener al controlar la cantidad de agua que lleva el sistema 10 de enfriamiento a traves del pasaje 40 de escape.
En algunas realizaciones, la carga termica del primer intercambiador 26 de calor puede permanecer generalmente constante para un conjunto de de parametros de operacion fijos. Con una carga termica generalmente constante del segundo intercambiador 28 de calor, el equilibrio de agua se puede ajustar al cambiar la carga termica del primer intercambiador 26 de calor. Por ejemplo, al cambiar la velocidad del ventilador del primer intercambiador 26 de calor y de esta manera cambiar la temperatura y contenido de vapor de agua del fluido que fluye a traves del pasaje 40 de escape. De forma similar, para una carga termica del primer intercambiador 26 de calor, el equilibrio de agua se puede ajustar al cambiar el catodo estequiometna de aire.
En situaciones en las que el equilibrio de la carga termica requiere manipulacion adicional, los parametros de operacion se pueden desplazar para mejorar el equilibrio de agua. Por ejemplo, si el sistema 10 de enfriamiento opera en un ambiente caliente y no es capaza de condensar suficiente agua, un parametro de operacion se puede ajustar para desplazar mas de la carga termica al segundo intercambiador 28 de calor. Este desplazamiento en la carga termica puede reducir el enfriamiento requerido por el primer intercambiador 26 de calor y mejorar la capacidad del primer intercambiador 26 de calor para mantener el equilibrio de agua. Si el sistema 10 de enfriamiento opera en un ambiente fno y condensa demasiada agua, la tasa de condensacion se puede reducir al ajustar un parametro de operacion para desplazar la carga termica desde el segundo intercambiador 28 de calor hasta el primer intercambiador 26 de calor. Este desplazamiento puede mantener el gas de escape muy caliente para llevar el exceso de agua fuera del primer intercambiador 26 de calor en el pasaje 40 de escape.
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Las Figuras 7A y 7B proporcionan diagramas esquematicos del primer intercambiador 26 de calor, de acuerdo con una realizacion de ejemplo. Como se describio anteriormente, el primer intercambiador 26 de calor se pueden configurar para convertir por lo menos una porcion de vapor de agua que pasa a traves del primer intercambiador 26 de calor en forma lfquida. Por ejemplo, el primer intercambiador 26 de calor se puede configurar para hacer fluir una corriente de gas de entrada hacia arriba contra la gravedad. Al mismo tiempo el agua lfquida, que era o bien arrastrada con el gas de entrada o condensada del gas de entrada, puede fluir hacia abajo debido a la gravedad. Como tal, el primer intercambiador 26 de calor puede funcionar como unidad de condensacion o un separador de agua.
Como se muestra en las Figuras 7A y 7B, el primer intercambiador 26 de calor puede comprender el colector 48 inferior y el colector 50 superior. El colector 48 inferior puede comprender un puerto 52 de entrada para recibir un flujo de salida de fluido de la celda 12 de combustible (no mostrado). El colector 48 inferior tambien puede comprender uno o mas puertos 54 de drenaje configurados para proporcionar una salida para el agua retenida por el primer intercambiador 26 de calor. En algunas realizaciones, los puertos 54 de drenaje pueden estar situados hacia los extremos opuestos del colector 48 inferior para proporcionar un drenaje eficiente de agua cuando el “chapoteo” puede empujar el agua hacia cada lado del colector 48 inferior. Dicho chapoteo se puede producir debido al movimiento de un vehnculo que utiliza el sistema 10 de enfriamiento.
Tambien se contempla que el primer intercambiador 26 de calor puede operar sin el puerto 54 de drenaje. Por ejemplo, un pasaje de entrada (no mostrado) que suministra fluido desde el separador 30b de agua puede tener un angulo hacia arriba hacia el puerto 54 de drenaje. El pasaje de entrada con angulo hacia arriba tambien se puede dimensionar para mantener bajas velocidades del gas, como se describe adelante. Dicho pasaje de entrada puede permitir por lo menos algo de agua atrapada por el primer intercambiador 26 de calor para drenar de nuevo en el separador 30b de agua.
Como se muestra en las Figuras 8A y 8B, el intercambiador 26 de calor puede comprender uno o mas canales 56 configurados para dirigir el fluido a traves del intercambiador 26 de calor. En algunas realizaciones, los canales 56 pueden ser generalmente verticales y se pueden extender desde el colector 48 inferior hasta el colector 50 superior. La configuracion de canales 56 puede permitir que el fluido generalmente fluya hacia arriba desde el colector 48 inferior hasta el colector 50 superior. Los canales 56 tambien se pueden configurar para permitir que el fluido fluya generalmente hacia abajo, como se describio anteriormente para la Figura 4.
Los canales 56 se pueden configurar para recoger el agua o permitir que el agua drene hacia fuera del primer intercambiador 26 de calor. Por ejemplo, uno o mas canales 56 se pueden dimensionar para permitir que el agua lfquida para corra hacia abajo debido a la gravedad, mientras que el fluido fluye hacia arriba a traves del canal 56. Para lograr este resultado, la velocidad del fluido en el canal 56 se puede mantener suficientemente baja para reducir las fuerzas de arrastre de modo que sean insuficientes para empujar el agua hacia arriba con el flujo de fluido. En particular, los canales 56 pueden estar dimensionados para proporcionar suficiente area de seccion transversal total (numero de canales x area de seccion transversal de cada canal) para limitar la velocidad del fluido a un nivel suficientemente bajo para permitir el drenaje del agua. Los canales 56 tambien pueden tener dimensiones que son lo suficientemente grandes para limitar generalmente tension superficial del agua que pueden contener agua en su lugar incluso con baja velocidad del fluido. Por ejemplo, el canal 56 puede tener una anchura de aproximadamente 6 mm o mas. El agua atrapada dentro de los canales 56 puede recoger en la parte baja del colector 48 y fluir fuera del puerto 54 de drenaje, como se muestra en las Figuras 7A y 7B.
En algunas realizaciones, el intercambiador 26 de calor puede comprender uno o mas canales 56 generalmente paralelos dirigidos en general verticalmente. Los canales 56 paralelos pueden cada uno estar conectados de manera fluida a colector 50 superior. El colector 50 superior puede comprender un lumen 58 conectado de forma fluida a uno o mas canales 56 y configurado para dirigir un flujo de fluido a un puerto 60 de escape, como se muestra en la Figura 8A.
Bajo algunas condiciones de funcionamiento, el agua lfquida puede estar presente en un flujo de fluido dentro del colector 50 superior. Una o mas caractensticas del intercambiador 26 de calor se pueden configurar para generalmente limitar el agua lfquida que fluye fuera del puerto 60 de escape. Por ejemplo, los gases del puerto 60 de escape pueden ser suficientemente grandes en area de seccion transversal para mantener generalmente una baja velocidad de gas. En otro ejemplo, el puerto 60 de escape puede comprender un ensamble 62 de filtro que puede filtrar el flujo de agua a traves del puerto 60.
El ensamble 62 de filtro se puede configurar para permitir que el fluido de escape salga del sistema 10 de enfriamiento a traves del primer intercambiador 26 de calor. El ensamble 62 de filtro tambien se puede configurar para limitar el paso de agua del primer intercambiador 26 de calor o limitar la entrada de suciedad externa o escombros en el primer intercambiador 26 de calor. Adicionalmente, el ensamble 62 de filtro se puede configurar para permitir que el agua que se condensa o se funde en el ensamble 62 de filtro se drene de nuevo en el primer intercambiador 26 de calor.
Las Figuras 9A-C proporcionan diagramas esquematicos del ensamble 62 de filtro, de acuerdo con una realizacion ejemplar. El ensamble 62 de filtro puede comprender uno o mas elementos 64 de filtro, los marcos 66 de filtro, o
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empaquetaduras 68 posicionadas en diversas configuraciones. En general, uno o mas elementos 64 de filtro pueden permitir que el fluido de salida del sistema 10 de enfriamiento al tiempo que limita por lo menos parcialmente el pasaje de agua lfquida a traves del ensamble 62 de filtro. Dicho filtrado puede, en algunas circunstancias, evitar la expulsion de agua lfquida con el gas de escape salir del primer intercambiador 26 de calor.
Como se muestra en la Figura 9B, el ensamble 62 de filtro puede comprender, tres elementos 64 de filtro, tres marcos 66 de filtro, y una empaquetadura 68 situada adyacente a la otra. El elemento 64 de filtro puede comprender una o mas capas de medios porosos, tales como, por ejemplo, una espuma metalica, una malla, o un medio de fieltro. Uno o mas elementos 64 de filtro se pueden realizar entre uno o mas marcos 66 de filtros o empaquetaduras 68. En algunas realizaciones, un primer y tercer elemento de filtro puede comprender una espuma metalica de aproximadamente 1.2 mm y un segundo elemento de filtro puede comprender medios de filtro metalico Bekipor 60BL3 de otros medios de filtro Bekipor. Generalmente, el elemento 64 de filtro debe 1) permitir a los gases incluir que el vapor de agua pase a traves, 2) se aglutinan o bloquean el agua lfquida, 3) proporcionar un drenaje de agua lfquida, o 4) minimizar la infiltracion de polvo externo o residuos en el intercambiador 26 de calor. El elemento 64 de filtro puede incluir una espuma, pantalla, malla, fieltro, lana, papel, u otra estructura porosa. Estos se pueden formar en parte a partir de un material que incluye metal, teflon, fibra de vidrio, tela, o de ceramica. Adicionalmente, el marco 66 de filtro que separa un primer y segundo elemento 64 de filtro puede tener una anchura de aproximadamente 5 mm.
En algunas realizaciones, el primer intercambiador 26 de calor o el ensamble 62 de filtro se puede configurar para drenar por lo menos un poco de agua atrapado por el ensamble 62 de filtro de nuevo en el primer intercambiador 26 de calor. Por ejemplo, la naturaleza porosa del elemento 64 de filtro puede proporcionar una ruta para que el agua lfquida se drene hacia el lumen 58 debido a la gravedad. El primer intercambiador 26 de calor o ensamble 62 de filtro se puede configurar de diversas maneras para permitir que el agua atrapada gotee de nuevo en uno o mas canales 56 (no mostrado). Para ayudar a este flujo de agua, el marco 66 de filtro situado entre dos elementos 64 de filtro no puede cubrir por lo menos una parte de un borde 70 inferior del elemento 64 de filtro, como se muestra en la Figura 9C. Adicionalmente, los bordes 70 inferiores de los elementos 64 de filtro pueden estar situados por encima de uno o mas canales 56 para que el agua desde el ensamble 62 de filtro pueda gotear en los canales 56. Como se describio anteriormente, los canales 56 se pueden dimensionar para permitir que el agua fluya hacia abajo al colector 48 inferior.
Otras realizaciones de la presente divulgacion seran evidentes para aquellos expertos en la tecnica a partir de la consideracion de la especificacion y la practica de los conceptos divulgados aqrn. Por ejemplo, el primer intercambiador 26 de calor se puede utilizar con diversas celdas de combustible, tal como, por ejemplo, un sistema de celda de combustible estilo de celda de enfriamiento. Mas aun, una o mas funciones o componentes de los intercambiadores 26 y 28 de calor se pueden combinar en una sola unidad. Se pretende que la especificacion y los ejemplos se consideren solo a modo de ejemplo, con un verdadero alcance y espmtu de la presente divulgacion indicado por las siguientes reivindicaciones.

Claims (11)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para enfriar una celda (12) de combustible, que comprende:
    suministrar hidrogeno a un anodo (14) de la celda de combustible y suministrar aire y agua a un catodo (16) de la celda de combustible;
    producir un fluido desde la celda (12) de combustible, en el que por lo menos una porcion del fluido comprende un primer fluido;
    suministrar el primer fluido a un primer intercambiador (26) de calor y condensar por lo menos una porcion del primer fluido en agua utilizando el primer intercambiador de calor;
    suministrar a un segundo intercambiador (28) de calor el agua condensada por el primer intercambiador (26) de calor;
    enfriar el agua condensada por el primer intercambiador (26) de calor que fluye a traves del segundo intercambiador (28) de calor; y
    suministrar el agua fna al catodo de la celda (12) de combustible;
    caracterizado porque el catodo (16) se conecta a un pasaje (24) de salida de catodo que tiene un primer separador (30b) de agua configurado para suministrar el primer fluido al primer intercambiador (26) de calor.
  2. 2. El metodo de la reivindicacion 1, adicionalmente caracterizado por un segundo separador (30a) de agua que separa el agua desde el hidrogeno que recircula a traves del anodo (14), y el agua separada por el segundo separador de agua se suministra a el primer separador (30b) de agua.
  3. 3. El metodo de la reivindicacion 2, en el que agua separada por el primer separador (30b) de agua y el segundo separador (30a) de agua se suministra a un dispositivo (32) de almacenamiento.
  4. 4. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el agua condensada por el primer intercambiador (26) de calor se genera a un dispositivo (32) de almacenamiento.
  5. 5. El metodo de la reivindicacion 4, en el que una tasa del agua condensada por el primer intercambiador (26) de calor y generada al dispositivo (32) de almacenamiento se controla al controlar una temperatura del primer fluido que pasa a traves del primer intercambiador (26) de calor.
  6. 6. El metodo de la reivindicacion 1, comprende adicionalmente modificar un parametro de operacion para balancear una carga termica del primer intercambiador (26) de calor y el segundo intercambiador (28) de calor, en el que el parametro de operacion comprende por lo menos uno de un equilibrio de agua, una estequiometna de catodo, una tasa de flujo de fluido, y una temperatura de fluido.
  7. 7. El metodo de la reivindicacion 6, en el que modificar el parametro de operacion modifica una tasa de vapor de agua que sale del primer intercambiador (26) de calor para por lo menos controlar parcialmente un nivel de agua almacenada.
  8. 8. El metodo de la reivindicacion 1, comprende adicionalmente hacer recircular el agua a traves del catodo (16) a traves de un primer bucle de recirculacion (44) y enfriar el agua que recircula a traves de un segundo bucle (46) de recirculacion conectado de forma fluida al primer bucle de recirculacion.
  9. 9. El metodo de la reivindicacion 1, comprende adicionalmente crear un equilibrio de agua positivo al aumentar una carga termica total rechazada a traves del primer (26) y el segundo (28) intercambiadores de calor.
  10. 10. El metodo de la reivindicacion 1, comprende adicionalmente crear un equilibrio de agua negativo al reducir una carga termica total rechazada a traves del primer (26) y segundo (28) intercambiadores de calor.
  11. 11. El metodo de la reivindicacion 1, comprende adicionalmente crear un equilibrio de agua neutro al ajustar la carga termica total rechazada a traves del primer intercambiador (26) de calor de tal manera que una tasa de vapor de agua que sale del primer intercambiador de calor es aproximadamente igual a una tasa de agua producida en la reaccion de combustible de la celda (12) de combustible.
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