ES2709652T3 - Sistema de células de combustible - Google Patents

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Krishnamohan Geddadi
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Abstract

Un sistema de células de combustible de óxido sólido (100) que comprende: una pila de células de combustible (102) que comprende un colector anódico (104) y un colector catódico (106); y un aparato de alimentación de combustible anódico (108) conectado por conexión de fluido a la pila de células de combustible (102), comprendiendo el aparato de alimentación de combustible anódico (108), un reformador (112) conectado al colector anódico (104) de la pila de células de combustible (102), en el que el reformador (112) está adaptado para obtener una primera parte de gases de escape del ánodo desde el colector anódico (104) como un reactante para reformar un compuesto hidrocarbonado para producir un combustible anódico intermedio; un reactor de conversión de gas de agua (120) conectado al colector anódico (104) y al reformador (112), en el que el reactor de conversión de gas de agua (120) está adaptado para obtener el combustible anódico intermedio desde el reformador (112) y una segunda parte de los gases de escape del ánodo desde el colector anódico (104) como un reactante para producir un combustible anódico, y en el que el reactor de conversión de gas de agua (120) está adaptado para suministrar el combustible anódico al colector anódico (104); y un conjunto recuperador (136) conectado por conexión de fluido a la pila de células de combustible (102), en el que el conjunto recuperador (136) comprende al menos un intercambiador de calor para la transferencia de calor desde los gases de escape del ánodo en el colector anódico (104) y desde los gases de escape del cátodo en el colector catódico (106) a un combustible catódico que fluye a través del conjunto recuperador (136) hacia el colector catódico (106).

Description

DESCRIPCION
Sistema de celulas de combustible
Campo tecnico
El objeto tal como se describe en el presente documento se refiere, de manera general, a celulas de combustible y, en particular, se refiere a sistemas de celulas de combustible de oxido solido.
Antecedentes
Una celula de combustible es un dispositivo electroqmmico que genera corriente electrica mediante la combinacion electroqmmica de hidrogeno y oxfgeno. La celula de combustible se considera como una fuente de energfa prometedora debido a alta eficiencia, respeto medioambiental, flexibilidad para usar diferentes combustibles como una fuente de hidrogeno y modularidad. Los hidrocarburos se conocen como una buena fuente de hidrogeno y se usan generalmente para obtener hidrogeno para actuar como combustible para la reaccion en las celulas de combustible. Durante el funcionamiento, las celulas de combustible consumen hidrogeno y oxfgeno, producen electricidad y liberan agua y oxfgeno sin utilizar como gases de escape.
Tradicionalmente, se han desarrollado sistemas de celulas de combustible para la generacion de energfa a partir de celulas de combustible a una escala utilizable. Un sistema de celulas de combustible incluye habitualmente una pluralidad de celulas de combustible conectadas entre sf para funcionar como una unica unidad, denominada pila de celulas de combustible. El sistema de celulas de combustible incluye ademas un reformador que puede albergar una reaccion de reformado de un compuesto hidrocarbonado y producir hidrogeno. El reformador esta conectado a la pila de celulas de combustible para suministrar hidrogeno a la pluralidad de celulas de combustible para su funcionamiento. La reaccion de reformado es habitualmente una reaccion de reformado con vapor y el vapor necesario para el reformado con vapor del compuesto hidrocarbonado se suministra mediante un deposito.
Durante la reaccion de reformado en el reformador, se produce monoxido de carbono como un subproducto junto con hidrogeno. El monoxido de carbono provoca la coquizacion en la pila de celulas de combustible, reduciendo de ese modo la eficiencia operacional de la celula de combustible. El sistema de celulas de combustible convencional incluye un sistema para tratar monoxido de carbono y reducir la coquizacion. Por ejemplo, en determinados casos, el sistema de celulas de combustible incluye un oxidador para oxidar el monoxido de carbono para dar dioxido de carbono. Por ejemplo, la patente estadounidense n.° 6.649.292 (a continuacion en el presente documento Norbert) describe una unidad de reactor conectada aguas abajo del reformador y esta unidad de reactor oxida el monoxido de carbono para dar dioxido de carbono mientras se anade agua por medio de una denominada reaccion de conversion tras lo cual se libera a su vez hidrogeno.
Sumario
En el presente documento se describen un sistema de celulas de combustible de oxido solido, un dispositivo de control para controlar el funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido y un metodo para controlar el funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido. En una realizacion, el sistema de celulas de combustible de oxido solido incluye una pila de celulas de combustible que tiene un colector anodico y un colector catodico. El sistema de combustible incluye ademas un aparato de alimentacion de combustible anodico conectado por conexion de fluido a la pila de celulas de combustible. El aparato de alimentacion de combustible anodico tiene un reformador conectado al colector anodico de la pila de celulas de combustible. El reformador obtiene gases de escape del anodo desde el colector anodico para reformar un compuesto hidrocarbonado para producir un combustible anodico intermedio. El aparato de alimentacion de combustible anodico incluye ademas un reactor de conversion de gas de agua conectado al colector anodico y conectado al reformador. El reactor de conversion de gas de agua obtiene el combustible anodico intermedio desde el reformador y obtiene los gases de escape del anodo desde el colector anodico para producir un combustible anodico. Ademas, el reactor de conversion de gas de agua suministra el combustible anodico al colector anodico.
Estas y otras caractensticas, aspectos y ventajas del presente objeto se entenderan mejor con referencia a la siguiente descripcion y reivindicaciones adjuntas. Este sumario se proporciona para introducir una seleccion de conceptos en una forma simplificada. No se pretende que este sumario identifique caractensticas clave o caractensticas esenciales del objeto reivindicado, ni se pretende que se use para limitar el alcance del objeto reivindicado.
Breve descripcion de dibujos
La descripcion detallada se describe con referencia a las figuras adjuntas. En las figuras, el/los dfgito(s) mas a la izquierda de un numero de referencia identifican la figura en la que aparece por primera vez el numero de referencia. Los mismos numeros se usan a lo largo de todos los dibujos para hacer referencia a caractensticas y componentes similares.
La figura 1 ilustra un sistema de celulas de combustible de oxido solido, segun una realizacion del presente objeto.
La figura 2 ilustra un dispositivo de control para controlar el funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido, segun una realizacion del presente objeto.
La figura 3 ilustra un metodo para controlar el funcionamiento de un sistema de celulas de combustible de oxido solido, segun una implementacion del presente objeto.
Descripcion detallada
El presente objeto se refiere a un sistema de celulas de combustible de oxido solido de oxido solido y a un dispositivo de control para regular el funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido.
Una celula de combustible incluye habitualmente un catodo, un anodo y un electrolito entre el catodo y el anodo. Habitualmente, se hacen pasar hidrogeno y oxfgeno sobre el anodo y el catodo, respectivamente, para llevar a cabo reacciones de oxidacion y reduccion dentro de la celula de combustible y para generar corriente electrica. Una unica celula de combustible genera una tension de aproximadamente 1 voltio y una potencia electrica en el intervalo de 0,5 a 2 vatios por centfmetro cuadrado de superficie de la celula de combustible. Convencionalmente, los sistemas de celulas de combustible incorporan una pluralidad de celulas de combustible conectadas en serie para formar una pila de celulas de combustible para generar energfa electrica utilizable. El hidrogeno se hace pasar sobre el anodo de la pila de celulas de combustible y el oxfgeno se hace pasar sobre el catodo de la pila de celulas de combustible para llevar a cabo las reacciones de conversion.
El sistema de celulas de combustible incluye ademas un reformador conectado a la pila de combustible, en la que se usan hidrocarburos como la fuente de hidrogeno. El reformado de un compuesto hidrocarbonado se lleva a cabo en el reformador en presencia de vapor, y el hidrogeno y el monoxido de carbono producidos como resultado de la reaccion de reformado, se suministran a la pila de celulas de combustible.
Cuando se suministra monoxido de carbono junto con el hidrogeno a la pila de celulas de combustible, provoca deposicion de carbono en los electrodos de la pila de celulas de combustible. Debido a la deposicion de carbono en la pila de celulas de combustible, el funcionamiento de la pila de celulas de combustible puede verse afectado de manera adversa y la capacidad de generacion de energfa electrica de la pila de celulas de combustible se reduce. Tradicionalmente, para superar el problema de deposicion de carbono, la pila de celulas de combustible se dota de un sistema auxiliar para tratar el monoxido de carbono antes de que el monoxido de carbono entre en la pila de celulas de combustible. En un ejemplo, el sistema auxiliar puede ser un oxidador para oxidar monoxido de carbono para dar dioxido de carbono, el cual no provoca deposicion de carbono dentro de la pila de celulas de combustible. Sin embargo, dichos sistemas auxiliares aumentan el coste de la pila de celulas de combustible. Ademas, en determinados casos, los sistemas auxiliares puede que no puedan tratar todo el monoxido de carbono y el problema de deposicion de carbono puede persistir, pese a la presencia de los sistemas auxiliares en la pila de celulas de combustible.
Ademas, el sistema de celulas de combustible puede incluir tambien otros componentes, tales como valvulas de control del flujo para controlar el flujo en diversas partes del sistema de celulas de combustible y elementos de calentamiento para proporcionar calentamiento en diferentes partes del sistema de celulas de combustible. Por ejemplo, el sistema de celulas de combustible puede incluir diversas valvulas para controlar el flujo de compuesto hidrocarbonado al reformador, el flujo de hidrogeno a la pila de celulas de combustible y el flujo de oxfgeno a la celula de combustible. El sistema de celulas de combustible puede incluir tambien un elemento de calentamiento para precalentar el aire o el oxfgeno alimentado a la pila de celulas de combustible. Estos y otros componentes del sistema de celulas de combustible aumentan la complejidad del sistema de celulas de combustible y habitualmente implican ngidas restricciones de funcionamiento. Por lo tanto, el control de dichos componentes es diffcil.
El presente objeto describe un sistema de celulas de combustible y un dispositivo de control para hacer funcionar el sistema de celulas de combustible de oxido solido. Segun una realizacion, el sistema de celulas de combustible de oxido solido incluye una pluralidad de celulas de combustible conectadas en serie para formar una pila de celulas de combustible. En un ejemplo, las celulas de combustible pueden ser celulas de combustible de oxido solido. La conexion de las celulas de combustible para formar una pila puede llevarse a cabo de un modo tal que los anodos de las celulas de combustible se conectan entre sf para formar un colector anodico y los catodos se conectan para formar un colector catodico de la pila de celulas de combustible.
Segun una realizacion, el sistema de celulas de combustible de oxido solido contiene ademas un aparato de alimentacion de combustible anodico conectado al colector anodico de la pila de celulas de combustible. El aparato de alimentacion de combustible anodico incluye un reformador y un reactor de conversion de gas de agua (WGS). El reformador esta configurado para llevar a cabo un reformado de hidrocarburos en el mismo. Un deposito de hidrocarburos esta conectado al reformador para suministrar un compuesto hidrocarbonado al reformador. El compuesto hidrocarbonado puede incluir hidrocarburos, tales como parafinas, naftenos, olefinas y arenos y derivados hidrocarbonados, tales como alcoholes, esteres y acidos carboxflicos o una mezcla de los mismos. En un ejemplo, se suministran hidrocarburos gaseosos al reformador. Ademas, el deposito de hidrocarburos puede conectarse al reformador a traves de una valvula de derivacion y un desulfurante. El desulfurante esta configurado para retirar contenidos de azufre del compuesto hidrocarbonado antes de que se alimente el compuesto hidrocarbonado al reformador.
En una implementacion, el reformador esta configurado para llevar a cabo un reformado con vapor del compuesto hidrocarbonado. En una reaccion de reformado de este tipo, se usa vapor como un medio de reformado. En un ejemplo, se presurizan una mezcla del compuesto hidrocarbonado y agua y se calientan hasta una temperatura en el intervalo de aproximadamente 500°C a 600°C para llevar a cabo el reformado del compuesto hidrocarbonado.
Como resultado del reformado del compuesto hidrocarbonado, se produce un combustible anodico intermedio en el reformador. En un ejemplo, el combustible anodico intermedio incluye una mezcla de hidrogeno y monoxido de carbono. El combustible anodico intermedio se suministra ademas al reactor WGS en el que el monoxido de carbono se convierte en dioxido de carbono siguiendo una reaccion de conversion de gas de agua en presencia de agua. En un ejemplo, la reaccion de conversion de gas de agua se lleva a cabo en el reactor WGS a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 350°C a 400°C.
Junto con la conversion de monoxido de carbono en dioxido de carbono, se produce hidrogeno adicional como resultado de la reaccion de conversion de gas de agua. Por tanto, se obtiene una mezcla del hidrogeno en el combustible anodico intermedio, el hidrogeno adicional producido en el reactor WGS y dioxido de carbono, del aparato de alimentacion de combustible anodico. La mezcla se denomina combustible anodico y se suministra al colector anodico durante el funcionamiento de la pila de celulas de combustible. Durante el funcionamiento, en un ejemplo, el hidrogeno en el combustible anodico se oxida para dar agua para producir energfa electrica. Ademas, el agua producida como resultado de la reaccion esta a alta temperatura en el intervalo de aproximadamente 600°C a 800°C y se libera como gases de escape del anodo.
Ademas, al colector catodico de la pila de celulas de combustible se le suministra combustible catodico mediante un aparato de alimentacion de combustible catodico durante el funcionamiento de la pila de celulas de combustible. En una realizacion, el aparato de alimentacion de combustible catodico incluye un filtro y un soplador. El combustible catodico, tal como aire, se aspira de la atmosfera mediante el soplador, se filtra mediante el filtro, se precalienta hasta una temperatura de aproximadamente 500°C, y entonces se suministra al colector catodico. El oxfgeno en el aire se utiliza en la reaccion en el colector catodico, en tandem con la reaccion en el colector anodico, para producir energfa electrica, y se libera el aire no usado desde el colector catodico como gases de escape del catodo.
El sistema de celulas de combustible de oxido solido incluye ademas un conjunto recuperador conectado a la pila de celulas de combustible para recibir gases de escape del catodo y del anodo de la pila de celulas de combustible. Una lmea de suministro del aparato de alimentacion de combustible catodico, que lleva el combustible catodico hacia el colector catodico de la pila de celulas de combustible, tambien pasa a traves del conjunto recuperador. En una implementacion, el conjunto recuperador sirve como un economizador en el sistema de celulas de combustible de oxido solido. El conjunto recuperador, en dicha implementacion, incluye un intercambiador de calor, en el que el calor de los gases de escape del anodo y de los gases de escape del catodo se usa para calentar el combustible catodico que entra al aparato de alimentacion de combustible catodico.
Segun un aspecto del objeto, el sistema de celulas de combustible de oxido solido esta configurado para funcionar en dos modos, a saber, modo de arranque y modo normal. Durante el modo de arranque, el aparato de alimentacion de combustible anodico y el aparato de alimentacion de combustible catodico funcionan con un suministro externo de energfa y reactantes. Por ejemplo, durante el modo de arranque, un calentador de combustible catodico en el aparato de alimentacion de combustible catodico precalienta el combustible catodico a la temperatura predeterminada antes de alimentarse a la pila de celulas de combustible. Ademas, en el modo de arranque, el aparato de alimentacion de combustible anodico recibe el suministro de vapor desde un sistema de arranque de alimentacion de combustible anodico. En el modo de arranque, el sistema de arranque de alimentacion de combustible anodico proporciona suministro de vapor al reformador y al reactor WGS para su funcionamiento.
Por otro lado, en el modo normal el sistema de celulas de combustible de oxido solido entra en un modo sustancialmente autosostenido en lo que respecta a suministro de energfa externo y suministro de vapor. Durante el modo normal, se apagan sistemas auxiliares, tales como el sistema de arranque de alimentacion de combustible anodico, del sistema de celulas de combustible de oxido solido. Segun una implementacion, durante el modo normal de funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido, el sistema de alimentacion de combustible anodico recibe una primera parte de los gases de escape del anodo directamente desde la pila de celulas de combustible. La primera parte de los gases de escape del anodo sirve como el medio de reformado para reformar el hidrocarburo en el reformador. Como se menciono anteriormente, el resto de los gases de escape del anodo se suministran al conjunto recuperador. Los gases de escape del anodo que entran al conjunto recuperador se enfnan mediante el combustible catodico que entra al aparato de alimentacion de combustible catodico. Durante el modo normal, una parte de los gases de escape del anodo enfriados, denominados una segunda parte de gases de escape del anodo, se suministra desde el conjunto recuperador hasta el reactor WGS para llevar a cabo la reaccion de conversion de gas de agua en el reactor WGS. Ademas, durante el modo normal de funcionamiento, basandose en las temperaturas de los gases de escape del anodo y del catodo, puede apagarse el calentador de combustible catodico. Durante tal funcionamiento, el combustible catodico en la lmea de suministro del aparato de alimentacion de combustible catodico, que pasa a traves del conjunto recuperador, se calienta mediante gases de escape del anodo y del catodo en el conjunto recuperador.
Ademas, segun una implementacion, el sistema de celulas de combustible de oxido solido incluye ademas un dispositivo de control configurado para controlar un funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido. En una implementacion, una pluralidad de sensores, tales como sensores de temperatura y sensores de velocidad de flujo, estan provistos en el sistema de celulas de combustible de oxido solido, los cuales interaccionan con el dispositivo de control y facilitan el control del funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido. Ademas, el dispositivo de control esta configurado para regular el funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido en el modo de arranque y en el modo normal.
Durante el funcionamiento, el dispositivo de control determina diversos parametros relacionados con el funcionamiento de la pila de celulas de combustible, por ejemplo, a traves de los diversos sensores en el sistema de celulas de combustible de oxido solido. En un ejemplo, el dispositivo de control puede obtener detalles sobre parametros operacionales del sistema de celulas de combustible de oxido solido, tales como composicion del compuesto hidrocarbonado, temperatura de la pila de combustible, temperatura del conjunto recuperador, velocidad de flujo de vapor al reformador y velocidad de flujo de vapor al reactor WGS. Ademas, basandose en la composicion del compuesto hidrocarbonado y la carga conectada a la pila de celulas de combustible, el dispositivo de control puede determinar parametros necesarios para el funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido. En un ejemplo, los parametros necesarios pueden incluir una velocidad de flujo del hidrocarburo umbral del compuesto hidrocarbonado que va a suministrarse al reformador, una velocidad de flujo del medio de reformado necesaria que va a suministrarse al reformador y al reactor WGS, y una velocidad de flujo de combustible catodico necesaria que va a suministrarse al colector catodico mediante el aparato de alimentacion de combustible catodico.
Basandose en los parametros operacionales del sistema de celulas de combustible de oxido solido, el dispositivo de control puede regular el funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido. En una implementacion, basandose en la velocidad de flujo del hidrocarburo umbral, el dispositivo de control puede controlar el suministro del compuesto hidrocarbonado al reformador. Ademas, basandose en la presencia de azufre en el compuesto hidrocarbonado, el dispositivo de control puede regular y cerrar la valvula de derivacion y hacer pasar el compuesto hidrocarbonado a traves del desulfurante para retirar azufre del compuesto hidrocarbonado antes de que se alimente al reformador.
Ademas, basandose en la temperatura de la pila de combustible, el dispositivo de control puede determinar la temperatura de los gases de escape del anodo y tambien determinar si el sistema de celulas de combustible de oxido solido puede hacerse funcionar en el modo normal con respecto al suministro de vapor al aparato de alimentacion de combustible anodico. Por ejemplo, si la temperatura de la pila de combustible es de aproximadamente 800°C, entonces el dispositivo de control apaga el sistema de arranque de alimentacion de combustible anodico y una parte de los gases de escape del anodo se alimenta directamente desde la pila de celulas de combustible hasta el reformador y el resto de los gases de escape del anodo se alimentan al conjunto recuperador. Ademas, el dispositivo de control puede determinar una temperatura de los gases de escape del anodo en una salida del conjunto recuperador, y si la temperatura es aproximadamente la temperatura de funcionamiento del reactor WGS, por ejemplo, de aproximadamente 350°C a aproximadamente 400°C, entonces el dispositivo de control puede suministrar los gases de escape del anodo que salen del conjunto recuperador al reactor WGS para llevar a cabo la reaccion de conversion de gas de agua. De manera adicional, el dispositivo de control puede regular el flujo de los gases de escape del anodo desde la pila de celulas de combustible y desde la salida del conjunto recuperador al reformador y al reactor WGS, respectivamente, basandose en la carga electrica en la pila de celulas de combustible.
En cambio, si la temperatura de la pila es sustancialmente menor que la temperatura predeterminada, el dispositivo de control puede hacer funcionar el aparato de alimentacion de combustible anodico en el modo de arranque, regulando la temperatura de los elementos de calentamiento en las lmeas de suministro desde el sistema de arranque de alimentacion de combustible anodico al reformador y al reactor WGS, respectivamente. Ademas, el dispositivo de control puede controlar las valvulas en las lmeas de suministro al reformador y al reactor WGS para regular la velocidad de flujo de vapor, basandose en la carga electrica en la pila de celulas de combustible.
Ademas, el dispositivo de control puede regular el aparato de alimentacion de combustible catodico en un modo de arranque o en un modo normal. En una implementacion, basandose en la temperatura de la pila de combustible y la temperatura del conjunto recuperador, el dispositivo de control puede determinar las temperaturas de los gases de escape del anodo y los gases de escape del catodo que entran al conjunto recuperador, y tambien una posible temperatura del combustible catodico que fluye hacia la pila de celulas de combustible a traves del aparato de alimentacion de combustible catodico. La posible temperatura del combustible catodico puede entenderse como la temperatura del combustible catodico que se lograra tras pasar a traves del recuperador. Por ejemplo, si la temperatura de la pila de celulas de combustible esta por debajo de 900°C o si la temperatura del conjunto recuperador esta por debajo de 150°C, o si ambas condiciones son ciertas, entonces el dispositivo de control puede encender el calentador de combustible catodico para calentar el combustible catodico que entra a la pila de celulas de combustible desde el aparato de alimentacion de combustible catodico, y por tanto, el aparato de alimentacion de combustible catodico se hace funcionar en un modo de arranque. Por otro lado, si una o ambas de las dos condiciones son falsas, entonces el dispositivo de control puede apagar el calentador de combustible catodico y hacer funcionar el aparato de alimentacion de combustible catodico en el modo normal.
El sistema de celulas de combustible de oxido solido tal como se explico anteriormente tiene la capacidad de usar diversos tipos de compuestos hidrocarbonados en el mismo sistema de celulas de combustible de oxido solido. Como resultado, el sistema de celulas de combustible de oxido solido tambien puede usar compuestos hidrocarbonados no convencionales basandose en su composicion qmmica. El dispositivo de control del sistema de celulas de combustible de oxido solido puede mantener la temperatura de diversos componentes, tales como el reformador, el reactor WGS, el conjunto recuperador y la pila de celulas de combustible dentro de los lfmites, y por tanto, evitar el dano de los componentes. En consecuencia, se potencia la vida util de los componentes y del sistema de celulas de combustible de oxido solido. Ademas, el dispositivo de control puede configurarse para controlar las velocidades de flujo del combustible anodico y del combustible catodico a la pila de celulas de combustible basandose en las necesidades de carga, y hacer funcionar la pila de celulas de combustible dentro de un regimen eficiente determinado basandose, por ejemplo, en una curva de polarizacion del tipo de celulas de combustible usado en la pila de celulas de combustible. Ademas, el funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido en dos modos de funcionamiento, a saber, modo de arranque y modo normal, proporciona flexibilidad y eficiencia al sistema de celulas de combustible de oxido solido.
Estas y otras ventajas del presente objeto se describen en mayor detalle junto con las figuras.
La figura 1 ilustra un sistema de celulas de combustible de oxido solido 100, segun una realizacion del presente objeto. Segun dicha realizacion, el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 puede incluir una pila de celulas de combustible 102, la cual puede, en una realizacion, estar formada por una unica celula de combustible, o, en otra realizacion, estar formada por una pluralidad de celulas de combustible conectadas en serie. En el caso en el que la pila de celulas de combustible 102 incluye una pluralidad de celulas de combustible, las celulas de combustible estan conectadas en serie, de tal manera que los anodos de las celulas de combustible estan conectados para formar un colector anodico 104 y los catodos de las celulas de combustible estan conectados para formar un colector catodico 106 de la pila de celulas de combustible 102. En un ejemplo, las celulas de combustible pueden ser una de una celula de combustible de oxido solido, celula de combustible de acido fosforico, celula de combustible de membrana de intercambio protonico y celula de combustible alcalina. Con fines explicativos, se ha proporcionado la siguiente descripcion con referencia a una celula de combustible de oxido solido. Sin embargo, como resultara evidente para un experto en la tecnica, el sistema puede adaptarse a cualquier tipo de celula de combustible, tal como celula de combustible de acido fosforico, celula de combustible de membrana de intercambio protonico y celula de combustible alcalina.
En una realizacion, el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 incluye ademas un aparato de alimentacion de combustible anodico 108 y un aparato de alimentacion de combustible catodico 110 conectados al colector anodico 104 y al colector catodico 106, respectivamente, de la pila de celulas de combustible 102. En una realizacion, el aparato de alimentacion de combustible anodico 108 incluye un reformador 112 para llevar a cabo una reaccion de reformado, en la que un compuesto hidrocarbonado se reforma para producir un combustible anodico intermedio. En una realizacion, el reformador 112 esta conectado a un deposito de hidrocarburos 114. El deposito de hidrocarburos 114 sirve para almacenar y suministrar el compuesto hidrocarbonado al reformador 112. En una implementacion, el deposito de hidrocarburos 114 incluye una bomba de fluido (no mostrada en la figura) para recoger y suministrar el compuesto hidrocarbonado desde el deposito de hidrocarburos 114 hasta el reformador 112. En una realizacion, el deposito de hidrocarburos 114 esta conectado al reformador 112 a traves de una valvula de derivacion 116, un desulfurante 118 y una valvula de reformador 119.
La valvula de derivacion 116 proporciona una trayectoria doble entre el deposito de hidrocarburos 114 y el reformador 112 de tal manera que, basandose en la composicion del compuesto hidrocarbonado, el flujo del compuesto hidrocarbonado desde el deposito de hidrocarburos 114 hasta el reformador 112 puede proporcionarse o bien directamente o bien a traves del desulfurante 118. El desulfurante 118 retira azufre del compuesto hidrocarbonado, si hay algo presente. Ademas, la valvula de reformador 119 regula el suministro del compuesto hidrocarbonado al reformador 112.
En un ejemplo, el reformador 112 es un reformador de vapor y el reformado del compuesto hidrocarbonado se lleva a cabo mediante tratamiento con vapor en presencia de un catalizador basado en mquel con promotores alcalinos u oxidos de metales alcalinos, para obtener el combustible anodico intermedio. La reaccion de reformado que se produce en el reformador 112, segun el ejemplo anterior, puede representarse mediante la siguiente ecuacion:
Figure imgf000006_0001
En la relacion anterior, el CnHm representa el compuesto hidrocarbonado que esta reformandose en presencia de vapor para obtener el combustible anodico intermedio, que incluye principalmente hidrogeno y monoxido de carbono. El compuesto hidrocarbonado puede incluir hidrocarburos, tales como parafinas, naftenos, olefinas y arenos, y derivados hidrocarbonados, tales como alcoholes, esteres y acidos carboxflicos, o una mezcla de los mismos. En una implementacion, el compuesto hidrocarbonado suministrado al reformador 112 es un compuesto hidrocarbonado gaseoso. Ademas, en un ejemplo, la reaccion de reformado anterior puede tener lugar a una temperatura de aproximadamente 500°C a 600°C y a una presion de aproximadamente 220 bar.
El aparato de alimentacion de combustible anodico 108 incluye ademas un reactor de conversion de gas de agua (WGS) 120 conectado en serie al reformador 112. El combustible anodico intermedio producido en el reformador 112 se suministra al reactor WGS 120. En una implementacion, el monoxido de carbono en el combustible anodico intermedio se somete a una reaccion de conversion de gas de agua y se oxida y convierte en dioxido de carbono. La conversion de monoxido de carbono en dioxido de carbono antes de alimentarse a la pila de celulas de combustible 102 impide la deposicion de carbono en la pila de celulas de combustible 102. La reaccion de conversion de gas de agua llevada a cabo en el reactor WGS 120 puede ilustrarse mediante la siguiente ecuacion:
CO+H2O^CO2+H2
Tal como se observa a partir de la relacion anterior, el monoxido de carbono se convierte en dioxido de carbono con produccion adicional de hidrogeno a partir de la reaccion. En un ejemplo, la reaccion de conversion de gas de agua en el reactor WGS 120 se lleva a cabo a una temperatura de aproximadamente 350°C a 400°C.
Por tanto, el producto obtenido a partir del reactor WGS 120 incluye una gran cantidad de hidrogeno y alguna cantidad de dioxido de carbono, y se denomina combustible anodico. El combustible anodico se suministra desde el aparato de alimentacion de combustible anodico 108 a la pila de celulas de combustible 102 durante el funcionamiento de la pila de celulas de combustible 102.
El aparato de alimentacion de combustible catodico 110 del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 suministra combustible catodico al colector catodico 106 de la pila de celulas de combustible 102. En una implementacion, el combustible catodico es oxfgeno, que puede obtenerse del aire atmosferico aspirado mediante el aparato de alimentacion de combustible catodico 110. Por tanto, se entendera que el combustible catodico puede incluir aire. En una realizacion, el aparato de alimentacion de combustible catodico 110 incluye un filtro 122, un soplador 124, un calentador de combustible catodico 126 y una valvula de combustible catodico 128. El soplador 124 aspira el combustible catodico, es decir, aire atmosferico, a traves del filtro 122 y hace pasar el combustible catodico al calentador de combustible catodico 126. El calentador de combustible catodico 126 puede calentar el combustible catodico hasta una temperatura predeterminada antes de que el combustible catodico se alimente a la pila de celulas de combustible 102. Ademas, la valvula de combustible catodico 128 controla el suministro de combustible catodico al colector catodico 106 de la pila de celulas de combustible 102 basandose, por ejemplo, en una carga electrica en la pila de celulas de combustible 102. Ademas, el aparato de alimentacion de combustible catodico 110 puede incluir un sensor de velocidad de flujo del combustible catodico 129 para determinar la velocidad de flujo masico del combustible catodico desde el aparato de alimentacion de combustible catodico 110 al colector catodico 106 de la pila de celulas de combustible. En una implementacion, el sensor de velocidad de flujo del combustible catodico 129 esta provisto entre el soplador 124 y el calentador de combustible catodico 126.
Durante el funcionamiento, el colector anodico 104 de la pila de celulas de combustible 102 recibe combustible anodico desde el dispositivo de alimentacion de combustible anodico 108 y recibe combustible catodico desde el dispositivo de alimentacion de combustible catodico 110. Por ejemplo, el hidrogeno en el combustible anodico y el oxfgeno en el combustible catodico reaccionan en la pila de celulas de combustible 102 y puede obtenerse energfa electrica utilizable a partir de la pila de celulas de combustible 102. En un ejemplo, las reacciones en el colector anodico 104 y el colector catodico 106 de la celula de combustible 102 pueden ilustrarse mediante las siguientes ecuaciones:
H(g) + O2- ^ H 2 O(g) + 2e_ (en el anodo)
1 , ~ 02(g) 2e ~^0~ (en el catodo)
Tal como puede observarse a partir de las ecuaciones anteriores, la oxidacion de hidrogeno se lleva a cabo en el colector anodico 104 y los dos electrones producidos, como resultado, fluyen a traves del circuito externo produciendo energfa electrica. En cambio, en el colector catodico 106, el oxfgeno se reduce para dar ion oxido el cual entra en un electrolito de la pila de celulas de combustible 102 y fluye hacia el anodo. Segun el ejemplo anterior, como resultado de la reaccion electroqmmica en la pila de celulas de combustible 102, se libera agua en el colector anodico 104 como gases de escape del anodo y se expulsa combustible catodico no usado, es decir, aire no usado desde el colector catodico 106 como gases de escape del catodo.
Ademas, una primera valvula de gases de escape del anodo 130 puede estar provista en una lmea de gases de escape del anodo 132. La lmea de gases de escape del anodo 132 es el paso a traves del cual salen los gases de escape del anodo de la pila de celulas de combustible 102. En una realizacion, la primera valvula de gases de escape del anodo 130 incluye una valvula de tres vfas configurada para dividir el flujo de los gases de escape del anodo desde el anodo 104 de la pila de celulas de combustible 102. Uno de los conductos de salida de la primera valvula de gases de escape del anodo 130 conecta la lmea de gases de escape del anodo 132 con el reformador 112 a traves de una valvula de anodo-reformador 134. En una implementacion, la valvula de anodo-reformador 134 es una valvula de control de flujo que regula la cantidad de flujo de los gases de escape del anodo desde la lmea de gases de escape del anodo 132 que va a suministrarse al reformador 112, durante un modo normal de funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100. En un ejemplo, los gases de escape del anodo que fluyen desde la primera valvula de gases de escape del anodo 130 al reformador estan a una temperature de aproximadamente 600°C a aproximadamente 800°C. El modo normal del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 se explica en detalle a continuacion.
Segun una realizacion, el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 incluye ademas un conjunto recuperador 136. En dicha realizacion, el conjunto recuperador 136 esta conectado aguas abajo a la pila de celulas de combustible 102. En dicha realizacion, el conjunto recuperador 136 esta conectado a la lrnea de gases de escape del anodo 132 y a una lrnea de gases de escape del catodo 135 que lleva los gases de escape del catodo. Una parte de los gases de escape del anodo, que fluyen a traves de un segundo conducto de salida desde la valvula de gases de escape del anodo 130, y los gases de escape del catodo desde la pila de celulas de combustible 102 fluyen hacia el conjunto recuperador 136. Ademas, el conjunto recuperador 136 esta conectado aguas arriba al aparato de alimentacion de combustible catodico 110, de tal manera que el combustible catodico fluye desde el aparato de alimentacion de combustible catodico 110 y al interior del conjunto recuperador 136 antes de fluir al interior de la pila de celulas de combustible 102.
Segun una implementacion, el conjunto recuperador 136 esta disenado como un intercambiador de calor a contracorriente en el que el flujo del combustible catodico es opuesto al flujo de los gases de escape del anodo y los gases de escape del catodo desde la pila de celulas de combustible 102. Durante el flujo contrario del aire y los gases de escape del anodo y del catodo, el combustible catodico absorbe calor a partir de los dos gases de escape y se precalienta antes de alimentarse a la pila de celulas de combustible 102. Como se explico anteriormente, en el caso en el que el conjunto recuperador 136 esta a baja temperatura y no puede precalentar el combustible catodico hasta la temperatura predeterminada, entonces el combustible catodico se precalienta hasta aproximadamente la temperatura predeterminada mediante el calentador de combustible catodico 126 antes de entrar en el conjunto recuperador 136.
En una realizacion, el conjunto recuperador 136 esta provisto como un conjunto recuperador de dos etapas, que tiene un primer recuperador 138 y un segundo recuperador 140. Ademas, en dicha realizacion, la lrnea de gases de escape del anodo 132 que pasa a traves del conjunto recuperador 136 puede incluir una segunda valvula de gases de escape del anodo 142. En una implementacion, la segunda valvula de gases de escape del anodo 142 es una valvula de tres vfas, similar a la primera valvula de gases de escape del anodo 130. La segunda valvula de gases de escape del anodo 142 divide el flujo de los gases de escape del anodo enfriados en la primera etapa del conjunto recuperador, es decir, el primer recuperador 138, en dos flujos: uno dirigido hacia el segundo recuperador 140 y el otro dirigido hacia el reactor WGS 120. Los gases de escape del anodo que fluyen desde el primer recuperador 138 hasta el reactor WGS 120 se denominan una segunda parte de gases de escape del anodo, y se usan en la reaccion de conversion de gas de agua en el reactor WGS 120. Ademas, la segunda valvula de gases de escape del anodo 142 puede usarse para purgar la parte restante de gases de escape del anodo desde el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100. Para esto, los gases de escape del anodo que salen del segundo recuperador pueden liberarse hacia la atmosfera.
En una implementacion, el flujo de la segunda parte de gases de escape del anodo desde la segunda valvula de gases de escape del anodo 142 hasta el reactor de conversion WGS 120 puede proporcionarse a traves de una valvula de anodo-reactor WGS 144 durante el modo normal de funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100. En una implementacion, la valvula de anodo-reactor WGS 144 es una valvula de control de flujo y puede regular la cantidad de gases de escape del anodo enfriados en una unica etapa al reactor WGS 120. En un ejemplo, los gases de escape del anodo enfriados en una unica etapa que fluyen desde la segunda valvula de gases de escape del anodo 142 al reactor WGS 120 estan a una temperatura de aproximadamente 350°C a aproximadamente 400°C.
Ademas, segun un aspecto del presente objeto, el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 esta configurado para funcionar en dos modos: un modo de arranque y un modo normal. El modo normal de funcionamiento puede entenderse como el funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 cuando el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 puede autosostener los requisitos de energfa del funcionamiento. En un ejemplo, mientras funciona en el modo normal, el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 no necesita ningun suministro de energfa externo para calentar los diversos fluidos, tales como el combustible catodico para el colector catodico 106, el medio de reformado para el reformador 112 y vapor para el reactor WGS 120. En cambio, puede entenderse que el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 funciona en el modo de arranque cuando el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 y los componentes dependen, para su funcionamiento, del suministro de energfa externo.
El sistema de celulas de combustible de oxido solido 100, en una implementacion, incluye un sistema de arranque de alimentacion de combustible anodico 146. En dicha implementacion, el sistema de arranque de alimentacion de combustible anodico 146 esta provisto como una parte del aparato de alimentacion de combustible anodico 108 y esta conectado al reactor WGS 120 y al reformador 112 a traves de una primera lrnea de suministro 148 y una segunda lrnea de suministro 150, respectivamente. El sistema de arranque de alimentacion de combustible anodico 146 esta conectado ademas a un deposito de agua 152, que almacena y suministra agua al reactor WGS 120 a traves de la primera lmea de suministro 148 para la reaccion de conversion de gas de agua, y ademas suministra agua al reformador 112 a traves de la segunda lmea de suministro 150 para la reaccion de reformado.
En una implementacion, la primera lmea de suministro 148 incluye una primera bomba de agua 154 para recoger agua desde el deposito de agua 152 y proporcionar el agua al reformador 112. Ademas, la primera lmea de suministro 148 incluye un primer elemento de calentamiento 156 para calentar el agua hasta la temperatura de reaccion en un intervalo de aproximadamente, por ejemplo, 350°C a 400°C, para formar vapor, e incluye una primera valvula 158 para regular el suministro de vapor al reactor WGS 120. De manera similar, la segunda lmea de suministro 150 incluye una segunda bomba de agua 160, un segundo elemento de calentamiento 162 y una segunda valvula 164 para suministrar vapor al reformador 112 a una temperatura operacional en un intervalo de aproximadamente, por ejemplo, 500°C a 600°C. Ademas, la primera lmea de suministro 148 y la segunda lmea de suministro 150 incluyen un primer sensor de velocidad de flujo 166 y un segundo sensor de velocidad de flujo 168, respectivamente, para determinar la velocidad de flujo de vapor a traves de las respectivas lmeas de suministro 148 y 150.
Segun un aspecto del presente objeto, el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 incluye un dispositivo de control 170 para controlar un funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100. El dispositivo de control 170 esta conectado de manera operativa a los componentes del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 para recibir entradas y ademas ejercer control basandose en las entradas. Por ejemplo, el dispositivo de control 170 esta conectado al primer sensor de velocidad de flujo 166, al segundo sensor de velocidad de flujo 168, al sensor de velocidad de flujo del combustible catodico 129, a un sensor de temperatura del recuperador (no mostrado en la figura) provisto en el conjunto recuperador 136 para medir una temperatura del mismo, a un sensor de temperatura de la pila (no mostrado en la figura) provisto en la pila de celulas de combustible 102 para medir una temperatura de la misma y a sensores de temperatura (no mostrados) en los diversos calentadores y elementos de calentamiento 126, 156 y 162 en el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100. El dispositivo de control 170 y el funcionamiento del dispositivo de control 170 se comentan en detalle con referencia a la figura 2.
De manera adicional, el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 puede incluir un convertidor (no mostrado en la figura) y una fuente de alimentacion (no mostrada en la figura), tal como una batena. El convertidor puede controlar la energfa electrica de salida desde la pila de celulas de combustible 102. Ademas, la fuente de alimentacion puede aumentar la energfa electrica generada por la pila de celulas de combustible 102, en los casos en los que la carga electrica en la pila de celulas de combustible 102 supera un lfmite de carga predeterminado.
En el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100, como se explico anteriormente, pueden emplearse diversos tipos de compuestos hidrocarbonados. Como resultado, el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 puede usar compuestos hidrocarbonados no convencionales basandose en la composicion qmmica del compuesto hidrocarbonado. Ademas, el dispositivo de control 170 del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 puede mantener la temperatura de diversos componentes, tales como el reformador 112, el reactor WGS 120, el conjunto recuperador 136 y la pila de celulas de combustible 102, en lfmites controlables, y por tanto, evita el dano de los componentes. Consecuentemente, se potencia la vida util del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 y los componentes del mismo. Ademas, el dispositivo de control 170 puede configurarse para controlar las velocidades de flujo del combustible anodico y del combustible catodico a la pila de celulas de combustible 102, y hacer funcionar la pila de celulas de combustible 102 dentro de un regimen eficiente determinado basandose, por ejemplo, en una curva de polarizacion del tipo de celulas de combustible usado en la pila de celulas de combustible 102. Ademas, el funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 en dos modos de funcionamiento, a saber, modo de arranque y modo normal, proporciona flexibilidad y eficiencia al sistema de celulas de combustible de oxido solido 100. El sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 tambien reduce el desperdicio de energfa y la dependencia del suministro de agua externo haciendo recircular los gases de escape del anodo dentro del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100. Ademas, retirando monoxido de carbono usando el reactor WGS 120, se aumenta la vida de la pila de celulas de combustible 102 y se genera hidrogeno adicional en el procedimiento, reduciendo de esa manera la necesidad de hidrocarburos para el funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100.
La figura 2 ilustra la arquitectura del sistema del dispositivo de control 170 del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100. Como se menciono anteriormente, el dispositivo de control 170 esta provisto para controlar el funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100.
El dispositivo de control 170 puede implementarse como un microcontrolador, un microordenador y/o cualquier dispositivo que manipula senales basandose en instrucciones operacionales. Segun una realizacion, el dispositivo de control 170 incluye un procesador 202 y una memoria de dispositivo 204. El procesador 202 puede ser una unica unidad de procesamiento o varias unidades, todas las cuales pueden incluir multiples unidades de calculo. El procesador 202 puede implementarse como uno o mas microprocesadores, procesadores de senales digitales, unidades de procesamiento centrales, maquinas de estado y conjuntos de circuitos logicos. Entre otras capacidades, el procesador 202 esta configurado para recuperar y ejecutar instrucciones legibles por ordenador y datos almacenados en la memoria de dispositivo 204.
En una realizacion, la memoria de dispositivo 204 incluye un modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206, un modulo de control de alimentacion de combustible catodico 208 y otros modulos 210. Los otros modulos 210 pueden incluir programas o instrucciones codificadas que complementan las aplicaciones y funciones del dispositivo de control 170.
Ademas, el dispositivo de control 170 tambien puede incluir interfaces entrada-salida (I/O) (no mostradas en la figura). Las interfaces I/O pueden incluir una variedad de interfaces de software y hardware, que pueden permitir al dispositivo de control 170 comunicarse con otros componentes del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100, tales como los diversos sensores y valvulas en el sistema de celulas de combustible de oxido solido. Como se menciono anteriormente, el dispositivo de control 170 esta conectado operativamente a diversos componentes para obtener senales de entrada y ejercer control sobre el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100. En un ejemplo, el dispositivo de control 170 esta conectado al sensor de velocidad de flujo del combustible catodico 129, al primer sensor de velocidad de flujo 166, al segundo sensor de velocidad de flujo 168, al sensor de temperatura de la pila, al sensor de temperatura del recuperador, al sensor de temperatura en el calentador de combustible catodico 126, al sensor de temperatura en el primer elemento de calentamiento 156 y al sensor de temperatura en el segundo elemento de calentamiento 162. El dispositivo de control 170 recibe diversas entradas desde los sensores y procesa la entrada para ejercer control sobre diversos componentes del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100, tales como el calentador de combustible catodico 126, el primer elemento de calentamiento 156, el segundo elemento de calentamiento 162, la primera valvula de gases de escape del anodo 130, la segunda valvula de gases de escape del anodo 142, la valvula de anodo-reformador 134 y la valvula de anodo-reactor WGS 144.
Durante el funcionamiento, el dispositivo de control 170 esta configurado para hacer funcionar el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 y sus componentes en o bien un modo de arranque o bien un modo normal. En una implementacion, el dispositivo de control 170 determina en primer lugar si el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 puede hacerse funcionar en un modo normal o no, y basandose en la determinacion, el dispositivo de control 170 controla el funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido y los componentes para funcionar o bien en el modo normal o bien en el modo de arranque.
Segun una implementacion, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 determina si el aparato de alimentacion de combustible anodico 108 y el aparato de alimentacion de combustible catodico 110 pueden hacerse funcionar en el modo normal o el modo de arranque.
En relacion con el control del aparato de alimentacion de combustible anodico 108 para suministro de hidrocarburo, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 obtiene una composicion del compuesto hidrocarbonado que va a alimentarse al reformador 112 para la reaccion de reformado y que produce combustible anodico intermedio. En un ejemplo, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 obtiene la composicion del compuesto hidrocarbonado a partir de un usuario. Ademas, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 determina una carga electrica impuesta en la pila de celulas de combustible 102 para el funcionamiento. Basandose en la composicion del compuesto hidrocarbonado y la carga electrica, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 determina una velocidad de flujo del hidrocarburo umbral del compuesto hidrocarbonado y una velocidad de flujo del vapor umbral al reformador 112 para generar la energfa electrica correspondiente a la carga electrica. Ademas, tras la determinacion de la velocidad de flujo del hidrocarburo umbral y la velocidad de flujo del vapor umbral, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 puede regular la valvula de reformador 119 para regular el flujo del compuesto hidrocarbonado segun la velocidad de flujo necesaria determinada anteriormente.
En un ejemplo, diversas composiciones de compuestos hidrocarbonados junto con combinaciones de la cantidad de los compuestos hidrocarbonados y la energfa electrica correspondiente que puede generarse desde la pila de celulas de combustible 102 puede almacenarse en una tabla de consulta en la memoria de dispositivo 204 del dispositivo de control 170. El modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 puede consultar la tabla de consulta para determinar la velocidad de flujo del compuesto hidrocarbonado necesaria. En el caso en el que el compuesto hidrocarbonado tiene una composicion que no esta presente en la tabla de consulta, entonces el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 calcula la velocidades de flujo umbral del compuesto hidrocarbonado y del vapor basandose, por ejemplo, en relaciones empmcas y ecuaciones qmmicas anteriormente almacenadas en la memoria de dispositivo 204 del dispositivo de control 170.
Ademas, basandose en la composicion del compuesto hidrocarbonado, es decir, presencia de azufre en el compuesto hidrocarbonado, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 puede controlar la valvula de derivacion 116 entre el deposito de hidrocarburos 114 y el reformador 112. Si la composicion del combustible hidrocarbonado sugiere que esta presente azufre, entonces el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 dirige el compuesto hidrocarbonado desde la valvula de derivacion 116 al interior del desulfurante 118 antes de suministrar al reformador 112. En cambio, si no esta presente azufre, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 regula la valvula de derivacion 116 para permitir que el flujo del hidrocarburo evite el desulfurante y se suministre directamente el compuesto hidrocarbonado al reformador 112.
En relacion con el control del aparato de alimentacion de combustible anodico 108 para suministrar vapor al reformador 112 y al reactor WGS 120, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 determina ademas si el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 puede funcionar en el modo normal o no en relacion con el suministro de vapor al reformador 112 y al reactor WGS 120. En una implementacion, el modulo de alimentacion de combustible 206 determina la temperatura de la pila de celulas de combustible 102 obteniendo una entrada desde el sensor de temperatura de la pila. En un ejemplo, en el caso en el que la temperatura de la pila de celulas de combustible es de aproximadamente 800°C o superior a 800°C, entonces el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 determina ademas velocidades de flujo de hidrocarburo y vapor umbrales para ambos, tanto el reformador 112 como el reactor WGS 120.
Basandose en la temperatura de la pila de celulas de combustible, y el flujo umbral del vapor al reformador 112 y al reactor WGS 120, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 determina si los gases de escape del anodo suministrados al reformador 112 y al reactor WGS 120 pueden generar o no una cantidad de hidrogeno necesaria para suministrar a la pila de celulas de combustible 102. Por ejemplo, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 112 puede determinar si los gases de escape del anodo suministrados a la pila de celulas de combustible 102 es igual a la velocidad de flujo del vapor umbral y los gases de escape del anodo estaran a una temperatura suficientemente alta como para realizar las reacciones en el reformador 112 y el reactor WGS 120 para obtener una cantidad de hidrogeno necesaria. La cantidad de hidrogeno necesaria, en un ejemplo, puede entenderse como la cantidad de hidrogeno que va a suministrarse a la pila de celulas de combustible 102 para generar energfa electrica correspondiente a la carga electrica en la pila de celulas de combustible 102.
En el caso en el que el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 determina que o bien la temperatura de la pila es menor que la temperatura predeterminada, por ejemplo, 800°C, o bien que los gases de escape del anodo son insuficientes para el funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido, entonces, en una implementacion, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 cierra la valvula de anodo-reformador 134 y la valvula de anodo-reactor WGS 144. Ademas, en tal condicion, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 regula el sistema de arranque de alimentacion de combustible anodico 146 para suministrar vapor al reformador 112 y al reactor WGS 120. En una implementacion, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 mantiene la temperatura del primer elemento de calentamiento 156 a una temperatura en un intervalo de aproximadamente 350°C a 400°C y mantiene una temperatura del segundo elemento de calentamiento 166 a una temperatura en un intervalo de aproximadamente 500°C a 600°C. En dicha implementacion, para mantener las temperaturas de los dos elementos de calentamiento 156 y 166, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 obtiene las temperaturas del primer elemento de calentamiento 156 y el segundo elemento de calentamiento 166, a traves de los sensores de temperatura respectivos provistos en los dos elementos de calentamiento 156 y 166.
Cuando funciona de la manera como se describio anteriormente, se dice que el aparato de alimentacion de combustible anodico 108 esta funcionando en el modo de arranque.
Por otro lado, cuando el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 determina que la temperatura de la pila de combustible es de aproximadamente, o superior a, la temperatura predeterminada, y el flujo de los gases de escape del anodo al reformador 112 y al reactor WGS 120 son suficientes para producir la energfa electrica correspondiente a la carga electrica en la pila de celulas de combustible, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 cierra el sistema de arranque de alimentacion de combustible anodico 146. Durante un funcionamiento de este tipo, se dice que el aparato de alimentacion de combustible anodico 108 funciona en el modo normal. En el modo normal del aparato de alimentacion de combustible anodico 108, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 permite una recirculacion de los gases de escape del anodo de vuelta al reformador 112 y al reactor WGS 120. De esta manera, el aparato de alimentacion de combustible anodico 108 no necesita ningun suministro de energfa externo para alimentar vapor al reformador 112 y al reactor WGS 120 durante el funcionamiento en modo normal.
Ademas, en el modo normal, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 puede controlar el flujo de la primera parte de gases de escape del anodo al reformador 112 y al flujo de la segunda parte enfriada en una unica etapa de gases de escape del anodo al reactor WGS 120 desde el primer recuperador 138, a traves de la valvula de anodo-reformador 134 y la valvula de anodo-reactor WGS 144, respectivamente. En una implementacion, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 puede determinar el flujo al reformador 112 y al reactor WGS 120 desde el primer sensor de velocidad de flujo 166 y el segundo sensor de velocidad de flujo 168. Ademas, el dispositivo de control 170 puede regular la primera valvula de gases de escape del anodo 130 y la segunda valvula de gases de escape del anodo 142 para controlar el suministro de la primera parte y la segunda parte de gases de escape del anodo que fluyen hacia el reformador 112 y el reactor WGS 120, respectivamente. Ademas, el dispositivo de control 170 lleva a cabo el purgado de la parte restante de los gases de escape del anodo desde la segunda valvula de gases de escape 142, basandose en entradas desde el primer sensor de velocidad de flujo 166 y el segundo sensor de velocidad de flujo 168. Tal control ejercido por el dispositivo de control 170 para purgar los gases de escape del anodo potencia el rendimiento de la pila de celulas de combustible 102.
Se entendera que el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 monitoriza constantemente la temperatura de la pila, y las velocidades de flujo de los gases de escape del anodo al reformador 112 y al reactor WGS 120, para determinar si cambiar o no el modo de funcionamiento del aparato de alimentacion de combustible anodico 108.
Ademas de lo anterior, como se menciono anteriormente, el dispositivo de control 170 esta configurado para controlar el funcionamiento del aparato de alimentacion de combustible catodico 110, y hacer funcionar el aparato de alimentacion de combustible catodico 110 en un modo de arranque o un modo normal. En una implementacion, el modulo de control de alimentacion de combustible catodico 208 puede determinar una temperatura del conjunto recuperador 136 a partir del sensor de temperatura del recuperador provisto en el conjunto recuperador 136. En un ejemplo, el sensor de temperatura del recuperador mide una temperatura del primer recuperador 138 y el segundo recuperador 140 y proporciona las medidas al modulo de control de alimentacion de combustible catodico 208. Ademas, el modulo de control de alimentacion de combustible catodico 208 determina una velocidad de flujo del combustible catodico umbral en el conducto del aparato de alimentacion de combustible catodico 110, basandose en la carga electrica en la pila de celulas de combustible 102 y en la composicion del compuesto hidrocarbonado. El flujo umbral, por ejemplo, velocidad de flujo, del combustible catodico puede entenderse como el flujo que suministra suficiente combustible catodico a la pila de celulas de combustible 102 correspondiente a la carga electrica en la pila de celulas de combustible 102 y al suministro de hidrogeno a la pila de celulas de combustible 102.
En dicha implementacion, basandose en la temperatura de la pila de celulas de combustible 102, la temperatura del conjunto recuperador 136 y la velocidad de flujo umbral del combustible catodico, el modulo de control de alimentacion de combustible catodico 208 determina si el combustible catodico, que fluye hasta la pila de celulas de combustible 102 a la velocidad de flujo umbral, se calentara o no lo suficiente, por ejemplo, como para alcanzar una temperatura de reaccion de aproximadamente, por ejemplo, 500°C. En un ejemplo, se determina que la condicion de suficiencia se satisface si una temperatura minima de la pila de celulas de combustible 102 es de aproximadamente 900°C. Ademas, en otro ejemplo, la condicion de suficiencia tambien puede satisfacerse si una temperatura minima del primer recuperador es de aproximadamente 400°C y una temperatura minima del segundo recuperador 140 es de aproximadamente 150°C. En aun otro ejemplo, se dice que se ha satisfecho la condicion de suficiencia si se han satisfecho ambas condiciones de suficiencia anteriores.
En el caso en el que el modulo de control de alimentacion de combustible catodico 208 determina que el calentamiento del combustible catodico sera insuficiente, el modulo de alimentacion de combustible catodico 208 enciende el calentador de combustible catodico 126 y mantiene la temperatura del calentador de combustible catodico aproximadamente a la temperatura de reaccion. Por tanto, el combustible catodico que fluye a traves del aparato de alimentacion de combustible catodico 110 se calienta hasta la temperatura de reaccion usando el calentador de combustible catodico 126. Durante un funcionamiento de este tipo, se dice que el aparato de alimentacion de combustible catodico 110 esta funcionando en un modo de arranque.
Por otro lado, si el modulo de alimentacion de combustible catodico 208 determina que se cumplen las condiciones de suficiencia anteriores, es decir, el combustible catodico puede calentarse suficientemente sin el uso del calentador de combustible catodico 126, entonces el modulo de control de alimentacion de combustible catodico 208 apaga el calentador de combustible catodico 126. Ademas, el modulo de control de alimentacion de combustible catodico 208 regula el flujo del combustible catodico a la pila de celulas de combustible regulando la valvula de combustible catodico 128 basandose en las entradas del sensor de velocidad de flujo del combustible catodico 129. Durante un funcionamiento de este tipo, se dice que el aparato de alimentacion de combustible catodico 110 funciona en el modo normal y no requiere suministro de energfa externo, por ejemplo, del calentador de combustible catodico 126, para su funcionamiento.
La figura 3 ilustra un metodo 300 para controlar el funcionamiento de un sistema de celulas de combustible de oxido solido, segun una implementacion del presente objeto. En un ejemplo, el metodo 300 se ejecuta mediante el dispositivo de control 170 para regular el funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100. El metodo 300 puede describirse en el contexto general de instrucciones ejecutables por procesador. Generalmente, las instrucciones ejecutables por procesador pueden incluir rutinas, programas, objetos, componentes, estructuras de datos, procedimientos, modulos, funciones, etc., que realizan funciones particulares o implementan tipos de datos abstractos particulares. El metodo tambien puede ponerse en practica en un entorno de procesamiento distribuido en el que se realizan funciones mediante dispositivos de procesamiento remotos que estan vinculados a traves de una red de comunicacion. En un entorno de procesamiento distribuido, instrucciones ejecutables por ordenador pueden estar ubicadas en medios de almacenamiento tanto locales como remotos, incluyendo dispositivos de almacenamiento de memoria.
No se pretende que el orden en el que se describe el metodo 300 se interprete como una limitacion, y cualquier numero de los bloques de metodo descritos pueden combinarse en cualquier orden para implementar el metodo, o un metodo alternativo. Adicionalmente, pueden eliminarse bloques individuales del metodo sin alejarse del espmtu y alcance del objeto descrito en el presente documento. Ademas, el metodo puede implementarse en cualquier hardware, software, firmware o combinacion de los mismos adecuado.
Haciendo referencia a la figura 3, en el bloque 302 se determina si un interruptor principal de un sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 esta encendido o no.
Si el interruptor principal del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 no esta encendido (trayectoria de no desde el bloque 302), entonces en el bloque 304, el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 se apaga y todos los componentes del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 tambien se apagan. Si el interruptor principal del sistema de celulas de combustible de oxido solido esta encendido (trayectoria de sf desde el bloque 302), entonces en el bloque 306, se obtiene una composicion de un compuesto hidrocarbonado usado en el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100. Ademas, en el bloque 306, se obtienen una temperatura de una pila de celulas de combustible 102 del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 y una temperatura de un conjunto recuperador 136. En un ejemplo, las temperaturas de la pila de celulas de combustible 102 y el conjunto recuperador 136 se obtienen a partir del sensor de temperatura de la pila y el sensor de temperatura del recuperador, respectivamente. Ademas, tambien se determina una carga electrica en la pila de celulas de combustible en el bloque 306. En un ejemplo, la carga electrica en la pila de celulas de combustible 102 se obtiene a partir de un usuario del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100. En otro ejemplo, en el caso en el que el sistema de celulas de combustible de oxido solido se usa a bordo de un vetnculo, la carga electrica en la pila de celulas de combustible 102 se determina basandose en diversos parametros, tales como carga de motor y equipos electricos en el vetnculo operativos en un punto de tiempo dado. Ademas, en un ejemplo, la temperatura del conjunto recuperador 136, la temperatura de la pila de celulas de combustible 102 y la carga electrica indicadas anteriormente se obtienen mediante el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206.
En el bloque 308, basandose en la composicion del hidrocarburo y en la carga electrica en la pila de celulas de combustible 102, se determinan una velocidad de flujo umbral del compuesto hidrocarbonado y velocidad de flujo umbral de vapor al reformador 112 y al reactor de conversion de gas de agua (WGS) 120. En un ejemplo, la velocidad de flujo umbral del compuesto hidrocarbonado y la velocidad de flujo umbral de vapor se determinan mediante el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206.
Ademas, en el bloque 310, se determina si la temperatura de la pila de celulas de combustible 102 es igual a o mayor de aproximadamente 800°C. En un ejemplo, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 logra la determinacion en el bloque 310.
Si la temperatura de la pila de celulas de combustible 102 no es igual a o mayor de aproximadamente 800°C (trayectoria de no desde el bloque 310), entonces en el bloque 312, el vapor al reformador 112 y al reactor WGS 120 se suministran desde el sistema de arranque de alimentacion de combustible anodico 146. Ademas, el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206 cierra el suministro de gases de escape del anodo desde el colector anodico 104 de la pila de celulas de combustible 102 al reformador 112 y al reactor WGS 120. En un funcionamiento de este tipo, se dice que el aparato de alimentacion de combustible anodico 108 del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 esta funcionando en un modo de arranque. Ademas, tras el bloque 312, se ejecuta el bloque 320, tal como se explicara a continuacion.
Ademas, tras el bloque 312, puede activarse el bloque 310 para su ejecucion tras un periodo de tiempo predeterminado para comprobar si el aparato de alimentacion de combustible anodico 108 puede hacerse funcionar en un modo normal o no. El funcionamiento en modo normal del aparato de alimentacion de combustible anodico 108 se explica con referencia a los bloques 314, 316 y 318.
En el caso en el que la temperatura de la pila de celulas de combustible 102 es igual a o mayor de aproximadamente 800°C (trayectoria de sf desde el bloque 310), entonces en el bloque 314, se determinan las velocidades de flujo de los gases de escape del anodo desde la pila de celulas de combustible 102 al reformador 112 y al reactor WGS 120, por ejemplo, mediante el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206.
En el bloque 316, se determina si las velocidades de flujo de los gases de escape del anodo al reformador 112 y al reactor WGS 120 son sustancialmente iguales a las velocidades de flujo umbral de vapor al reformador 112 y al reactor WGS 120, respectivamente. En un ejemplo, la determinacion en el bloque 316 se logra mediante el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206.
Si la determinacion realizada en el bloque 316 es falsa (trayectoria de no desde el bloque 316), entonces se ejecuta la etapa en el bloque 312, es decir, el suministro de vapor al reformador 112 y al reactor WGS 120 se proporciona desde el sistema de arranque de alimentacion de combustible anodico 146.
Por otro lado, si la determinacion realizada en el bloque 316 es verdadera (trayectoria de sf desde el bloque 316), entonces en el bloque 318, los gases de escape del anodo, incluyendo vapor, se suministran al reformador 112 directamente desde la pila de celulas de combustible 102, y se suministran gases de escape del anodo enfriados en una sola etapa desde el conjunto recuperador 136 al reactor WGS 120. En un ejemplo, el suministro de gases de escape del anodo al reformador 112 y al reactor WGS 120 se controla mediante el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206. Ademas, en el bloque 318, el sistema de arranque de alimentacion de combustible anodico 146 se apaga, por ejemplo, mediante el modulo de control de alimentacion de combustible anodico 206. Cuando se funciona de tal manera, se dice que el aparato de alimentacion de combustible anodico 108 del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 esta funcionando en el modo normal.
Ademas, en el bloque 320, se inicia una regulacion del aparato de alimentacion de combustible catodico 110. En el bloque 320, se determina si la temperatura de la pila de celulas de combustible 102 es igual a o mayor de aproximadamente 900°C.
Si la temperatura de la pila de celulas de combustible 102 no es igual a o mayor de aproximadamente 900°C (trayectoria de no desde el bloque 320), entonces en el bloque 322 el calentador de combustible catodico 126 del aparato de alimentacion de combustible catodico 110 se enciende para calentar un combustible catodico que se suministra al colector catodico 106 de la pila de celulas de combustible 102. En un ejemplo, el calentador de combustible catodico 126 se enciende mediante el modulo de control de alimentacion de combustible catodico 208 y se mantiene a una temperatura de aproximadamente 500°C. Mientras se funciona de tal manera, se dice que el aparato de alimentacion de combustible catodico 110 esta funcionando en un modo de arranque.
Tras la ejecucion del bloque 322, se ejecuta el bloque 330, que se explicara a continuacion. Ademas, tras la ejecucion del bloque 322, se activa la ejecucion del bloque 320, tras el transcurso del tiempo predeterminado, para comprobar si el funcionamiento del aparato de alimentacion de combustible catodico 110 puede cambiarse del modo de arranque al modo normal. El modo normal de funcionamiento del aparato de alimentacion de combustible catodico 110 se explica a continuacion con referencia a los bloques 324, 326 y 328.
Si, por otro lado, la temperatura de la pila de celulas de combustible 102 es igual a o mayor de aproximadamente 900°C (trayectoria de sf desde el bloque 320), entonces en el bloque 324 se determina adicionalmente si una temperatura del primer recuperador 138 del conjunto recuperador 136 es mayor de o igual a aproximadamente 400°C. En un ejemplo, la determinacion en el bloque 324 se logra mediante el modulo de control de alimentacion de combustible catodico 208.
Si en el bloque 324, se determina que la temperatura del primer recuperador 138 no es mayor de o igual a aproximadamente 400°C (trayectoria de no desde el bloque 324), entonces se ejecuta la etapa de metodo en el bloque 322 y el calentador de combustible catodico 126 se enciende para calentar el combustible catodico suministrado a la pila de celulas de combustible 102.
Por el contrario, si en el bloque 324, se determina que la temperatura del primer recuperador 138 es igual a o mayor de aproximadamente 400°C, entonces en el bloque 326, se determina adicionalmente si una temperatura de un segundo recuperador 140 del conjunto recuperador 136 es igual a o mayor de aproximadamente 150°C. En un ejemplo, la determinacion en el bloque 326 se logra mediante el modulo de control de alimentacion de combustible catodico 208.
Si la determinacion en el bloque 326 proporciona que la temperatura del segundo recuperador 140 no es mayor de o mayor de aproximadamente 150°C (trayectoria de no desde el bloque 326), entonces se ejecuta la etapa de metodo en el bloque 322 y el calentador de combustible catodico se enciende y se mantiene a una temperatura de aproximadamente 500°C.
Ademas, en el caso en el que la determinacion en el bloque 326 proporciona que la temperatura del segundo recuperador 140 es igual a o mayor de aproximadamente 150°C (trayectoria de sf desde el bloque 326), entonces en el bloque 328, se inicia un modo normal funcionamiento del aparato de alimentacion de combustible catodico 110. Para iniciar el modo normal funcionamiento del aparato de alimentacion de combustible catodico 110, se apaga el calentador de combustible catodico 126, y se permite que el combustible catodico se caliente mediante el conjunto recuperador 136 para alcanzar una temperatura de reaccion suficiente para reaccionar en la pila de celulas de combustible 102.
Ademas, en el bloque 330, se determina una velocidad de flujo umbral de un combustible catodico, por ejemplo, oxfgeno o aire, que va a suministrarse al colector catodico 106 de la pila de celulas de combustible 102, basandose en la carga electrica en la pila de celulas de combustible y basandose en la composicion del compuesto hidrocarbonado. En un ejemplo, la velocidad de flujo umbral del combustible catodico que va a suministrarse a la pila de celulas de combustible 102 se determina mediante el modulo de control de alimentacion de combustible catodico 208. Entonces, en el bloque 332, se controla la velocidad de flujo del combustible catodico a la pila de celulas de combustible 102, por ejemplo, mediante el modulo de control de alimentacion de combustible catodico 208, basandose en la velocidad de flujo umbral del combustible catodico para suministrar a la pila de celulas de combustible 102.
Ademas, el dispositivo de control 170 puede determinar si la carga electrica en la pila de celulas de combustible 102 esta dentro de un lfmite de carga predeterminado o no. En el caso en el que la carga electrica en la pila de celulas de combustible 102 es mayor que el lfmite predeterminado, el dispositivo de control 170 esta configurado para aumentar un suministro de potencia procedente de una fuente de alimentacion, tal como una batena, junto con el suministro de energfa electrica procedente de la pila de celulas de combustible 102 para satisfacer el requisito de carga en el sistema de celulas de combustible de oxido solido 100.
Aunque se ha descrito el objeto con considerable detalle con referencia a determinadas realizaciones del mismo, otras realizaciones son posibles. Debe entenderse que las reivindicaciones adjuntas no se limitan necesariamente a las caractensticas descritas en el presente documento. En vez de eso, las caractensticas se dan a conocer como realizaciones del sistema de celulas de combustible de oxido solido 100 y el dispositivo de control 170.

Claims (21)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de celulas de combustible de oxido solido (100) que comprende:
una pila de celulas de combustible (102) que comprende un colector anodico (104) y un colector catodico (106); y
un aparato de alimentacion de combustible anodico (108) conectado por conexion de fluido a la pila de celulas de combustible (102), comprendiendo el aparato de alimentacion de combustible anodico (108), un reformador (112) conectado al colector anodico (104) de la pila de celulas de combustible (102), en el que el reformador (112) esta adaptado para obtener una primera parte de gases de escape del anodo desde el colector anodico (104) como un reactante para reformar un compuesto hidrocarbonado para producir un combustible anodico intermedio;
un reactor de conversion de gas de agua (120) conectado al colector anodico (104) y al reformador (112), en el que el reactor de conversion de gas de agua (120) esta adaptado para obtener el combustible anodico intermedio desde el reformador (112) y una segunda parte de los gases de escape del anodo desde el colector anodico (104) como un reactante para producir un combustible anodico, y en el que el reactor de conversion de gas de agua (120) esta adaptado para suministrar el combustible anodico al colector anodico (104); y
un conjunto recuperador (136) conectado por conexion de fluido a la pila de celulas de combustible (102), en el que el conjunto recuperador (136) comprende al menos un intercambiador de calor para la transferencia de calor desde los gases de escape del anodo en el colector anodico (104) y desde los gases de escape del catodo en el colector catodico (106) a un combustible catodico que fluye a traves del conjunto recuperador (136) hacia el colector catodico (106).
2. El sistema de celulas de combustible de oxido solido (100) segun la reivindicacion 1, en el que el aparato de alimentacion de combustible anodico (108) comprende ademas un sistema de arranque de alimentacion de combustible anodico (146) conectado por conexion de fluido al reformador (112) y al reactor de conversion de gas de agua (120) para generar y suministrar vapor en ausencia de un suministro de los gases de escape del anodo al reformador (112) y al reactor de conversion de gas de agua (120).
3. El sistema de celulas de combustible de oxido solido (100) segun la reivindicacion 1 que comprende ademas un aparato de alimentacion de combustible catodico (110) conectado por conexion de fluido al colector catodico (106) de la pila de celulas de combustible (102), en el que el aparato de alimentacion de combustible catodico (110) esta adaptado para suministrar combustible catodico al colector catodico (106).
4. El sistema de celulas de combustible de oxido solido (100) segun la reivindicacion 1, en el que el colector anodico (104) de la pila de celulas de combustible (102) esta conectado al reformador (112) y al reactor de conversion de gas de agua (120) a traves de una primera valvula de gases de escape del anodo (130), y en el que la primera valvula de gases de escape del anodo (130) esta adaptada para regular el flujo de la primera parte de los gases de escape del anodo al reformador (112) y el flujo de una parte restante de los gases de escape del anodo al reactor de conversion de gas de agua (120).
5. El sistema de celulas de combustible de oxido solido (100) segun la reivindicacion 4 que comprende ademas una segunda valvula de gases de escape del anodo (142) conectada por conexion de fluido a la primera valvula de gases de escape del anodo (130) y al reactor de conversion de gas de agua (120), en el que la segunda valvula de gases de escape del anodo (142) esta adaptada para regular el flujo de la parte restante de los gases de escape del anodo para proporcionar la segunda parte de gases de escape del anodo al reactor de conversion de gas de agua (120).
6. El sistema de celulas de combustible de oxido solido (100) segun la reivindicacion 1, en el que el conjunto recuperador (136) comprende un primer recuperador (138) y un segundo recuperador (140) conectado por conexion de fluido al primer recuperador (138).
7. El sistema de celulas de combustible de oxido solido (100) segun la reivindicacion 1 que comprende ademas:
una valvula de anodo-reformador (134) conectada por conexion de fluido al colector anodico (104) para suministrar la primera parte de los gases de escape del anodo desde el colector anodico (104) al reformador (112); y
una valvula de anodo-reactor WGS (144) conectada por conexion de fluido al colector anodico (104) para suministrar la segunda parte de los gases de escape del anodo desde el conjunto recuperador (136) al reactor de conversion de gas de agua (120).
8. El sistema de celulas de combustible de oxido solido (100) segun la reivindicacion 1, en el que el aparato de alimentacion de combustible anodico (108) incluye ademas un deposito de hidrocarburos (114) conectado por conexion de fluido al reformador (112) a traves de una valvula de derivacion (116) y una valvula de reformador (119), y en el que la valvula de derivacion (116) esta adaptada para regular el flujo del compuesto hidrocarbonado al reformador (112) a traves de un desulfurante (118) basandose en una composicion del compuesto hidrocarbonado.
9. El sistema de celulas de combustible de oxido solido (100) segun las reivindicaciones 1 a 8, que comprende ademas un dispositivo de control (170) configurado para controlar el funcionamiento del sistema de celulas de combustible de oxido solido (100) en un modo de arranque o en un modo normal.
10. El sistema de celulas de combustible de oxido solido (100) segun la reivindicacion 1, que comprende ademas un dispositivo de control (170) para controlar un funcionamiento de un sistema de celulas de combustible de oxido solido (100), comprendiendo el dispositivo de control (170):
un procesador (202); y
una memoria de dispositivo (204) acoplada al procesador (202), en el que la memoria de dispositivo (204) comprende,
un modulo de control de alimentacion de combustible anodico (206) configurado para controlar un suministro de gases de escape del anodo a un reformador (112) y a un reactor de conversion de gas de agua (120), basandose en una temperatura de la pila de celulas de combustible (102), para regular combustible anodico suministrado a un colector anodico (104) de una pila de celulas de combustible (102); y
un modulo de control de alimentacion de combustible catodico (208) configurado para controlar un aparato de alimentacion de combustible catodico (106) que suministra combustible catodico a un colector catodico (106) de la pila de celulas de combustible (102) basandose en una carga electrica en la pila de celulas de combustible (102) y en la temperatura de la pila de celulas de combustible (102).
11. El sistema de celulas de combustible de oxido solido (100) segun la reivindicacion 10, en el que el modulo de control de alimentacion de combustible anodico (206) esta configurado para controlar el suministro de vapor al reformador (112) y al reactor de conversion de gas de agua (120) basandose en una composicion del compuesto hidrocarbonado.
12. El sistema de celulas de combustible de oxido solido (100) segun la reivindicacion 10, en el que el modulo de control de alimentacion de combustible anodico (206) esta configurado ademas para controlar el suministro del compuesto hidrocarbonado al reformador (112) basandose en una composicion del compuesto hidrocarbonado y en la carga electrica en la pila de celulas de combustible (102).
13. El sistema de celulas de combustible de oxido solido (100) segun la reivindicacion 10, en el que el modulo de control de alimentacion de combustible anodico (206) esta configurado para controlar el suministro de vapor al reformador (112) y al reactor de conversion de gas de agua (120) controlando uno de un sistema de arranque de alimentacion de combustible anodico (146) y unos gases de escape del anodo desde el colector anodico (104) de la pila de celulas de combustible (102).
14. El sistema de celulas de combustible de oxido solido (100) segun la reivindicacion 10, en el que el modulo de control de alimentacion de combustible anodico (206) esta configurado ademas para regular una valvula de derivacion (116) para suministrar el compuesto hidrocarbonado al reformador (112) a traves de un desulfurante (118) basandose en la composicion del compuesto hidrocarbonado.
15. El sistema de celulas de combustible de oxido solido (100) segun la reivindicacion 10, en el que el modulo de control de alimentacion de combustible catodico (208) esta configurado ademas para controlar el aparato de alimentacion de combustible catodico (126) basandose en una temperatura de un conjunto recuperador (136) del sistema de celulas de combustible de oxido solido (100).
16. El sistema de celulas de combustible de oxido solido (100) segun la reivindicacion 10, en el que el modulo de control de alimentacion de combustible catodico (208) esta configurado para controlar un calentador de combustible catodico (126) del aparato de alimentacion de combustible catodico (110).
17. Un metodo para controlar el funcionamiento de un sistema de celulas de combustible de oxido solido (100), comprendiendo el metodo:
obtener una composicion de un compuesto hidrocarbonado suministrado a un reformador (112) del sistema de celulas de combustible de oxido solido (100), una temperatura de una pila de celulas de combustible (102) del sistema de celulas de combustible de oxido solido (100), y una carga electrica en el sistema de celulas de combustible de oxido solido (100);
determinar velocidades de flujo umbral de vapor al reformador (112) y a un reactor de conversion de gas de agua (120), basandose en la composicion del compuesto hidrocarbonado y la carga electrica en el sistema de celulas de combustible de oxido solido (100); y
controlar el suministro de gases de escape del anodo desde la pila de celulas de combustible (102) al reformador (112) y al reactor de conversion de gas de agua (120), basandose en la temperatura de la pila de celulas de combustible (102) y las velocidades de flujo umbral de vapor.
18. El metodo segun la reivindicacion 17, en el que el control del suministro de los gases de escape del anodo comprende ademas controlar un funcionamiento de un sistema de arranque de alimentacion de combustible anodico (146).
19. El metodo segun la reivindicacion 17, en el que el control del suministro de los gases de escape del anodo comprende ademas:
determinar velocidades de flujo de los gases de escape del anodo al reformador (112) y el reactor de conversion de gas de agua (120); y
comparar las velocidades de flujo determinadas de gases de escape del anodo con las velocidades de flujo umbral de vapor para controlar el suministro.
20. El metodo segun la reivindicacion 17 que comprende ademas controlar el funcionamiento de un aparato de alimentacion de combustible catodico (110) basandose en la temperatura de la pila de celulas de combustible (102) y basandose en una temperatura de un conjunto recuperador (136) del sistema de celulas de combustible de oxido solido (100).
21. El metodo segun la reivindicacion 20, en el que el control del funcionamiento del aparato de alimentacion de combustible catodico (110) comprende controlar un funcionamiento de un calentador de combustible catodico (126) para calentar el combustible catodico suministrado a la pila de celulas de combustible (102).
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