ES2901489T3 - Sistemas de celdas de combustible integrados - Google Patents

Abstract

Un sistema (100) que comprende: una o más pilas de celdas de combustible, cada una de las cuales incluye celdas de combustible (106) configuradas para generar corriente eléctrica basándose en el combustible (116) y el aire (142) suministrados a las celdas de combustible; uno o más intercambiadores de calor de combustible (112) configurados para intercambiar calor entre el combustible suministrado a las celdas de combustible para generar la corriente eléctrica y una primera porción de combustible que sale de las celdas de combustible; uno o más oxidantes de gas de cola (122) configurados para recibir una segunda porción del combustible que sale de las celdas de combustible y aire (148) que sale de las celdas de combustible, el uno o más oxidantes de gas de cola configurados para oxidar la segunda porción del combustible con el efluente que sale de las celdas de combustible, para proporcionar de salida un efluente (150) oxidado; y uno o más intercambiadores de calor de aire (144) configurados para intercambiar calor entre el aire suministrado a las celdas de combustible para generar la corriente eléctrica y el efluente oxidado, en donde la una o más pilas de celdas de combustible (106) están acopladas de forma fluida con el uno o más intercambiadores de calor de combustible (112) y el uno o más oxidantes de gas de cola tal que el combustible que sale de las celdas de combustible se divide en la primera porción que se dirige de vuelta hacia el uno o más intercambiadores de calor de combustible y la segunda porción que se dirige hacia el uno o más oxidantes de gas de cola; caracterizado por que: i) la una o más pilas de celdas de combustible (106) están dispuestas entre el uno o más intercambiadores de calor de combustible y el uno o más oxidantes de gas de cola y acoplados directamente con los mismos; o ii) el uno o más intercambiadores de calor de combustible (112) están acoplados a un extremo de la una o más pilas de celdas de combustible (106) y el uno o más oxidantes de gas de cola y el uno o más intercambiadores de calor de aire están acoplados a un extremo opuesto de la una o más pilas de celdas de combustible, en donde el uno o más oxidantes de gas de cola están acoplados directamente a la una o más pilas de celdas de combustible.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistemas de celdas de combustible integrados

La materia objeto descrita en el presente documento se refiere, en general, a sistemas de celdas de combustible.

Las celdas de combustible son dispositivos de conversión de energía electroquímica que han demostrado un potencial de eficiencia relativamente alta y poca contaminación en la generación de energía. Una celda de combustible proporciona, generalmente una corriente continua (CC) que se puede convertir en corriente alterna (CA) mediante, por ejemplo, un inversor. El voltaje de CC o CA se puede usar para alimentar motores, luces, equipos de comunicación y cualquier cantidad de dispositivos y sistemas eléctricos. Las celdas de combustible pueden funcionar en aplicaciones estacionarias, semi-estacionarias o portátiles. Ciertas celdas de combustible, tal como las SOFC, pueden funcionar en sistemas de energía a gran escala que proporcionan electricidad para satisfacer las necesidades industriales y municipales. Otros pueden ser útiles para aplicaciones portátiles más pequeñas, como, por ejemplo, alimentar automóviles.

Una celda de combustible produce electricidad combinando electroquímicamente un combustible y un oxidante a través de una capa conductora iónica. Esta capa conductora iónica, también denominada electrolito de la celda de combustible, puede ser líquida o sólida. Esta capa conductora iónica, también denominada electrolito de la celda de combustible, puede ser líquida o sólida. Los tipos comunes de celdas de combustible incluyen ácido fosfórico (PAFC), carbonato fundido (MCFC), membrana de intercambio de protones (PEMFC) y óxido sólido (SOFC), todos nombrados, generalmente por sus electrolitos. En la práctica, las celdas de combustible se acumulan habitualmente en series eléctricas en un conjunto de celdas de combustible para producir energía a tensiones o corrientes útiles.

En general, los componentes de una celda de combustible incluyen el electrolito y dos electrodos. Las reacciones que producen electricidad tienen lugar, generalmente en los electrodos donde se coloca, habitualmente un catalizador para acelerar las reacciones. Los electrodos se pueden construir como canales, capas porosas y similares, para aumentar el área de superficie para que se produzcan las reacciones químicas. El electrolito transporta partículas cargadas eléctricamente de un electrodo al otro y es sustancialmente impermeable, de otra manera, tanto al combustible como al oxidante.

Habitualmente, la celda de combustible convierte el hidrógeno (combustible) y el oxígeno (oxidante) en agua (subproducto) para producir electricidad. El agua subproducto puede salir de la celda de combustible en forma de vapor en operaciones de alta temperatura. Este vapor descargado (y otros componentes de escape calientes) se puede utilizar en turbinas y otras aplicaciones para generar electricidad o energía adicional, proporcionando una mayor eficiencia de generación de energía. Si se emplea el aire como el oxidante, el nitrógeno del aire es sustancialmente inerte y habitualmente pasa a través de la celda de combustible. El combustible de hidrógeno se puede proporcionar mediante reformado local (p. ej., reformado con vapor in situ) o reformado remoto de materias primas a base de carbono, tal como el reformado del gas natural más fácilmente disponible y otros combustibles y materias primas de hidrocarburos. Los ejemplos de combustibles de hidrocarburos incluyen, pero no se limitan al gas natural, metano, etano, propano, metanol y otros hidrocarburos.

Los sistemas de celdas de combustible incluyen muchos componentes para la transferencia de calor entre corrientes de combustible, para la transferencia de calor entre corrientes de aire y para la oxidación del efluente descargado de las celdas de combustible. Estos componentes suelen estar separados y distribuidos espacialmente entre sí. Puede ser necesaria una cantidad significativa de conductos (por ejemplo, en términos del número de conductos y/o la longitud total de los conductos) para acoplar de manera fluida estos componentes. A medida que aumenta la cantidad de conductos necesarios, aumenta la cantidad de pérdida de calor del combustible y/o aire que fluye a través de los conductos. Como resultado, es posible que sea necesario fabricar los conductos a partir de materiales más aislantes térmicamente (y, por lo tanto, más costosos) y/o es posible que sea necesario agregar al sistema componentes calefactores adicionales. Esto aumenta el costo y la complejidad de los sistemas de celdas de combustible. Véase, por ejemplo, el documento WO 2010/044772.

El documento US 2012/034539 A1 divulga un sistema de celda de combustible que contiene celdas de combustible en contacto con combustible gaseoso que contiene hidrógeno, que genera combustible agotado gaseoso y gastado que se hace recircular a un sistema de separación de hidrógeno, preferentemente un intercambiador de calor y un condensador para eliminar el agua, después de lo cual se mezcla con combustible nuevo y se hace recircular a las celdas de combustible.

Por ende, se proporciona la presente invención, tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

La presente materia objeto de la invención se entenderá mejor al leer la siguiente descripción de realizaciones no limitativas, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que a continuación:

la figura 1 ilustra un diagrama de flujo de una realización de un sistema de celda de combustible integrado; la figura 2 ilustra una vista en perspectiva del sistema de celda de combustible mostrado en la figura 1; y

la figura 3 ilustra un diagrama de flujo de una realización de un método para proporcionar un sistema de celda de combustible integrado.

La materia objeto de la invención descrita en el presente documento proporciona sistemas de celdas de combustible que están altamente integrados en relación con algunos sistemas de celdas de combustible conocidos. Esta integración es permisible debido a cambios en las trayectorias que el combustible y/o el flujo de aire dentro del sistema de celda de combustible, lo que permite que diversos componentes del sistema de celda de combustible se ubiquen más cerca entre sí. Esto resulta en que se necesitan menos conductos y más cortos para acoplar de manera fluida los componentes del sistema de celda de combustible. En consecuencia, se produce una menor pérdida de calor en el combustible y/o aire que fluye a través del sistema de celda de combustible, y se reduce el costo y la complejidad del sistema de celda de combustible (en relación con algunos otros sistemas de celda de combustible).

La figura 1 ilustra un diagrama de flujo de una realización de un sistema de celda de combustible 100. El funcionamiento y los componentes del sistema de celda de combustible se describen en relación con el modo en que el combustible y el aire fluyen a través del sistema de celda de combustible 100. El combustible fluye en el sistema de celda de combustible 100 a lo largo de un ciclo de flujo de combustible 102 o en el mismo y el aire fluye en el sistema de celda de combustible a lo largo de un ciclo de flujo de aire 104 o en el mismo. Los ciclos de flujo 102, 104 representan direcciones y trayectorias en las que el combustible y el aire fluyen respectivamente a través de los diversos componentes del sistema de celda de combustible 100 para ser calentados, intercambiar calor y ser provistos a una o más pilas de celdas de combustible 106 para generar corriente eléctrica. Las celdas de combustible 106 pueden representar una o más pilas de celdas de combustible, tal como las SOFC u otro tipo de celda de combustible.

Con respecto al ciclo de celda de combustible 102, se introduce combustible en el sistema de celda de combustible 100 desde una fuente 108 del combustible ("Fuente de combustible" en la figura 1). Esta fuente 108 puede representar uno o más recipientes de una sustancia que contiene hidrógeno, tal como el gas natural. El combustible proporcionado por la fuente 108 y la entrada al sistema de celda de combustible 100 puede denominarse combustible de entrada de la fuente 110. El combustible de entrada 110 se mezcla con el combustible de salida 130 que sale de un soplador de combustible 132 para formar el combustible de entrada mixto 134, tal y como se describe con más detalle a continuación.

El combustible de entrada mixto 134 se recibe en un intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112 ("FF LT" en la figura 1). En el intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112, se calienta el combustible de entrada mixto 134. El combustible de entrada mixto 134 recibe calor del combustible de salida 130 en el intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112, que es el combustible emitido por un intercambiador de calor de alta temperatura 114 ("Ff HT" en la figura 1). En una realización, la temperatura del combustible de entrada mixto 134 puede aumentarse mediante el intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112 tal que la temperatura del combustible de entrada mixto 134 se duplique al menos. Por ejemplo, la temperatura del combustible de entrada mixto 134 puede aumentarse desde una temperatura de aproximadamente 190 °C a una temperatura superior a 500 °C, tal como 520 °C. El combustible de entrada mixto 134 se calienta y sale del intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112 como combustible de entrada calentado 116.

Este combustible de entrada calentado 116 se recibe después en el intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114. El intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114 aumenta la temperatura del combustible de entrada calentado 116 a partir de la energía térmica en el combustible de calefacción 126 que es recibida por el intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114 de las pilas de celdas de combustible 106 (descritas con más detalle a continuación). Similar al intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112, el intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114 transfiere calor (por ejemplo, energía térmica) del combustible de calefacción 126 más caliente al combustible de entrada calentado 116 más frío. La temperatura del combustible de entrada calentado 116 aumenta en el intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114 y sale como combustible de temperatura aumentada 118.

En una realización, el aumento de temperatura del combustible de entrada calentado 116 al combustible de temperatura aumentada 118 es menor que el aumento de temperatura del combustible de entrada mixto 134 al combustible de entrada calentado 116. Por ejemplo, el intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112 puede ser más del doble de la temperatura del combustible de entrada mixto 134 mientras que el intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114 aumenta la temperatura del combustible de entrada calentado 116 en una cantidad menor. El intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114 puede aumentar el combustible de entrada calentado 116 desde una temperatura de aproximadamente 520 °C a una temperatura del combustible de temperatura aumentada 118 que es al menos 700 °C, tal como 702 °C.

El combustible de temperatura aumentada 118 que sale del intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114 se dirige a la una o más pilas de celdas de combustible 106. Las celdas de combustible en las pilas 106 consumen al menos parte de este combustible de temperatura aumentada 118 en la generación de energía eléctrica. El combustible que no es consumido por las pilas de celdas de combustible 106 sale de las pilas de celdas de combustible 106 como combustible de salida 120. El combustible de salida 120 puede tener una temperatura aumentada en relación con el combustible de temperatura aumentada 118 que se introduce en las pilas de celdas de combustible 106. Por ejemplo, la temperatura del combustible de salida 120 puede ser superior a 800 °C, tal como 808 °C, mientras que la temperatura del combustible de temperatura aumentada 118 puede ser 700 °C u otra temperatura.

Según la invención, parte del combustible de salida 120 de las pilas de celdas de combustible 106 se separa del ciclo de combustible 102 como combustible separado 124. Por ejemplo, el conducto que transporta el combustible de salida 120 de las pilas de celdas de combustible 106 puede dividirse en dos o más conductos separados, con uno o más conductos que transportan el combustible separado 124 al ciclo de flujo de aire 104 y uno o más de otros conductos que transportan el combustible de salida 120 restante al intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114 como el combustible de calefacción 126. En una realización, la porción del combustible de salida 120 separada o dividida del ciclo de combustible 102 como el combustible separado 124 puede ser el 20 % del combustible de salida 120. Por ejemplo, el 20 % de la masa del combustible de salida 120 puede ser dirigido al ciclo de flujo de aire 104 como el combustible separado 124.

El combustible de calefacción 126 se introduce en el intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114. Este combustible de calefacción 126 intercambia calor con el combustible de entrada 116 en el intercambiador de calor 114. El calor se transfiere desde el combustible de calefacción 126 al combustible de entrada 116 para aumentar la temperatura del combustible de entrada 116 a la temperatura del combustible de temperatura aumentada 118 que sale del intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114. El combustible de calefacción 126 es enfriado por el intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114 y sale del intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114 como combustible de temperatura reducida 128. En una realización, la temperatura del combustible de calefacción 126 puede reducirse mediante el intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114 en al menos 200 °C. Por ejemplo, la temperatura del combustible de calefacción 126 puede ser superior a 800 °C (por ejemplo, una temperatura de 802 °C) mientras que la temperatura del combustible de temperatura reducida 128 puede estar por debajo de 680 °C.

El combustible de temperatura reducida 128 sale del intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114 y se introduce en el intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112, como se muestra en la figura 1. El intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112 intercambia energía térmica del combustible de temperatura reducida 128 al combustible de entrada mixto 134. Esto enfría el combustible de temperatura reducida 128 y calienta el combustible de entrada mixto 134. Por ejemplo, el combustible de temperatura reducida 128 puede reducirse (por ejemplo, a 200 °C) al transferir energía térmica al combustible de entrada mixto 134. Esto aumenta la temperatura del combustible de entrada mixto 134 a la temperatura del combustible de entrada 116.

El combustible de temperatura reducida 128 se enfría y sale del intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112 como el combustible de salida 130. El combustible de salida 130 es recirculado en el ciclo de flujo de combustible 102 por el soplador 132, que puede representar un ventilador u otro dispositivo que mueve el combustible a través del ciclo de flujo de combustible 102. El combustible de salida 130 pasa a través del soplador 132 para mantener el combustible en movimiento dentro del ciclo de flujo de combustible 102. El soplador 132 puede aumentar la temperatura del combustible de salida 130, tal como aumentando la temperatura del combustible de salida 130 de 200 °C a 230 °C, como ejemplo. Como se ha descrito anteriormente, el combustible de salida 130 se pierde con el combustible de entrada de la fuente 110 para formar el combustible de entrada mixto 134 en el ciclo de flujo de combustible 102.

En una realización, todo el combustible de salida 130 que se recibe en el soplador de combustible 132 se dirige al intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112. Este combustible de salida 130 se puede mezclar con el combustible de entrada de la fuente 110 adicional, pero ninguna parte del combustible de salida 130 recibido en el soplador de combustible 132 desde el intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112 se separa o se dirige a otra parte que no sea de vuelta al intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112.

Con respecto al ciclo de flujo de aire 104 del sistema de celda de combustible 100, el aire de fuente 135 es aspirado al sistema de celda de combustible 100 mediante un soplador 136. Este aire 135 puede obtenerse a partir de un tanque de oxígeno o puede ser aire ambiente aspirado al sistema de celda de combustible 100 desde el exterior del sistema de celda de combustible 100. El aire 135 emitido por el soplador 136 puede denominarse aire de entrada 138.

El aire de entrada 138 se dirige a un intercambiador de calor de aire de baja temperatura 140 ("AA LT" en la figura 1). Similar a lo descrito anteriormente con el intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112, el intercambiador de calor de aire de baja temperatura 140 aumenta la temperatura del aire de entrada 138 y saca el aire como aire calentado 140. En una realización, la temperatura del aire de entrada 138 es de 90 °C o es de aproximadamente lo mismo, y la temperatura del aire calentado 140 es de al menos 500 °C, tal como 520 °C. El aire calentado 142 se introduce en un intercambiador de calor de aire de alta temperatura 144 ("AA HT" en la figura 1) y se calienta a partir del calor del efluente 150 oxidado (descrito a continuación). Por ejemplo, el intercambiador de calor de aire de alta temperatura 144 puede aumentar la temperatura del aire calentado 142 al menos 100 °C y hasta 200 °C (u otra temperatura). En una realización, el intercambiador de calor de aire de alta temperatura 144 aumenta la temperatura del aire 142 desde 520 °C hasta una temperatura de aproximadamente 700 °C. El intercambiador de calor de aire de alta temperatura 144 calienta el aire 142 en aire de entrada 146 que sale del intercambiador de calor 144.

El aire de entrada 146 se dirige al interior de las pilas de celdas de combustible 106 para un consumo al menos parcial de las celdas de combustible. Como se ha descrito anteriormente, las celdas de combustible 106 consumen al menos algo del combustible 118 y aire 146 para generar corriente eléctrica. En una realización, la celda de combustible puede generar cantidades significativas de corriente eléctrica, tal como 270 kW de energía eléctrica. Además del combustible de salida 120 que sale de las pilas de celdas de combustible 106, las pilas de celdas de combustible 106 también dirigen el aire de salida 148 fuera de las pilas de celdas de combustible 106. El aire de salida 148 se dirige al oxidante de gas de cola 122 junto con el combustible separado 124, como se ha descrito anteriormente. El aire de salida 148 es un efluente que sale de las celdas de combustible. Como se muestra en la figura 1, todo el aire que sale de las celdas de combustible puede dirigirse al oxidante de gas de cola 122.

El oxidante de gas de cola 122 oxida el combustible separado 124 al usar al menos algo del aire de salida 148. El combustible oxidado sale del oxidante de gas de cola 122 como el efluente 150 oxidado. El efluente 150 oxidado puede tener una temperatura elevada, tal como la temperatura de 850 °C u otra temperatura. El efluente 150 oxidado se recibe en el intercambiador de calor de aire de alta temperatura 144, donde el efluente 150 calienta el aire calentado 142 en el aire de entrada 146, como se ha descrito anteriormente. En una realización, el paso del efluente 150 oxidado a través del intercambiador de calor de aire de alta temperatura 144 reduce la temperatura del efluente 150 en al menos 200 °C. Por ejemplo, la temperatura del efluente 150 oxidado puede reducirse desde una temperatura de 850 °C a una temperatura tal como 630 °C o 632 °C.

El efluente 150 sale del intercambiador de calor de alta temperatura 144 como efluente de salida 152. El intercambiador de calor de aire de baja temperatura 140 recibe el efluente de salida 152 y transfiere energía térmica desde el efluente de salida 152 al aire de entrada 138, como se ha descrito anteriormente. Esto puede reducir la temperatura del efluente de salida 152 desde una temperatura superior a 600 °C a una temperatura no superior a 250 °C. El efluente de salida 152 sale del intercambiador de calor de aire de baja temperatura como aire de salida 154, que sale del ciclo de flujo de aire 104 (como se muestra en la figura 1).

Una diferencia entre los ciclos de flujo de aire y combustible 102, 104 en el sistema de celda de combustible 100 y otros sistemas de celda de combustible consiste en la ubicación en la que el combustible se separa del ciclo de flujo de combustible en el oxidante de gas de cola. Algunos sistemas de celda de combustible conocidos separan el combustible del ciclo de flujo de combustible en una ubicación que estaría entre el soplador de combustible 132 y el intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112. Debido a que el soplador de combustible 132 y el intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112 pueden no estar ubicado cerca del oxidante de gas de cola 122 en estos sistemas, la división del combustible en esta ubicación puede requerir una cantidad significativa (por ejemplo, longitud) de conductos. Esto puede aumentar el costo y la complejidad del sistema.

En la realización ilustrada del sistema de celda de combustible 100, sin embargo, el combustible se separa del ciclo de flujo de combustible 102 en una ubicación entre las pilas de celdas de combustible 106 y el oxidante de gas de cola 122 (por ejemplo, corriente abajo de las pilas de celdas de combustible 106 y corriente arriba del oxidante de gas de cola 122 en la dirección del flujo de combustible en el ciclo de flujo de combustible 102). El combustible 124 puede separarse del ciclo de flujo de combustible 102 en esta ubicación, sin que ningún otro componente (por ejemplo, cualquier otro intercambiador de calor, soplador, etc.) esté ubicado entre las pilas de celdas de combustible 106 y el oxidante 122. Como las pilas de celdas de combustible 106 están acopladas directamente con el oxidante 122 sin intercambiadores de calor, sopladores, etc., ubicadas entre las pilas de celdas de combustible 106 y el oxidante 122, el combustible puede separarse en esta ubicación sin pasar a través de ningún otro componente anterior a la separación.

Otra diferencia entre algunos sistemas de celda de combustible conocidos consiste en que el sistema de celda de combustible 100 dirige el aire de salida 148 de las pilas de celdas de combustible 106 directamente al oxidante 122 para oxidar el combustible separado 124. El oxidante 122 puede estar cerca de las pilas de celdas de combustible 106 para permitir esta trayectoria de flujo del aire de salida 148 y para evitar el requisito de una distancia significativa de conductos para dirigir el aire de salida 148 hacia el oxidante 122. Adicionalmente, el efluente 150 oxidado del oxidante 122 puede dirigirse directamente al intercambiador de calor de aire de alta temperatura 144 sin que el efluente 150 oxidado pase a través de cualquier otro componente o se mezcle con cualquier otro fluido (por ejemplo, sin mezclarse con el aire 148 que sale de las pilas de celdas de combustible 106.

La figura 2 ilustra una vista en perspectiva del sistema de celda de combustible 100 mostrado en la figura 1. La fuente de combustible 108 puede representar uno o más tanques u otros recipientes de combustible a través de las celdas de combustible en las pilas de celdas de combustible 106. Por ejemplo, la fuente 108 puede representar uno o más tanques de gas natural u otras sustancias que contengan hidrógeno. El recurso 108 está acoplado de manera fluida con un conducto 206 de entrada de combustible mediante un conducto de suministro de combustible 200.

El soplador de combustible 132 está acoplado de manera fluida con el conducto de entrada de combustible 206 y un conducto de salida de combustible 204. El conducto de suministro de combustible 200 transporta o dirige el combustible de entrada de la fuente 110 (mostrado en la figura 1) desde la fuente de combustible 108 al conducto de entrada de combustible 206, el conducto de entrada de combustible 206 transporta el combustible de entrada mixto 134 (mostrado en la figura 1) desde el soplador de combustible 132 a un conjunto de intercambiador de calor de combustible 202, y el conducto de salida de combustible 204 transporta o dirige el combustible de salida 130 desde el conjunto de intercambiador de calor de combustible 202 al soplador de combustible 132.

El conjunto de intercambiador de calor 202 representa una combinación del intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112 y el intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114 mostrada en la figura 1. Los intercambiadores de calor 112, 114 están acoplados de manera fluida entre sí y con los conductos 204, 206 tal que el intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112 recibe el combustible de entrada mixto 134 del conducto 206, el intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114 recibe el combustible de entrada calentado 116 del intercambiador de calor de baja temperatura 114, el intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112 recibe el combustible de temperatura reducida 128 del intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114, y el intercambiador de calor de combustible de baja temperatura 112 dirige el combustible de salida 130 al soplador de combustible 132 a través del conducto 204. Aunque los conductos que acoplan de manera fluida los intercambiadores de calor de combustible no son visibles en la figura 2, estos conductos pueden parecerse a los conductos 204, 206 mostrados en la figura 2, pero dispuestos dentro de una carcasa exterior 203 del conjunto de intercambiador de combustible 202 (por ejemplo, la porción del conjunto 202 que es visible en la figura 2).

El conjunto del intercambiador de calor de combustible 202 está acoplado con carcasas 107 que contienen las pilas de celdas de combustible 106. Las carcasas que contienen las pilas de celdas de combustible 106 pueden sentarse directamente en la parte superior del conjunto del intercambiador de calor 202, como se muestra en la figura 2. Por ejemplo, en al menos una parte de la superficie exterior, externa de las carcasas en las que están dispuestas las pilas de celdas de combustible 106 puede contactar directamente o hacer tope con al menos parte de la superficie exterior, externa de la carcasa del conjunto del intercambiador de calor de combustible 202. Esto permite que la cantidad del conducto necesario para acoplar la fuente de combustible 108, el soplador 132, los intercambiadores de calor 112, 114 y las pilas de celdas de combustible 106 deben reducirse con respecto a otro sistema de celdas de combustible que tenga uno o más de estos componentes dispuestos más lejos de los otros componentes.

El combustible de temperatura aumentada 118 se dirige fuera del conjunto del intercambiador de calor de combustible 202 y hacia las pilas de celdas de combustible 106. Las celdas de combustible de las pilas 106 consumen al menos parcialmente el combustible de temperatura aumentada 118 para generar corriente eléctrica. Una porción del combustible 118 que no es consumido por las celdas de combustible se dirige al oxidante de gas de cola 122 como el combustible separado 124, y el resto del combustible 118 que no es consumido por las celdas de combustible se dirige de vuelta al intercambiador de calor de combustible de temperatura 114 en el conjunto de intercambiador de calor 202.

Por ejemplo, aunque no es visible en la figura 2, cada una de las pilas de celdas de combustible 106 puede incluir varios conductos, con uno o más conductos que dirigen parte del combustible que sale de las pilas de celdas de combustible 106 hacia los oxidantes de gas de cola 122 como el combustible separado 124 y uno o más de otros conductos que dirigen un resto del combustible que sale de las pilas de celdas de combustible 106 de vuelta al conjunto de intercambiador de calor 202, específicamente al intercambiador de calor de combustible de alta temperatura 114, como se ha descrito anteriormente.

El oxidante de gas de cola 122 mostrado en la figura 1 puede representar múltiples oxidantes de gas de cola 122 separados, como se muestra en la figura 2. Cada oxidante 122 puede asentarse directamente en la parte superior de una pila de celdas de combustible 106 diferente, y puede oxidar por separado el combustible separado 124 proveniente de esa pila de celdas de combustible 106. Por ejemplo, al menos parte de la superficie exterior, externa de las carcasas 123 en las que están dispuestos los oxidantes de gas de cola 122 puede contactar directamente o hacer tope con al menos parte de las superficies exteriores, externas de las carcasas de pilas de celdas de combustible 106. Las ubicaciones de los oxidantes 122 en la parte superior de las pilas 106 también pueden reducir la cantidad y distancia del conducto necesario para acoplar de manera fluida las pilas 106 con los oxidantes 122. De manera opcional, dos o más pilas 106 pueden acoplarse con el mismo oxidante 122 en lugar de que cada pila de celdas de combustible 106 tenga un oxidante 122 separado.

El intercambiador de calor de aire de alta temperatura 144 mostrado en la figura 1 puede representar múltiples intercambiadores de calor de aire de alta temperatura separados 144, como se muestra en la figura 2. Cada intercambiador de calor de aire de alta temperatura 144 puede asentarse directamente en la parte superior de un oxidante de gas de cola 122 diferente, y puede recibir el efluente 150 oxidado que sale del oxidante de gas de cola 122 respectivo. Por ejemplo, al menos parte de la superficie exterior, externa de las carcasas 145 en las que están dispuestos los intercambiadores de calor de aire de alta temperatura 144 puede contactar directamente o hacer tope con al menos parte de las superficies exteriores, externas de las carcasas de los oxidantes de gas de cola 122. Las ubicaciones de los intercambiadores de calor de aire de alta temperatura 144 en la parte superior de los oxidantes de gas de cola 122 pueden reducir la cantidad y distancia del conducto necesario para acoplar de manera fluida los intercambiadores de calor 144 con los oxidantes 122. De manera opcional, dos o más oxidantes 122 pueden acoplarse con el mismo intercambiador de calor 144 y/o dos o más intercambiadores de calor 144 pueden acoplarse con el mismo oxidante 122.

Los intercambiadores de calor de aire de alta temperatura 144 también están acoplados de manera fluida con las pilas de celdas de combustible 106 para suministrar el aire de entrada 146 a las pilas de celdas de combustible 106. En una realización, cada uno de los intercambiadores de calor de aire de alta temperatura 144 incluye uno o más conductos acoplados de manera fluida con el oxidante de gas de cola 122 respectivo para recibir el efluente 150 oxidado y uno o más de otros conductos separados acoplados de manera fluida con las pilas de celdas de combustible 106 respectivas para entregar el aire de entrada 146 en la pila de celdas de combustible 106.

El intercambiador de calor de aire de baja temperatura 140 mostrado en la figura 1 puede representar múltiples intercambiadores de calor de aire de baja temperatura 140 separados, como se muestra en la figura 2. Cada intercambiador de calor de aire de baja temperatura 140 separado puede asentarse directamente encima de un intercambiador de calor de aire de alta temperatura 144 diferente, y puede recibir el efluente de salida 152 que sale del intercambiador de calor de aire de alta temperatura 144 respectivo. Por ejemplo, al menos parte de la superficie exterior, externa de las carcasas 141 en las que están dispuestos los intercambiadores de calor de aire de baja temperatura 140 puede contactar directamente o hacer tope con al menos parte de las superficies exteriores, externas de las carcasas de los intercambiadores de calor de aire de alta temperatura 144.

Las ubicaciones de los intercambiadores de calor de aire de baja temperatura 140 encima de los intercambiadores de calor de aire de alta temperatura 144 pueden reducir la cantidad y la distancia del conducto necesario para acoplar de manera fluida los intercambiadores de calor 140, 144 entre sí. De manera opcional, dos o más intercambiadores de calor de aire de baja temperatura 144 pueden acoplarse con el mismo intercambiador de calor de aire de alta temperatura 140 y/o dos o más intercambiadores de calor de aire de alta temperatura 140 pueden acoplarse con el mismo intercambiador de calor de aire de baja temperatura 144.

En una realización, los intercambiadores de calor de aire de baja y alta temperatura 140, 144 están dispuestos dentro de una única carcasa como un conjunto de intercambiador de calor de aire, similar al descrito anteriormente en conexión con el conjunto de intercambiador de calor de combustible 202. Combinar el aire de baja y alta temperatura intercambiadores de calor en una sola unidad dentro de una sola carcasa y/o combinar los intercambiadores de calor de combustible de baja y alta temperatura en una sola unidad dentro de una sola carcasa puede proporcionar un sistema más simple y de menor costo. Pero, mantener separados los intercambiadores de calor de aire de baja y alta temperatura (por ejemplo, en carcasas separadas) y/o mantener separados los intercambiadores de calor de combustible de baja y alta temperatura (por ejemplo, en carcasas separadas) puede permitir que se formen los intercambiadores de calor de baja temperatura a partir de materiales menos costosos (en relación con los intercambiadores de calor de alta temperatura) y puede permitir que se controlen las tensiones térmicas causadas por las diferentes cantidades de expansión térmica en los intercambiadores de calor (por ejemplo, basándose en los diseños geométricos de las carcasas).

Los intercambiadores de calor de aire de baja temperatura 140 están acoplados de manera fluida con un colector de entrada 210 y un colector de salida 208 mediante varios conductos 214 separados. El colector de entrada 210 está acoplado de manera fluida con una entrada de aire 212, a través de la cual se recibe el aire de fuente 135 en el sistema 100. El aire de fuente 135 puede obtenerse a partir de uno o más tanques, depósitos o el entorno ambiental del sistema 100. El soplador de aire 136 está acoplado de manera fluida con el colector de entrada 210 para extraer y/o empujar el aire de fuente 135 a través del colector de entrada 210 y a través de los conductos 214 en los intercambiadores de calor de aire de baja temperatura 140. El colector de salida 208 incluye una salida 216 a través de la cual el aire de salida 154 sale del sistema 100. Por ejemplo, el aire de salida 154 se dirige al colector de salida 208 desde los intercambiadores de calor de aire de baja temperatura 140 a través de los conductos 214, y sale del sistema 100 a través de la salida 216.

Las posiciones de los intercambiadores de calor y las pilas de celdas de combustible pueden diferir de las que se muestran en la figura 2. Por ejemplo, el conjunto de intercambiador de calor de combustible 202 puede estar dispuesto en la parte superior de las pilas de celdas de combustible 106 y los oxidantes de gas de cola 122 e intercambiadores de calor de aire 140, 144 pueden estar debajo de las pilas de celdas de combustible 106. Como otro ejemplo, las pilas de celdas de combustible 106 pueden estar orientadas en otra dirección (por ejemplo, horizontalmente en oposición a la orientación vertical mostrada en la figura 2) con el conjunto de intercambiador de calor de combustible 202 en una lado (por ejemplo, el lado izquierdo o el lado derecho) de las pilas de celdas de combustible 106 y los oxidantes de gas de cola 122 e intercambiadores de calor de aire 140, 144 en el lado opuesto (por ejemplo, el lado derecho o el lado izquierdo) de las pilas de celdas de combustible 106.

La figura 3 ilustra un diagrama de flujo de una realización de un método 300 para proporcionar un sistema de celda de combustible integrado. El método 300 puede usarse para fabricar o crear el sistema de celda de combustible 100 mostrado en las s 1 y 2 en una realización. En 302, un conducto de suministro de combustible está acoplado de manera fluida con un intercambiador de calor de combustible de baja temperatura. El conducto de suministro de combustible puede estar conectado con el intercambiador de calor de combustible de baja temperatura en una ubicación que está entre el soplador de combustible y el intercambiador de calor de combustible de baja temperatura, como se ha descrito anteriormente.

En 304, las carcasas de las pilas de celdas de combustible están acopladas con la carcasa del intercambiador de calor de combustible de baja temperatura y un intercambiador de calor de combustible de alta temperatura. Las pilas de celdas de combustible se pueden colocar directamente en la parte superior de los intercambiadores de calor. Las pilas de celdas de combustible pueden incluir múltiples conductos conectados con el intercambiador de calor de combustible de alta temperatura. Algunos de estos conductos pueden ser conductos de entrada que dirigen el combustible de temperatura aumentada desde el intercambiador de calor de combustible de alta temperatura para el consumo parcial de las celdas de combustible para generar corriente eléctrica. Otros de estos conductos pueden ser conductos de retorno que dirigen el combustible de calefacción de vuelta al intercambiador de calor de combustible de alta temperatura, como se ha descrito anteriormente.

En 306, las carcasas de los oxidantes de gas de cola están acopladas con las carcasas de las pilas de celdas de combustible. Los conductos en el interior de estas carcasas pueden acoplar de manera fluida los oxidantes con las pilas para dirigir el combustible separado de las pilas hacia los oxidantes de gas de cola y dirigir el aire de salida de las pilas hacia los oxidantes de gas de cola.

En 308, las carcasas de los intercambiadores de calor de aire de alta temperatura están acopladas con las carcasas de los oxidantes de gas de cola. Los conductos en el interior de estas carcasas pueden acoplar de manera fluida los oxidantes de gas de cola con los intercambiadores de calor de aire de alta temperatura para dirigir el efluente oxidado de los oxidantes a los intercambiadores de calor de aire de alta temperatura, como se ha descrito anteriormente.

En 310, las carcasas de los intercambiadores de calor de aire de alta temperatura están acopladas con las carcasas de los intercambiadores de calor de aire de alta temperatura. Los conductos en estas carcasas pueden intercambiar el efluente de salida de los intercambiadores de calor de aire de alta temperatura y el aire calentado de los intercambiadores de calor de aire de baja temperatura.

En 312, los intercambiadores de calor de aire de baja temperatura están acoplados de manera fluida con los colectores de entrada y salida. Como se ha descrito anteriormente, los conductos pueden acoplar de manera fluida estos colectores con los intercambiadores de calor de aire de baja temperatura para dirigir el aire de fuente hacia los intercambiadores de calor de aire de baja temperatura y dirigir el aire de salida de los intercambiadores de calor de aire de baja temperatura fuera del sistema de celda de combustible.

El sistema de celda de combustible integrado de la invención se define en las reivindicaciones adjuntas e incluye una o más pilas de celdas de combustible, cada una de las cuales incluye celdas de combustible configuradas para generar corriente eléctrica basada en combustible y aire suministrados a las celdas de combustible, uno o más intercambiadores de calor de combustible configurados para intercambiar calor entre el combustible suministrado a las celdas de combustible para generar la corriente eléctrica y una primera porción de combustible que sale de las celdas de combustible, uno o más intercambiadores de calor de aire configurados para intercambiar calor entre el aire suministrado a las celdas de combustible para generar la corriente eléctrica y el efluente que sale de las celdas de combustible, y uno o más oxidantes de gas de cola configurados para recibir una segunda porción del combustible que sale de las celdas de combustible y el aire que sale de las celdas de combustible. El uno o más oxidantes de gas de cola están configurados para oxidar la segunda porción del combustible con el efluente que sale de las celdas de combustible. Las una o más pilas de celdas de combustible están acopladas de manera fluida con el uno o más intercambiadores de calor de combustible y el uno o más oxidantes de gas de cola tal que el combustible que sale de las celdas de combustible se divide en la primera porción que se dirige de vuelta a la o más intercambiadores de calor de combustible y la segunda porción que se dirige hacia el uno o más oxidantes de gas de cola.

En un ejemplo, el uno o más intercambiadores de calor de combustible se pueden configurar para acoplarse de manera fluida con un soplador de combustible para dirigir todo el combustible que sale del uno o más intercambiadores de calor de vuelta al uno o más intercambiadores de calor de combustible a través del soplador de combustible.

En un ejemplo, el uno o más intercambiadores de calor de combustible pueden configurarse para acoplarse de manera fluida con una fuente de combustible en una ubicación entre el soplador de combustible y el uno o más intercambiadores de calor.

En un ejemplo, una carcasa externa de una o más pilas de celdas de combustible puede hacer tope con una carcasa externa de uno o más intercambiadores de calor de combustible.

En un ejemplo, una carcasa externa del uno o más oxidantes de gas de cola puede hacer tope con una carcasa externa de una o más pilas de celdas de combustible.

En un ejemplo, una carcasa externa del uno o más intercambiadores de calor de aire puede hacer tope con una carcasa externa del uno o más oxidantes de gas de cola.

En un ejemplo, el uno o más oxidantes de gas de cola pueden colocarse entre la una o más pilas de celdas de combustible y el uno o más intercambiadores de calor de aire y acoplarse directamente con los mismos.

En un ejemplo, el uno o más intercambiadores de calor de combustible pueden incluir un intercambiador de calor de combustible de baja temperatura y un intercambiador de calor de combustible de alta temperatura. El intercambiador de calor de combustible de baja temperatura puede estar dispuesto entre un soplador de combustible y una fuente de combustible a lo largo de un ciclo de flujo de combustible. El intercambiador de calor de combustible de alta temperatura puede estar dispuesto entre el intercambiador de calor de combustible de baja temperatura y la una o más pilas de celdas de combustible a lo largo del ciclo de flujo de combustible.

En una realización, un método para hacer funcionar el sistema de la invención incluye recibir combustible de fuente de entrada mixto en uno o más intercambiadores de calor de combustible configurados para intercambiar calor entre el combustible de fuente de entrada mixto y una primera porción de combustible que sale de las celdas de combustible en una o más pilas de celdas de combustible, generando corriente eléctrica que utiliza las celdas de combustible en la una o más pilas de celdas de combustible consumiendo al menos algo de combustible calentado por uno o más intercambiadores de calor de combustible y al menos algo de aire calentado por uno o más intercambiadores de calor de aire, y dirigir la primera porción del combustible que sale de las celdas de combustible hacia el uno o más intercambiadores de calor de combustible y una segunda porción restante del combustible que sale de las celdas de combustible a uno o más oxidantes de gas de cola.

En un ejemplo, la segunda porción del combustible que sale de las celdas de combustible puede separarse de la primera porción del combustible y dirigirse al uno o más oxidantes de gas de cola en una ubicación entre las celdas de combustible y el uno o más intercambiadores de calor de combustible.

Como se utiliza en el presente documento, deberá entenderse que un elemento o etapa mencionados en singular y precedidos de la palabra "un" o "una" no excluyen elementos o etapas en singular, a menos que dicha exclusión se indique explícitamente. Asimismo, no se pretende que las referencias a "una realización" de la presente materia objeto descrita se interpreten como excluyentes de la existencia de realizaciones adicionales que también incorporen las características mencionadas. Por otra parte, a menos que se indique explícitamente lo contrario, a menos que se indique explícitamente lo contrario, las realizaciones "que comprenden" o "tienen" un elemento o una pluralidad de elementos que tienen una propiedad particular pueden incluir tales elementos adicionales que no tengan esa propiedad.

Se ha de entender que la descripción anterior se pretende que sea ilustrativa, y no restrictiva. Por ejemplo, las realizaciones descritas anteriormente (y/o aspectos de las mismas) pueden usarse en combinación entre sí. Si bien las dimensiones y los tipos de materiales descritos en el presente documento están destinados a definir los parámetros de la materia objeto divulgada, no son de ninguna manera limitativas y son realizaciones a modo de ejemplo. Muchas otras realizaciones resultarán evidentes para los expertos en la técnica tras revisar la descripción anterior. El alcance de la materia objeto descrita en el presente documento debe determinarse con referencia a las reivindicaciones adjuntas.

En las reivindicaciones adjuntas, los términos "que incluye" y "en el que" se utilizan como equivalentes en inglés simple de los términos "que comprende" y "en el que" respectivos. Por otra parte, en las siguientes reivindicaciones, los términos "primero, "segundo", los términos "primero", "segundo" y "tercero", etc. se utilizan simplemente como etiquetas y no pretenden imponer requisitos numéricos a sus objetos.

Esta descripción escrita utiliza ejemplos para divulgar varias realizaciones de la materia objeto indicada en el presente documento, incluido el modo preferente, y también para permitir que una persona con conocimientos ordinarios en la técnica practique las realizaciones de la materia objeto divulgada, incluida la fabricación y el uso de los dispositivos o sistemas y realización de los métodos. El alcance patentable de la materia objeto descrita en el presente documento se define mediante las reivindicaciones y puede incluir otros ejemplos que se les ocurran a los expertos en la técnica.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema (100) que comprende:

una o más pilas de celdas de combustible, cada una de las cuales incluye celdas de combustible (106) configuradas para generar corriente eléctrica basándose en el combustible (116) y el aire (142) suministrados a las celdas de combustible;

uno o más intercambiadores de calor de combustible (112) configurados para intercambiar calor entre el combustible suministrado a las celdas de combustible para generar la corriente eléctrica y una primera porción de combustible que sale de las celdas de combustible;

uno o más oxidantes de gas de cola (122) configurados para recibir una segunda porción del combustible que sale de las celdas de combustible y aire (148) que sale de las celdas de combustible, el uno o más oxidantes de gas de cola configurados para oxidar la segunda porción del combustible con el efluente que sale de las celdas de combustible, para proporcionar de salida un efluente (150) oxidado; y

uno o más intercambiadores de calor de aire (144) configurados para intercambiar calor entre el aire suministrado a las celdas de combustible para generar la corriente eléctrica y el efluente oxidado,

en donde la una o más pilas de celdas de combustible (106) están acopladas de forma fluida con el uno o más intercambiadores de calor de combustible (112) y el uno o más oxidantes de gas de cola tal que el combustible que sale de las celdas de combustible se divide en la primera porción que se dirige de vuelta hacia el uno o más intercambiadores de calor de combustible y la segunda porción que se dirige hacia el uno o más oxidantes de gas de cola; caracterizado por que:

i) la una o más pilas de celdas de combustible (106) están dispuestas entre el uno o más intercambiadores de calor de combustible y el uno o más oxidantes de gas de cola y acoplados directamente con los mismos; o ii) el uno o más intercambiadores de calor de combustible (112) están acoplados a un extremo de la una o más pilas de celdas de combustible (106) y el uno o más oxidantes de gas de cola y el uno o más intercambiadores de calor de aire están acoplados a un extremo opuesto de la una o más pilas de celdas de combustible, en donde el uno o más oxidantes de gas de cola están acoplados directamente a la una o más pilas de celdas de combustible.

2. El sistema (100) según la reivindicación 1, en el que el uno o más intercambiadores de calor de combustible (112) están configurados para acoplarse de manera fluida con un soplador de combustible para dirigir todo el combustible que sale del uno o más intercambiadores de calor de vuelta hacia el uno o más intercambiadores de calor de combustible a través del soplador de combustible.

3. El sistema (100) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el uno o más intercambiadores de calor de combustible (112) están configurados para acoplarse de manera fluida con una fuente de combustible en una ubicación entre el soplador de combustible y el uno o más intercambiadores de calor.

4. El sistema (100) según cualquier reivindicación anterior, en el que una carcasa externa de una o más pilas de celdas de combustible se apoya en una carcasa externa del uno o más intercambiadores de calor de combustible.

5. El sistema (100) según cualquier reivindicación anterior, en el que una carcasa externa del uno o más oxidantes de gas de cola (122) se apoya en una carcasa externa de la una o más pilas de celdas de combustible.

6. El sistema (100) según cualquier reivindicación anterior, en el que una carcasa externa del uno o más intercambiadores de calor de aire (144) se apoya en una carcasa externa del uno o más oxidantes de gas de cola (122).

7. El sistema (100) según cualquier reivindicación anterior, en el que el uno o más oxidantes de gas de cola (122) están dispuestos entre la una o más pilas de celdas de combustible (106) y el uno o más intercambiadores de calor de aire (144) y acoplados directamente con los mismos.

8. El sistema (100) según cualquier reivindicación anterior, en el que el uno o más intercambiadores de calor de combustible (112) incluyen un intercambiador de calor de combustible de baja temperatura y un intercambiador de calor de combustible de alta temperatura, estando el intercambiador de calor de combustible de baja temperatura dispuesto entre un soplador de combustible (132) y una fuente de combustible a lo largo de un ciclo de flujo de combustible, estando el intercambiador de calor de combustible de alta temperatura dispuesto entre el intercambiador de calor de combustible de baja temperatura y la una o más pilas de celdas de combustible a lo largo del ciclo de flujo de combustible.

9. Un método para el funcionamiento del sistema (100) según cualquier reivindicación anterior, que comprende:

recibir combustible de fuente de entrada mixto en uno o más intercambiadores de calor de combustible (112) configurados para intercambiar calor entre el combustible de fuente de entrada mixto y una primera porción de combustible que sale de las celdas de combustible en una o más pilas de celdas de combustible (106); generar corriente eléctrica usando las celdas de combustible (106) en la una o más pilas de celdas de combustible consumiendo al menos algo de combustible que es calentado por el uno o más intercambiadores de calor de combustible (112) y al menos algo de aire que es calentado por uno o más intercambiadores de calor de aire (144); y

dirigir la primera porción del combustible que sale de las celdas de combustible (106) hacia el uno o más intercambiadores de calor de combustible (112) y una segunda porción restante del combustible que sale de las celdas de combustible a uno o más oxidantes de gas de cola (122).

10. El método según la reivindicación 9, en el que la segunda porción del combustible que sale de las celdas de combustible (106) se separa de la primera porción del combustible y se dirige hacia el uno o más oxidantes de gas de cola (122) en una ubicación entre las celdas de combustible (106) y el uno o más intercambiadores de calor de combustible (112).