ES2646022T3 - Sistemas y métodos de celdas de combustible mejorados - Google Patents

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Abstract

Sistema de celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (IT-SOFC) que comprende: (i) al menos un apilamiento de celdas de combustible (20) que comprende al menos un celda de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (30) y que presenta una entrada de ánodo, una entrada de cátodo, una salida de efluentes gaseosos del ánodo, una salida de efluentes gaseosos del cátodo, y que define trayectorias de flujo separadas para el flujo de gas de entrada del ánodo (A), de gas de entrada del cátodo (C), de efluentes gaseosos del ánodo (B) y de efluentes gaseosos del cátodo (D); y (ii) un reformador de vapor (70) para reformar un combustible de hidrocarburo a un reformado, y que comprende una entrada de reformador (71) para el gas de entrada del ánodo, una salida de reformador (72) para evacuar el gas de entrada del ánodo y un intercambiador de calor del reformador (160); y que define: (a) una trayectoria de flujo de fluido de gas de entrada del ánodo (A) desde una fuente de combustible (90) hasta dicho reformador de vapor (70) hasta dicha al menos una entrada de ánodo del apilamiento de celdas de combustible (41); (b) una trayectoria de flujo de fluido de efluentes gaseosos del ánodo (B) desde dicha al menos una salida de efluentes gaseosos del ánodo del apilamiento de celdas de combustible (42) hasta un escape del sistema de celdas de combustible (180); (c) una trayectoria de flujo de fluido de gas de entrada del cátodo (C) desde una al menos una entrada de oxidante (140, 140', 140") hasta dicho intercambiador de calor del reformador (160) hasta dicha al menos una entrada de cátodo del apilamiento de celdas de combustible (61); y (d) una trayectoria de flujo de fluido de efluentes gaseosos del cátodo (D) desde dicha al menos una salida de efluentes gaseosos del cátodo del apilamiento de celdas de combustible (62) hasta dicho escape del sistema de celdas de combustible (180); donde dicho intercambiador de calor del reformador (160) es un intercambiador de calor de flujo paralelo en comunicación de flujo de fluido con (i) dicha al menos una entrada de oxidante (140, 140', 140") y dicha al menos una entrada de cátodo del apilamiento de celdas de combustible (61), y (ii) dicha fuente de combustible (90) y dicha al menos una entrada de ánodo del apilamiento de celdas de combustible (41), y está dispuesto para intercambiar calor entre dicho gas de entrada del cátodo y dicho gas de entrada del ánodo.

Description

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[0089] Preferiblemente, el sistema de IT-SOFC comprende un intercambiador de calor precalentador de oxidante y un intercambiador de calor de efluentes gaseosos del ánodo, y una trayectoria de flujo de fluido de gas de entrada del cátodo pasa desde dicha entrada de oxidante hasta dicho intercambiador de calor de efluentes gaseosos del ánodo hasta dicho intercambiador de calor precalentador de oxidante hasta dicho intercambiador 5 de calor del reformador. Como se ha indicado anteriormente, en algunos modos de realización existen múltiples trayectorias de flujo de oxidante de entrada, en particular una trayectoria de flujo principal de oxidante de entrada y una trayectoria de flujo de derivación de oxidante de entrada. En estos casos, la trayectoria de flujo de fluido de gas de entrada del cátodo que pasa desde dicha entrada de oxidante hasta dicho intercambiador de calor de efluentes gaseosos del ánodo hasta dicho intercambiador de calor precalentador de oxidante hasta dicho
10 intercambiador de calor del reformador está en la trayectoria de flujo principal de oxidante de entrada.
[0090] Con los sistemas de la presente invención, se controlan las temperaturas de entrada y de salida del apilamiento de celdas de combustible.
[0091] Preferiblemente, el sistema de IT-SOFC comprende de forma adicional:
un evaporador que presenta una entrada de combustible en comunicación de flujo de fluido con dicha fuente
15 de combustible, una entrada de agua en comunicación de flujo de fluido con una fuente de agua, y una salida de evaporador, estado situado el evaporador en la trayectoria de flujo de fluido de gas de entrada del ánodo entre dicha fuente de combustible y dicho reformador de vapor.
y un intercambiador de calor del evaporador situado en la trayectoria de flujo de fluido entre (a) al menos una de dicha salida de efluentes gaseosos del ánodo y dicha salida de efluentes gaseosos del cátodo, y (b) dicho
20 escape del sistema de celdas de combustible,
donde:
dicho intercambiador de calor del evaporador se dispone para intercambiar calor entre (a) el flujo de gas procedente de dicha al menos una de dicha salida de efluentes gaseosos del ánodo y dicha salida de efluentes gaseosos del cátodo, y (b) al menos uno de dicho gas de entrada del ánodo y dicha agua.
25 [0092] Preferiblemente, el condensado (agua) de un separador se utiliza como fuente de agua para el evaporador y/o reformador de vapor.
[0093] También se proporciona según la presente invención un método de funcionamiento de un sistema de celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia según la presente invención, comprendiendo el método las etapas de:
30 (i) hacer pasar combustible desde una fuente de combustible hasta dicho reformador de vapor;
(ii) hacer pasar oxidante de entrada calentado desde dicha entrada de oxidante hasta dicho intercambiador de calor del reformador de manera que se intercambia el calor entre dicho oxidante de entrada calentado y dicho combustible;
(iii) hacer pasar gas de entrada del ánodo desde dicho reformador de vapor hasta dicha al menos una
35 entrada de ánodo del apilamiento de celdas de combustible, y hacer pasar el oxidante de entrada desde dicho intercambiador de calor del reformador hasta dicha al menos una entrada de cátodo del apilamiento de celdas de combustible; y
(iv) hacer funcionar el al menos un apilamiento de celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia.
40 [0094] En un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un sistema de celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (IT-SOFC) que comprende:
(i) al menos un apilamiento de celdas de combustible que comprende al menos un celda de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia, y que presenta una entrada de ánodo, una entrada de cátodo, una salida de efluentes gaseosos del ánodo, una salida de efluentes gaseosos del cátodo, y que define
45 trayectorias de flujo separadas para el flujo de gas de entrada del ánodo, de gas de entrada del cátodo, de efluentes gaseosos del ánodo y de efluentes gaseosos del cátodo; y
(ii) un reformador de vapor para reformar un combustible de hidrocarburo a un reformado, y que presenta una entrada de reformador para el gas de entrada del ánodo, una salida de reformador para evacuar el gas de entrada del ánodo y un intercambiador de calor del reformador;
50 y que define:
11
(a)
una trayectoria de flujo de fluido de gas de entrada del ánodo desde una fuente de combustible hasta dicho reformador de vapor hasta dicha al menos una entrada de ánodo del apilamiento de celdas de combustible;
(b)
una trayectoria de flujo de fluido de efluentes gaseosos del ánodo desde dicha al menos una salida de
5 efluentes gaseosos del ánodo del apilamiento de celdas de combustible hasta un escape del sistema de celdas de combustible;
(c) una trayectoria de flujo de fluido de gas de entrada del cátodo desde una al menos una entrada de oxidante hasta dicho intercambiador de calor del reformador hasta dicha al menos una entrada de cátodo del apilamiento de celdas de combustible; y
10 (d) una trayectoria de flujo de fluido de efluentes gaseosos del cátodo desde dicha al menos una salida de efluentes gaseosos del cátodo del apilamiento de celdas de combustible hasta dicho escape del sistema de celdas de combustible;
donde dicho intercambiador de calor del reformador es un intercambiador de calor de flujo paralelo en comunicación de flujo de fluido con (i) dicha al menos una entrada de oxidante y dicha al menos una entrada de
15 cátodo del apilamiento de celdas de combustible, y (ii) dicha fuente de combustible y dicha al menos una entrada de ánodo del apilamiento de celdas de combustible, y está dispuesto para intercambiar calor entre dicho gas de entrada del cátodo y dicho gas de entrada del ánodo, comprendiendo dicho sistema de forma adicional:
una al menos una derivación de oxidante de entrada desde dicha al menos una entrada de oxidante hasta dicha al menos una entrada de cátodo del apilamiento de celdas de combustible;
20 una trayectoria principal de oxidante de entrada desde dicha al menos una entrada de oxidante hasta dicho intercambiador de calor del reformador hasta dicha al menos una entrada de cátodo del apilamiento de celdas de combustible; y
un divisor de flujo de oxidante de entrada ajustable situado en dicha al menos una derivación de oxidante de entrada y dicha trayectoria principal de oxidante de entrada, para controlar el flujo de oxidante de entrada entre
25 dicha al menos una derivación de oxidante de entrada y dicha trayectoria principal de oxidante de entrada.
[0095] La disposición del segundo aspecto permite que el índice de flujo de oxidante al intercambiador de calor del reformador y a la entrada de cátodo del apilamiento de celdas de combustible se controle desde una única fuente.
[0096] Todas las características preferibles del primer aspecto de la presente invención se puden aplicar 30 igualmente al segundo aspecto de la presente invención.
[0097] Según la presente invención, cada soplador y/o válvula/separador puede estar en comunicación con un medio de control y dirigido/controlado por el medio de control o en respuesta al mismo.
[0098] Según la presente invención, pueden proporcionarse uno o más sopladores o vávulas/separadores en una o más de entre la trayectoria de flujo de gas de entrada del cátodo principal, la trayectoria de flujo de gas de
35 entrada de la derivación de aire y la trayectoria de flujo de gas de entrada de la derivación de aire. Por ejemplo, si se proporciona un único soplador, entonces pueden proporcionarse cero, una o dos válvulas/separadores, o si se proporcionan dos sopladores, entonces pueden proporcionarse cero o una única válvula/separador, o si se proporcionan tres sopladores, entonces pueden proporcionarse cero válvulas/separadores.
Las características anteriores analizadas con respecto al sistema de IT-SOFC se aplican igualmente al método, a 40 menos que se indique lo contrario.
[0099] El término «quemador de gas residual» como se utiliza en el presente documento significa un quemador para quemar efluentes gaseosos del ánodo y del cátodo. Los quemadores de gas residual también mezclan normalmente los efluentes gaseosos del ánodo y del cátodo, aunque eso se puede realizar por separado en algunas circunstancias.
45 [0100] El término «trayectoria de flujo de fluido» se utiliza para definir las trayectorias de flujo de fluido entre varios componentes y, por tanto, también ha de entenderse que esos componentes están en comunicación de flujo de fluido entre sí.
[0101] A menos que el contexto indique lo contrario, el término «fluido» incorpora tanto líquidos como gases.
[0102] A menos que el contexto indique lo contrario, el término «temperatura operativa» significa una 50 temperatura operativa en estado continuo, es decir, no incluye temperaturas de arranque y apagado.
[0103] A menos que se indique lo contrario, todos los valores de temperatura se proporcionan en grados Celsius (°C). 12
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Entrada de
Entrada de
Salida de
Escape
aire del Salida de aire aire del Salida de aire potencia
Tiempo
de TGB reformador del reformador apilamiento del apilamiento eléctrica del
(S)
(°C) (°C) (°C) (°C) (°C) apilamiento (W)
5510
803 564 576 572 535 571
5710
798 556 575 572 542 667
5910
789 550 572 569 550 760
6110
823 578 570 568 557 865
6310
865 564 574 571 566 1004
6510
850 533 575 573 577 1027
6710
828 530 567 566 585 1042
6910
809 521 570 570 593 1051
7110
794 526 568 568 598 1056
7310
781 527 567 567 603 1060
7510
776 512 558 559 606 1062
7710
773 505 551 552 607 1063
7910
774 511 548 549 607 1063
8110
777 516 548 549 606 1061
8310
780 520 550 550 606 1061
8510
783 520 550 551 606 1061
8710
785 520 551 552 606 1061
8910
788 520 551 552 606 1061
9110
790 519 551 552 606 1061
9310
791 514 550 551 606 1062
9510
793 512 549 550 606 1062
9710
795 514 548 549 607 1063
9910
797 511 548 549 607 1063
10110
799 511 547 548 607 1063
10310
801 508 547 548 607 1063
10510
803 508 546 547 607 1064
10710
805 506 546 547 607 1064
10910
806 503 545 547 607 1064
11110
808 504 545 546 607 1063
11310
810 503 545 546 607 1062
11510
811 501 545 546 607 1063
11710
813 502 544 546 608 1063
11910
812 500 544 545 608 1063
12110
814 499 544 545 608 1063
12310
814 499 543 545 608 1063
12510
817 498 543 545 608 1064
12710
818 500 543 545 608 1064
12910
820 499 543 544 608 1064
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