MXPA03000754A - Metodo y aparato para humidifcacion y control de temperatura de gas de proceso de celda. - Google Patents

Abstract

Un metodo para humidificar y controlar la temperatura de una corriente de gas de proceso que comprende los pasos de super-saturar (16) y calentar la corriente de gas de proceso (12) con vapor (18), hasta que alcanza una primera temperatura pre-fijada; enfriar (22) la corriente de gas de proceso hasta que alcanza una segunda temperatura pre-fijada; remover el exceso de agua condensada (38) de la corriente de gas de proceso; y calentar (58) la corriente de gas de proceso hasta que alcanza una tercera temperatura pre-fijada. Tambien se describe un aparato para implementar este metodo.

Description

METODO Y APARATO PARA HUMIDIFICACION Y CONTROL DE TEMPERATURA DE GAS DE PROCESO DE CELDA DE COMBUSTIBLE ENTRANTE CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se refiere de manera general a un método y aparato para humidificar y controlar la temperatura de gas de proceso de celda de combustible entrante. De manera más particular, la presente invención se refiere a un sistema de humidificación capaz de proporcionar control rápido, exacto y preciso tanto de la humedad relativa como de la temperatura del gas de proceso de celda de combustible entrante.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION Los sistemas de celda de combustible son vistos como una alternativa prometedora a las tecnologías de generación de energía tradicionales, debido a sus bajas emisiones, eficiencia relativamente alta y facilidad de operación. Las celdas de combustible operan para convertir la energía química a energía eléctrica. Las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones comprenden un ánodo, un cátodo y una membrana electrolítica selectiva dispuesta entre los dos electrodos. En una reacción catalizada, un combustible, tal como hidrógeno, es oxidado en el ánodo para formar cationes (protones) y electrones. La membrana de intercambio de iones facilita la migración de protones del ánodo al cátodo. Los electrones no pueden pasar a través de la membrana y son forzados para fluir a través de un circuito externo, proporcionando así una corriente eléctrica. En el cátodo, el oxígeno reacciona en la capa de catalizador, con electrones que regresan del circuito eléctrico, para formar aniones. Los aniones formados en el cátodo reaccionan con los protones que han cruzado la membrana para formar agua líquida como el producto de reacción. Las membranas de intercambio de protones requieren un medio húmedo para facilitar la migración de protones del ánodo al cátodo y de otra manera para mantener las membranas eléctricamente conductoras. Se ha sugerido que cada protón que se mueve a través de la membrana arrastra al menos dos o tres moléculas de agua con él (patente estadounidense 5,996,976). La patente estadounidense 5,786,104 describe en términos más cualitativos, un mecanismo llamado "bombeo con agua", el cual resulta en el transporte de cationes (protones) con moléculas de agua a través de la membrana. Conforme aumenta la densidad de corriente, el número de moléculas de agua movidas a través de la membrana también aumenta. Eventualmente el flujo de agua que es jalado a través de la membrana por el flujo de protones, excede la velocidad a la cual esa agua es abastecida por difusión. En este punto, la membrana comienza a secarse, al menos en el lado del ánodo y su resistencia interna aumenta. Se apreciará que este mecanismo conduce el agua al lado de cátodo, y adlcionalmente el agua creada por reacción es formada en el lado de cátodo, No obstante, es posible que sea suficiente para el flujo de gas a través del lado de cátodo para remover esta agua, resultando en el secado también del lado del cátodo. De acuerdo con esto, la superficie de la membrana debe permanecer húmeda todo el tiempo. Por lo tanto, para asegurar una eficiencia adecuada, los gases de proceso deben tener, en la entrada de la celda de combustible, una humedad relativa predeterminada o fija y una temperatura predeterminada o fija, las cuales se basen en los requerimientos del sistema. Una consideración adicional es que existe un interés creciente para usar celdas de combustible en transporte y aplicaciones similares, por ejemplo, como la fuente de energía básica para coches, camiones e incluso vehículos más grandes. Como se compara con algunas aplicaciones estacionarias, esto presenta algunos requerimientos únicos. De manera más particular, es necesario que la energía entregada por una celda de combustible sea capaz de un cambio rápido entre diferentes niveles de energía, y estos niveles de energía pueden ser bastante diferentes. De esta manera, en manejo urbano, es común que celdas de combustible requieran frecuentemente conmutar entre energía mínima o incluso cero, hasta un nivel de energía máximo y otra vez. Mantener niveles de humedad apropiados bajo tales condiciones de operación severas no es trivial. Adicionalmente, una celda de combustible debe ser capaz de proporcionar esta funcionalidad bajo un amplio rango de condiciones de aire ambiente, De acuerdo con esto, en esta técnica uno puede encontrar numerosas propuestas para mantener la humedad en los sistemas de celda de combustible. Una manera convencional para humidificar una corriente de gas es pasar un gas como una corriente de burbujas finas a través de agua. Siempre y cuando el gas de proceso tenga tiempo de contacto suficiente con el agua, controlar la temperatura del agua controla la cantidad de agua en la corriente de gas. Sin embargo, estos humidificadores de tipo de columna de burbujas generalmente no son adecuados para aplicaciones comerciales de celdas de combustible. Los humidificadores tienden a ser grandes y costosos. Más aún, los humidificadores son incapaces de reaccionar lo suficientemente rápido para cumplir los requerimientos siguientes de carga del sistema de celda de combustible. Como resultado, a velocidades de flujo de gas altos, el sistema se vuelve inestable, no confiable y no responde. Además, este sistema de humidificación nunca alcanza 100% de humedad relativa en la práctica y esto limita la flexibilidad o adaptabilidad del sistema. En algunas de las celdas de combustible de la técnica anterior, los gases de proceso entrantes son humidificados al fluir cada gas en un lado de una membrana de intercambio de vapor de agua y al fluir agua deionizada en el lado opuesto de la membrana. En esta manera, el agua es transferida de manera osmótica a través de la membrana al combustible y gases oxidantes. Sin embargo, estos sistemas tienen restricciones de parámetros de proceso que provocan problemas e ineficiencias cuando se usan en conjunción con celdas de combustible. Debido a que la membrana está a la misma temperatura que el pilar de combustible, no hay control independiente de la humedad relativa o la temperatura de los gases de proceso y de esta manera, el sistema está limitado en su capacidad para ajustarse a diferentes situaciones. Otros métodos de humidificación incluyen exponer el gas de proceso entrante a una fuente de vapor o medir en una cantidad de gotitas finas de agua hacia la linea de suministro de gas (patente estadounidense 5,432,020). Sin embargo, en el pasado, estos sistemas tienden a ser grandes, complejos, de acción lenta y poseían capacidad de control dinámico inadecuada. Existe todavía la necesidad de un humidlficador que pueda ofrecer un rápido control dinámico, así como temperaturas y humedades relativas precisas y exactas para los gases de proceso de celda de combustible entrante. De manera más particular, tal humidificador debería permitir la humedad relativa y la temperatura para ser controladas de manera independiente sobre una amplia variedad de velocidades de flujo, tanto para los sistemas de oxidante como de combustible.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION De acuerdo con la presente invención, se proporciona un método para humidificar una corriente de gas de proceso, comprendiendo el método los pasos de: (a) humidificar la corriente de gas de proceso a una primera temperatura, con el fin de proporcionar la corriente de gas de proceso con exceso de humedad; (b) enfriar la corriente de gas de proceso a una segunda temperatura, menor que la primera temperatura, para provocar condensación de humedad en exceso; (c) remover el exceso de humedad condensada de la corriente de gas de proceso; y (d) entregar la corriente de gas de proceso a una tercera temperatura conocida, por lo cual el nivel de humedad relativa en la corriente de gas de proceso es determinado a partir de la proporción de las presiones de saturación a la segunda y tercera temperaturas. De preferencia, el método incluye suministrar la corriente de gas de proceso humidificado a una unidad de energía de celda de combustible y más preferiblemente, incluyendo la unidad de energía de celda de combustible, celdas de combustible de membrana de intercambio de protones. Ventajosamente, el paso (d) incluye calentar la corriente de gas de proceso a una tercera temperatura mayor que la segunda temperatura. En este caso, se prefiere entregar la corriente de gas de proceso a través de una línea de suministro a la unidad de energía de celda de combustible, y calentar la línea de suministro con un elemento de calentamiento, con el fin de mantener la corriente de gas de proceso a la tercera temperatura. Cuando se aplica a una unidad de energía de celda de combustible, la corriente de gas de proceso puede comprender una corriente de gas de combustible. Entonces se prefiere que el método incluya adicionalmente: (i) proporcionar una corriente de gas oxidante; (¡i) humidificar la corriente de gas oxidante a una cuarta temperatura, con el fin de proporcionar la corriente de gas oxidante con exceso de humedad; (iii) enfriar la corriente de gas oxidante a una quinta temperatura menor que la cuarta temperatura, para provocar condensación de exceso de humedad; (iv) remover el exceso de humedad condensada de la corriente de gas oxidante; (v) entregar la corriente de gas oxidante a una temperatura conocida de la celda de combustible, por lo cual el nivel de humedad relativa en la corriente de gas oxidante es determinada de la proporción de las presiones de saturación a la quinta y dichas temperaturas conocidas. De preferencia, el paso (v) incluye calentar la corriente de gas oxidante a una sexta temperatura mayor que la quinta temperatura, siendo mantenida esta temperatura hasta que la corriente de gas oxidante alcance la celda de combustible. Nuevamente, en este caso, la línea de suministro para la corriente oxidante es calentada de preferencia. Una variación de la invención proporciona humidifcación tanto de la corriente de gas combustible y la corriente de gas oxidante al inyectar vapor hacia la corriente de gas respectiva. La corriente puede ser suministrada a una temperatura tal que ambas caliente y humidifiquen la corriente de gas respectiva, para dejar la corriente de gas sobresaturada.

Otro aspecto de la invención proporciona un aparato para humidificar una corriente de gas de proceso, para una celda de combustible, comprendiendo el aparato: una primera unidad de humidificación teniendo una entrada para la corriente de gas de proceso, para adicionar humedad a la corriente de gas de proceso a una primera temperatura, a una humedad en exceso de un nivel de humedad requerida; un primer intercambiador de calor conectado a la unidad de humidificación, para enfriar la corriente de gas de proceso a una segunda temperatura menor, por lo cual la humedad en exceso en la corriente de gas de proceso se condensa, y para remover la humedad condensada, por lo cual la corriente de gas de proceso que deja el intercambiador tiene una temperatura conocida y un nivel de humedad relativa conocido. Correspondiente al aspecto del método de la invención, se prefiere proporcionar el aparato en combinación con una unidad de energía de celda de combustible teniendo una primera entrada de gas de proceso conectada al primer intercambiador de calor. Nuevamente, se prefiere aún más para cada celda de combustible de la unidad de energía de celda de combustible incluir una membrana de intercambio de protones, aunque la invención es aplicable a otros tipos de celdas de combustible. El aspecto de aparato de la invención puede incluir nuevamente un primer calentador conectado al intercambiador de calor para calentar la corriente de gas de proceso a una tercera temperatura mayor que la segunda temperatura, por lo cual la corriente de gas de proceso tiene un nivel de humedad relativa conocido. Además, para una celda de combustible convencional teniendo entradas para una corriente de gas de combustible y una corriente de gas oxidante, el aparato puede incluir una segunda entrada para una corriente de gas oxidante, en donde la primera unidad de humidificación, el primer intercambiador de calor y el primer calentador están ubicados en una primera linea de gas de combustible conectada a la pirmera entrada de gas de la unidad de energía de celda de combustible, y en donde el aparato incluye una segunda linea de gas oxidante y el aparato incluye, dentro de la línea de gas oxidante: una segunda unidad de humidificación para humidificar la corriente de gas oxidante a una cuarta temperatura; y un segundo intercambiador de calor, conectado a la segunda unidad de humidificación, para enfriar la corriente de gas oxidante a una quinta temperatura menor que la cuarta temperatura, por lo cual el exceso de humedad es condensado y separado de la corriente de gas oxidante.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS Para un mejor entendimiento de la presente invención, y para mostrar más claramente cómo puede llevarse a cabo, se hará referencia ahora, a manera de ejemplo, a los dibujos acompañantes, los cuales muestran una modalidad preferida de la presente invención, y en los cuales: La Figura 1 ¡lustra un diagrama de flujo esquemático de una modalidad de un sistema de humidificación para una celda de combustible; La Figura 2 muestra una vista en perspectiva de una segunda modalidad del sistema de humidificación para una celda de combustible; La Figura 3 muestra un detalle de la Figura 2 en una vista en perspectiva correspondiente en una escala mayor; La Figura 4 muestra una vista en perspectiva de la parte D de la Figura 3, en una vista en perspectiva correspondiente en una escala agrandada; La Figura 5 muestra detalles de elementos de una línea de vapor; La Figura 6 muestra una parte de la Figura 5 en una escala agrandada; y La Figura 7 muestra una vista esquemática del sistema de humidificación de la segunda modalidad.

DESCRIPCION DE LA MODALIDAD PREFERIDA Haciendo referencia primero a la Figura 1, esto muestra un diagrama de flujo esquemático de una corriente de gas de proceso para un gas de proceso. Se entenderá que la invención es aplicable a ambos gases, es decir, tanto al combustible como al oxidante, y para este fin el diagrama de flujo de la Figura 1 sería duplicado para las dos líneas de gas de proceso. Las modalidades de las Figuras 2-6 muestran la invención como es aplicada a ambas líneas de gases de proceso. Haciendo referencia a la Figura 1, y porque la corriente de gas de proceso 12 y una línea de vapor 14 están conectadas ambas a un saturador 16, para aumentar la humedad de la corriente de gas. El vapor es suministrado desde un suministro de vapor indicado esquemáticamente en 18. El saturador 16 podría incluir un inyector para inyectar vapor en la corriente de gas de proceso, con el fin de tanto calentar como humidificar la corriente de gas de proceso. Una línea 20 sale del saturador 16 y contiene gas de proceso super-saturado. La línea 20 entra al primer ¡ntercambiador de calor 22. El primer intercambiador de calor 22 puede ser un intercambiador de calor de placas u otro intercambiador de calor adecuado, y tiene una entrada 26 y una salida 28 para una corriente de agua. Se entenderá que la corriente podría estar comprendida por al menos un fluido, incluyendo pero no limitando a agua, aceite y/o etilenglicol. Aunque podría usarse una variedad de fluidos de intercambio de calor para las modalidades específicas descritas aquí, todos los fluidos de intercambio de calor son agua en las modalidades descritas. La entrada y la salida 26, 28 son parte de un primer circuito de control de temperatura, también referidas como una sección de enfriamiento de punto de rocío, incluyendo una bomba 30, una entrada 32 para agua de formación y un tercer intercambiador de calor 34. Adicionalmente, se proporciona un primer calentador 36. Así, en el primer circuito de control de temperatura, el agua de formación habilita que se mantenga el nivel de fluido, y esta corriente puede ser ya sea enfriada con el tercer intercambiador de calor 34 o calentada con el primer calentador 36 a una temperatura deseada. El primer intercambiador de calor 22 tiene una salida para gas enfriado conectada mediante una línea 24 a un separador 38. El separador 38 es para separar agua condensada del gas en el primer intercambiador de calor 22 y tiene una descarga o salida 40 para agua condensada. Una salida del separador 38 está conectada por una línea adicional 42 a un segundo intercambiador de calor 44. El segundo intercambiador de calor 44 pretende recalentar el gas, y tiene una salida conectada a la línea 46 para el gas recalentado. Como el primer intercambiador de calor 22, el segundo intercambiador de calor 44 tiene una entrada 48 y una salida 50 para una corriente de calentamiento de agua. La entrada y salida 48, 50 son parte de un segundo circuito de control de temperatura, también referido como una sección de recalentamiento, incluyendo una bomba 52, una entrada de formación 54, un cuarto intercambiador de calor 55 y un segundo calentador 56. De esta manera, como el arreglo del primer intercambiador de calor 22, la bomba 52 circula el agua de formación, y esta corriente puede ser ya sea enfriada con el cuarto intercambiador de calor 55 o calentada con el segundo calentador 56 a una temperatura deseada. El gas recalentado con el contenido de humedad conocido, es pasado entonces a través de la línea 46 al pilar de celda de combustible indicado esquemáticamente en 60. El arreglo de la Figura 1 pretende proporcionar humidificación controlada de la corriente de gas suministrada al pilar de celda de combustible 60, y habilitar tanto la temperatura como la humedad para que sea controlada de manera precisa. Esto es explicado adicionalmente, mediante la descripción detallada del modo de operación del aparato de la Figura 1. De esta manera, el gas de proceso entrante seco es suministrado al saturador 16, y el gas es super-saturado con vapor en el saturador 16, a un nivel de humedad mayor que aquélla deseada por último para el gas. Tanto el flujo del gas a través de la línea 12 como el vapor a través de la línea 14 son controlados y medidos. El efecto de inyectar vaporen el gas también es calentar el gas a una temperatura prefijada. Normalmente, al dejar el saturador 16, el gas es supersaturado en la primera temperatura pre-fijada de alrededor de 90°C, aunque el gas puede ser supersaturado en cualquier temperatura en el rango de 10°C a 120°C. En el primer íntercambiador de calor 22, el gas es enfriado a una segunda temperatura pre-fijada de, por ejemplo, 80°C. Nuevamente, por ejemplo, esta temperatura podría estar en el rango de 10°C hasta 120°C. El efecto de esto es remover el exceso de humedad de la corriente de gas y dar un nivel de humedad igual a 100% de humedad relativa a la temperatura a la cual el gas es enfriado en el primer Íntercambiador de calor 22, La razón para primero super-saturar y entonces enfriar el gas para remover el exceso de humedad, es asegurar que el nivel de humedad absoluta es alcanzado de manera precisa. Lograr un nivel de humedad confiable en el saturador 16 no es práctico. Así, se ha tomado la aproximación de adicionar exceso de humedad y entonces remover el exceso de humedad mediante condensación, debido a que como un resultado el nivel de humedad absoluta es conocido, cuando el gas es saturado y la temperatura de punto de rocío del gas es conocida. El exceso de humedad en el gas formará gotitas, y el gas con las gotitas condensadas es pasado al separador 38, donde las gotitas condensadas son recolectadas o separadas del flujo de gas y son drenadas a través de la salida o línea de descarga 40. El gas saturado es pasado entonces a través de la línea 42 al segundo intercambiador de calor 44. Aquí, el gas es recalentado a una tercera temperatura pre-fijada de, por ejemplo, 85°C. De manera más general, el gas puede ser recalentado a una temperatura de 10°C hasta 120°C. Calentar el gas reducirá el nivel de humedad relativa, pero el nivel de humedad absoluta permanecerá constante. De esta manera, el gas de proceso recalentado desde el segundo intercambiador de calor 44, pasa a través de la línea 46, y entonces tendrá una tercera temperatura pre-fijada y un nivel de humedad conocido. Como se indica esquemáticamente en 58, se proporciona un calentador para mantener la línea 46 a una temperatura constante, para asegurar que el gas no se enfríe o cambie de otra manera en cuanto a temperatura durante el paso al pilar de celda de combustible 60, Prácticamente, se ha encontrado que las trazas de calor, comprendiendo cables de calentamiento eléctrico, enrollados alrededor de la línea 46, proporciona una función de calentamiento necesaria. Esto asegura que un gas entregado al pilar de celda de combustible 60 esté a la temperatura deseada y con la humedad deseada. Como se menciona antes, demandas cambiantes en el pilar de celda de combustible son logradas al cambiar la velocidad de flujo para el gas que pasa a través de la línea 12. Si se desea cambiar la temperatura y/o la humedad del flujo de gas, entonces esto se logra mediante control de las condiciones de operación del primero y segundo intercambiadores de calor 22, 24. De esta manera, la temperatura del fluido de enfriamiento en el primer lazo o circuito de control de temperatura del primer ¡ntercambiador de calor 22, que pasa a través de la entrada y salida 26, 28, es controlada, con el fin de controlar la temperatura de gas que sale del ¡ntercambiador de calor 22, y de ahí el nivel de humedad absoluta de este gas. Comúnmente, se espera que el gas será enfriado en el primer ¡ntercambiador de calor 22, y el segundo ¡ntercambiador de calor 44 asegurará que el agua de enfriamiento que pasa a través del circuito de enfriamiento estará a una temperatura deseada. El tercer intercambiador de calor 34 permite que la temperatura en el circuito de enfriamiento sea bajada rápidamente si se desea. Donde el requerimiento de operación es aumentar la temperatura del gas que sale del primer intercambiador de calor 22, entonces el agua en el circuito de enfriamiento necesita ser calentado. Para este fin, se provee el primer calentador 36 para permitir que el agua se caliente rápidamente. Se ha encontrado, en la práctica, que tiempos de respuesta de menos de un minuto, puedan ser proporcionados para una celda de combustible de 12kW. De manera correspondiente, en el segundo intercambiador de calor 44, el segundo calentador 56 es ajustado para calentar agua en un circuito de enfriamiento que pasa a través de la entrada y salida 48 y 50 a la temperatura deseada. El cuarto intercambiador de calor 55 permite que la temperatura en el circuito de enfriamiento sea bajada rápidamente si se desea. Se debería apreciar que el vapor usado para humidificar la corriente de gas, puede generarse a través del dispositivo de suministro de vapor usando la fuente de agua fuera del pilar de celda de combustible. Sin embargo, debido a que el agua es un producto de la reacción de celda de combustible, es más eficiente para recuperar el agua generado en el lado del cátodo de la celda de combustible y usar una rueda de entalpia o cualquier otro dispositivo de desplazamiento de entalpia para recuperar agua, y posiblemente calentar desde el lado del cátodo y entonces transferir calor y agua, en el estado de vapor, hacia la corriente de gas, para humidificar la corriente de gas. Como se muestra en la Figura 1, para este fin, una rueda de entalpia 62 es conectada tanto en la salida para gas de escape de pilar de celda de combustible 60 como al primer intercambiador de calor 22. En una manera conocida, la rueda de entalpia 62 es soportada en una flecha por medio de cojinetes y gira alrededor de su eje. La rueda de entalpia es hecha de materiales apropiados entre los cuales se encuentra papel conteniendo un desecante. El gas de escape húmedo del pilar de celda de combustible entra a la rueda de entalpia 62 a lo largo de la dirección axial en un lado, donde la humedad es absorbida y retenida por el desecante. Por otro lado de la rueda de entalpia, con respecto a la flecha, el gas de proceso seco entra a la rueda de entalpia en la dirección axial opuesta. La rotación de la rueda de entalpia provoca que cada sección de la rueda de entalpia pase alternativamente a través de la corriente de gas de escape y corriente de gas de proceso seco entrante; en consecuencia, la corriente de gas de proceso entrante, seco, es humidificado por la humedad retenida en la rueda de entalpia. Al seleccionar de manera apropiada, la presión y temperatura tanto del gas de escape como del gas de proceso seco entrante, el gas de proceso puede ser humidificado en exceso del nivel requerido. Sin una presión particular o una temperatura particular es deseada, pueden proporcionarse medios de control de presión o temperatura antes de que el gas respectivo entre a la rueda de entalpia. El gas de proceso humidificado es transportado entonces al primer intercambiador de calor 22. En esta manera, el suministro de vapor 18 y el saturador 16 pueden ser omitidos entonces y agua generada del pilar de celda de combustible es recuperada. Por lo tanto, el diseño del aparato humidificador es simplificado mientras que la eficiencia mejora de manera significativa. Se debería apreciar que dispositivos de desplazamiento de entalpia similares u otros dispositivos de recuperación de humedad también pueden ser empleados. Además, se prevee que el dispositivo o rueda de desplazamiento de entalpia 62 sería provisto justo en el lado del cátodo, pero tal dispositivo también puede ser provisto en el lado del ánodo, ya sea igual que o en lugar de la rueda de entalpia del lado del cátodo. Conforme se forma agua en el lado del cátodo de la celda de combustible, se espera que la recuperación de agua de la corriente de cátodo de escape será preferida, y esto podría ser usado para humidificar ambas corrientes de cátodo y ánodo entrantes. Se hará referencia ahora a las Figuras 2-7, las cuales muestran un modo de implementación de la presente invención. Haciendo referencia a la Figura 7, se muestra una vista esquemática de un circuito de humidificación de acuerdo con una segunda modalidad. Aquí, una entrada de vapor 70 es conectada a un suministro de vapor y es provisto con un sensor de presión 72, conectado a un interruptor de presión (no mostrado) para operar el sistema de celda de combustible, si la presión de suministro de vapor es demasiado bajo. La línea 70 pasa entonces a través de una válvula de cierre principal 74 y una trampa 76 es provista para drenar cualquier condensación, la cual pueda haberse formado. La linea de vapor 70 pasa entonces a través de una conexión T a dos líneas separadas 90, 92 para suministrar vapor a las lineas de gas separadas para los gases de combustible y oxidante. Muchos elementos de estas dos líneas 90, 92 son comunes y para simplicidad, se da una descripción justo de estos elementos en la línea 90. Los elementos correspondientes en la línea 92 son de números de referencia iguales pero con un sufijo "a", entendiéndose que tienen esencialmente la misma función.

De esta manera, la línea 90 Incluye un regulador de vapor o válvula de cierre 94 conectada a una válvula reguladora adicional 96. La válvula 96 es una válvula medidora, la cual controla el flujo de vapor en las líneas de gas. Un gas de combustible es suministrado a través de una línea 112. El vapor es inyectado en el gas de combustible en un puerto de inyección 114. El vapor es suministrado al puerto de inyección 114 a través de una válvula de no retorno 116. De manera correspondiente, en el lado de oxidante, existe una línea de suministro 112a, y puerto de inyección de vapor 11 a. El gas de combustible que contiene vapor, el cual está entonces en una condición supersaturada, pasa a través del primer intercambiador de calor 118, el cual es enfriado, con el fin de promover la condensación del exceso de humedad. El gas de combustible enfriado pasa entonces a un separador 120 con un arreglo de trampa y drenaje 122, para separar además las gotitas. El gas de combustible con 100% de humedad relativa fluye entonces a través de una línea 124, que está aislada para mantener el nivel de temperatura y humedad del gas de combustible a un segundo intercambiador de calor 126. Un sensor de temperatura 128 es provisto corriente debajo de un separador 120, para detectar la temperatura de la corriente de gas de combustible. Conociendo que la corriente de gas de combustible estará a un 100% de humedad relativa, la humedad absoluta de la corriente de gas puede ser determinada. Desde el segundo intercambiador de calor 126, el gas de combustible fluye al pilar de celda de combustible indicado en 130. Nuevamente, pueden proporcionarse sensores estándares como se indicicó a 132, justo antes de la entrada a la celda de combustible. Cada uno de los primero y segundo intercambiadores de calor 118, 126 tiene su circuito de control de temperatura respectivo, y éstos son descritos ahora por separador. Haciendo referencia primero al primer intercambiador de calor 118, un circuito de control de temperatura indicado generalmente en 132, incluye un primer intercambiador de calor secundario 134, una bomba 136 y un calentador 138. Elementos auxiliares del circuito incluyen una conexión 140 para agua de formación y una válvula de alivio de presión 142. El agua de enfriamiento fría es suministrada al intercambiador de calor secundario 134 a través de líneas de suministro y retorno 144 y 146, proporcionándose una válvula de control en 148. Se proporciona un sensor de temperatura 150 en el circuito de enfriamiento, para permitir que la temperatura en el primer intercambiador de calor 118 sea ajustado según se desea. Otros elementos de control estándares serían provistos según se requiere. Por ejemplo, un controlador de temperatura 152 es conectado al sensor de temperatura 150 y al calentador 138 y también a la válvula de control 148. Asi, el controlador de temperatura 152 puede abrir la válvula 148 para aumentar el flujo de agua de enfriamiento para enfriar la temperatura en el circuito, o accionar alternativamente el calentador 138 para aumentar la temperatura en el circuito, según se requiera. El circuito de control de temperatura para el segundo intercambiador de calor 126 generalmente corresponde. De esta manera, el circuito está indicado en 162, e incluye un segundo ¡ntercambiador de calor secundario 164, una bomba 166 y un calentador 166, Se proporciona una entrada de formación 170, junto con una válvula de liberación de presión 172. Las líneas de suministro y retorno de agua frías 144, 146, están conectadas a través del segundo intercambiador de calor secundario 164, a través de una válvula de control 178. Un sensor de temperatura 180 está conectado al segundo circuito de control de temperatura 162 y un controlador de temperatura 182 está conectado a un sensor de temperatura 180, la válvula de control 178 y al calentador 168, para controlar en cuanto al primer circuito de control de temperatura 132. Todavía haciendo referencia a la Figura 7, como una mejora, la humidificación y el calentamiento del gas de proceso para la corriente de cátodo, a la primera temperatura, pueden efectuarse con una rueda de entalpia o cualquier otro dispositivo de recuperación de humedad como se muestra esquemáticamente en 68. En la misma manera como se describe en la primera modalidad, el gas oxidante de escape que contiene humedad generado por la celda de combustible 130, es suministrado a la rueda de entalpia 68. En la rueda de entalpia 68, el calor y humedad en el gas de escape son recuperados y transferidos, para calentar y humidificar el gas de proceso entrante, que ingresa a la rueda de entalpia 68 en la dirección axial opuesta directamente al gas de escape. El gas de proceso humidificado es transportando entonces a la entrada 112a. Debido a que el principio de la unidad de humedad es igual que aquélla descrita en la primera modalidad, para el fin de simplicidad, no se explica a detalle de manera adicional. Para algunas aplicaciones, puede ser deseable proporcionar además una rueda de entalpia para la corriente de ánodo, Donde se proporciona una humidificación adecuada en esta forma, el suministro de vapor y componentes asociados pueden ser omitidos. La presente invención tiene muchas ventajas sobre la técnica anterior. La combinación de la sección de enfriamiento de punto de roclo y la sección de recalentamiento permite cambios rápidos en las condiciones de operación, con tiempos de respuesta normales, los cuales son menores que un minuto. Adicionalmente, el sistema puede ser controlado dinámicamente para proporcionar temperaturas y humedades relativas de corrientes de gas de proceso de combustible de entrada precisas y exactas, las cuales son esenciales ambas para la operación eficiente de una celda de combustible de membrana de intercambio de protón sobre un amplio rango de densidades de corriente. Aunque la descripción anterior constituye las modalidades preferidas, se apreciará que la presente invención es susceptible a modificación y cambio sin apartarse del justo significado del alcance apropiado de las reivindicaciones acompañantes. Por ejemplo, el dispositivo de control de temperatura puede estar en varias formadas, además del sensor de temperatura, calentador y enfriador descritos en la modalidad anterior. El suministro de vapor puede no ser descrito necesariamente en la modalidad. De otra manera, puede ser cualquier dispositivo de desplazamiento de entalpia o cualquier unidad de recuperación de humedad. Más aún, la presente invención pudiera tener aplicabilidad en otros tipos de celdas de combustible, las cuales incluyen pero no están limitadas a, óxido sólido, alcalino, carbonato derretido y ácido fosfórico. En particular, la presente invención puede ser aplicada a celdas de combustible las cuales operan a temperaturas mucho mayores. Como se apreciará por aquéllos expertos en la técnica, el requerimiento para humidificación es muy dependiente del electrolito usado y además la temperatura y presión de operación de la celda de combustible. De acuerdo con esto, se entenderá que la presente invención puede no ser aplicable a todos los demás tipos de celdas de combustible. Aunque la invención tiene aplicabilidad general a celdas de combustible, pilares de celdas de combustible y unidades de energía de celdas de combustible en cualquier aplicación, se espera que la invención tiene aplicabilidad particular a unidades de energía de celdas de combustible para vehículos como pilares o unidades de energía de celdas de combustible siendo propuestos actualmente para varias aplicaciones automotrices, incluyendo automóviles, camiones y similares. Aplicaciones automotrices son bastante diferentes desde muchas aplicaciones estacionarias. Por ejemplo en aplicaciones estacionarias, los pilares de celdas de combustible son usados comúnmente como una fuente de energía eléctrica y se espera simplemente que corran a un nivel de energía relativamente constante durante un periodo prolongado. En contraste, en un ambiente automotriz, la energía real requería del pilar de celda de combustible puede variar ampliamente, Adicionalmente, la unidad de suministro de pilar de celda de combustible se espera que responda rápidamente a cambios en demanda de energía, ya sean estas demandas para energía incrementada o reducida, aunque se mantienen altas eficiencias. Adicionalmente, para aplicaciones automotrices, se espera que una unidad de energía de celda de combustible opere bajo un rango extremo de condiciones de temperatura ambiente y humedad. Todos estos requerimientos son demandantes en exceso y hacen difícil asegurar que un pilar de celda de combustible opere de manera eficiente bajo todo el rango posible de condiciones de operación. Aunque los puntos clave están asegurando que una unidad de energía de celda de combustible puede suministrar siempre un alto nivel de energía y una alta eficiente, controlar de manera exacta los niveles de humedad dentro de la unidad de energía de celda de combustible es necesario para cumplir estos requerimientos. De manera más particular, es necesario controlar los niveles de humedad tanto en las corrientes de gas oxidante como de combustible. La mayoría de las técnicas de humidificación conocidas son mal diseñadas para responder rápidamente a condiciones cambiantes, temperaturas y similares. Muchos de los sistemas conocidos pueden proporcionar niveles de humidificación inadecuados, y muchos tienen una inercia térmica alta y/o volúmenes muertos grandes, con el fin de hacerlos incapaces de una respuesta rápida para condiciones cambiantes. En contraste, la técnica de la presente invención pretende permitir que los niveles de humedad sean controlados de manera exacta y sean cambiados rápidamente en una escala de tiempo muy corta, por ejemplo, del orden de décimas de segundos. El concepto básico detrás del método y aparato de la presente invención, es un proceso de tres pasos que comprende, sobre-humidíficar la corriente de gas relevante; enfriar la corriente de gas para condensar el exceso de agua, reconocer que a cualquier temperatura, el nivel de humedad de una corriente de gas completamente saturada será conocido; y entonces, donde se requiera, recalentar la corriente de gas a una temperatura final mayor, para dar una corriente de gas teniendo una temperatura deseada y una humedad relativa deseada. En aplicaciones automotrices, se espera que las técnicas sean adaptadas para dar buena eficiencia de energía. Por ejemplo, el calentador final para recalentar la corriente de gas podría formar parte del enfriador para enfriar la corriente de gas para condensar el exceso de vapor de agua. En otras palabras, pasar gas a través del intercambiador de calor a un separador de agua, transferiría calor al gas que pasa fuera del separador, con el fin de recalentar ese flujo de gas.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES 1. Un método para humídificar una corriente de gas de proceso, comprendiendo el método: (a) humídificar la corriente de gas de proceso a una primera temperatura, con el fin de proporcionar la corriente de gas de proceso con exceso de humedad; (b) enfriar la corriente de gas de proceso a una segunda temperatura, menor que la primera temperatura, para provocar condensación de exceso de humedad; (c) remover humedad condensada en exceso desde la corriente de gas de proceso; y (d) entregar la corriente de gas de proceso a una temperatura conocida, por lo cual el nivel de humedad relativa en la corriente de gas de proceso es determinada de la proporción de las presiones de saturación de la quinta y dichas temperaturas conocidas. 2. Un método como se reclama en la reivindicación 1, el cual incluye suministrar la corriente de gas de proceso humidificada a una celda de combustible, y proporcionar la celda de combustible con una salida para gas de proceso de escape. 3. Un método como se reclama en la reivindicación 1, en donde el paso (d) incluye calentar la corriente de gas de proceso a una tercera temperatura mayor que la segunda temperatura. 4. Un método como se reclama en la reivindicación 3, el cual incluye suministrar la corriente de gas de proceso calentada y humidificada a una celda de combustible. 5. Un método como se reclama en la reivindicación 4, el cual incluye entregar la corriente de gas de proceso a través de una línea de suministro a la celda de combustible y calentar la línea de suministro con un elemento de calentamiento para mantener la corriente de gas de proceso a la tercera temperatura. 6. Un método como se reclama en la reivindicación 4, en donde dicha corriente de proceso comprende una corriente de gas de combustible, y en donde el método incluye adicionalmente: (i) proporcionar una corriente de gas oxidante; (¡i) humidificar la corriente de gas oxidante a una cuarta temperatura, con el fin de proporcionar la corriente de gas oxidante con exceso de humedad; (Mi) enfriar la corriente de gas oxidante a una quinta temperatura menor que la cuarta temperatura, para provocar condensación de exceso de humedad; (iv) remover el exceso de humedad condensada de la corriente de gas oxidante; (v) entregar la corriente de gas oxidante a una temperatura conocida de la celda de combustible, por lo cual el nivel de humedad relativa en la corriente de gas oxidante es determinada de la proporción de las presiones de saturación a la quinta y dichas temperaturas conocidas. 7. Un método como se reclama en la reivindicación 6, en el cual el paso (v) incluye calentar la corriente de gas oxidante a una sexta temperatura mayor que la quinta temperatura, y entregar la corriente de gas oxidante a través de la segunda línea de suministro mientras que mantiene la corriente de gas oxidante a la sexta temperatura. 8. Un método como se reclama en la reivindicación 7, el cual incluye calentar la segunda línea de suministro con un elemento de calentamiento, 5 para mantener la temperatura de la corriente de gas oxidante. 9. Un método como se reclama en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, el cual incluye humidificar la corriente de gas de proceso en el paso (a) al suministrar vapor en la corriente de gas de proceso. 10. Un método como se reclama en la reivindicación 6, el cual incluye io suministrar vapor tanto a la corriente de gas de combustible como a la corriente de gas oxidante, con el fin tanto de calentar como de humidificar las corrientes de gas y con el fin de supersaturar las corrientes de gas. 11. Un método como se reclama en la reivindicación 2, el cual incluye recuperar la humedad del gas de proceso de escape generado por la I5 unidad de energía de celda de combustible y usar la humedad recuperada para humidificar la corriente de gas de proceso. 12. Un método como se reclama en la reivindicación 11, en donde la celda de combustible incluye tanto como una corriente de gas de combustible y una corriente de oxidante, en donde la corriente de gas de 0 proceso comprende una de las corrientes de combustible y oxidante, y en donde el método incluye usar la humedad recuperada para humidificar al menos una de las corrientes de combustible y oxidante corriente arriba de la celda de combustible. 13. Un método como se reclama en la reivindicación 12, en donde dicha 5 corriente de gas de proceso comprende la corriente de gas de combustible, y en donde el método comprende recuperar humedad de gas de combustible de escape y humidificar gas de combustible entrante con la humedad recuperada. 14. Un método como se reclama en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la primera temperatura está en el rango de 10°C hasta 120°C. 15. Un método como se reclama en la reivindicación 14, en donde la segunda temperatura está en el rango de 5°C hasta 115°C. 16. Un método como se reclama en la reivindicación 3, 4 o 5, en donde la primera temperatura está en el rango de 10°C a 120°C, en donde la segunda temperatura está en el rango de 5°C hasta 115°C, en donde la tercera temperatura está en el rango de 10°C a 120°C, y en donde la humedad relativa de la corriente de gas de proceso a la tercera temperatura está en el rango de 0 a 100%. 17. Un método como se reclama en las reivindicaciones 2, 4, 5 o 13, el cual incluye proporcionar la celda de combustible con una membrana de intercambio de protones. 18. Un aparato para humidificar una corriente de gas de proceso, para una celda de combustible, comprendiendo el aparato: una primera unidad de humidificación teniendo una entrada para la corriente de gas de proceso, para adicionar humedad a la corriente de gas de proceso a una primera temperatura, a una humedad en exceso de un nivel de humedad requerido; un primer intercambiador de calor conectado a la unidad de humidificación, para enfriar la corriente de gas de proceso a una segunda temperatura menor, por lo cual se condensa el exceso de humedad en la corriente de gas de proceso, y para remover la humedad condensada, por lo cual la corriente de gas de proceso que deja el intercambiador de calor tiene una temperatura conocida y un nivel de humedad relativa conocido. 19, Un aparato como se reclama en la reivindicación 18, en combinación con una unidad de energía de celda de combustible teniendo una primera entrada de gas de proceso conectada al primer intercambiador de calor y una salida para gas de proceso de escape. 20. Un aparato como se reclama en la reivindicación 19, en donde cada celda de combustible de la unidad de energía de celda de combustible incluye una membrana de intercambio de protones. 21. Un aparato como se reclama en la reivindicación 18, el cual incluye un primer calentador conectado al primer intercambiador de calor, para calentar la corriente de gas de proceso a una tercera temperatura, mayor que la segunda temperatura, por lo cual la corriente de gas de proceso tiene un nivel de humedad relativa conocido. 22. Un aparato como se reclama en las reivindicaciones 19, en donde el gas de proceso comprende una corriente de gas de combustible y en donde la unidad de energía de celda de combustible incluye una segunda entrada para una corriente de gas oxidante, en donde la primera unidad de humidifícación, el primer intercambiador de calor y el primer calentador están ubicados en una primera línea de gas de combustible, conectada a la primera entrada de gas de la unidad de energía de celda de combustible, y en donde el aparato incluye una segunda linea de gas oxidante y el aparato incluye, dentro de la linea de gas oxidante: una segunda unidad de humidificación para humidificar la corriente de gas oxidante a una cuarta temperatura; y un segundo intercambiador de calor, conectado a la segunda unidad de humidificación, para enfriar la corriente de gas oxidante a una quinta temperatura menor que la cuarta temperatura, por lo cual se condensa el exceso de humedad y se separa de la corriente de gas oxidante. 23. Un aparato como se reclama en la reivindicación 22, en donde la segunda linea de gas oxidante incluye un segundo calentador conectado al segundo intercambiador de calor, para calentar la corriente de gas oxidante a una sexta temperatura mayor que dicha quinta temperatura. 24. Un aparato como se reclama en la reivindicación 19, en donde la unidad de humidificación incluye un inyector de vapor para inyectar vapor en la corriente de gas de proceso. 25. Un aparato como se reclama en la reivindicación 22, en donde cada una de las primera y segunda unidades de humidificación incluye un inyector de vapor que inyecta vapor en la corriente de gas respectiva. 26. Un aparato como se reclama en la reivindicación 19, el cual incluye una unidad de recuperación de humedad conectada a la salida de gas de proceso de escape de la unidad de energía de celda de combustible para recuperar humedad en el gas de escape generado por la unidad de energía de celda de combustible y usar la humedad recuperada para humidificar el gas de proceso corriente arriba de la unidad de energía de celda de combustible. 27. Un aparato como se reclama en la reivindicación 21 o 25, en donde el primer calentador y el segundo calentador, cuando está presente, comprende un medio de calentamiento alargado para mantener la Knea de salida a la tercera temperatura. 28. Un aparato como se reclama en la reivindicación 22, en donde cada uno de los primero y segundo intercambiadores de calor incluye un primer circuito de control de temperatura, para controlar la temperatura del intercambiador de calor, comprendiendo el primer circuito de control de temperatura un conducto para un fluido, una bomba para bombear el fluido y medios para enfriar el fluido. 29. Un aparato como se reclama en la reivindicación 28, en donde cada uno de los pirmeros circuitos de control de temperatura incluye adicionalmente un calentador más para calentar el fluido respectivo. 30. Un aparato como se reclama en la reivindicación 28 o 29, en donde cada uno de los primero y segundo calentadores comprende un intercambiador de calor adicional, y en donde un segundo circuito de control de temperatura es provisto para cada intercambiador de calor adicional, para controlar la temperatura del mismo, comprendiendo cada segundo circuito de control de temperatura un conducto para fluido, una bomba para circular el fluido y un tercer calentador para calentar el fluido. 31. Un aparato como se reclama en la reivindicación 30, en donde cada uno de los segundos circuitos de control de temperatura incluye otro calentador para calentar el fluido en el mismo.