ITMI20091246A1 - Apparato e metodo per la gestione termica di pile mcfc - Google Patents

Description

“APPARATO E METODO PER LA GESTIONE TERMICA DI PILE MCFC†di ANSALDO FUEL CELLS S.P.A.

La presente invenzione à ̈ relativa a un apparato e ad un metodo di gestione termica di pile MCFC (celle a combustibile a carbonati fusi). Oltre che vantaggiosamente applicabile in diverse situazioni che si incontrano nella generazione distribuita, l’invenzione à ̈ particolarmente importante per superare i nodi tecnici connessi alla separazione di CO2 da flussi gassosi, in particolare da fumi di combustione, tramite sistemi MCFC, applicazione a cui si farà principalmente riferimento nel seguito a puro titolo esemplificativo.

È noto l’impiego di celle a combustibile a carbonati fusi (celle MCFC) in sistemi di separazione di CO2 da fumi di combustione, operanti sia a pressione atmosferica che in pressione.

Siccome però, in generale, le celle MCFC disponibili sul mercato sono concepite essenzialmente per essere adoperate come generatori e con alimentazione catodica costituita da aria più esausto anodico, il loro uso come separatori di CO2 da fumi di combustione non consente di sfruttarne appieno le potenzialità.

In particolare, le soluzioni operanti a pressione atmosferica non sono utilizzabili vantaggiosamente perché richiederebbero un cleaning dei fumi estremamente spinto: per avere durate accettabili, infatti, occorrerebbe pulire i fumi fino a portarli quasi ai livelli dell’aria stessa, in modo da evitare l’avvelenamento dei catalizzatori dei reformer interni da parte dei contaminanti presenti nei fumi (questo perché alcuni veleni, come lo zolfo, anche quando vengono introdotti in cella dal lato catodico, finiscono automaticamente, per il gioco delle reazioni con i materiali di cella, per essere rilasciati, in toto o in parte, nel gas anodico). D’altra parte a pressione atmosferica (a meno di non ridurre drasticamente l’area o di stravolgere il disegno della cella, andando così ad incappare in inconsistenze tecniche o economiche ancora più radicali), se si vogliono rendere compatibili gestione termica e rispetto dei limiti sui differenziali di pressione, si à ̈ costretti a usare il reformer interno del metano. Sebbene siano noti diversi tipi di reformer interno, non à ̈ ancora disponibile una pila a reformer interno che ottenga una conversione alta del metano senza esporre i catalizzatori ai contaminanti introdotti dai fumi.

In definitiva, con le soluzioni attuali, la concentrazione di CO2 con celle MCFC operanti a pressione atmosferica à ̈ ostacolata o dal precoce avvelenamento dei catalizzatori del reformer (se si usa il reformer interno per raffreddare la cella) o da perdite di carico incompatibili con i requisiti sui differenziali di pressione (se si pretende di raffreddare esclusivamente con le portate dei gas).

Problemi analoghi si incontrano anche con sistemi pressurizzati, i quali inoltre, per essere vantaggiosamente impiegati nella separazione di CO2, devono essere compatibili con un efficiente gruppo turbo-compressore di reperibilità commerciale (che consenta un efficiente recupero in turbina del lavoro extra inevitabilmente richiesto per la compressione dei fumi in cui la CO2 à ̈ diluita).

È uno scopo della presente invenzione quello di fornire un apparato e un metodo per la gestione termica di pile MCFC che non presentino gli inconvenienti delle soluzioni note e che, in particolare, consentendo margini di regolazione relativamente ampi, consentano anche un efficiente impiego su scala industriale delle pile MCFC, in particolare (ma non solo) come apparati per la separazione di CO2 da flussi gassosi.

In particolare, l’invenzione si propone di limitare e tenere uniformi le temperature in cella, consentendo al contempo una conversione di metano elevata, in modo da ottenere un combustibile ricco in H2, come richiesto sia per ottenere prestazioni elevate sia per attenuare la sensibilità della cella ai contaminanti.

La presente invenzione à ̈ dunque relativa a un apparato e un metodo per la gestione termica di pile MCFC, in particolare (ma non solo) impiegabili nel campo della separazione di CO2 da flussi gassosi (quali fumi di combustione) tramite sistemi MCFC, come definiti in termini essenziali nelle annesse rivendicazioni 1 e 13 rispettivamente.

L’invenzione rende concretamente impiegabili come separatori di CO2 le celle MCFC realizzate con i materiali e i componenti di cella di uso corrente, con tutti i vantaggi tipici di queste soluzioni ed eliminando o limitando fortemente gli inconvenienti principali normalmente associati al loro impiego.

In particolare, l’invenzione consente di ottenere un combustibile ricco in H2, come richiesto sia per avere prestazioni elevate sia per attenuare la sensibilità delle celle ai contaminanti presenti nei fumi, tanto con sistemi operanti a pressione atmosferica che con sistemi pressurizzati.

Rispetto ai sistemi MCFC noti, l’invenzione à ̈ quindi vantaggiosa in termini di densità di corrente, perché consente di raffreddare le celle con portate compatibili con i vincoli sui differenziali di pressione e nel contempo di generare composizioni anodiche “ricche†, fattore essenziale per avere buone prestazioni e ridurre la sensibilità ai contaminanti presenti nei fumi.

La soluzione del trovato à ̈ applicabile vantaggiosamente sia a sistemi operanti a pressione atmosferica, sia a sistemi pressurizzati.

Anche questi ultimi, che nell’impiego per la generazione distribuita non sono dotati di norma di reformer interni, quando operano come separatori di CO2 da fumi sono costretti a lavorare a densità di corrente ridotta. Infatti non sono in grado di smaltire le dissipazioni termiche addizionali, generate in conseguenza delle perdite elettriche dovute al fatto che il gas catodico contiene più contaminanti di quello abituale. L’invenzione fornisce invece uno strumento addizionale di gestione termica, regolabile entro margini relativamente ampi, che consente di smaltire tali maggiori dissipazioni termiche, facendo restare nei limiti su gradienti e temperature minime e massime, senza richiedere né portate catodiche incompatibili con i vincoli né riduzioni della corrente di cella.

L’invenzione à ̈ ulteriormente descritta nei seguenti esempi non limitativi di attuazione, con riferimento alle figure annesse in cui:

– la figura 1 à ̈ una vista schematica di un apparato di gestione termica di pile MCFC, adibito specificamente alla separazione di CO2 da flussi gassosi, in particolare da fumi di combustione, in accordo a una prima forma di attuazione della presente invenzione;

– le figure da 2 a 5 sono rispettive viste schematiche di ulteriori forme di attuazione dell’apparato in accordo all’invenzione;

– la figura 6 à ̈ una vista schematica in pianta di un piatto separatore utilizzabile nell’apparato dell’invenzione;

– la figura 7 à ̈ una vista parziale in sezione trasversale (secondo il piano di traccia VII-VII di figura 6) del piatto separatore di figura 6.

Con riferimento alla figura 1, un apparato 1 per la separazione di CO2 da flussi gassosi, in particolare da fumi di combustione, tramite sistemi MCFC (sistemi di celle a combustibile a carbonati fusi) comprende almeno una cella 2 MCFC (che può essere di tipo operante a pressione atmosferica o essere di tipo pressurizzato) avente un comparto anodico 3 e un comparto catodico 4, una unità di riforma 5 interna associata alla cella 2 e provvista di catalizzatori per una reazione di riforma, e un sistema 6 di alimentazione anodica, definente un circuito 7 di alimentazione, per alimentare il comparto anodico 3 della cella 2.

L’apparato 1 comprende inoltre un dispositivo di separazione 10 di CO2, atto a separare CO2 e recuperare combustibile residuo (essenzialmente H2) da un flusso di gas anodici esausti provenienti dal comparto anodico 3; e una unità di riforma 11 (reformer) esterna associata a un bruciatore 12, per esempio un bruciatore catalitico.

Il comparto catodico 4 ha un ingresso collegato a una linea 14 di ingresso catodo, tramite la quale il comparto catodico 4 à ̈ alimentato con un flusso gassoso (ossidante), per esempio fumi di combustione provenienti da un impianto industriale facente uso di processi di combustione, e un’uscita collegata al bruciatore 12 tramite una linea 15 di uscita catodo.

Il comparto anodico 3 à ̈ collegato in ingresso al sistema 6 di alimentazione anodica e ha un’uscita collegata al dispositivo di separazione 10 tramite una linea 16 di uscita anodo.

L’unità di riforma 5 interna à ̈ una unità di tipo indiretto (cosiddetto IIR) ed à ̈ inserita lungo il circuito 7 e disposta in modo tale che i suoi catalizzatori, contenuti all’interno dell’unità di riforma 5 interna, siano interamente a monte del comparto anodico 3 lungo il circuito 7, e pertanto non siano mai investiti da gas provenienti dal comparto anodico 3 e contenenti inquinanti (tipo zolfo e suoi derivati), come sarà descritto in dettaglio nel seguito.

Il sistema 6 di alimentazione anodica comprende un ingresso 20 primario attraverso cui viene immesso nel circuito 7 un combustibile primario (per esempio metano o in generale gas naturale), un gruppo 21 di purificazione del combustibile primario, un generatore di vapore 22 e due linee di alimentazione 23, 24 collegate rispettivamente all’unità di riforma 5 interna e all’unità di riforma 11 esterna. Il sistema 6 alimenta in parallelo con combustibile primario (tipicamente metano), in miscela con vapore generato dal generatore di vapore 22, l’unità di riforma 5 interna e l’unità di riforma 11 esterna, tramite le linee di alimentazione 23, 24 rispettivamente.

Il sistema 6 à ̈ poi configurato in modo tale da raccogliere il gas in uscita dall’unità di riforma 5 interna e inviarlo direttamente, tramite una prima linea 27 di alimentazione anodo, al comparto anodico 3 della cella 2, in miscela con gas riformato proveniente dall’unità di riforma 11 esterna attraverso una seconda linea 28 di alimentazione anodo.

Vantaggiosamente, il sistema 6 comprende un dispositivo miscelatore 26 posto immediatamente a monte dell’ingresso del comparto anodico 3 e tale da miscelare i flussi gassosi provenienti dall’unità di riforma 5 interna e dall’unità di riforma 11 esterna.

Alcuni esempi di dispositivo miscelatore 26 impiegabili in accordo all’invenzione sono descritti nel seguito.

L’unità di riforma 5 interna ha quindi un ingresso collegato alla linea di alimentazione 23 e una uscita collegata, tramite la linea 27 di alimentazione anodo, al dispositivo miscelatore 26 e quindi direttamente all’ingresso del comparto anodico 3.

L’unità di riforma 5 interna à ̈ configurata in modo tale da convertire il combustibile primario in un combustibile gassoso idoneo all’alimentazione del comparto anodico 3 sottraendo calore alla cella 2 a cui à ̈ associata.

Il bruciatore 12 dell’unità di riforma 11 esterna à ̈ collegato, tramite la linea 15 di uscita catodo, all’uscita del comparto catodico 4 e, tramite una linea 29 di recupero combustibile, ad una uscita combustibile residuo del dispositivo di separazione 10.

Il bruciatore 12 fornisce calore per trattare il combustibile primario nell’unità di riforma 11 esterna e, specificamente nel caso di metano come combustibile primario, per sostenere la reazione di riforma del combustibile primario, immesso nell’unità di riforma 11 esterna attraverso la linea 24 di alimentazione in miscela, tipicamente, con vapore generato nel generatore di vapore 22.

L’unità di riforma 11 esterna converte il combustibile primario in un combustibile gassoso idoneo all’alimentazione del comparto anodico 3.

Il dispositivo di separazione 10 à ̈ configurato in modo tale da separare in flussi distinti CO2 e combustibile residuo (essenzialmente H2) e, opzionalmente, vapore acqueo. Il vapore acqueo può essere opzionalmente separato per condensa. Il combustibile residuo recuperato dal dispositivo di separazione 10 à ̈ inviato al bruciatore 12 tramite la linea 29 di recupero combustibile.

Nella forma di attuazione illustrata in figura 1, l’apparato 1 comprende quindi due unità di riforma disposte in parallelo lungo il circuito 7 di alimentazione: l’unità di riforma 5 interna e l’unità di riforma 11 esterna. Il sistema 6 di alimentazione à ̈ configurato in modo tale da alimentare il comparto anodico 3 della cella 2 con una miscela di gas riformato nell’unità di riforma 5 interna e di gas riformato nell’unità di riforma 11 esterna.

Resta inteso che, pur avendo finora fatto riferimento a una sola cella 2 associata a una unità di riforma 5 interna, l’apparato 1 può anche comprendere, come normalmente avviene in applicazioni industriali, una batteria (pila) di celle 2: in questo caso, ciascuna cella 2 può essere provvista di una unità di riforma 5 interna disposta entro la cella stessa o, in alternativa, una pluralità di unità di riforma 5 interna possono essere interposte tra pacchi di celle 2.

L’unità di riforma 11 esterna à ̈ invece sempre vantaggiosamente una sola, comune per tutte le celle di una stessa pila. In impianti dotati di più pile di celle, possono essere previste, opzionalmente, più unità di riforma esterne (una per ogni pila, o una per più pile).

In ogni caso, tutte le unità di riforma 5 interna sono disposte in parallelo all’unità di riforma 11 esterna lungo il circuito 7 di alimentazione e sono collegate al sistema 6 di alimentazione anodico in modo tale che il gas in uscita dalle unità di riforma 5 interna sia inviato al sistema 6 di alimentazione anodico e, tramite esso, ai comparti anodici 3 di rispettive celle 2, in modo tale che i catalizzatori delle unità di riforma 5 interna siano tutti disposti a monte dei comparti anodici 3.

Opzionalmente, per abbattere e/o convertire idrocarburi superiori ed evitare la formazione di carbone a monte, l’apparato 1 può anche includere una o più unità supplementari di pre-riforma (non illustrate), disposte a monte dell’unità di riforma 11 esterna e/o dell’unità di riforma 5 interna. Una stessa unità di pre-riforma comune può servire entrambe le linee di alimentazione 23, 24, oppure unità di pre-riforma distinte possono essere installate su ciascuna linea di alimentazione 23, 24 o su una sola di esse.

Nella forma di attuazione di figura 2, nella quale i dettagli simili o uguali a quelli già descritti sono indicati con i medesimi numeri, l’apparato 1 comprende ancora una unità di riforma 5 interna associata alla cella 2 e una unità di riforma 11 esterna; in questo caso, il sistema 6 di alimentazione anodica à ̈ configurato in modo tale che l’unità di riforma 5 interna e l’unità di riforma 11 esterna sono disposte in serie lungo il circuito 7, con l’unità di riforma 5 interna disposta a monte dell’unità di riforma 11 esterna.

In particolare, il sistema 6 di alimentazione à ̈ configurato in modo tale che il gas in uscita dall’unità di riforma 5 interna sia inviato, tramite una linea di collegamento 30, in ingresso all’unità di riforma 11 esterna, la quale à ̈ alimentata indipendentemente anche con combustibile primario (per esempio metano) da riformare; il comparto anodico 3 della cella 2 à ̈ alimentato con il gas riformato uscente dall’unità di riforma 11 esterna.

Anche in questo caso, quindi, il comparto anodico 3 à ̈ alimentato con gas riformato nell’unità di riforma 11 esterna e con gas riformato nell’unità di riforma 5 interna, quest’ultimo però non essendo inviato direttamente al comparto anodico 3 come nell’esempio precedente, bensì previo passaggio nell’unità di riforma 11 esterna posta a monte della cella 2.

Nella forma di attuazione di figura 3, nella quale i dettagli simili o uguali a quelli già descritti sono indicati con i medesimi numeri, l’apparato 1 comprende sempre una unità di riforma 5 interna associata alla cella 2, ma non à ̈ necessaria una unità di riforma esterna; in questo caso, infatti, come avviene nelle applicazioni industriali in cui à ̈ disponibile idrogeno come combustibile, o un combustibile ricco di H2 (e povero o privo di metano), à ̈ possibile alimentare direttamente tale combustibile al comparto anodico 3.

Il sistema 6 di alimentazione anodica comprende quindi una linea di alimentazione diretta 31 che porta al comparto anodico 3 un flusso di idrogeno o gas combustibile ricco di idrogeno proveniente da una sorgente 32; e una linea 27 di alimentazione anodo che (analogamente a quanto descritto con riferimento alla figura 1) raccoglie il gas in uscita dall’unità di riforma 5 interna e lo invia direttamente al comparto anodico 3.

Il sistema 6 à ̈ quindi configurato in modo tale da alimentare il comparto anodico 3 della cella 2 con il gas riformato nell’unità di riforma 5 interna e con il flusso di idrogeno o di combustibile ricco di idrogeno proveniente dalla sorgente 32.

Anche in questa variante, il gas in uscita dall’unità di riforma 5 interna à ̈ inviato, tramite il sistema 6 di alimentazione anodico, al comparto anodico 3; il comparto anodico 3 à ̈ alimentato, oltre che con il gas riformato nell’unità di riforma 5 interna inviato direttamente al comparto anodico 3 tramite la linea 27 di alimentazione anodo con idrogeno o un combustibile ricco di idrogeno, attraverso la linea di alimentazione diretta 31.

Vantaggiosamente, il dispositivo miscelatore 26 provvede a miscelare il gas riformato nell’unità di riforma 5 interna e il flusso di idrogeno o di combustibile ricco di idrogeno proveniente dalla sorgente 32.

Una variante della forma di attuazione di figura 3, mostrata in figura 4, trova applicazione in casi in cui non si ricorra (o si ricorra solo parzialmente) ad una sorgente “esterna†di H2. Infatti il flusso di H2 (o di combustibile ricco in H2) da inviare al miscelatore 26 attraverso la linea di alimentazione diretta 31 può essere costituito anche da H2 recuperato nel dispositivo di separazione 10, come appunto mostrato in figura 4, prelevato per esempio dalla linea 29 di recupero combustibile. La condizione per poterlo fare à ̈ usare un dispositivo di separazione 10 realizzato in modo che, tra i diversi flussi distinti, ne estragga uno di H2 sostanzialmente puro o comunque di H2 privo di H2S, che viene inviato (oltre che al bruciatore 12) ad alimentare il comparto anodico 3 della cella 2, in miscela con o in sostituzione del flusso di H2 o combustibile ricco in H2 proveniente dalla sorgente 32 (opzionale) e, come descritto in precedenza, insieme con il gas riformato nell’unità di riforma 5 interna.

Nell’ulteriore variante mostrata in figura 5, il comparto catodico 4 à ̈ alimentato, anziché con fumi di combustione o comunque un flusso gassoso esterno, con i fumi di combustione prodotti dal bruciatore 12 che sono ricircolati alla linea 14 di ingresso catodo tramite una linea di ricircolo 33.

Come indicato in precedenza, un aspetto importante dell’invenzione consiste nel fatto che il comparto anodico 3 à ̈ alimentato con una miscela (formata nel dispositivo miscelatore 26) in cui il combustibile riformato proveniente dalla unità di riforma 5 interna à ̈ mischiato con combustibile riformato proveniente dall’unità di riforma 11 esterna e/o con un flusso di H2 o di combustibile ad alto contenuto di H2, proveniente dalla sorgente 32 esterna e/o dal dispositivo di separazione 10.

Il dispositivo miscelatore 26 può anche essere vantaggiosamente integrato in un piatto 39 separatore appositamente disegnato (come noto, un piatto separatore à ̈ un elemento che separa, in una pila o batteria di celle, due celle adiacenti o sovrapposte). Un piatto 39 separatore utilizzabile in accordo all’invenzione (segnatamente nelle forme di attuazione mostrate nelle figure 1,3,4 e 5) à ̈ mostrato nelle figure 6-7.

Il piatto 39 si estende sostanzialmente lungo un asse A longitudinale e presenta un’area attiva 40 centrale e due zone di bordo 41, 42 poste a estremità longitudinali opposte dell’area attiva 40.

L’area attiva 40, che à ̈ chiusa sui bordi laterali paralleli all’asse A, ha corrugazioni longitudinali che definiscono, su facce opposte del piatto 39, due serie di canali contrapposti e sfalsati, paralleli tra loro e all’asse, e precisamente una serie di canali 43 anodici e una serie di canali 44 catodici che alimentano rispettivamente il comparto anodico 3 e il comparto catodico 4 della cella 2.

L’area attiva 40 comprende inoltre una serie di camere 45 longitudinali centrali, parallele ai canali 43, 44 e all’asse A e nelle quali sono alloggiati catalizzatori 46 e che costituiscono nel loro assieme una camera 47 dell’unità di riforma 5 interna.

Vantaggiosamente, il piatto 39 Ã ̈ formato da due fogli 48, 49 (per esempio in lamiera metallica) sovrapposti, opportunamente tagliati, ripiegati e corrugati in modo tale da definire i canali 43, 44 e le camere 45 centrali, formate queste ultime in una intercapedine 50 tra i due fogli 48, 49.

La zona di bordo 41 à ̈ chiusa lateralmente (cioà ̈ su bordi laterali paralleli all’asse A) e comprende due gruppi di condotti 51, 52 definenti rispettivamente un primo collettore 53 interno comunicante con la camera 47, per introdurre combustibile primario (tramite la linea di alimentazione 23) nell’unità di riforma 5 interna, e un secondo collettore 54 interno, separato dal collettore 53 e comunicante con una uscita del comparto anodico 3.

La zona di bordo 42, opposta alla zona di bordo 41 e anch’essa chiusa lateralmente, comprende condotti 55 definenti un terzo collettore 56 interno, collegato alla linea di alimentazione anodo 28 (e quindi all’unità di riforma 11 esterna) o alla linea di alimentazione diretta 31 (e quindi alla sorgente 32 di H2 o combustibile ricco di H2, e/o al dispositivo di separazione 10); il collettore 56 comunica con un vano 57 interno, alloggiato anch’esso nella zona di bordo 42 del piatto 39 e collegato, oltre che con il collettore 56, con la camera 47 e con il comparto anodico 3; nel vano 57 il gas proveniente dall’unità di riforma 11 esterna (o dalla linea di alimentazione diretta 31) si miscela con il gas in uscita dalla camera 47 dell’unità di riforma 5 interna prima di entrare nel comparto anodico 3, realizzando una chiusura verso l’esterno che convoglia la miscela dentro i canali 43 anodici.

Anche la forma di realizzazione mostrata in figura 2, che non richiede necessariamente un dispositivo di miscelazione 26 perché la miscelazione avviene direttamente nell’unità di riforma 11 esterna, può impiegare un piatto separatore di opportuno disegno, per esempio un piatto identico al piatto 39 descritto in precedenza nell’area attiva 40 e nella zona di bordo 41, ma diverso nella zona di bordo 42. In quest’ultima andrebbero infatti ricavati 2 condotti a manifold interno, uno comunicante con l’uscita della camera 45 per convogliare all’esterno il gas riformato nell’unità di riforma 5 interna ed uno comunicante con l’ingresso della camera 43, per introdurre nel comparto anodico la miscela gassosa elaborata nell’unità di riforma 11 esterna.

Il piatto 39 sopra descritto realizza le condizioni di processo volute dalla presente invenzione.

Infatti esso permette di introdurre combustibile primario (essenzialmente, metano e vapore) nella camera 47 dell’unità di riforma 5 interna attraverso il primo collettore 53 interno, formato nella zona di bordo 41, e di lasciare scaricare l’uscita dell’unità di riforma 5 interna nel vano 57 ricavato nella zona di bordo 42 opposta, vano 57 che à ̈ in comunicazione fluidica anche con il comparto anodico 3; nel vano 57 confluisce anche il terzo collettore 56 interno da cui proviene il combustibile processato nella unità di riforma 11 esterna (o da altra sorgente di combustibile); dal vano 57 il gas penetra nel comparto anodico 3, che percorre in direzione opposta a quella in cui viaggia il combustibile nella camera 47 dell’unità di riforma interna; dopo aver reagito in cella, l’esausto anodico à ̈ scaricato attraverso il secondo collettore 54 interno collocato nella zona di bordo 41, e quindi manipolato come descritto in precedenza.

Si ottiene così di alimentare il comparto anodico 3 con la miscela formata da combustibile proveniente dall’unità di riforma 11 esterna e combustibile proveniente dall’unità di riforma 5 interna.

Con il piatto 39 separatore descritto o altro elemento avente analoghe caratteristiche, diventa possibile attuare concretamente l’idea alla base della presente invenzione: raffreddare ciascuna cella 2 (o gruppo di celle 2) col contributo della propria unità di riforma 5 interna, da utilizzare nella misura strettamente necessaria per le finalità termiche, e dirottare sull’unità di riforma 11 esterna, comune a tutte le celle 2, tutta la rimanente conversione del metano richiesta per ottenere il gas anodico della composizione voluta.

Resta inteso che la miscelazione dei flussi può essere ottenuta con altri tipi di dispositivi miscelatori 26, anche con collettori esterni .

Per esempio, oltre che utilizzando, in parte od esclusivamente, dei collettori interni come quelli del piatto sopra descritto, à ̈ possibile alimentare i comparti anodici in accordo all’invenzione (quindi con una miscela dei due flussi in parallelo) anche usando una normale pila MCFC dotata esclusivamente di collettori esterni, a flussi incrociati.

In questo caso, a titolo d’esempio, l’unità di riforma interna può essere costituita da una serie di camere chiuse (almeno su tre lati, può fare eccezione il lato da cui il combustibile entra nei comparti anodici), al cui interno sono alloggiati i catalizzatori e organi per la trasmissione del carico meccanico e il passaggio di corrente; tali camere hanno approssimativamente la stessa area delle celle e possono essere inserite tra pacchi di celle con una qualsiasi predeterminata periodicità (per esempio, una tra ciascuna coppia di celle, o una ogni due o più celle). Ciascuna unità di riforma interna à ̈ alimentata in ingresso da un tubicino isolato e scarica nel collettore da cui il combustibile entra nei comparti anodici delle celle, nel quale, attraverso un apposito tubo, viene introdotto anche il gas proveniente dall’unità di riforma esterna.

In tutte le forme di attuazione descritte, l’inclusione nell’apparato 1 di una o più unità 5 di riforma interna indiretta fornisce uno strumento di controllo termico flessibile ed efficiente dell’apparato stesso nel suo complesso (sia che comprenda una singola cella, sia, come usuale, che comprenda una batteria di celle).

Il metodo di gestione termica dell’invenzione comprende dunque essenzialmente le fasi di:

- associare alla cella 2 (o a una batteria di celle), avente un comparto anodico 3 e un comparto catodico 4, l’unità di riforma 5 interna, di tipo indiretto, provvista di catalizzatori per una reazione di riforma;

- disporre l’unità di riforma 5 interna in modo tale che tutti i catalizzatori siano totalmente a monte del comparto anodico 3 lungo il circuito 7 di alimentazione anodica;

- alimentare il comparto anodico 3 con il gas riformato nell’unità di riforma 5 interna, che à ̈ inviato al comparto anodico 3, direttamente o previo passaggio nell’unità di riforma 11 esterna posta a monte della cella 2, in miscela con gas riformato nell’unità di riforma 11 esterna e/o con H2 o un gas combustibile ricco di H2.

Nella forma di attuazione di figura 1, il metodo comprende una fase di provvedere l’apparato 1 con l’unità di riforma 11 esterna, che à ̈ disposta lungo il circuito 7 di alimentazione anodica; il comparto anodico 3 à ̈ alimentato con una miscela di gas riformato nell’unità di riforma 5 interna e gas riformato nell’unità di riforma 11 esterna.

Nella forma di attuazione di figura 2, il metodo comprende ancora la fase di disporre l’unità di riforma 11 esterna lungo il circuito 7 di alimentazione anodica, e inoltre le fasi di:

- inviare il gas in uscita dall’unità di riforma 5 interna in ingresso all’unità di riforma 11 esterna;

- alimentare indipendentemente l’unità di riforma 11 esterna anche con un gas da riformare (per esempio metano); - alimentare il comparto anodico 3 con il gas riformato uscente dall’unità di riforma 11 esterna.

Nella forma di attuazione di figura 3, il comparto anodico 3 à ̈ alimentato invece con il gas riformato nell’unità di riforma 5 interna in miscela con H2 o un gas combustibile ricco in H2.

In sostanza, il metodo dell’invenzione consiste nel controllare la temperatura della cella 2, e quindi anche di una batteria di celle nel suo complesso, tramite l’uso di una (o più) unità di riforma 5 interna, preferibilmente di tipo indiretto, inclusa/e in ciascuna cella o associate a rispettivi blocchi di celle.

Le unità di riforma 5 interna sono collocate in parallelo all’unità di riforma 11 esterna, oppure a monte dell’unità di riforma 11 esterna, o ancora, in caso sia disponibile una alimentazione di combustibile ricco di H2 ed estremamente povero o privo di metano, senza alcuna unità di riforma esterna.

In caso di collocazione in parallelo delle unità di riforma 5, 11 interna ed esterna, in accordo al metodo dell’invenzione i flussi gassosi provenienti dalle due unità di riforma 5, 11 in parallelo sono miscelati a monte dell’ingresso nel comparto anodico 3.

In caso di collocazione dell’unità di riforma 5 interna a monte dell’unità di riforma 11 esterna, in accordo al metodo dell’invenzione il gas uscente dall’unità di riforma 5 interna (o dalle varie unità di riforma interna se ne à ̈ prevista una pluralità) à ̈ trasferito in ingresso all’unità di riforma 11 esterna.

Allo scopo di raffreddare nel modo desiderato la cella 2, il metodo dell’invenzione comprende una fase di controllare la temperatura della cella 2 ripartendo opportunamente la conversione tra le unità di riforma 5, 11 interna ed esterna: in un caso, le due unità di riforma 5, 11 sono collocate in parallelo e possono quindi essere alimentate separatamente; nell’altro, la conversione nell’unità di riforma 5 interna si può adattare alle esigenze di gestione termica semplicemente regolando quale frazione della portata di metano (e vapore) destinata alla unità di riforma 11 esterna si fa transitare attraverso l’unità di riforma 5 interna e quale si invia direttamente all’unità di riforma 11 esterna.

L’innovazione permette quindi di raffreddare la cella 2 col contributo dell’unità di riforma 5 interna, ma nello stesso tempo fa lavorare le celle con un gas più “ricco†, ottenuto grazie all’unità di riforma 11 esterna dotata di alta capacità di conversione, con tutti i vantaggi che ne derivano in termini di prestazioni e ridotta sensibilità ai contaminanti.

Resta infine inteso che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate ulteriori modifiche e varianti che non escono dall’ambito delle annesse rivendicazioni.

Per esempio, benché la cattura di CO2 tramite sistemi MCFC, a cui si à ̈ fatto riferimento nella precedente descrizione, rappresenti il campo in cui l’apparato ed il metodo dell’invenzione trovino applicazione particolarmente vantaggiosa, la presente invenzione risulta vantaggiosa anche in altre applicazioni dei sistemi MCFC quali la generazione distribuita.

In particolare, l’invenzione costituisce una efficace alternativa ai sistemi noti di tipo AIR (Advanced Internal Reformer), vale a dire sistemi costituiti da combinazioni di sezioni di riforma interne indirette (IIR) e dirette (DIR), nelle operazioni a pressione atmosferica: a fronte di un lieve handicap nelle operazioni iniziali, l’invenzione permette di allungare considerevolmente la durata, perché la dinamica di invecchiamento dei catalizzatori à ̈ sensibilmente più lenta. Nei sistemi AIR, il decadimento del reformer diretto (DIR) produce un effetto combinato negativo: una progressiva riduzione di conversione, che già di suo fa calare le prestazioni, e, ancora più grave, una progressiva perdita della capacità di raffreddamento nelle aree di cella dove il catalizzatore si à ̈ disattivato e conseguentemente, a partire da lì, un’accentuata accelerazione dei meccanismi di decadimento della cella. Il vantaggio derivante dall’applicazione dell’invenzione diventa tanto più apprezzabile quanto le migliorie tecniche sulla stabilità dei componenti di cella rendono questi ultimi virtualmente capaci, se mantenuti in condizioni operative stabili, di durate largamente eccedenti la vita dei catalizzatori del DIR.

L’invenzione risulta conveniente anche in casi in cui la generazione distribuita con pile MCFC sia associata alla produzione di H2 per altri usi.

Claims (17)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato (1) per la gestione termica di pile MCFC, comprendente almeno una cella (2) MCFC avente un comparto anodico (3) e un comparto catodico (4) e associata a una unità di riforma (5) interna provvista di catalizzatori per una reazione di riforma, e un sistema (6) di alimentazione anodico per alimentare il comparto anodico della cella; l’apparato essendo caratterizzato dal fatto che l’unità di riforma (5) interna à ̈ disposta in modo tale che i catalizzatori siano interamente a monte del comparto anodico (3); e il gas in uscita dall’unità di riforma (5) interna à ̈ inviato al sistema (6) di alimentazione anodico, il quale à ̈ configurato in modo tale che il comparto anodico (3) sia alimentato con il gas riformato nell’unità di riforma (5) interna, che à ̈ inviato al comparto anodico (3), direttamente o previo passaggio in una unità di riforma (11) esterna posta a monte della cella, in miscela con gas riformato nell’unità di riforma (11) esterna e/o con H2 o un gas combustibile ricco di H2.
2. 2. Apparato secondo la rivendicazione 1, comprendente una unità di riforma (11) esterna e in cui il sistema (6) di alimentazione à ̈ configurato in modo tale da alimentare il comparto anodico (3) con una miscela di gas riformato nell’unità di riforma (5) interna e gas riformato nell’unità di riforma (11) esterna.
3. 3. Apparato secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente una unità di riforma (11) esterna e in cui il sistema (6) di alimentazione à ̈ configurato in modo tale che il gas in uscita dall’unità di riforma (5) interna à ̈ inviato in ingresso all’unità di riforma (11) esterna, alimentata indipendentemente anche con un gas da riformare; e in modo tale da alimentare il comparto anodico (3) con il gas riformato uscente dall’unità di riforma (11) esterna.
4. 4. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il sistema (6) di alimentazione à ̈ configurato in modo tale da alimentare il comparto anodico (3) con il gas riformato nell’unità di riforma (5) interna in miscela con H2 o un gas combustibile ricco in H2.
5. 5. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente un bruciatore (12) collegato al comparto catodico (4) della cella in modo tale da essere alimentato con gas catodico uscente dal comparto catodico (4) della cella.
6. 6. Apparato secondo la rivendicazione 5, in cui il bruciatore (12) à ̈ associato a un’unità di riforma (11) esterna per sostenere termicamente una reazione di riforma che avviene nell’unità di riforma (11) esterna.
7. 7. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente un dispositivo (10) di separazione di CO2 collegato a una uscita del comparto anodico (3).
8. 8. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la cella (2) opera a pressione atmosferica o à ̈ pressurizzata.
9. 9. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente una pluralità di celle (2) organizzate in pacchi e una pluralità di unità di riforma (5) interna inserite tra pacchi di celle (2).
10. 10. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente una pluralità di celle (2) e una unità di riforma (5) interna inserita in ogni singola cella (2).
11. 11. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il sistema (6) di alimentazione anodica comprende un dispositivo miscelatore (26) posto a monte dell’ingresso del comparto anodico (3) e tale da miscelare il flusso gassoso proveniente dall’unità di riforma (5) interna con il flusso gassoso proveniente da una unità di riforma (11) esterna e/o con un flusso di H2 o di un gas combustibile ricco di H2.
12. 12. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l’unità di riforma (5) interna à ̈ una unità di riforma di tipo indiretto.
13. 13. Metodo di controllo termico di una pila MCFC, comprendente le fasi di: - associare ad almeno una cella (2) MCFC, avente un comparto anodico (3) e un comparto catodico (4), una unità di riforma (5) interna di tipo indiretto, provvista di catalizzatori per una reazione di riforma; - disporre l’unità di riforma (5) interna in modo tale che tutti i catalizzatori siano totalmente a monte del comparto anodico (3) lungo un circuito (7) di alimentazione anodica; - alimentare il comparto anodico (3) con gas riformato nell’unità di riforma (5) interna, che à ̈ inviato al comparto anodico (3), direttamente o previo passaggio in una unità di riforma (11) esterna posta a monte della cella (2), in miscela con gas riformato nell’unità di riforma (11) esterna e/o con H2 o un gas combustibile ricco di H2.
14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 13, comprendente una fase di disporre una unità di riforma (11) esterna lungo il circuito (7) di alimentazione anodica in parallelo all’unità di riforma (5) interna; il comparto anodico (3) essendo alimentato con una miscela di gas riformato nell’unità di riforma (5) interna e gas riformato nell’unità di riforma (11) esterna.
15. 15. Metodo secondo la rivendicazione 13 o 14, comprendente una fase di disporre una unità di riforma (11) esterna lungo il circuito (7) di alimentazione anodica a valle dell’unità di riforma (5) interna, e inoltre le fasi di: - inviare il gas in uscita dall’unità di riforma (5) interna in ingresso all’unità di riforma (11) esterna; - alimentare indipendentemente l’unità di riforma (11) esterna anche con un gas da riformare; - alimentare il comparto anodico (3) con il gas riformato uscente dall’unità di riforma (11) esterna.
16. 16. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 13 a 15, in cui il comparto anodico (3) à ̈ alimentato con gas riformato nell’unità di riforma (5) interna in miscela con H2 o un gas combustibile ricco in H2.
17. 17. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 13 a 16, comprendente una fase di controllare la temperatura della cella (2) ripartendo opportunamente la conversione tra le unità di riforma (5, 11).