ES2961680T3

ES2961680T3 - Un sistema de celda de combustible y conjunto y método del quemador de gas de cola

Info

Publication number: ES2961680T3
Application number: ES20793620T
Authority: ES
Inventors: Isaac Cottereau; Michael Mclorn; Oliver Postlethwaite; Simone Dozio; Paul Barnard; Martin Schmidt
Original assignee: Ceres Intellectual Property Co Ltd
Current assignee: Ceres Intellectual Property Co Ltd
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2024-03-13
Anticipated expiration: 2040-10-15
Also published as: JP2022553971A; DK4049329T3; FI4049329T3; EP4049329A1; WO2021078632A1; EP4049329B1; CN114788056A; KR20220090541A; CA3155240A1

Abstract

Un sistema de pila de combustible que comprende un conjunto de quemador (10) con un cuerpo hueco longitudinalmente alargado (12) que se extiende a lo largo de un eje central (12') y que tiene un primer extremo (20) y un segundo extremo (30), una pared de quemador (40)) ubicado entre dicho primer extremo (20) y dicho segundo extremo (30), y que define un primer volumen (52) desde dicho primer extremo (20) hasta dicha pared de quemador (40), y un segundo volumen (62) desde dicho quemador pared (40) a dicho segundo extremo (30), una entrada de oxidante (70) a dicho primer volumen (52), la entrada de oxidante (70) para proporcionar un flujo de oxidante a su través, y al menos un quemador alargado hueco (100) contiguo dicha pared del quemador (40) o extendiéndose a través de una abertura en dicha pared del quemador (40) desde dicho primer volumen (52) hasta dicho segundo volumen (62). El quemador alargado (100) comprende una placa de quemador (156) o mezclador (150) que tiene una primera abertura lateral hacia dicho primer volumen (52), y una segunda abertura lateral hacia dicho segundo volumen (62), una primera entrada de combustible (125)) en dicho primer volumen (52) para alimentar un primer combustible desde un primer conducto de combustible a dicho primer volumen (52) y una segunda entrada de combustible (135) en dicho segundo volumen (62) para alimentar un segundo combustible desde un segundo conducto de combustible a dicho segundo volumen (62). El sistema comprende además al menos una conexión (810, 812) para conectar selectivamente el primer conducto de combustible al segundo conducto de combustible para el suministro de una mezcla del primer combustible y el segundo combustible a la segunda entrada de combustible (135). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Un sistema de celda de combustible y conjunto y método del quemador de gas de cola

Campo de la invención

La presente invención se refiere a sistemas de celda de combustible con quemadores de gas de cola, en particular, quemadores y métodos para operar los mismos con múltiples alimentaciones de combustible.

Antecedentes de la invención

Las enseñanzas sobre celdas de combustible, pilas de celda de combustible, conjuntos de pilas de celda de combustible y sistemas de intercambiador de calor, disposiciones y métodos son bien conocidas por un experto en la técnica y, en particular, incluyen los documentos WO02/35628, WO03/07582, WO2004/089848, WO2005/078843, WO2006/079800, WO2006/106334, WO2007/085863, WO2007/110587, WO2008/001119, WO2008/003976, WO2008/015461, WO2008/053213, WO2008/104760, WO2008/132493, WO2009/090419, WO2010/020797, y WO2010/061190.

A menos que el contexto indique lo contrario, el término “fluido” incorpora tanto líquidos como gases.

La legislación y la tendencia general de mejora de la responsabilidad ambiental fomentan el interés por reducir las emisiones producidas por la quema o combustión de combustibles en todas las operaciones. En particular, en el funcionamiento con celda de combustible, existe legislación que establece límites máximos para los niveles de emisión, como la norma europea EN 50465:2008, que se aplica a un aparato de calefacción de gas de celda de combustible para uso doméstico. De particular importancia en el control de las emisiones es la reducción de las emisiones de monóxido de carbono (CO) y óxidos nitrosos (NOx).

El diseño de los quemadores es de gran importancia a la hora de controlar las emisiones de la combustión. Se deben considerar factores como el flujo de aire, la mezcla de reactivos y la posición de la llama junto con la composición química del combustible que se va a quemar. Un cambio en la composición de un combustible quemado en el mismo quemador puede dar lugar a emisiones muy diferentes. Por lo tanto, a menudo es necesario diseñar un quemador para un combustible específico con el fin de cumplir con los límites de emisiones requeridos. A pesar de esto, hay situaciones en las que un quemador debe funcionar con varios combustibles y en las que la estabilidad de la combustión y el control de emisiones son importantes en cada uno de estos modos.

Los quemadores se utilizan a menudo en sistemas de celda de combustible para proporcionar energía térmica para elevar la temperatura del sistema de celda de combustible y sus partes relacionadas hasta la temperatura de funcionamiento. Un sistema de celda de combustible normalmente incluye al menos una pila de celda de combustible.

Los sistemas de celda de combustible deben diseñarse teniendo en cuenta la longevidad, es decir, para que funcionen durante muchos años, a menudo funcionando de forma continua. Esto hace que el diseño de un quemador para uso en dicho sistema sea particularmente crítico ya que los quemadores, en algunos modos de operación, pueden tener tendencia a que se forme coque dentro de los tubos de suministro de combustible del quemador. En particular, la coquización puede producirse en un tubo de suministro que suministra combustible con un alto poder calorífico, tal como el gas natural.

Cuando en el presente documento se hace referencia a una celda de combustible o un sistema de celda de combustible, entonces más preferentemente, la referencia a una celda de combustible de óxido sólido (SOFC) o un sistema SOFC, más preferentemente a una celda de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (IT-SOFC) o Sistema IT-SOFC. Un sistema de celda de combustible comprenderá al menos una pila de celda de combustible, cada pila de celda de combustible comprende al menos una celda de combustible. Más preferiblemente, la celda de combustible tiene, o las celdas de combustible de la pila de celdas de combustible tienen, un rango de temperatura operativa de 450 a 650 grados C, más preferiblemente 500 a 610 grados C.

Cuando se utilizan celdas de combustible de óxido sólido, es preferible que el quemador esté alimentado tanto con un combustible de bajo poder calorífico (LCV) como con un combustible de alto poder calorífico (HCV). Cabe señalar que estos términos son distintos de, por ejemplo, “poder calorífico más bajo” (también conocido como “LCV”) y “poder calorífico más alto” (también conocido como “HCV”): todos los combustibles tienen tanto un poder calorífico más bajo como un poder calorífico más alto. Ejemplos de combustibles de bajo poder calorífico (LCV) son aquellos con una alta fracción de H<2>, CO, y opcionalmente con una baja fracción de CH<4>. El índice de Wobbe para un combustible LCB esta típicamente entre 18 y 35 MJ/m3. Ejemplos de combustibles de alto poder calorífico (HCV) son aquellos que comprenden metano, etano o propano o cualquier combinación de ellos; el índice de Wobbe para un combustible HCV suele estar entre 36 y 85 MJ/m3. La referencia a gas natural o gas combustible se refiere al combustible de alto poder calorífico y generalmente significa que no ha tenido lugar ningún proceso dentro de la celda de combustible para reducir el poder calorífico (es decir, reducir el contenido de energía del gas). La referencia a un gas de escape del ánodo se refiere al combustible de bajo poder calorífico y significa un combustible (es decir, el combustible LCV) que ha sido procesado en el sistema de celda de combustible, tal como pasar a través de una pila de celda de combustible y sale del ánodo como gases de escape.

La celda de combustible utiliza un combustible HCV rico en hidrógeno para la reacción electroquímica. Como resultado de la reacción electroquímica, el gas combustible cambia de composición y algunos de los elementos reactivos se oxidan, como el hidrógeno convirtiéndose en vapor de agua y el monóxido de carbono en dióxido de carbono. Como resultado, los gases de escape de este proceso son un combustible LCV. Por lo tanto, está claro que un combustible HCV es distinto de un combustible LCV.

El combustible LCV formado a partir de la reacción electroquímica puede luego quemarse en un quemador. Sin embargo, normalmente se requiere la combustión de un combustible HCV para calentar inicialmente el sistema de celda de combustible (por ejemplo, en el arranque) hasta que la celda de combustible alcanza la temperatura de funcionamiento. Por lo tanto, durante el arranque es necesario quemar un combustible HCV. Durante el funcionamiento en estado estacionario de la celda de combustible es necesario quemar predominantemente combustible LCV. Durante la transición entre los estados del punto de funcionamiento de la celda de combustible (es decir, cuando se cambia la potencia eléctrica de salida de la celda de combustible), la composición del combustible a quemar cambia en consecuencia, y cambia de manera similar durante la transición del estado estacionario al apagado. Para mantener bajas emisiones con la combustión de cada uno de estos combustibles, se requieren diferentes configuraciones de quemador: un quemador de combustible HCV favorece un alto grado de mezcla con un oxidante antes de la combustión; mientras que un quemador de combustible LCV favorece una baja cantidad de mezcla con un oxidante antes de la combustión. Además, se prefiere un mayor flujo de aire para un combustible HCV en comparación con un combustible LCV. Sin embargo, debido a requisitos en otras partes del sistema, tal como el uso del flujo de oxidante para controlar la temperatura de la pila de celda de combustible, rara vez es posible controlar el flujo de aire al quemador únicamente para fines de control de la combustión. Por lo tanto, está claro que en la situación descrita, utilizar un quemador diseñado para uno de los combustibles o para un flujo de aire específico daría como resultado una combustión desfavorable para el otro combustible.

Por lo tanto, es deseable producir un sistema de celda de combustible y un quemador que sean capaces de quemar combustibles LCV y HCV al mismo tiempo o individualmente, sin separar la combustión ni utilizar sistemas complejos, manteniendo al mismo tiempo bajas emisiones, reduciendo la probabilidad de coquización dentro del quemador y hacer frente a los diferentes flujos de aire y, en particular, una relación aire-combustible de amplio rango, lambda.

Los dispositivos de la técnica anterior también pueden sufrir una falta de estabilidad de la llama en un amplio rango de condiciones operativas, incluidas diferentes lambdas. Además, también es deseable conseguir una llama compacta para reducir el tamaño del producto.

La presente invención busca mejorar los quemadores de la técnica anterior. En particular, busca abordar, superar o mitigar al menos uno de los problemas de la técnica anterior.

Resumen de la invención

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un sistema de celda de combustible que comprende:

un conjunto de quemador que comprende:

(i) un cuerpo hueco longitudinalmente alargado que se extiende a lo largo de un eje central y que tiene un primer extremo y un segundo extremo,

(ii) una pared de quemador ubicada entre dicho primer extremo y dicho segundo extremo, y que define un primer volumen desde dicho primer extremo hasta dicha pared de quemador, y un segundo volumen desde dicha pared de quemador hasta dicho segundo extremo,

(iii) una entrada de oxidante a dicho primer volumen, la entrada de oxidante para proporcionar un flujo de oxidante a través del mismo,

(iv) al menos un quemador alargado y hueco que linda con dicha pared del quemador o que se extiende a través de una abertura en dicha pared del quemador desde dicho primer volumen hasta dicho segundo volumen, y que comprende:

(a) una placa de quemador o mezclador que tiene una primera abertura lateral hacia dicho primer volumen y una segunda abertura lateral hacia dicho segundo volumen,

(b) una primera entrada de combustible a dicho primer volumen para alimentar un primer combustible desde un primer conducto de combustible a dicho primer volumen, y

(c) una segunda entrada de combustible a dicho segundo volumen para alimentar un segundo combustible desde un segundo conducto de combustible a dicho segundo volumen;

en el que el sistema comprende además al menos una conexión para conectar selectivamente el primer conducto de combustible al segundo conducto de combustible para el suministro de una mezcla del primer combustible y el segundo combustible a la segunda entrada de combustible.

La referencia aquí a las etapas o características del método también es una referencia al sistema de la presente invención adaptado o configurado para realizar dichas etapas del método.

El primer extremo también puede denominarse extremo aguas arriba y el segundo extremo puede denominarse extremo aguas abajo. Los términos “aguas arriba” y “aguas abajo” pretenden reflejar las posiciones relativas de los componentes a los que se hace referencia. En particular, el uso de “aguas arriba” y “aguas abajo” puede reflejar las posiciones relativas de los componentes en una trayectoria de flujo de fluido o en un proceso. La frase “aguas arriba de la “característica X'" (en el contexto de una característica dentro del cuerpo) significa ubicada hacia el primer extremo de la “característica X”, es decir, entre el primer extremo y la “característica X”; “aguas abajo de la “característica X”“ (en el contexto de una característica dentro del cuerpo) significa ubicado hacia el segundo extremo de la “característica X”, es decir, entre la característica X y el segundo extremo. De manera similar, el primer lado puede denominarse lado aguas arriba y el segundo lado puede denominarse lado aguas abajo. La primera entrada de combustible también puede denominarse entrada de combustible HCV, y la segunda entrada de combustible también puede denominarse entrada de combustible LCV. Asimismo, el primer combustible también puede denominarse combustible HCV, gas combustible o gas natural, y el segundo combustible también puede denominarse combustible LCV o gas de escape de ánodo.

El uso de al menos una conexión (por ejemplo, una conexión entre el primer conducto de combustible y el segundo conducto de combustible o una conexión entre un primer subsistema de suministro de combustible y un segundo subsistema de suministro de combustible para conectar el primer suministro de combustible y el segundo suministro de combustible) permite redirigir el primer combustible, que normalmente se introduce antes de la placa del quemador o mezclador, para ser introducido después de la placa del quemador o mezclador. Tal redirección del flujo a través de al menos una conexión, por ejemplo, una línea de derivación (que conecta las dos líneas de suministro respectivas), es contraria a la intuición porque las condiciones de combustión para el HCV aguas abajo de la placa del quemador o mezclador no son ideales. Sin embargo, un diseño de sistema de este tipo permite un rango más amplio de funcionamiento del sistema, por ejemplo, permitiéndole seguir utilizando un combustible HCV en una proporción deseada (por ejemplo, una pequeña proporción de, digamos, no más del 30 %, o no más del 20 %) de la primera y segunda entrada total de combustible) durante las condiciones de funcionamiento (por ejemplo, alta temperatura de funcionamiento del sistema) donde la tendencia a la acumulación de coquización en las líneas de combustible, particularmente en la primera entrada de combustible, es mucho mayor.

En algunos quemadores, la flexibilidad para poder redirigir el primer combustible puede ayudar con las características de combustión; por ejemplo, puede usarse para mejorar la estabilidad de la llama, por ejemplo, si se usa temporalmente durante una transición entre modos.

Preferiblemente, el quemador puede estar formado integralmente dentro del conjunto de quemador o puede ser una unidad de quemador separada reemplazable montada en el conjunto de quemador.

Preferiblemente, el quemador comprende al menos una unidad de quemador hueca longitudinalmente alargada que tiene un primer extremo de la unidad de quemador que se extiende hacia afuera de una abertura en dicho cuerpo desde dicho primer volumen, extendiéndose la unidad de quemador a través de una abertura en dicha pared de quemador desde dicho primer volumen hasta dicho segundo volumen a un segundo extremo de la unidad de quemador. Cuando el sistema comprende un mezclador, por ejemplo, un mezclador axial o de remolino, este puede estar situado entre dicho primer extremo de la unidad de quemador y dicho segundo extremo de la unidad de quemador. Cuando el sistema comprende una placa de quemador, ésta puede estar situada en o cerca de dicho segundo extremo de la unidad de quemador.

La referencia a una “unidad de quemador” en el presente documento es una referencia a una unidad de quemador reemplazable o un quemador integral, según corresponda.

Preferiblemente, el cuerpo hueco longitudinalmente alargado define una cavidad interior. Más preferentemente, el cuerpo tiene una forma amurallada que define un volumen interior. Ejemplos de formas para el cuerpo hueco longitudinalmente alargado incluyen cilindros y tubos, y formas con una sección transversal poligonal. Ejemplos de secciones transversales poligonales incluyen secciones transversales cuadriláteras (tal como rectangulares), pentagonales, hexagonales, heptagonales y octogonales. El cuerpo puede extenderse tanto a lo largo como alrededor de dicho eje central.

Como se señaló anteriormente, el cuerpo se extiende a lo largo de un eje central. En determinadas realizaciones, el eje central puede ser distinto de un eje recto. Por ejemplo, el eje puede ser curvo o puede estar escalonado.

Como puede verse a partir de la definición anterior, se define una trayectoria de flujo de fluido desde dicha entrada de oxidante hasta dicho primer volumen y dicho segundo volumen.

Se puede considerar que el primer volumen está definido entre el primer extremo, la pared del quemador y el cuerpo. De manera similar, se puede considerar que el segundo volumen está definido entre la pared del quemador, el segundo extremo y el cuerpo.

Preferiblemente, el cuerpo comprende una superficie interior del cuerpo que se extiende desde dicha pared del quemador hasta dicho segundo extremo. Preferiblemente, dicho segundo volumen se define entre dicha pared del quemador, dicha superficie interior del cuerpo y dicho segundo extremo.

El segundo volumen también puede denominarse tubo de llama, y los dos términos se utilizan indistintamente en el presente documento.

Preferiblemente, una pared extrema está situada en dicho primer extremo. Esto permite el enrutado opcional de los componentes a través de la pared del extremo. Sin embargo, las entradas se pueden colocar en diferentes ubicaciones para ingresar al primer volumen.

Como se indicó anteriormente, en algunas disposiciones, el primer extremo de al menos una unidad de quemador se extiende hacia afuera de una abertura en el cuerpo desde el primer volumen. Por lo tanto, el primer extremo de al menos una unidad de quemador no tiene que extenderse desde la pared extrema en el primer extremo del cuerpo. Por ejemplo, el primer extremo de al menos una unidad de quemador puede extenderse desde una pared lateral del cuerpo. Cuando el conjunto de quemador comprende múltiples unidades de quemador, entonces en algunas realizaciones la porción que se extiende hacia afuera de una abertura en el cuerpo desde el primer volumen puede ser una parte compartida o común de múltiples unidades de quemador.

Preferiblemente, el sistema comprende una válvula de tres vías para la conexión selectiva del primer conducto de combustible al segundo conducto de combustible.

Ventajosamente, la válvula permite dirigir el primer combustible a la primera entrada de combustible o a la segunda entrada de combustible. La válvula permite el cierre de un flujo hacia la primera o segunda entrada de combustible según sea necesario. Más preferiblemente, la válvula puede operarse (por ejemplo, una válvula variable y ser) selectivamente operada de modo que el flujo se dirija tanto a la primera entrada de combustible como a la segunda entrada de combustible, de modo que una proporción del primer combustible se suministre a la primera entrada de combustible y el resto del primer combustible se suministra a la segunda entrada de combustible. Esto puede permitir la variación de las características de combustión cuando el conjunto del quemador pasa por los modos de funcionamiento para reducir las salidas no deseadas, como la acumulación de coque.

En una disposición, un primer subsistema de suministro de combustible (primer conducto de combustible) y un segundo subsistema de suministro de combustible (segundo conducto de combustible) suministran respectivamente los combustibles a las respectivas entradas del quemador y una línea de derivación se extiende entre los dos subsistemas. Puede extenderse desde una válvula de tres vías proporcionada en el primer subsistema de suministro de combustible hasta una unión con el segundo subsistema de suministro de combustible, unión que puede ser una conexión abierta.

Alternativamente, el primer subsistema de suministro de combustible puede comprender una unión (conexión abierta) donde se divide en ramales aguas abajo con un ramal que conduce a la primera entrada de suministro de combustible al quemador y el otro ramal que conduce al segundo subsistema de suministro de combustible con una válvula de dos vías, por ejemplo, una válvula de encendido/apagado o variable (por ejemplo, accionable) proporcionada en una o ambas ramas. Aguas arriba de dicha unión, también se puede proporcionar opcionalmente otra válvula variable o de cierre, de modo que la cantidad total de combustible HCV pueda dosificarse selectivamente aguas arriba de al menos una conexión.

Por lo tanto, se puede usar una válvula de tres vías o, en algunas realizaciones, se puede usar un ramal de tubería de tres vías donde también se pueden usar válvulas, por ejemplo válvulas de dos vías, con el mismo efecto de dirigir el primer flujo de combustible.

Preferiblemente, cuando comprende el mezclador, el mezclador es un mezclador de remolino axial, que comprende una pluralidad de paletas que tienen una primera abertura lateral hacia dicho primer volumen y una segunda abertura lateral hacia dicho segundo volumen. Una mezcla de remolino axial proporciona remolino a un flujo (por ejemplo, oxidante o una primera mezcla de combustible y oxidante) que pasa a través del mezclador de remolino hasta el segundo volumen. Esto puede variar las características de combustión.

Preferiblemente, cuando comprende la placa del quemador, dicha placa del quemador comprende una pluralidad de conductos que se extienden entre dicho primer volumen y dicho segundo volumen. Los múltiples conductos pequeños producen múltiples llamas pequeñas, confinando así la combustión a una pequeña región cercana a la placa del quemador. La placa puede considerarse un disco que separa el primer volumen y el segundo volumen en o cerca de la pared del quemador.

El mezclador de remolino y la placa del quemador son alternativas intercambiables dentro de un conjunto de quemador. Por lo tanto, a menos que se limiten específicamente a los múltiples conductos, o a las paletas, por ejemplo, las otras características del conjunto de quemador son compatibles con ambos. Por lo tanto, la referencia a uno a lo largo del documento puede ser referencia al otro.

Preferiblemente, la segunda entrada de combustible está más próxima a dicho segundo extremo de la unidad de quemador que la primera entrada de combustible. La colocación de la segunda entrada de combustible en el segundo volumen da como resultado una reducción en la mezcla con aire (es decir, oxidante) ya que el combustible que sale de la segunda entrada de combustible no pasa a través de la placa del quemador o mezclador. Al colocar la segunda entrada de combustible proximal al segundo extremo de la unidad de quemador, la mezcla resultante con el aire/combustible turbulento quemado de la placa del quemador o mezclador y/o la posición de la llama formada a partir de la segunda entrada de combustible en el segundo volumen mejora las características de combustión.

Preferiblemente, el sistema comprende además una pila de celda de combustible, y en el que el primer combustible comprende un gas combustible que no ha pasado a través de la pila de celda de combustible. Normalmente, el primer combustible comprende un combustible de alto poder calorífico (HCV). Cuando el primer combustible tiene un poder calorífico superior al del segundo combustible, el suministro selectivo del primer combustible al segundo combustible hace que la mezcla tenga un poder calorífico superior al del segundo combustible, siendo así el primer combustible un gas de relleno. En ciertos modos, es más probable que el gas con mayor poder calorífico, es decir, el combustible HCV, dé lugar a la formación de coque en el tubo de suministro de HCV cuando se alimenta a la primera entrada de combustible (antes de la placa del quemador o del mezclador). En esos modos, al permitir la mezcla del combustible HCV y el combustible LCV y luego suministrarlo a la segunda entrada de combustible, es posible seguir usando HCV en el sistema de celda de combustible y al mismo tiempo minimizar el riesgo de formación de coque durante la vida útil del sistema de celda de combustible.

Preferiblemente, el segundo combustible es un gas de escape del ánodo de una pila de celda de combustible del sistema de celda de combustible. Este gas de escape del ánodo tiene un combustible de bajo poder calorífico ya que el combustible (HCV) pasó a través de la pila de celda de combustible y puede haber pasado por un reformador y haber sufrido una reacción química. Este gas de escape del ánodo tiene una humedad más alta que el combustible HCV como resultado de la reacción química dentro de la pila de celda de combustible. Esta humedad puede ayudar a reducir la probabilidad de formación de coque del combustible HCV cuando los combustibles se mezclan y se alimentan a la segunda entrada de combustible.

Preferiblemente, el sistema de celda de combustible comprende un sistema de tubería de gas de escape que conecta una salida de un ánodo de una pila de celda de combustible a dicha segunda entrada de combustible para el suministro de un gas de escape del ánodo desde el lado del ánodo de una celda de gas combustible a dicha segunda entrada de combustible. El segundo conducto de combustible forma parte del sistema de tubería de gases de escape. El sistema de tubería de gases de escape (o segundo subsistema de suministro de combustible) es una conexión de flujo para colocar una salida del lado del ánodo de la pila de celda de combustible en comunicación fluida con la segunda entrada de combustible, por lo tanto, el combustible LCV pasa a través del sistema de tubería de gas de escape. No es necesario conectar el sistema de tubería de gas de escape directamente al conjunto del quemador. El sistema de tubería de gas de escape del ánodo puede pasar a través de diversos componentes, tales como el intercambiador de calor, antes de llegar al conjunto del quemador.

Preferiblemente, el sistema de celda de combustible comprende un primer sistema de tubería de gas (o primer subsistema de suministro de combustible) que conecta la primera fuente de gas combustible a dicha primera entrada de combustible para el suministro del primer gas combustible a dicha primera entrada de combustible. El primer conducto de combustible forma parte del primer sistema de tubería de gas. El primer sistema de tubería de gas proporciona una conexión de flujo para colocar una fuente de combustible en comunicación fluida con el conjunto de quemador. Por lo tanto, el combustible HCV se suministra al conjunto del quemador a través del sistema de tubería. El combustible HCV se puede suministrar a otros diversos componentes del sistema de celda de combustible, tales como un reformador y la pila de celda de combustible. El primer sistema de tubería de gas también se denomina sistema de tubería de gas combustible.

Aunque se describe un sistema de tubería, la tubería puede adoptar cualquier forma adecuada para permitir que un fluido, es decir, un combustible, gas de escape u oxidante, esté en comunicación fluida entre dos puntos.

Preferiblemente, el primer gas es un gas combustible que es gas suministrado por la red, gas natural, combustible de arranque o combustible de relleno. Todos estos combustibles tienen un alto poder calorífico y, como tales, tienen las características asociadas con ellos anteriormente, por ejemplo, ventajosamente se pueden utilizar para combustión a alta temperatura produciendo calor para la pila y el sistema de celda de combustible. Sin embargo, en determinadas situaciones también pueden provocar la formación de coque, lo que puede provocar obstrucciones en las tuberías (a diferencia de los gases de salida del ánodo, que salen de la pila con un contenido de vapor que mitiga la coquización).

Preferiblemente, la conexión, por ejemplo, la línea de derivación, conecta directamente dicho primer conducto de combustible con dicho segundo conducto de combustible para desviar selectivamente el suministro del primer combustible desde dicha primera entrada de combustible a dicha segunda entrada de combustible. De este modo, el conducto de derivación está conectado entre el sistema de tubería de gas de escape y el primer sistema de tubería de gas. La línea de derivación puede ser una línea ramificada o puede estar conectada mediante una válvula, como por ejemplo una válvula de tres vías. La conexión directa de la línea de derivación garantiza una rápida transición entre los modos de operación cuando la línea de derivación está en funcionamiento, por ejemplo, a través de una válvula.

En uso, la conexión entre los conductos puede usarse selectivamente, es decir, el suministro de primer combustible a través de la conexión o línea de derivación puede ser operable o controlable, por ejemplo, mediante válvulas operativas aguas arriba de, o dentro de, la línea de derivación.

Preferiblemente, la pluralidad de paletas tiene un diámetro interior y un diámetro exterior. Preferiblemente, dicho mezclador de remolino está ubicado en un punto entre dicha primera entrada de combustible y dicha segunda entrada de combustible que se cruza con un plano perpendicular a dicho eje central, y cuyo plano se cruza con un punto a lo largo de dicho eje central igual o dentro de un diámetro interior de dicha pluralidad de paletas desde un punto que es el punto a lo largo de dicho eje central más alejado de dicho primer extremo donde un plano perpendicular a dicho eje central en dicho punto se cruza con dicha pared del quemador.

En ciertas realizaciones, las paletas se forman como parte de la pared del quemador, de manera que la pared del quemador se fabrica con las paletas o el mezclador de remolino, o la pared del quemador se corta o mecaniza para formar paletas a partir de la pared del quemador sin la adición de una unidad de quemador discreta.

Preferiblemente, dicha primera entrada de combustible está situada radialmente hacia el interior de dicho diámetro exterior de dicha pluralidad de paletas. La colocación de la primera entrada de combustible radialmente hacia el interior de las paletas ayuda a que el combustible proporcionado a través de la primera entrada de combustible sea aspirado a través de las paletas.

Dado que al menos una unidad de quemador se extiende a través de una abertura en la pared del quemador, se puede considerar que cada primer extremo de la unidad de quemador define parte del perímetro o del primer volumen. De manera similar, se puede considerar que cada segundo extremo de la unidad de quemador define parte del perímetro del segundo volumen. Por lo tanto, cuando el mezclador de remolino se coloca más hacia el primer extremo dentro del primer volumen, el primer volumen se reduce, y cuando el segundo lado del mezclador de remolino se coloca más hacia el segundo extremo dentro del segundo volumen, el segundo volumen se reduce.

Preferiblemente, al menos una unidad de quemador comprende un cuerpo exterior de unidad de quemador que más preferiblemente define un volumen interno de unidad de quemador. Por lo tanto, el volumen interior está contenido dentro (es decir, es parte de) el primer volumen. Preferiblemente, el cuerpo exterior de la unidad de quemador define al menos una abertura (al menos una abertura de entrada de aire). Preferiblemente, se define una trayectoria de flujo de fluido desde dicha entrada de oxidante a dicho primer volumen a dicho volumen interno de la unidad de quemador a dicho segundo volumen (es decir, desde dicha entrada de oxidante a dicho primer volumen a dicho segundo volumen a través de dicha porción de volumen interno de dicho primer volumen). Preferiblemente, la primera entrada de combustible está situada dentro del volumen interior.

A menos que el contexto indique lo contrario, la referencia en el presente documento a “una al menos una unidad de quemador” y a “al menos una unidad de quemador” es preferiblemente a cada al menos una unidad de quemador y a cada unidad de quemador según corresponda.

Preferiblemente, al menos una unidad de quemador comprende un collar exterior que se extiende a través de dicha abertura en dicha pared del quemador desde dicho primer volumen hacia dicho segundo volumen, teniendo dicho collar exterior un diámetro exterior, un diámetro interior, un primer extremo y un segundo extremo. Preferiblemente, dicho diámetro exterior es igual al diámetro de la abertura en dicha pared del quemador.

Preferiblemente, al menos una unidad de quemador comprende un collar interior que se extiende a través de dicha abertura en dicha pared del quemador desde dicho primer volumen hacia dicho segundo volumen, teniendo dicho collar interior un diámetro exterior, un diámetro interior, un primer extremo y un segundo extremo.

Preferiblemente, los primeros extremos del collar exterior y del collar interior son los extremos de los collares exterior e interior más cercanos al primer extremo del conjunto de quemador de remolino. De manera similar, los segundos extremos del collar exterior y del collar interior son preferiblemente los extremos de los collares exterior e interior más cercanos al segundo extremo del conjunto de quemador de remolino.

Más preferiblemente, dicho segundo extremo del collar exterior se cruza con un plano perpendicular al eje central y cuyo plano se extiende entre el mezclador de remolino y el segundo extremo del conjunto de quemador de remolino, y cuyo plano se cruza con un punto a lo largo de dicho eje central igual a o entre un diámetro interior de la pluralidad de paletas y la mitad del diámetro interior de la pluralidad de paletas aguas abajo del punto medio geométrico.

Más preferiblemente, dicho primer extremo del collar exterior se cruza con un plano perpendicular al eje central y plano que se extiende entre el mezclador de remolino y el primer extremo del conjunto de quemador de remolino, y cuyo plano se cruza con un punto en una posición igual o dentro de dos diámetros exteriores de la pluralidad de paletas aguas arriba de dicho segundo extremo del collar exterior.

En determinadas realizaciones, parte o la totalidad del collar exterior puede estar formado por el cuerpo exterior de la unidad de quemador.

Más preferiblemente, dicho segundo extremo del collar interior se cruza con un plano perpendicular al eje central, y cuyo plano se cruza con un punto en una posición a lo largo de dicho eje central y cuyo plano se extiende entre el mezclador de remolino y el segundo extremo del conjunto de quemador de remolino, y que el plano se cruza con un punto a lo largo de dicho eje central igual o menor que la mitad del diámetro interior de la pluralidad de paletas aguas abajo del punto medio geométrico.

Más preferentemente, dicho primer extremo del collar interior (la parte del primer extremo del collar interior más cercana al primer extremo del conjunto de quemador de remolino) está situado aguas abajo de la primera entrada de combustible y aguas arriba del segundo extremo del collar interior.

Preferiblemente, el diámetro exterior de dicho collar interior es menor que el diámetro interior de dicho collar exterior. Más preferiblemente, el collar interior está colocado radialmente dentro de (es decir, radialmente hacia el interior de) dicho collar exterior.

En ciertas realizaciones, el collar exterior está formado como parte de la pared del quemador, en el sentido de que es integral a la pared. En tales realizaciones, el collar exterior todavía puede extenderse hacia el primer y/o segundo extremo del cuerpo. Por ejemplo, el collar exterior puede extruirse, conformarse, prensarse o formarse de otro modo a partir de la pared del quemador. De manera similar, el collar interior puede formarse como parte de la pared del quemador.

Preferiblemente, la pluralidad de paletas están situadas dentro de dicho collar exterior. Más preferiblemente, la pluralidad de paletas se extiende radialmente entre dicho collar exterior y dicho collar interior. Preferiblemente, el diámetro interior del collar exterior es igual al diámetro exterior de la pluralidad de paletas y el diámetro exterior del collar interior es igual al diámetro interior de la pluralidad de paletas.

En algunas realizaciones, la pluralidad de paletas puede extenderse desde una única de dicho collar interno o dicho collar externo, de modo que estén soportadas por un único collar, en tal realización el diámetro exterior de la pluralidad de paletas puede ser más pequeño que el interior. El diámetro del collar exterior, o el diámetro interior de la pluralidad de paletas puede ser mayor que el diámetro exterior del collar interior.

Para un experto en la técnica, será obvio fabricar las paletas como parte del collar interior, o como parte del collar exterior, o como parte de los collares interior y exterior, o como parte del collar exterior donde el collar exterior es parte de la unidad de quemador, por ejemplo como parte de un cuerpo exterior de la unidad de quemador.

Los collares pueden afectar las características del quemador, ya que pueden extenderse hacia el segundo volumen más allá de la pluralidad de paletas.

Cuando hay más de una unidad de quemador, preferiblemente cada unidad de quemador tiene un collar interior y un collar exterior que se extiende a través de la abertura en la pared del quemador para esa unidad de quemador.

Preferiblemente, la primera y segunda entradas de combustible están ubicadas radialmente hacia el interior del diámetro interior de la pluralidad de paletas.

Preferiblemente, las entradas de combustible primera y segunda están alineadas a lo largo de un eje generalmente paralelo al eje central o están alineadas independientemente a lo largo de ejes generalmente paralelos al eje central.

Preferiblemente, el diámetro exterior de la pluralidad de paletas es entre dos y cuatro veces, más preferiblemente aproximadamente tres veces, mayor que el diámetro interior de la pluralidad de paletas.

Preferiblemente cada al menos una unidad de quemador: (A) define un primer punto que es el punto a lo largo de dicho eje central más cercano a dicho primer extremo donde un plano perpendicular a dicho eje central en dicho punto interseca dicha pluralidad de paletas de dicho mezclador de remolino de unidad de quemador; (B) define un segundo punto que es el punto a lo largo de dicho eje central más alejado de dicho primer extremo donde un plano perpendicular a dicho eje central en dicho punto interseca dicha pluralidad de paletas de dicho mezclador de remolino de unidad de quemador; y (C) define un punto medio geométrico a lo largo de dicho eje central equidistante de dicho primer punto y dicho segundo punto.

Preferiblemente, cada primera entrada de combustible está situada en un punto entre dicha entrada de oxidante y dicho mezclador de remolino que interseca con un plano perpendicular a dicho eje central, y cuyo plano interseca con un punto a lo largo de dicho eje central entre 1 y 2 diámetros circulares equivalentes de dicha primera área de flujo de entrada de combustible desde dicho primer punto.

Preferiblemente, cada segunda entrada de combustible está ubicada en un punto entre dicha primera entrada de combustible y dicho segundo extremo que se cruza con un plano perpendicular a dicho eje central, y cuyo plano se cruza con un punto a lo largo de dicho eje central igual o menor que dicho diámetro interior de dicha pluralidad de paletas desde dicho punto medio geométrico.

La definición de tales ubicaciones permite definir la ubicación de la primera y segunda entradas de combustible para el rendimiento mejorado del quemador descrito.

Preferiblemente, dicho primer punto es el punto a lo largo de dicho eje central más cercano a dicho primer extremo donde un plano perpendicular a dicho eje central en dicho punto interseca una sección de dicha pluralidad de paletas (es decir, interseca dicha pluralidad de paletas en un punto) que está adaptada para inducir un momento angular en un fluido que fluye a lo largo de dicha pluralidad de paletas. Así, en una unidad de quemador con una pluralidad de paletas que tienen una sección que no induce un momento angular en un fluido que fluye sobre ella (por ejemplo, las paletas que tienen una sección recta que no se mueve radialmente alrededor de un eje, particularmente un eje generalmente paralelo a dicho eje central) y un tramo curvo, se considera que el primer punto está al inicio del tramo curvo.

Dentro de la definición de la presente invención, dicha entrada de HCV puede estar hacia el segundo volumen o dicha entrada de LCV puede estar posicionada hacia el primer volumen. Cuando dicho reposicionamiento puede ser sólo en una medida en que la combustión no se vea afectada negativamente, es decir, el conjunto del quemador de remolino ya no es eficaz para su función.

El segundo volumen definido por la pared del quemador y el segundo extremo puede denominarse tubo de llama. Preferiblemente, el tubo de llama es generalmente cilíndrico y tiene un diámetro interior y un diámetro exterior y está dispuesto alrededor del eje central. Más preferiblemente, el diámetro interior del tubo de llama es entre 2 y 3 veces el diámetro exterior de la pluralidad de paletas. Aún más preferiblemente, el diámetro interior del tubo de llama es 2.5 veces el diámetro exterior de la pluralidad de paletas.

Preferiblemente, al menos una de la primera entrada de combustible y la segunda entrada de combustible es una boquilla. Cada al menos una boquilla está definida por al menos un orificio en dicha entrada de combustible, en la que al menos un orificio puede tener cualquier forma. La suma de áreas de al menos un orificio tiene un diámetro circular equivalente al de un único orificio circular. La suma de áreas de al menos un orificio también puede denominarse área de flujo, por ejemplo, una primera área de flujo de entrada de combustible o una segunda área de flujo de entrada de combustible, o un área de flujo de la primera o segunda entrada de combustible.

Dicha entrada puede ser un orificio en dicho primer o segundo tubo de combustible. No es necesario que dicha entrada esté situada en dicho segundo extremo de dicho primer o segundo tubo, pero puede estar situada a lo largo de dicho tubo. Cuando dicha primera o segunda entrada de combustible comprende una pluralidad de aberturas, la ubicación de la entrada de combustible se define preferiblemente en la media del área de flujo promedio ponderada a lo largo del eje central.

Preferiblemente, el conjunto de quemador comprende un encendedor. Preferiblemente, el encendedor está situado en el segundo volumen. Más preferiblemente, el encendedor se extiende hacia afuera desde el cuerpo desde el segundo volumen. Más preferentemente, un extremo de encendido del encendedor está situado dentro del segundo volumen. En determinadas realizaciones, el encendedor está situado más allá del segundo extremo del cuerpo. En ciertas realizaciones, el encendedor se extiende a través de la pared del quemador o a través de una segunda pared extrema del cuerpo.

A menos que el contexto indique lo contrario, la referencia aquí a una abertura es a un orificio, canal, abertura o paso en un componente, y dichos términos son intercambiables. Cada abertura puede tener una forma seleccionada independientemente del grupo que consiste en un orificio, un canal y una ranura. Cada abertura puede tener una forma de sección transversal seleccionada del grupo que consiste en círculo, óvalo, elipse, rectángulo, reniforme (es decir, con forma de riñón) y penanular (es decir, casi anular).

Preferiblemente, el conjunto de quemador es un quemador de gas de cola, donde un quemador de gas de cola es un quemador adecuado para quemar gases residuales de ánodo y cátodo de una pila de celda de combustible.

El conjunto de quemador de remolino es integral con un conjunto o sistema de celda de combustible, preferiblemente con un sistema de celda de combustible de óxido sólido, más preferiblemente aún con un sistema de celda de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia.

Preferiblemente, la entrada de oxidante está en comunicación de flujo de fluido con una fuente de oxidante. Más preferiblemente, la entrada de oxidante está en comunicación de flujo de fluido con al menos una salida de gases de escape del cátodo de la celda de combustible. Preferiblemente, al menos una unidad de quemador está en comunicación de flujo de fluido con al menos una salida de gas de escape del ánodo de la celda de combustible. Más preferiblemente, la primera entrada de combustible de al menos una unidad de quemador está en comunicación de flujo de fluido con al menos una fuente de combustible para un sistema de celda de combustible. Preferiblemente, la segunda entrada de combustible de al menos una unidad de quemador está en comunicación de flujo de fluido con al menos una salida de gases de escape del ánodo de la celda de combustible.

Preferiblemente, el sistema de celda de combustible es un sistema de celda de combustible de óxido sólido (SOFC). Más preferentemente, el sistema de celda de combustible es un sistema de celda de combustible de óxido vendido de temperatura intermedia (IT-SOFC).

El conjunto de quemador estará formado a partir de materiales conocidos en la técnica, por ejemplo, aleaciones metálicas para tuberías y paredes y vidrio para los tubos. Debido a las altas temperaturas, los materiales deben tener resistencia a altas temperaturas.

También se proporciona de acuerdo con la presente invención un método para operar un sistema de celda de combustible de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 9 adjuntas, el método que comprende las etapas de:

(i) dirigir un oxidante a dicha entrada de oxidante;

(ii) dirigir selectivamente el primer combustible a dicha primera entrada de combustible y dirigir selectivamente el segundo combustible a dicha segunda entrada de combustible; y

(iii) quemar el combustible o combustibles dirigidos selectivamente en dicho segundo volumen después de salir de uno de:

a. la placa del quemador o mezclador;

b. la segunda entrada de combustible; o

c. la placa del quemador o mezclador y la segunda entrada de combustible.

Preferiblemente, cuando el primer combustible (combustible HCV) se suministra a dicha primera entrada de combustible (entrada de combustible HCV), dicho oxidante y dicho flujo de combustible HCV convergen en dicho primer volumen entre la primera entrada de combustible y el quemador de remolino, y cuando el segundo combustible (combustible LCV) se suministra a dicha segunda entrada de combustible (entrada de combustible LCV), dicho oxidante y dicho flujo de combustible LCV convergen en el segundo volumen entre el quemador de remolino y el segundo extremo.

Preferiblemente, la conexión, por ejemplo, la línea de derivación, se usa para conectar el primer conducto de combustible al segundo conducto de combustible para suministrar una mezcla de los dos combustibles a la segunda entrada de combustible, mediante lo cual la mezcla de los dos combustibles se quema en dicho segundo volumen después de salir de la segunda entrada de combustible.

Como se detalló anteriormente, preferiblemente, el combustible HCV es un combustible que comprende metano, etano o propano o cualquier combinación de los mismos. Más preferentemente, se considera que el combustible HCV son combustibles con un índice de Wobbe entre 36 y 85 MJ/m(i) *3. Un combustible HCV típico es el gas natural: el índice de Wobbe para el gas natural es de 48 a 54 MJ/m3.

Preferiblemente, el combustible LCV es un combustible que tiene una alta fracción de H<2>, CO o CO<2>. Más preferiblemente, el índice de Wobbe para un combustible LCV está típicamente entre 18 y 35 MJ/m3, más preferiblemente 22 y 26.53 MJ/m3.

Preferiblemente, el sistema de celda de combustible es operable selectivamente en un primer modo, un segundo modo, un tercer modo y un cuarto modo opcional, caracterizándose cada modo de la siguiente manera:

(i) el primer modo tiene el primer combustible suministrado a dicha primera entrada de combustible a través del primer conducto de combustible, convergiendo así dicho oxidante y dicho primer combustible y mezclándose en dicho primer volumen entre dicha primera entrada de combustible y dicha placa de quemador o mezclador, y en el que el segundo combustible no se suministra a la segunda entrada de combustible;

(ii) el segundo modo tiene dicho primer combustible suministrado a dicha primera entrada de combustible a través del primer conducto de combustible, convergiendo así dicho oxidante y dicho primer combustible y mezclándose en dicho primer volumen entre dicha primera entrada de combustible y dicha placa de quemador o mezclador, y dicho segundo combustible se suministra a dicha segunda entrada de combustible, convergiendo así dicho oxidante y dicho segundo combustible y mezclándose en dicho segundo volumen;

(iii) el tercer modo tiene dicho primer combustible suministrado a dicha segunda entrada de combustible a través de dicha al menos una conexión, y dicho segundo combustible también se suministra a dicha segunda entrada de combustible, mezclándose así dicho primer combustible y dicho segundo combustible para salir de la segunda entrada de combustible como una mezcla de los dos combustibles,

en la que dicho oxidante y dicha mezcla luego convergen y se mezclan en dicho segundo volumen para la combustión;

(iv) el cuarto modo opcional tiene dicho segundo combustible suministrado a dicha segunda entrada de combustible, dicho oxidante y dicho segundo combustible convergen y se mezclan en dicho segundo volumen para la combustión, y en el que el primer combustible no se suministra ni a la primera entrada de combustible ni a la segunda entrada de combustible.

Los modos pueden referirse a diferentes modos de funcionamiento, como arranque, calentamiento, estado estable y apagado. Dentro de estos modos, los niveles de temperatura pueden dar lugar a diferentes requisitos, tales como el uso de la línea de derivación para evitar la coquización. Por lo tanto, el sistema de celda de combustible puede alternar entre el uso de la línea de derivación en diferentes modos según lo requiera el sistema de celda de combustible. Esto proporciona las ventajas del conjunto de quemador de remolino en términos de rendimiento de combustión mejorado pero también mejora la longevidad del sistema debido al riesgo reducido de formación de coque.

El cuarto modo es el modo de estado estable e idealmente se utiliza ese modo en el que no se consume gas combustible, es decir, el primer combustible no se suministra ni a la primera entrada de combustible ni a la segunda entrada de combustible. Sin embargo, puede haber algunos sistemas de celda de combustible en los que sea deseable utilizar siempre una alimentación lenta de gas combustible.

Preferiblemente, el sistema tiene además un quinto modo seleccionable en el que dicho primer combustible y dicho segundo combustible se suministran ambos a dicha segunda entrada de combustible, convergiendo y mezclándose dichos combustibles primero y segundo, convergiendo y mezclándose luego la mezcla con dicho oxidante en dicho segundo volumen para combustión, y en el que el primer combustible también se suministra a la primera entrada de combustible para mezclarlo con el oxidante también en el primer volumen. Esto permite que la línea de derivación proporcione una cantidad variable de primer combustible a la segunda entrada de combustible (y por lo tanto a la primera entrada de combustible), permitiendo así modos en los que el primer combustible hace la transición, como cuando se cambian los modos de operación. El caudal variable se puede controlar, por ejemplo, mediante una válvula variable.

Preferiblemente, la proporción de la mezcla del primer y segundo combustible es variable y controlada por un procesador. Esto permite niveles preestablecidos donde el flujo está predecidido, o lecturas, como las de sensores, que pueden dictar el flujo requerido para las salidas requeridas.

Preferiblemente, la relación de los caudales del primer combustible a la primera entrada de combustible y a la segunda entrada de combustible es variable y controlada por un procesador. Esto permite variar el combustible y, por lo tanto, las características de combustión para permitir los resultados deseados.

Más preferiblemente, las dos relaciones pueden controlarse mediante un procesador común. Asimismo, los caudales de todos los combustibles y oxidantes pueden controlarse mediante un procesador, normalmente un procesador común.

Preferiblemente, el oxidante es aire o gas de escape del cátodo de una celda de combustible en funcionamiento (dicho oxidante está entonces parcialmente empobrecido en oxígeno en comparación con el aire). Más preferiblemente, dicho oxidante es un gas de escape del cátodo de una celda de combustible de óxido sólido en funcionamiento, más preferiblemente una celda de combustible de óxido sólido en funcionamiento a temperatura intermedia.

El combustible LCV puede formarse mediante el reformado de combustibles de hidrocarburos, tales como un combustible HCV, y el proceso de reformado puede incluir un tratamiento con un oxidante como aire o vapor. El LCV puede sufrir una reacción electroquímica en la celda de combustible antes de ingresar al conjunto del quemador de remolino. Los gases de escape del ánodo de la celda de combustible SOFC pueden considerarse un combustible LCV.

Preferiblemente, la reformación de combustibles de hidrocarburos se produce en un sistema de celda de combustible. Más preferiblemente, el conjunto de quemador de remolino es integral con un sistema de celda de combustible y quema los gases de escape del ánodo producidos por el sistema de celda de combustible.

Preferiblemente, el combustible HCV y/o el combustible LCV se enciende o quema en el segundo volumen mediante un encendedor. Más preferiblemente, el encendido se produce aguas abajo de la pluralidad de paletas. Preferiblemente, la etapa de quemar dicho combustible en dicho segundo volumen comprende encender y quemar dicho combustible en dicho segundo volumen.

Preferiblemente, al menos uno del primer volumen y el segundo volumen es un volumen sellado o cerrado. Más preferiblemente, la unidad de quemador forma un sello cuando se extiende hacia afuera desde una abertura en dicho cuerpo.

Preferiblemente, los gases quemados fluyen o se escapan desde el segundo volumen a través del segundo extremo (es decir, el extremo aguas abajo) del cuerpo.

El hecho de que la pared del quemador separe el primer volumen del segundo volumen permite que se produzca la combustión del combustible y que se limite al segundo volumen. Esto permite el control de la mezcla de los diferentes combustibles en partes específicas del conjunto del quemador de remolino antes de la combustión. Esto permite diferentes cantidades de mezcla y diferentes intensidades de mezcla, en particular porque todo el oxidante y el combustible HCV, cuando se suministra a la primera entrada de combustible, debe pasar a través de la pluralidad de paletas para llegar al tubo de llama.

El flujo a través de la pluralidad de paletas provoca una mayor mezcla de flujos antes del tubo de llama donde está confinada la combustión.

La combustión de la mezcla de oxidante y combustible se produce en el segundo volumen y los productos de esta combustión salen del conjunto del quemador. Preferiblemente, el calor producido a partir de este proceso se usa para calentar la pila de celda de combustible y el sistema de celda de combustible. Preferiblemente, el flujo del oxidante y al menos un combustible HCV y combustible LCV son tales que la relación de oxidante a combustible (lambda) del flujo de gas al conjunto de quemador de remolino está entre 1 y 20 lambda, más preferiblemente entre 1 y 18 lambda, más preferiblemente entre 1 y 10 lambda o entre 2 y 18 lambda. Más preferiblemente, cuando el quemador de remolino tiene un flujo de oxidante y combustible HCV (sin combustible LCV), el conjunto de quemador de remolino funciona con una relación de oxidante a combustible de menos de 5 lambda.

La medida relevante de lambda es la de las entradas del quemador, es decir, las entradas de oxidante, HCV y LCV.

Como el conjunto de quemador es integral con un sistema de celda de combustible, es ventajoso que el conjunto de quemador pueda funcionar en un rango lambda grande ya que el flujo de oxidante y, hasta cierto punto, el flujo LCV al conjunto de quemador está dictado por la pila de celda de combustible y la corriente eléctrica se alimentan de ella. Como tal, un rango de operación lambda grande donde el conjunto de quemador mantiene una combustión estable (a) evitará que el conjunto de quemador dicte la operación de la celda de combustible al limitar el flujo de oxidante, y/o (b) permitirá el flujo de todos los gases de escape cátodos y ánodos al conjunto del quemador.

El diámetro equivalente de al menos una boquilla de la primera entrada de combustible o de la segunda entrada de combustible puede definirse por la velocidad requerida a través de ellas. Preferiblemente, la velocidad del combustible HCV a través de la primera entrada de combustible de al menos una unidad de quemador está entre 3 y 6 m/s. Más preferiblemente, la velocidad del combustible LCV a través de la segunda entrada de combustible de al menos una unidad de quemador está entre 10 y 35 m/s.

De acuerdo con un aspecto alternativo de la presente invención, se proporciona un conjunto de quemador de remolino que comprende:

(ii) una pared de extremo en dicho primer extremo,

(iii) una pared de quemador ubicada entre dicho primer extremo y dicho segundo extremo, y que define un primer volumen desde dicho primer extremo hasta dicha pared de quemador, y un segundo volumen desde dicha pared de quemador hasta dicho segundo extremo,

(iv) una entrada de oxidante a dicho primer volumen,

(v) al menos una unidad de quemador hueca longitudinalmente alargada que tiene un primer extremo de la unidad de quemador que se extiende hacia afuera de una abertura en dicho cuerpo desde dicho primer volumen, extendiéndose la unidad de quemador a través de una abertura en dicha pared de quemador desde dicho primer volumen hasta dicho segundo volumen para un segundo extremo de la unidad de quemador, y que define un volumen interior de la unidad de quemador, y que comprende:

(a) un mezclador de remolino de remolino axial colocado hacia el interior de la unidad de quemador y ubicado entre dicho primer extremo de la unidad de quemador y dicho segundo extremo de la unidad de quemador, comprendiendo dicho mezclador de remolino una pluralidad de paletas que tienen un diámetro interior y un diámetro exterior, un primer lado que está colocado hacia dicho primer volumen y se abre hacia dicho primer volumen, y un segundo lado colocado hacia dicho segundo volumen y se abre hacia dicho segundo volumen,

(b) una primera entrada de combustible a dicho primer volumen, dicha primera entrada de combustible situada entre dicha entrada de oxidante y dicho mezclador de remolino y radialmente hacia el interior de dicho diámetro exterior de dicha pluralidad de paletas, y

(c) una segunda entrada de combustible en dicho segundo volumen proximal a dicho segundo extremo de la unidad de quemador y radialmente hacia el interior de dicho diámetro exterior de dicha pluralidad de paletas,

donde cada al menos una unidad de quemador:

(A) define un primer punto que es el punto a lo largo de dicho eje central más cercano a dicho primer extremo donde un plano perpendicular a dicho eje central en dicho punto interseca dicha pluralidad de paletas de dicho mezclador de remolino de unidad de quemador;

(B) define un segundo punto que es el punto a lo largo de dicho eje central más alejado de dicho primer extremo donde un plano perpendicular a dicho eje central en dicho punto interseca dicha pluralidad de paletas de dicho mezclador de remolino de unidad de quemador; y

(C) define un punto medio geométrico a lo largo de dicho eje central equidistante de dicho primer punto y dicho segundo punto,

En el que:

cada primera entrada de combustible está situada en un punto entre dicha entrada de oxidante y dicho mezclador de remolino que interseca con un plano perpendicular a dicho eje central, y cuyo plano interseca con un punto a lo largo de dicho eje central entre 1 y 2 diámetros circulares equivalentes de dicha primer área de flujo de entrada de combustible desde dicho primer punto, y

cada segunda entrada de combustible está ubicada en un punto entre dicha primera entrada de combustible y dicho segundo extremo que se interseca con un plano perpendicular a dicho eje central, y cuyo plano se interseca con un punto a lo largo de dicho eje central igual o menor que dicho diámetro interior de dicha pluralidad de paletas desde dicho punto medio geométrico.

En un aspecto adicional, se proporciona un método para operar un sistema de celda de combustible como se describe anteriormente, el método comprende las etapas de:

(i) suministrar un oxidante a dicha entrada de oxidante;

(ii) suministrar selectivamente el primer combustible a dicha primera entrada de combustible y suministrar selectivamente el segundo combustible a dicha segunda entrada de combustible, teniendo el primer combustible y el segundo combustible diferentes valores caloríficos; y

(iii) quemar el combustible o combustibles suministrados selectivamente en dicho segundo volumen después de salir de uno o ambos del mezclador de remolino o de la segunda entrada de combustible.

El término “que comprende”, tal como se usa en el presente documento para especificar la inclusión de componentes, también incluye realizaciones en las que no están presentes más componentes.

Aspectos particulares y preferidos de la invención se exponen en las reivindicaciones independientes adjuntas. Breve descripción de los dibujos

Figura 1

muestra una vista esquemática en planta en corte parcial de un conjunto de quemador de remolino adecuado para su uso en la presente invención;

Figura 2

muestra un esquema detallado de la característica marcada como A' en la Figura 1;

Figura 2A

muestra un esquema de un conjunto de quemador axial adecuado para su uso en la presente invención;

Figura 3A

muestra una vista esquemática de un sistema de celda de combustible de acuerdo con la presente invención y que incluye el conjunto de quemador de las Figuras 1 a 2A; y,

Figuras 3B-D

muestran respectivas vistas esquemáticas de sistemas de celda de combustible alternativos al de la Figura 3A.

Una divulgación completa y habilitante de la presente invención, incluyendo la mejor forma de la misma, para un experto en la técnica, se establece más particularmente en el resto de la especificación. Ahora se hará referencia en detalle a las realizaciones de la invención, uno o más ejemplos de las cuales se exponen a continuación. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, no de limitación de la misma.

Será evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, las características descritas como parte de una realización se pueden utilizar en otra realización para producir aún una realización adicional. Por lo tanto, se pretende que la presente invención cubra aquellas modificaciones y variaciones que entren dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Otros objetos, características y aspectos de la presente invención se divulgan en el resto de la especificación. Un experto en la técnica debe entender que la presente discusión es una descripción de realizaciones ejemplares únicamente y no pretende limitar los aspectos más amplios de la presente invención, cuyos aspectos más amplios se incorporan en las construcciones ejemplares.

Al final de la descripción se proporciona una lista de los símbolos de referencia utilizados en el presente documento. El uso repetido de símbolos de referencia en la presente especificación y dibujos tiene como objetivo representar características o elementos iguales o análogos.

Para los fines de esta descripción, se debe entender que el término quemador, quemador axial, conjunto de quemador axial, quemador de remolino, quemador de gas de cola y conjunto de quemador de remolino se refiere al conjunto de quemador de la invención y, cuando sea apropiado, ellos son fácilmente intercambiables.

En las realizaciones específicas siguientes, el sistema de celda de combustible es un sistema IT-SOFC (celda de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia) que comprende al menos una pila de celda de combustible, donde las celdas de combustible de al menos una pila de celda de combustible normalmente funcionan en el rango de 450 - 650 grados C.

Con referencia a la Figura 1, se muestra un conjunto 10 de quemador de remolino. El conjunto 10 de quemador de remolino comprende un cuerpo 12 de quemador de remolino generalmente cilíndrico (es decir, predominantemente cilíndrico) que tiene un eje 12' central, una pared 16 de extremo superior del cuerpo de quemador de remolino y una pared 14 de extremo inferior del cuerpo de quemador de remolino, donde la pared 14 de extremo inferior del cuerpo de quemador de remolino define un extremo 30 aguas abajo del cuerpo de quemador de remolino.

El conjunto 10 de quemador de remolino está segmentado por una pared 40 de quemador que interseca el cuerpo 12 radialmente a través de su forma cilíndrica. La pared 40 de quemador tiene una cara 42 aguas abajo que mira hacia el extremo 30 aguas abajo del cuerpo del quemador de remolino. La pared 40 de quemador también tiene una cara 44 aguas arriba que mira a la pared 16 del extremo superior del cuerpo del quemador de remolino. La porción del cuerpo 12 entre la pared extrema superior del cuerpo 16 y la pared 40 de quemador define una primera sección denominada en el presente documento tubo 50 del quemador. La porción del cuerpo 12 entre la pared 40 de quemador y la pared 14 extrema inferior del cuerpo define una segunda sección que es generalmente cilíndrica y tiene una superficie 64 interior del cuerpo y una superficie 66 exterior del cuerpo.

El primer volumen 52 está definido por (es decir, está definido entre) la cara 44 aguas arriba de la pared de quemador, la cara 54 interior de la pared 16 del extremo superior del cuerpo del quemador de remolino y la superficie 56 interior del tubo del quemador. De manera similar, el segundo volumen 62 está definido por (es decir, está definido entre) la superficie 64 interior del cuerpo, la pared 14 extrema inferior del cuerpo del quemador de remolino y la cara 42 aguas abajo de la pared del quemador.

La unidad 100 de quemadortiene un primer extremo 20 de unidad de quemador y un segundo extremo 124 de unidad de quemador. El primer extremo 20 de la unidad de quemador (el extremo aguas arriba) sobresale del conjunto 10 de quemador de remolino y particularmente del primer volumen 52 a través de la abertura 16' en la pared 16 extrema superior del cuerpo del quemador de remolino. El segundo extremo 124 de la unidad de quemador (el extremo aguas abajo) sobresale desde el primer volumen 52 al segundo volumen 62 a través de la abertura 40' en la pared 40 del quemador.

La pared 40 de quemador y la pared 16 del extremo superior del cuerpo del quemador de remolino tienen aberturas (abertura 40' y abertura 16' respectivamente) definidas en ellas para permitir el paso o colocación de la unidad 100 de quemador a través de ellas. Esto permite la fabricación de la unidad 100 de quemador separada del cuerpo 12 de quemador de giro. Por lo tanto, el montaje simplemente requiere la colocación de la unidad 100 de quemador a través de la abertura 16' en la pared 16 del extremo superior del cuerpo del quemador de remolino y la abertura 40' en la pared 40 de quemador.

El hombro 112 de la unidad 100 de quemador hace contacto con la pared 40 de quemador y evita que la unidad 100 de quemador avance más hacia el interior del cuerpo 12 del quemador de remolino y el segundo volumen 62. La unidad 100 de quemador se fija entonces en su lugar mediante la unión de la unidad 100 de quemador al cuerpo 12 de quemador de remolino en la pared 16 del extremo superior del cuerpo de quemador de remolino mediante soldadura. En otras realizaciones se utilizan otras técnicas de unión, incluyendo soldadura, soldadura fuerte, soldadura a puntos o cualquier otra técnica de unión conocida en el arte. Esto da como resultado la creación de un sello entre la unidad 100 de quemador y la pared 16 del extremo superior del cuerpo del quemador de remolino de manera que el primer volumen (primer volumen 52) quede encerrado. De manera similar, con el hombro 112 en contacto con la pared 40 del quemador, se efectúa un sellado entre ellos.

Aunque a continuación se describe una única unidad de quemador, en otras realizaciones (no mostradas) se usan múltiples unidades 100 de quemador donde pasan a través del cuerpo 12 de quemador de remolino (por ejemplo a través de la pared 16 extrema superior del cuerpo de quemador de remolino), a través del primer volumen 52, a través de la pared 40 de quemador y al segundo volumen 62.

En el conjunto 10 de quemador de remolino como se muestra en la Figura 1, la unidad 100 de quemador pasa a través del primer volumen 52 y está situada en su mayor parte equidistante de la superficie 56 interior del tubo del quemador. Parte de la superficie 56 interior del tubo del quemador tiene una abertura para permitir la alimentación de aire a través de la entrada 70 de aire a través del cuerpo 12 del quemador de remolino hacia el primer volumen 52. De manera similar, pasando a través del cuerpo 12 del quemador de remolino está la abertura 82 del encendedor a través de la cual el encendedor 80 sobresale hacia el segundo volumen 62.

La posición del encendedor 80 y la entrada 70 de aire se muestra en la Figura 1 opuestas entre sí a través de un eje del cuerpo 12 del quemador de remolino, pero la posición de la entrada 70 de aire y el encendedor 80 puede variarse. Se alimenta aire al primer volumen 52 y se produce la ignición inicial en el segundo volumen 62 debido a una chispa del encendedor 80.

El segundo volumen 62 define un tubo de llama, en el que se producirá la combustión de gases.

Un escape del cuerpo del quemador de remolino está colocado proximal a la pared 14 extrema inferior del cuerpo del quemador de remolino y expulsa gases del segundo volumen 62, es decir, está en comunicación de flujo de fluido con él, pero por simplicidad y conveniencia no se muestra en la Figura 1.

Con referencia a la Figura 2, se muestra una vista más detallada del conjunto 10 de quemador de remolino y de la unidad 100 de quemador. La porción de la unidad 100 de quemador que pasa a través del primer volumen 52 tiene un cuerpo 110 exterior de unidad de quemador que es en su mayoría cilíndrico y está alineado en la misma dirección cilíndrica (en el eje 12' central) que el cuerpo 12 de quemador de remolino. La unidad 100 de quemador tiene una superficie 111 interior superior de unidad de quemador que mira en la dirección general de la pared 40 de quemador. El extremo de la unidad 100 de quemador que pasa a través de la abertura 40' en la pared 40 del quemador hacia el segundo volumen 62 es el segundo extremo 124 de la unidad de quemador (es decir, un extremo inferior de la unidad de quemador). El cuerpo 110 exterior de la unidad de quemador es un cuerpo amurallado y tiene un espesor. La superficie interior del cuerpo 110 exterior de la unidad de quemador es la cara 114 interior. El volumen 116 interior de la unidad de quemador está definido por (es decir, definido entre) la cara 114 interior, la superficie 111 interior superior de la unidad de quemador y el segundo extremo 124 de la unidad de quemador.

El cuerpo 110 exterior de la unidad de quemador sobresale a través de la abertura 40' en la pared 40 de quemador hacia el segundo volumen 62. Cuando el cuerpo 110 exterior de la unidad de quemador sobresale a través de la pared 40 del quemador, el cuerpo 110 exterior de la unidad de quemador tiene un hombro 112. El hombro 112 es escalonado remoto del primer extremo 20 de la unidad de quemador de manera que dicho espesor de pared del cuerpo 110 exterior de la unidad de quemador se reduce (en el conjunto 10 de quemador de remolino ensamblado, esto es en el punto donde la unidad 100 de quemador alcanza la cara 42 aguas abajo de la pared del quemador antes de sobresalir a través de la pared 40 de quemador). La porción del cuerpo 110 exterior de la unidad de quemador con una pared de espesor reducido es el collar 140 exterior, donde el collar 140 exterior comparte la misma cara 114 interior y tiene la superficie 144 exterior del collar exterior. El collar 140 exterior sobresale a través de la pared 40 de quemador hacia el segundo volumen 62 hasta el segundo extremo 124 de la unidad de quemador.

El hombro 112 está restringido contra la cara 42 aguas debajo de la pared del quemador, esto, ventajosamente, evita que el hombro 112 pase a través de la cara 44 aguas arriba de la pared del quemador cuando la unidad 100 de quemador se coloca a través de las aberturas en la pared 40 de quemador y la pared 16 del extremo superior del cuerpo del quemador de remolino. Al ensamblar el conjunto de quemador de remolino, esto permite la simple inserción de la unidad 100 de quemador en el cuerpo 12 de quemador de remolino, sin la necesidad de medir qué tan lejos debe colocarse a través del primer volumen 52. Esto permite el mecanizado de la unidad 100 de quemador y el posicionamiento del hombro 112 para definir la posición de la unidad 100 de quemador y da como resultado un posicionamiento más uniforme de las unidades 100 de quemador con respecto al cuerpo 12 del quemador de remolino independientemente del número de conjuntos 10 de quemadores de remolino que se fabrican. También da como resultado un proceso de ensamblaje más rápido de un conjunto 10 de quemador de remolino, ya que no se requieren mediciones adicionales para colocar la unidad 100 de quemador si la fabricación es uniforme.

El cuerpo 110 exterior de la unidad de quemador tiene al menos un orificio 115 de entrada de aire (en esta realización, una pluralidad de orificios 115 de entrada de aire) contiguo al primer volumen 52 y al volumen 116 interior de la unidad de quemador a través de la cara 114 interior. Estos orificios 115 de entrada de aire permiten el paso de gases desde el primer volumen 52 al volumen 116 interior de la unidad de quemador (o en dirección opuesta, sin embargo, el funcionamiento del conjunto 10 de quemador de remolino debería desalentar esto). Los orificios 115 de entrada de aire tienen forma cilíndrica y están dispuestos alrededor de la circunferencia de la forma cilíndrica del cuerpo 110 exterior. En otras realizaciones (no mostradas) son posibles otras geometrías de formas para los orificios 115 de entrada de aire.

Aparte de los orificios 115 de entrada de aire, el primer volumen 52 normalmente está sellado respecto del volumen 116 interior de la unidad de quemador que se encuentra dentro del mismo. Esto asegura que el aire desde la entrada 70 de aire debe viajar a través de los orificios 115 de entrada de aire antes de fluir hacia el segundo volumen 62.

Corriendo paralelo y posicionado radialmente dentro del cuerpo 110 exterior de la unidad de quemador está el tubo 120 de combustible HCV. El tubo 120 de combustible HCV sobresale a través de la superficie 111 interior superior de la unidad de quemador dentro de la unidad 100 de quemador hacia el volumen 116 interior de la unidad de quemador. El tubo 120 de combustible HCV es un cilindro con paredes con una superficie 121 interior del tubo de combustible HCV y una superficie 122 exterior del tubo de combustible HCV. En el extremo aguas abajo del tubo 120 de combustible HCV está la entrada 125 HCV.

Corriendo paralelo y posicionado radialmente internamente al tubo 120 de combustible HCV está el tubo 130 de combustible LCV. Los dedos 130' se extienden desde el tubo 130 de combustible de LCV y lo centralizan dentro del tubo 120 de combustible de HCV. El tubo 130 de combustible LCV sobresale a través de la superficie 111 interior superior de la unidad de quemador, pasa a través del volumen 123 interno del tubo de HCV, a través de la entrada 125 de HCV, a través del segundo extremo 124 de la unidad de quemador (a través de la abertura 40' en la pared 40 de quemador) y al interior del segundo volumen 62. El tubo 130 de combustible LCV es predominantemente un cilindro con paredes con una superficie 131 interior y una superficie 132 exterior. En el extremo aguas abajo del tubo 130 de combustible LCV está la entrada 135 LCV.

El volumen 123 interno del tubo HCV está definido por (es decir, definido entre) la superficie 121 interior del tubo de combustible HCV, la superficie 132 exterior del tubo LCV, la entrada 125 de HCV y el primer extremo 20 de la unidad de quemador. El volumen 133 interno del tubo LCV está definido por (es decir, definido entre) la superficie 131 interna del tubo LCV, la entrada 135 LCV y el primer extremo 20 de la unidad de quemador. Aunque no se muestra en las figuras, el extremo del tubo 120 de combustible HCV que continúa en dirección aguas arriba estará conectado a un suministro de combustible HCV; por ejemplo, el tubo 120 de combustible HCV puede acercarse al conjunto 10 de quemador de remolino desde una dirección perpendicular a la unidad 100 de quemador antes de alcanzar el primer extremo 20 de la unidad de quemador. Asimismo, el extremo del tubo 130 de combustible LCV que continúa en dirección aguas arriba se conectará a un suministro de combustible LCV.

La entrada 125 HCV está situada dentro del volumen 116 interior de la unidad de quemador, aguas arriba de la pared 40 de quemador, y la entrada 135 LCV está situada en el segundo volumen 62, por lo tanto aguas abajo de la pared 40 de quemador. La entrada 125 HCV está en un plano radial con el hombro 112, es decir, un plano perpendicular al eje del cilindro del cuerpo 12 del quemador de remolino. La entrada 135 LCV está más en la dirección aguas abajo, es decir, más hacia el extremo 30 aguas abajo del cuerpo del quemador de remolino que el segundo extremo 124 de la unidad de quemador.

El tubo 130 de combustible LCV no tiene ninguna abertura que conduzca directamente al volumen 123 interno del tubo de combustible HCV. Es decir, el volumen 123 interno del tubo HCV está sellado aparte de la abertura en la entrada 125 de HCV que es una abertura hacia el volumen interno 116 de la unidad de quemador. Asimismo, la única abertura dentro del conjunto 10 de quemador de remolino para el tubo 130 de combustible LCV es la abertura en la entrada 135 LCV al segundo volumen 62, es decir, el volumen 133 interno del tubo LCV está sellado aparte de la entrada 135 LCV. Como se discutió anteriormente, aunque no se muestra, los extremos del tubo 120 de combustible HCV y del tubo 130 de combustible LCV que continúan en dirección aguas arriba se conectarán a suministros de combustible apropiados.

Tal sellado asegura que no haya mezcla de los flujos a través de las tuberías de combustible o del aire dentro de los volúmenes internos de cada tubería. En funcionamiento, habrá un flujo a través de las tuberías en dirección aguas abajo, lo que garantizará además que ningún flujo de combustible o aire pueda retroceder por las tuberías cuando haya un flujo debido a la presión del flujo.

Aguas abajo de la entrada 125 de combustible HCV, es decir, más hacia el extremo 30 aguas abajo del cuerpo del quemador de remolino y aguas arriba de la entrada 135 de combustible de LCV, es decir, más lejos del extremo 30 aguas abajo del cuerpo del quemador de remolino, está el mezclador 150 de remolino. El mezclador 150 de remolino tiene paletas 155 para dirigir un flujo que pasa a través de ellas. Las paletas 155 se extienden desde la cara 114 interior del collar 140 exterior hasta el collar 160 interior, y más específicamente la superficie 162 exterior del collar interior. El collar 160 interior está colocado hacia dentro del collar 140 exterior, hacia fuera del tubo 130 de combustible LCV y se extiende desde el centro del mezclador 150 de remolino en dirección aguas abajo hacia el extremo 30 aguas abajo del cuerpo del quemador de remolino. El collar 160 interior no se extiende más allá en dirección aguas abajo que el segundo extremo 124 de la unidad de quemador, que es el mismo que el collar 140 exterior. El tubo 130 de combustible LCV pasa entre la superficie 163 interior del collar interior.

El mezclador 150 de remolino es un mezclador de remolino de remolino axial. Las paletas 155 son cualquier número de paletas que influyen en el flujo que pasa a través de ellas, de modo que provocan un remolino axial. El remolino axial es importante para reducir la longitud de la llama ya que se crea una zona de recirculación dentro del tubo de llama (es decir, el segundo volumen 62).

El collar 140 exterior y el collar 160 interior tienen ventajosamente un efecto sobre el flujo de oxidante y combustible hacia el segundo volumen 62, y sobre la colocación de la zona de recirculación formada por el mezclador 150 de remolino. Esto da como resultado un remolino mejorado para reducir la longitud de la llama y controla el asiento de la llama de manera que esté cerca del mezclador 150 de remolino pero no expuesto a él. Esto protege las paletas 155 y la entrada 135 LCV de la exposición a la combustión directa, evitando así deformaciones tales como picaduras en la superficie de la paleta o la superficie de entrada.

La Figura 2A muestra una disposición alternativa del conjunto 10 de quemador de remolino de las Figuras 1 y 2. Se muestra un conjunto de quemador que es un conjunto 10' de quemador axial. El conjunto 10' de quemador axial tiene las mismas características descritas anteriormente con referencia al conjunto 10 de quemador de remolino distinto del mezclador 150 de remolino. Por lo tanto, se utilizan números de referencia similares para describir el conjunto 10' de quemador axial y la descripción con referencia al conjunto 10 de quemador de remolino se aplica al conjunto 10' de quemador axial.

El conjunto 10' de quemador axial tiene una pared 40 de quemador que define el primer volumen 52 y el segundo volumen 62. El tubo 130 de combustible LCV pasa a través del primer volumen 52 y está conectado a la entrada 135 LCV que está colocada en el segundo volumen 62 para introducir combustible directamente a este segundo volumen 62 sin introducir el combustible en el primer volumen 52 y mezclarlo con un oxidante. Así mismo, la entrada de oxidante y la entrada de HCV introducen cada una respetuosamente oxidante y combustible de HCV en el primer volumen 52.

El quemador 100 está formado integralmente dentro del conjunto y tiene un segundo extremo 124 que mira hacia el segundo volumen 62. En el segundo extremo de la unidad 124 de quemador está prevista una placa 156 de quemador. La placa 156 de quemador está colocada a través de la pared 40 de quemador y mira hacia el primer volumen 52 en un lado y al segundo volumen 62 en el otro lado. Por lo tanto, la placa 156 de quemador reemplaza el mezclador 150 de remolino de la realización anterior.

La placa 156 de quemador tiene una pluralidad de aberturas 157 que definen canales de placa de quemador o conducto 157 entre el primer volumen 52 y el segundo volumen 62. Por lo tanto, un oxidante y combustible que se mezcla en el primer volumen 52 pasa a través de la pluralidad de conductos 157 de placa de quemador y se quema en el segundo volumen 62.

La pluralidad de conductos 157 de placa de quemador permite que el asiento de la llama esté muy cerca del segundo extremo 124 de la unidad 100 de quemador.

Con referencia a la Figura 3A, esta es una vista esquemática de parte de un diagrama de tuberías e instrumentación del sistema 800 de celda de combustible. Esto muestra una serie de entradas y salidas de flujo de fluido de un quemador 400 de gas de cola que opcionalmente tiene las características del conjunto 10 de quemador de remolino discutido anteriormente o un quemador sin un mezclador 150 de remolino, tal como el conjunto 10' de quemador axial discutido con referencia a la Figura 2A.

Se muestra esquemáticamente una pila 405 de celda de combustible. Cada celda de combustible en la pila tiene un lado 60 de cátodo, un lado 401 de ánodo y una capa de electrolito 501 entre el lado 60 de cátodo y el lado 401 de ánodo. Se proporciona un combustible a la pila 405 de celda de combustible. El combustible proporcionado puede ser el combustible HCV, tal como gas combustible o gas natural. El combustible se puede reformar a través de un reformador antes de la entrada a la pila 405 de celda de combustible.

La pila 405 de celda de combustible tiene salidas comunes desde los lados 60 del cátodo y los lados 401 del ánodo de todas las celdas respectivas. La salida del lado 60 del cátodo es el sistema D de tuberías de gas de escape del cátodo, esto proporciona una trayectoria de flujo de fluido de gas de escape del cátodo D entre la salida del lado 60 del cátodo y la entrada 83 de gas de escape del cátodo del quemador 400 de gas de cola. Cabe señalar que se prefiere que la entrada 83 de gas de escape del cátodo sea la entrada 70 de oxidante discutida anteriormente con referencia a las figuras anteriores.

Si bien se muestra que la trayectoria D de flujo de fluido de gas de escape del cátodo está conectada directamente entre el lado 60 del cátodo y el quemador 400 de gas de cola, en algunas realizaciones, la trayectoria D de flujo de fluido de gas de escape del cátodo puede pasar a través de sistemas adicionales tales como intercambiadores de calor. El aire al quemador también puede proporcionarse desde otras fuentes además de la trayectoria D de flujo de fluido de gas de escape del cátodo. Por ejemplo, la entrada 70 de oxidante y la entrada 83 de gas de escape del cátodo pueden estar separadas y proporcionar diferentes fuentes de aire.

El lado 401 del ánodo está en comunicación fluida con la entrada 821 de gas de escape del ánodo a través del sistema B de tuberías de gas de escape del ánodo que forma la trayectoria B de flujo de fluido de gas de escape del ánodo. La entrada 821 de gas de escape del ánodo es la entrada al tubo 130 de combustible LCV que conduce a la entrada 135 LCV como se discutió anteriormente con referencia al conjunto 10 de quemador de remolino o al conjunto 10' de quemador axial. Los términos combustible LCV y combustible de escape de ánodo son intercambiables.

Se proporciona una fuente 250 de combustible para un gas combustible (es decir, un combustible HCV). La fuente 250 de combustible está conectada a una entrada 805 de gas combustible en el quemador 400 de gas de cola a través de un flujo C de fluido de gas combustible que es un sistema C de tuberías de gas combustible. La entrada 805 de gas combustible es la entrada del tubo 120 de combustible HCV que conduce a la entrada 125 HCV como se discutió anteriormente con referencia al conjunto 10 de quemador de remolino y/o al conjunto 10' de quemador axial. Los términos combustible HCV, gas combustible y gas natural son intercambiables.

La fuente 250 de combustible puede proporcionarse a diversas otras partes del sistema 800 de celda de combustible, tal como proporcionar combustible para la pila 405 de celda de combustible. Esto no se muestra en la vista parcial del sistema de la Figura 3A.

En el sistema C de tuberías de gas combustible se proporciona una válvula 810. La válvula 810 es una válvula de tres vías en comunicación con la fuente 250 de combustible, el sistema C de tuberías de gas combustible y una línea A de derivación. La línea A de derivación forma una trayectoria A de flujo de fluido de combustible de escape al ánodo entre el combustible fuente 250 y el sistema B de tuberías de gas de escape del ánodo. Por lo tanto, la línea A de derivación permite el suministro de gas combustible a la entrada 821 de gas de descarga del ánodo.

Una porción del sistema B de tuberías de gas de descarga del ánodo que está aguas abajo de la conexión con la línea A de derivación (es decir, entre la línea de derivación y la entrada 821 de gas de escape), permitirá por lo tanto el flujo de un gas combustible y un gas de escape del ánodo. Esta porción de la conexión es la trayectoria B' de flujo de fluido de gas combustible y gas de escape del ánodo y, por lo tanto, puede producirse la mezcla de los dos combustibles en esta parte de mezcla del sistema B' de tuberías de gas de escape del ánodo. Por lo tanto, la línea A de derivación permite el suministro de gas combustible (es decir, combustible HCV) a la entrada 135 LCV. Esta entrega se controla como se discute en detalle a continuación.

Aunque se describe que la mezcla del gas combustible y el gas de escape del ánodo se produce en la porción de mezcla del sistema B' de tuberías de gas de escape del ánodo, se puede proporcionar un mezclador para permitir la mezcla de los combustibles. El mezclador puede tener la forma de una tubería que fomenta el flujo turbulento, o una cámara más grande para contener el combustible, u otras combinaciones para dar como resultado la mezcla de combustibles.

El quemador 805 de gas de cola tiene un escape 81 del quemador de gas de cola donde el combustible quemado, es decir, un gas combustible, gas de escape de ánodo o una combinación de los mismos con un oxidante, se expulsa del quemador 805 de gas de cola. Luego, el gas de escape pasa a través de una trayectoria E de flujo de fluido de gas de escape del quemador de gas de cola para su uso en otro lugar, que puede estar fuera del sistema de celda de combustible, como en los sistemas CHP

Como se discutió anteriormente, la válvula 810 de tres vías puede suministrar el flujo de combustible al sistema B de tuberías de gas de escape del ánodo y al sistema C de tuberías de gas combustible y las entradas y, por lo tanto, la entrada 125 HCV y la entrada 135 LCV conectadas a estas. La válvula 810 de tres vías no está en funcionamiento en todo momento. En cambio, se puede operar para dirigir todo el flujo de gas combustible al sistema C de tuberías de gas combustible, o todo el flujo al sistema B de tuberías de gas de escape del ánodo. El funcionamiento de la válvula 810 depende de en qué modo el sistema 800 de gas combustible está operando, tal como el arranque, calentamiento, funcionamiento, apagado y a qué temperatura está funcionando el sistema 800 de celda de combustible y particularmente la pila 405 de celda de combustible.

En algunas realizaciones, la válvula 810 de tres vías es operable para desviar una porción del flujo al sistema B de tuberías de gas de escape del ánodo, permitiendo así el flujo simultáneo de gas combustible tanto a la entrada 805 de gas combustible como a la entrada 821 del gas de escape del ánodo. Un controlador puede controlar la relación de flujo (variable) a esa válvula.

La Figura 3A (y las Figuras 3B, 3C y 3D) es un diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID), por lo tanto se apreciará que las entradas al quemador 400 de gas de cola mostrado en estas figuras son meramente ilustrativas, es decir, para por ejemplo, que la entrada 821 de gas de escape del ánodo se muestra entrando al quemador de gas de cola en el lado de la Figura 3A. Sin embargo, la Figura 2 requeriría que la entrada 821 de gas de escape del ánodo estuviera situada en el primer extremo del conjunto 10 de quemador debido a la ubicación del tubo 130 de combustible LCV. Por lo tanto, la Figura 3A no se limita a las posiciones de conexión mostradas, sino que muestra cómo se conectan los componentes. Esto también se aplica a la entrada de gas combustible y a la entrada 83 de gas de escape del cátodo. Así mismo, el símbolo usado para un quemador 400 de gas de cola de la Figura 3A no muestra una unidad 100 de quemador, un mezclador 150 de remolino o una placa 156 de quemador. Sin embargo, el quemador 400 de gas de cola puede ser el conjunto 10 de quemador de remolino o el conjunto 10' de quemador axial u otros conjuntos de quemador como se discutió anteriormente.

Con referencia a las Figuras 3B, 3C y 3D, éstas muestran respectivas vistas esquemáticas de sistemas de celda de combustible alternativos con modificaciones menores con respecto a las de la Figura 3A. Todos los números de referencia representan los mismos dispositivos y sistemas de tuberías. La Figura 3B simplemente muestra una válvula de suministro de combustible de dos vías de encendido/apagado aguas arriba de la válvula 250 de tres vías, pero por lo demás tiene el mismo diseño que la Figura 3A, aunque la disposición se representa de manera diferente. Las Figuras 3C y 3D simplemente reemplazan la válvula 250 de tres vías de la Figura 3A en la que los sistemas A y C de tuberías están conectados entre sí con respectivas válvulas 812 de apertura/cierre de dos vías, una respectivamente en cada uno de los sistemas A y C de tuberías, donde esas se encuentran aguas arriba en una conexión de junta permanentemente abierta. La figura 3D tiene además una válvula de suministro de combustible de dos vías de encendido/apagado aguas arriba de la conexión de junta abierta.

Los sistemas de tuberías descritos pueden tener cualquier forma adecuada para la transferencia de fluidos, particularmente combustibles, aire, oxidantes y gases residuales. Los sistemas de tuberías pueden ser una forma de tuberías tubulares, tuberías flexibles, etc. Es posible que los sistemas de tuberías deban soportar fluctuaciones de temperatura, incluidos flujos de alta temperatura.

En el sistema de celda de combustible, el quemador de gas de cola tiene cuatro modos de funcionamiento principales:

1) Calentamiento, sin reforma:

Cuando el sistema de celda de combustible está frío, es necesario calentar la pila antes de alcanzar el estado operativo. Esta fase inicial eleva la temperatura de la salida de la pila de celda de combustible a más de 275 grados C, más preferiblemente 300 grados C. El combustible puede ser gaseoso o vaporizado, pero en este modo es (sólo) combustible HCV el que se alimenta directamente al quemador.

Considerando el conjunto 10 o 10' de quemador de las Figuras 1, 2 y 2A y el sistema 800 de celda de combustible de la Figura 3A, en este modo, el combustible HCV (gas combustible) se alimenta al quemador a través del tubo 120 de combustible HCV de la unidad 100 de quemador. Por lo tanto, la válvula 810 de tres vías dirige todo el combustible HCV desde la fuente 250 de combustible a la entrada 805 de gas combustible a través del sistema C de tuberías de gas combustible. El combustible HCV sale del tubo 120 de combustible HCV por la entrada 125 HCV. Simultáneamente a esta operación, se alimenta aire al primer volumen 52 a través de la entrada 70 de aire, este es preferentemente gas de escape del cátodo a través del sistema D de tuberías de gas de escape del cátodo. El aire dentro de este volumen pasa a través de los orificios 115 de entrada de aire al volumen 116 interior de la unidad de quemador y fluye en dirección aguas abajo hacia el extremo 30 aguas abajo del cuerpo del quemador.

Antes de llegar al mezclador 150 de remolino o placa 156 de quemador, es decir, aguas arriba del mezclador 150 de remolino o placa 156 de quemador, el combustible HCV y el aire se exponen entre sí por primera vez desde que entraron en el cuerpo 12 de quemador. Es aquí donde tiene lugar la premezcla inicial del combustible HCV y el aire. La mezcla de aire y combustible HCV pasa a través del mezclador 150 de remolino o la placa 156 del quemador. El mayor grado de mezcla entre el combustible HCV y el aire se produce a través del mezclador 150 de remolino y justo en el segundo volumen 62. Esta área justo aguas abajo del mezclador 150 de remolino es la zona de mezcla. Es importante un alto grado de mezcla del combustible HCV con el aire para permitir una combustión completa y reducir la cantidad de emisiones no deseadas, como CO y NOx.

Aunque se ha utilizado el término “aire”, “oxidante” también es un término comúnmente utilizado para describir el medio que transporta oxígeno, junto con otros términos utilizados en la técnica. Como tal, el aire y el oxidante son intercambiables a los efectos de esta especificación.

Luego se enciende la mezcla de combustible HCV y aire mediante el encendedor 80. El mezclador 150 de remolino es un remolino axial, lo que da como resultado una región de flujo inverso o zona de recirculación dentro del segundo volumen 62. La zona de recirculación es tal que impacta no sólo en la zona de combustión, sino también en la zona de mezcla. Esto tiene una serie de beneficios idealmente la combustión de la mezcla de combustible de HCV debería ocurrir en esta zona ya que la mezcla será más intensa; Además, este flujo inverso tiene el efecto de reducir la longitud de la llama. Como resultado de la zona de recirculación, el asiento de la llama está justo aguas abajo del mezclador 150 de remolino. Así mismo, la placa 156 del quemadortiene el efecto de confinar las llamas a una región más pequeña cerca de la placa 156 del quemador. Esto se debe a la pluralidad de conductos 157 de placas de quemador que dan como resultado un mayor número de llamas con una longitud más corta.

Durante este modo de funcionamiento, el caudal de aire es controlado por el sistema de control que, entre otras medidas, mide la temperatura de entrada al quemador. El flujo de combustible HCV es controlado por el sistema de control mediante una válvula de control proporcional que varía el caudal de combustible HCV de acuerdo con la temperatura en el extremo aguas abajo del quemador. El caudal de aire a través del quemador en este modo puede variar de 70 a 116 SLM. Se espera que el caudal de combustible HCV esté entre 0.8 y 6 SLM. Cuando la relación de equivalencia aire-combustible (lambda) sea igual o inferior a 4.

La variación de la disposición y colocación de la entrada 125 de combustible HCV junto con el tamaño de los orificios en la entrada puede tener un efecto en la combustión y el funcionamiento del quemador, tal como producir diferentes emisiones que están más allá de los límites regulados.

2) Calentamiento. Reforma. Con quemador de gas trasero caliente.

El segundo modo de funcionamiento para el conjunto 10 de quemador de remolino o el conjunto 10' de quemador axial se produce a temperaturas de la pila de celda de combustible superiores a 275 grados C, más preferiblemente 300 grados C. Este modo hace la transición del combustible de un combustible HCV alimentado directamente a un combustible LCV desde la pila 405 de celda de combustible. Es decir, el combustible LCV puede ser un gas reformado o un gas de escape de ánodo resultante de la reacción de la celda de combustible.

El combustible LCV (gas de escape del ánodo) se alimenta al quemador 400 de gas de cola a través del tubo 130 de combustible LCV. Como se muestra en las Figuras 3A a 3D, el gas de escape del ánodo se suministra desde el lado 401 del ánodo de la pila 405 de celda de combustible a través del sistema B de tubería de escape del ánodo hasta la entrada 821 del gas de escape del ánodo. Este tubo 130 de combustible LCV pasa a través del centro del diámetro interior del mezclador 150 de remolino o la región interior de la placa 156 del quemadory al segundo volumen 62. Sólo en este punto se alimenta el combustible LCV al segundo volumen 62 a través de la entrada 135 LCV. En particular, esto se encuentra aguas abajo del asiento de la llama del combustible HCV.

Dado que el combustible LCV no pasa a través del mezclador 150 de remolino, hay un área de mezcla menos intensa con el aire en el segundo volumen 62 y sólo se produce una pequeña cantidad de mezcla con el aire antes de la combustión en comparación con el combustible HCV. Así mismo, debido a que el combustible LCV no pasa a través de la placa 156 de quemador, también se produce sólo una pequeña cantidad de mezcla con oxidante antes de la combustión. Sin embargo, para el combustible LCV, esto se prefiere ya que la composición no favorece un alto grado de precombustión de mezcla para dar como resultado menores emisiones de CO y NOx.

La combustión se produce aguas abajo de la entrada 135 de combustible del LCV. Hay un efecto complementario del mezclador 150 de remolino: la combustión de un combustible LCV normalmente da como resultado una llama más larga, es decir, una longitud mayor que una llama HCV, esto se debe en parte a la combustión menos intensa y al mayor flujo volumétrico; la región de flujo inverso desde el mezclador 150 de remolino reduce la longitud de la llama de combustible LCV. Tal reducción en la longitud de la llama es útil para ahorrar espacio, permitiendo un cuerpo 12 de quemador de remolino más corto y compacto, pero también para proteger la instrumentación hacia el extremo aguas abajo de, o incluso más allá del extremo aguas abajo del conjunto 10 de quemador de remolino (es decir, aguas abajo de la pared 14 del extremo inferior del cuerpo).

Calentamiento. Reforma. Con quemador de gas de cola caliente.

A medida que la temperatura de la pila aumenta hacia 550 grados C y está en el rango de 500 grados C a 550 grados C, se produce un submodo de este modo de funcionamiento.

El combustible HCV (gas combustible) se redirige y se alimenta al quemador a través del tubo 130 de combustible LCV de la unidad 100 de quemador. Por lo tanto, la válvula 810 de tres vías o las válvulas 812 de dos vías se mueven para dirigir todo el combustible HCV desde la fuente 250 de combustible a la entrada 821 de gas de escape del ánodo a través de la línea A de derivación que conecta la fuente 250 de combustible al sistema B de tubería de gas de escape del ánodo. El combustible LCV y el combustible HCV se alimentan así al conjunto 10 de quemador de remolino a través del tubo 130 de combustible LCV. El gas de escape del ánodo se suministra desde el lado 401 del ánodo de la pila 405 de celda de combustible a través del sistema B de tubería de gas de escape del ánodo hasta la entrada 821 del gas de escape del ánodo. Este tubo 130 de combustible LCV pasa a través del centro del diámetro interior del mezclador 150 de remolino y al segundo volumen 62. Sólo en este punto el combustible HCV y el combustible LCV se alimentan al segundo volumen 62 a través de la entrada 135 LCV.

Por lo tanto, el combustible HCV y el combustible LCV convergen en la porción de mezcla del sistema B' de tuberías de gas de escape del ánodo y la mezcla de los combustibles se produce en esta área y a través del tubo 130 LCV. Dado que la mezcla de combustible HCV y combustible LCV no pasa a través del mezclador 150 de remolino, hay un área de mezcla menos intensa con aire en el segundo volumen 62 y sólo una pequeña cantidad de mezcla con el aire antes de la combustión. Sin embargo, debido a la alta temperatura en este submodo, habría una tendencia a la formación de coque si se alimentara combustible HCV en la entrada 125 de combustible HCV, mientras que alimentar la mezcla de combustible LCV y combustible HCV en la entrada 135 de LCV reduce la probabilidad de formación de coque (porque el hidrógeno está presente en el combustible LCV) y, por lo tanto, la tendencia al bloqueo de las líneas de combustible de los HCV.

Por lo tanto, la provisión de la línea A de derivación permite una mayor flexibilidad en términos de cómo se opera el sistema y, por lo tanto, mejora el rendimiento del sistema (por ejemplo, tiempos de respuesta): el uso continuo en este submodo de una mezcla de combustible HCV y combustible LCV puede mejorar el tiempo de calentamiento en este modo, porque aumenta el flujo total de combustible.

Para explicarlo, cuando el sistema está en las etapas finales de calentamiento es necesario hacer fluir más combustible que durante el funcionamiento en estado estable, la celda de combustible consume el mismo combustible o más que en estado estable, pero produce menos energía, y la entrada de calor a la celda de combustible es mayor para elevar su temperatura. Si bien es posible proporcionar más combustible para vehículos comerciales ligeros, puede que no sea la opción óptima para un calentamiento más rápido, ya que se requieren mayores caudales y componentes del sistema más grandes; por ejemplo, es posible que el reformador deba ser más grande si solo se suministró LCV para lograr el mismo tiempo de calentamiento. Además, el calentamiento puede ralentizarse debido al aumento del flujo de combustible hacia la celda de combustible debido a la reacción endotérmica de reformado dentro de la propia pila.

A medida que la temperatura de la pila de celda de combustible aumenta hacia 550 grados C, el sistema de control reduce selectivamente el flujo de HCV y, por lo tanto, la operación mixta de los combustibles HCV y LCV avanza hacia una operación únicamente con combustible LCV a medida que la celda de combustible emprende reacciones electroquímicas.

3) Estado estable. Potencia completa.

En el tercer modo de funcionamiento, la pila de celda de combustible suele estar a aproximadamente 550 grados C (la temperatura exacta de las celdas de combustible individual y de los componentes de la celda de combustible individuales variará; las celdas de combustible de la pila de celda de combustible funcionarán en el rango de aproximadamente 500-610 grados C). Esta es predominantemente una situación de combustible LCV. En este modo, el combustible LCV continúa alimentándose al quemador a través del tubo 130 LCV. Sin embargo, el caudal de combustible del LCV ahora está determinado por la pila de celda de combustible y la salida eléctrica requerida por el sistema de celda de combustible.

Estado estable. Baja potencia

El flujo de aire a través del sistema de celda de combustible durante este submodo de operación está controlado por la temperatura de la pila de celda de combustible. Se monitoriza la temperatura de salida del quemador y, si cae por debajo de cierto umbral, se agrega combustible HCV adicional para aumentar la temperatura del sistema, lo que mantendrá o aumentará la temperatura de la pila de celda de combustible.

Cuando se requiere combustible HCV adicional, este se alimenta nuevamente al quemador a través del tubo 130 de combustible<l>C<v>de la unidad 100 de quemador. Por lo tanto, la válvula 810 de tres vías o las válvulas 812 de dos vías se mueven para dirigir todo el combustible HCV desde la fuente 250 de combustible a la entrada 821 de gas de escape del ánodo a través de la línea A de derivación que conecta la fuente 250 de combustible al sistema B de tubería de gas de escape del ánodo. La mezcla de los combustibles se produce en la porción de mezcla de la tubería B' del gas de escape del ánodo y en el tubo 130 LCV.

Este submodo de baja potencia es también un submodo en el que, debido a las temperaturas operativas más altas, podría haber una tendencia a la formación de coque si se alimentara combustible h Cv a la entrada 125 de HCV. La tendencia a que se produzca coquización se reduce con la mezcla de combustible HCV y combustible LCV y se suministra a través de la entrada 135 de LCV, en parte debido a la humedad del combustible LCV que, cuando se mezcla con el combustible HCV, ayuda a la reducción de coque. Alimentar combustible HCV así como combustible LCV también puede mejorar el uso del agua de reformado, porque el agua se usa en el reformado con vapor, que es el flujo hacia la pila 405 de celda de combustible. Alimentar combustible HCV así como combustible LCV puede permitir que la pila 405 de celda de combustible esté más caliente o que el sistema funcione de manera más eficiente, porque se puede aumentar el flujo total de combustible.

Por lo tanto, la provisión de la línea A de derivación permite nuevamente más flexibilidad en términos de cómo se opera el sistema, mejorando así el rendimiento del sistema.

4) Apagado

En el cuarto modo de operación, el flujo de combustible del LCV se reduce para reducir las temperaturas de la celda de combustible y del sistema de la celda de combustible hasta que la celda de combustible alcance alrededor de 450 °C, el flujo de combustible HCV hacia el sistema de celdas de combustible se detiene, lo que a su vez detiene el flujo de combustible LCV a través de la entrada 135 de combustible LCV, y la combustión cesa. A continuación, se deja que el sistema de celda de combustible se enfríe de forma natural.

La Tabla 1 a continuación resume cómo la presente invención mejora el funcionamiento del sistema en los cuatro modos de funcionamiento principales; en particular, muestra los dos submodos en los que es ventajoso hacer fluir combustible HCV al mezclador postremolino del quemador de gas de cola (o placa postquemador), para minimizar la tendencia a la formación de carbono. Por alimentación del mezclador preremolino o postremolino se entiende el lugar donde el combustible en cuestión entra al quemador de gas de cola (es decir, antes o después de las paletas de remolino o la placa del quemador en el conjunto de quemador axial).

“TGB caliente” suele ser cuando el suministro de aire/gas de escape del cátodo (corriente D) al quemador de gas de cola es >500 - 550 °C, mientras que “TGB cálido” suele ser cuando la entrada de aire al quemador de gas de cola es <500 - 550 C. La transición entre modos podría ser gradual y, por lo tanto, puede ser beneficioso tener una transición gradual del combustible HCV desde el mezclador pre al postremolino (placa pre y postquemador).

Tabla 1

En general, el diseño y el funcionamiento del sistema de celda de combustible y el conjunto del quemador de remolino dan como resultado menores emisiones cuando se alimentan con varios combustibles en modo único y en modo mixto, una reducción en la formación de coque además de operar en un amplio rango lambda y tener una longitud de llama pequeña que permite un diseño compacto.

La presente invención no se limita únicamente a las realizaciones anteriores, y otras realizaciones serán fácilmente evidentes para un experto en la técnica sin apartarse del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Señales de referencia:

10 Conjunto de quemador de remolino

10' Conjunto de quemador axial

12 Cuerpo del quemador de remolino/axial

12' Eje central

14 Pared del extremo inferior del cuerpo del quemador de remolino/axial 15 Escape del cuerpo del quemador de remolino/axial

16 Pared del extremo superior del cuerpo del quemador de remolino/axial 20 Primer extremo de la unidad de quemador

30 Cuerpo del quemador de remolino/axial extremo aguas abajo

40 Pared del quemador

42 Cara aguas abajo de la pared del quemador

44 Cara aguas arriba de la pared del quemador

50 Tubo quemador

52 Primer volumen

54 Cara interior

56 Superficie interior del tubo del quemador

60 Lado del cátodo

62 Segundo volumen

64 Superficie interior del cuerpo

66 Superficie exterior del cuerpo

70 Entrada de aire

80 Encendedor

81 Escape del quemador de gas de cola

82 Apertura del encendedor

83 Entrada de gas de escape de cátodo (entrada de oxidante)

100 Unidad de quemador/Quemador

110 Cuerpo exterior de la unidad de quemador

111 Superficie interior superior de la unidad de quemador

112 Hombro

114 cara interior

115 Orificios de entrada de aire

116 Volumen interior de la unidad de quemador

120 Tubo de combustible HCV

121 Superficie interior del tubo de combustible HCV

122 Superficie exterior del tubo de combustible HCV

123 Volumen interno del tubo HCV

124 Segundo extremo de la unidad del quemador

125 Entrada de HCV

130 Tubo de combustible LCV

130' Dedo

131 Superficie interior del tubo de combustible LCV

132 Superficie exterior del tubo de combustible LCV

133 Volumen interno del tubo LCV

135 Entrada de LCV

140 Collar exterior

144 Superficie exterior del collar exterior

150 Mezclador de remolino

155 Paletas

156 Placa de quemador

157 Conductos de la placa del quemador

160 Collar interior

162 Superficie exterior del collar interior

163 Superficie interior del collar interior

250 Fuente de combustible

400 Conjunto de quemador de remolino/quemador de gas de cola

401 Lado del ánodo

405 Pila de celda de combustible

501 Capa de electrolito

800 Sistema de celda de combustible

805 Entrada de gas combustible (combustible HCV)

810 Válvula de tres vías

812 Válvula de dos vías

821 Entrada de gas de escape del ánodo

A Trayectoria de flujo del fluido de gas combustible al fluido del gas de escape al ánodo - línea de derivación B Trayectoria de flujo del fluido de gas de escape del ánodo - sistema de tubería de gas de escape del ánodo B' Trayectoria de flujo del fluido del gas combustible y del gas de escape del ánodo - porción de mezcla del sistema de tubería de gas de escape del ánodo.

C Trayectoria de flujo del fluido del gas combustible - sistema de tubería del gas combustible

D Trayectoria del flujo de fluido de gas de escape del cátodo - sistema de tubería de gas de escape del cátodo E Trayectoria de flujo del fluido de gases de escape del quemador de gas de cola

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de celda de combustible que comprende:

un conjunto de quemador que comprende:

(iv) al menos un quemador alargado y hueco que linda con dicha pared del quemador o que se extiende a través de una abertura en dicha pared del quemador desde dicho primer volumen hasta dicho segundo volumen y que comprende:

(b) una primera entrada de combustible a dicho primer volumen para alimentar un primer combustible desde un primer conducto de combustible a dicho primer volumen; y,

2. El sistema de la reivindicación 1, en el que el sistema comprende una válvula de tres vías para la conexión selectiva del primer conducto de combustible al segundo conducto de combustible.

3. El sistema de cualquier reivindicación anterior, en el que, cuando comprende el mezclador, el mezclador es un mezclador de remolino axial que comprende una pluralidad de paletas que tienen una primera abertura lateral en dicho primer volumen y una segunda abertura lateral en dicho segundo volumen, o en el que, cuando comprende la placa del quemador, dicha placa del quemador comprende una pluralidad de conductos que se extienden entre dicho primer volumen y dicho segundo volumen.

4. El sistema de cualquier reivindicación anterior, que comprende además una pila de celda de combustible, y en el que el primer combustible comprende un gas combustible que no ha pasado a través de la pila de celda de combustible.

5. El sistema de cualquier reivindicación anterior, en el que el segundo combustible es un gas de escape del ánodo de una pila de celda de combustible del sistema de celda de combustible, comprendiendo además opcionalmente el sistema un sistema de tubería de gas de escape que conecta una salida de un ánodo de la pila de celda de combustible a dicha segunda entrada de combustible para el suministro del segundo combustible a la segunda entrada de combustible, en el que el segundo conducto de combustible forma parte del sistema de tubería de descarga de gas del ánodo.

6. El sistema de cualquier reivindicación anterior, que comprende además un primer sistema de tubería de gas que conecta una fuente de gas combustible a dicha primera entrada de combustible para el suministro del primer gas combustible a dicha primera entrada de combustible, en el que el primer conducto de combustible forma parte del primer sistema de tubería de gas, y opcionalmente en el que el primer combustible es uno cualquiera o más de gas suministrado por la red, gas natural, combustible de arranque o combustible de recarga.

7. El sistema de cualquier reivindicación anterior, en el que la conexión comprende una línea de derivación que se extiende desde dicho primer conducto de combustible hasta dicho segundo conducto de combustible para desviar selectivamente el primer combustible desde dicha primera entrada de combustible a dicha segunda entrada de combustible.

8. El sistema de cualquier reivindicación anterior, en el que al menos una de la primera entrada de combustible y la segunda entrada de combustible es una boquilla, y opcionalmente en el que al menos una boquilla está definida por al menos un orificio en su respectiva entrada de combustible.

9. El sistema de cualquier reivindicación anterior, en el que al menos una de la primera entrada de combustible y la segunda entrada de combustible es un orificio en, respectivamente, un primer tubo de combustible o un segundo tubo de combustible, y opcionalmente en el que dicha primera, y/o segunda, entrada de combustible no está situada en un extremo de su respectivo tubo de combustible, sino que está situada a lo largo de su respectivo tubo de combustible.

10. Un método para operar un sistema de celda de combustible de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, el método comprende las etapas de:

(i) dirigir un oxidante a dicha entrada de oxidante;

a. la placa del quemador o mezclador;

b. la segunda entrada de combustible; o

c. la placa del quemador o mezclador y la segunda entrada de combustible.

11. El método de la reivindicación 10, que comprende el uso de la conexión para conectar el primer conducto de combustible al segundo conducto de combustible para entregar una mezcla de los dos combustibles a la segunda entrada de combustible, mediante el cual la mezcla de los dos combustibles se quema en dicho segundo volumen después de salir de la segunda entrada de combustible.

12. El método de acuerdo con la reivindicación 10, en el que el sistema de celda de combustible se puede operar selectivamente en un primer modo, un segundo modo, un tercer modo y un cuarto modo opcional, cada modo caracterizado como sigue:

(i) el primer modo tiene el primer combustible dirigido a dicha primera entrada de combustible a través del primer conducto de combustible, convergiendo así dicho oxidante y dicho primer combustible y mezclándose en dicho primer volumen entre dicha primera entrada de combustible y dicha placa de quemador o mezclador, y en el que el segundo combustible no se suministra a la segunda entrada de combustible;

(ii) el segundo modo tiene dicho primer combustible dirigido a dicha primera entrada de combustible a través del primer conducto de combustible, convergiendo así dicho oxidante y dicho primer combustible y mezclándose en dicho primer volumen entre dicha primera entrada de combustible y dicha placa de quemador o mezclador, y dicho segundo combustible se suministra a dicha segunda entrada de combustible, convergiendo así dicho oxidante y dicho segundo combustible y mezclándose en dicho segundo volumen;

(iii) el tercer modo tiene dicho primer combustible dirigido a dicha segunda entrada de combustible a través de dicha al menos una conexión, y dicho segundo combustible también se dirige a dicha segunda entrada de combustible, mezclándose así dicho primer combustible y dicho segundo combustible para salir de la segunda entrada de combustible como una mezcla de los dos combustibles,

en el que dicho oxidante y dicha mezcla luego convergen y se mezclan en dicho segundo volumen para la combustión;

13. El método de la reivindicación 12, teniendo el sistema además un quinto modo seleccionable en el que dicho primer combustible y dicho segundo combustible se dirigen ambos a dicha segunda entrada de combustible, convergiendo y mezclándose dichos combustibles primero y segundo, convergiendo luego y mezclándose la mezcla con dicho oxidante en dicho segundo volumen para combustión, y en el que el primer combustible también se dirige a la primera entrada de combustible para mezclarlo con el oxidante también en el primer volumen.

14. El método de la reivindicación 13, en el que la proporción de la mezcla del primer y segundo combustible es variable y controlada por un procesador.

15. El método de la reivindicación 13 o la reivindicación 14, en el que la relación de los caudales del primer combustible a la primera entrada de combustible y a la segunda entrada de combustible es variable y controlada por un procesador.