MXPA06009155A - Metodo y aparato para operar una pila de celda de combustible de oxido solido con un electrolito de conduccion ionica/electronica mixto. - Google Patents

Abstract

Se describen un metodo y aparato para operar una pila de celda de combustible de oxido solido (10) de temperatura intermedia con un electrolito de conduccion ionica/electronica mixto con el fin de incrementar su eficiencia. La salida de energia requerida de la pila de celda de combustible de oxido solido (10) es determinada y una o mas condiciones de la pila de celda de combustible solido (10) se controlan dependiendo de la salida de energia requerida, determinada. Las condiciones de operacion que son controladas pueden ser por lo menos una de la temperatura de la pila de celda de combustible y al dilucion del combustible suministrado a la pila de celda de combustible.

Description

MÉTODO Y APARATO PARA OPERAR UNA PILA DE CELDA DE COMBUSTIBLE DE OXIDO SÓLIDO CON UN ELECTROLITO DE CONDUCCIÓN IÓNICA/ELECTRÓNICA MIXTO La presente invención se refiere a un método y aparato para operar una pila de celda de combustible de óxido sólido con el fin de aumentar su eficiencia, en particular al variar una ó más condiciones operativas de la celda de combustible. Las celdas de combustible de óxido sólido (SOFCs) son un medio prometedor para generar electricidad de cualquiera de los combustibles de hidrógeno o fósiles en una forma más eficiente y ambientalmente más aceptable que las tecnologías de generación más tradicionales. Sin embargo las SOFCs tradicionales operan a temperaturas muy elevadas (mayores a 900°C), e incluso innovaciones más resientes solo han sido capaces de reducir la temperatura de 700-800°C. Esta temperatura elevada de operación lleva a problemas significativos con los materiales utilizados con la construcción de tales pilas de combustible y los componentes de sistema relacionados. Los materiales que pueden soportar la operación prolongada a estas temperaturas tienden a ser costosos, frágiles o ambos. Intentar utilizar materiales de bajo costo, tal como aceros inoxidables férricos, a temperaturas de operación elevadas causan problemas con la degradación de desempeño de la pila debido a oxidación del metal y vibración de especies de cromo volátiles sobre periodos prolongados a estas temperatura de operación elevadas. Con el fin de hacer una pila de SOFC comercialmente atractiva para aplicaciones de mercado masivo, por lo tanto existe un incentivo fuerte para intentar el reducir la temperatura de operación de la pila a partir de allí el costo de los materiales requeridos. A una temperatura por debajo de 650°C, los materiales de bajo costo de construcción tal como aceros inoxidables férreos son lo suficientemente estable para permitir operación de largo plazo sin degradación de desempeño de pilas significante. Las SOFCs convencionales utilizan un electrolito de óxido de zirconio calculado con yttrio (YSZ). Este es un material que conduce iones de óxido a temperaturas elevadas, pero no electrones. Por lo tanto es muy adecuado para utilizarse como un electrolito de celda de combustible. Desafortunadamente YSZ no es un conductor de ion de óxido particularmente bueno y su resistencia se hace prácticamente elevada por debajo de aproximadamente 650°C, que lleva al desempeño de celda de combustible muy pobre. Con el fin de operar bajo esta temperatura, que como se menciono previamente es altamente desearle, se requieren un material de electrolito diferente. A pesar de eso, YSZ que no conduce electrones, existe un número de materiales de electrolito de cerámica de construcción iónica/electrónica mixto que tiene una conductividad iónica elevada bajo 650°C en términos de su desempeño, la estabilidad y seguridad en control, lo más prometedor y ampliamente utilizado de estos materiales de electrolito conductores iónicos/elctrónicos mixtos de temperatura baja es óxido de serio calculado con gandolio (CGO), aunque el sistema y otros materiales tal como otros óxido de serio calculados. CGO exige buena conductividad iónica descendiendo bajo 500°C. Desafortunadamente CGO no es tan estable como YSZ, y en una atmósfera reductora a temperatura (tal como la normalmente encontrada en el otro lado de la celda de combustible), los iones Ce4+ se pueden conducir a Ce3+. Esto resulta en electrolito que desarrolla una conductividad electrónica que resulta en un flujo de corriente de corto circuito dentro de la celda de combustible. Este corto circuito se observa externamente como un cálculo en el voltaje de terminal de celda en el circuito abierto, y resulta en una perdida de eficiencia al convertir energía en el combustible a electricidad. Esta característica de CGO ha llevado a mucha gente a rechazarlo como un material de electrolito, ya que consideran que la perdida de eficacia a través del corto circuito interno es demasiada severa para un dispositivo práctico. Es un objeto de la presente invención reducido al menos algunos de los problemas discutidos anteriormente. De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención se proporciona un método para operar una pila de celda de combustible de óxido sólido con un electrolito de conducción iónica/electrónica mixto, el método comprende, determinar la salida de energía requerida de la pila de celda de combustible de óxido sólido y controlar una ó más condiciones operativas de la pila de celda de combustible de óxido sólido que depende de la salida de energía de salida predeterminada. Las condiciones de operación de la pila de celda de combustible de óxido sólido que se evadían preferiblemente son al menos una de la temperatura de la pila de celda de combustible y la disolución de combustible suministrado a la pila de celda de combustible. La conductividad electrónica de CGO temperatura fuertemente deteniente, y en una temperatura suficientemente baja la corriente de escape electrónico se puede reducir a un nivel aceptable. Mientras la temperatura operativa del material de electrolito de CGO se reduce, así lo hace también la magnitud del efecto de corto circuito. El efecto reduce a tal grado que cuando la temperatura operativa reduce a 500°C el efecto es negligente. Por lo tanto CGO es un material de electrolito adecuado cuando la temperatura de operación de celda de combustible está bajo una temperatura de 650°C ó más preferiblemente 600°C esto es particularmente el caso bajo una carga externa elevada, en donde el flujo de iones de óxido a través del electrolito tiende a volver a oxidar los iones de Ce3+ a Ce4+ de esa forma, eliminando la conductividad electrónica. La eficiencia de la pila de celda de combustible con un electrolito que incluye serio aumenta rápidamente a aproximadamente por arriba de 50% de su energía medida, mientras la corriente de corto circuito se hace relativamente pequeña a la corriente de circuito externa. Se puede demostrar, por ejemplo que en la operación de energía completa cercana y en las temperaturas de menos de 600°C, la eficiencia de una celda de combustible a base de CGO es comparable con una celda de combustible a base de YSZ que opera a temperaturas en exceso de 700°C y no en ningún castigo significante que resulte del uso de CGO. De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención se proporciona un sistema de control para una pila de celda de combustible de óxido sólido con un electrolito de conducción iónica/electrónica mixto, el sistema de control que comprende: medios de control determinar una salida de energía requerida de la pila, y un controlador para controlar una o más condiciones operativas de la pila que dependen de la salida de energía requerida. El controlador puede disponerse para controlar al menos una temperatura de la pila y la dilución de combustible suministrado a la pila. Una pila de celda de combustible con un electrolito de conducción iónica/electrónica mixto se puede proporcionar con un sistema de control de acuerdo con el segundo aspecto de la presente invención. Las modalidades de la presente invención ahora se describirán a manera de ejemplo con referencia a los dibujos acompañantes, en los cuales: La Figura 1 muestra la eficiencia de conversión de energía de una celda de combustible con un electrolito a base de CGO argumentado contra densidad de energía eléctrica en un rango de temperatura de 500°C a 600°C; La Figura 2 muestra la eficiencia de conversión de energía de una celda de combustible con un electrolito a base de CGO graficado contra densidad de energía eléctrica en un rango de dilusiones de combustible; La Figura 3 substancialmente muestra una pila de celda de combustible con un sistema de control para controlar una o más condiciones operativas de la pila de celda de combustible que depende de una salida de energía requerida; La Figura 4 muestra esquemáticamente un sistema de Celda de Combustible de Óxido Sólido que opera en combustible de LPG; La Figura 5 muestra la salida de energía de pila (DC) y sistema (AC) durante simulaciones de sistema mostrado en la Figura 4; La Figura 6 muestra la temperatura de pila durante la simulación; La Figura 7 muestra la relación estequiométrica de aire durante las simulaciones; La Figura 8 muestra las eficiencias de pila y sistemas resultantes durante la simulación; La Figura 9 muestra las corrientes iónicas y externas dentro de la pila durante las simulaciones; La Figura 10 muestra el voltaje previsto de una celda de combustible individual; La Figura 11 muestra la relación de vapor/carbón el reformador para otra simulación; y La Figura 12 muestra la eficiencia de pila para otra simulación.

Se presentan dos estrategias más adelante para la minimización de la corriente de corto circuito bajo condiciones de carga de parte, de esa forma maximiza la eficiencia de la celda de combustible a través de su rango operativo completo.

Método 1 La Figura 1 ilustra los resultados de una simulación de computadora de una celda de combustible a base de CGO con una salida de energía especifica máxima nominal de 0.2 Wcm"2 la eficiencia de conversión de energía se argumenta contra densidad de energía eléctrica a un rango de temperaturas operativas de 500°C a 600°C. La eficiencia de conversión de energía se define como a la salida de energía eléctrica dividida por la energía química en el combustible de hidrógeno consumido, que asume 100% de conversión de combustible. Estos valores por lo tanto son las eficiencias teóricas máximas para está celda, y no las eficiencias reales, Ya que en realidad 100% de la conversión de combustible no es posible. Sin embargo, la tenencia real seguiría el mismo patrón. Se puede observar a partir de la Figura 1 que la eficiencia máxima en cualquier densidad de energía dada en temperatura dependiente, y que entre superior sea la densidad de energía, superior ser á la temperatura a la cual ocupe la máxima eficiencia. La razón para esto es como sigue. Una temperatura inferior de operación reduce tanto la magnitud absoluta de la densidad de corriente de escape electrónico, como la densidad de corriente de circuito externo a la cual la corriente de escape se hace insignificante. Esto significa que a bajas densidades de corriente externas, se puede lograr una eficiencia superior a una temperatura operativa inferior. Sin embargo, la temperatura inferior también aumenta las varias resistencias de celda, particularmente el cátodo sobrepotencial. De esa forma para cualquier densidad de corriente dada, la pérdida de voltaje como resultado de la resistencia de celda interna será superior, lo que da como resultado en una eficiencia inferior de corrientes superiores. Sin embargo, a estas densidades de corrientes superior, la corriente de escape electrónico es insignificante, incluso a una temperatura superior, pero la resistencia de celda es inferior. Esto lleva a una pérdida de voltaje inferior en la resistencia de celda interna, y de esa forma un voltaje de terminal de celda superior y a partir de ahí la eficiencia. Una estrategia clara para optimizar la eficiencia de una pila con estas características es por lo tanto permitir que la temperatura de pila varié en el rango de 500-600°C, o posiblemente hasta 650°C es dependiendo de la salida de energía requerido. Esto es relativamente simple de lograr ya que una salida de energía eléctrica superior de la pila también resulta en una salida de calor superior, y al bajo enfriara la pila, la temperatura puede permitir fácilmente elevarse con una salida de energía aumentada, y viceversa. Sin embargo, en el caso de un aumento rápido en la demanda de energía, la pila puede no estar a una temperatura lo suficientemente alta para permitir que la demanda se satisfaga. Dependiendo de que tan rápidamente la pila se caliente, puede ser posible, si se requiere cubrir esta demanda temporalmente utilizando alguna forma de almacenamiento de energía. Como una alternativa o además del método descrito anteriormente, se presenta más adelante un segundo método de aumentar la eficiencia de pila.

Método 2 La Figura 2 ¡lustra los resultados de otra simulación de computadora de una celda a base de CGO, esta vez con una densidad de energía máxima nominal de 0.4Wcm"2\ En este caso la temperatura se mantuvo constante a 570CC, y la dilución del combustible de hidrógeno con vapor vario. Se puede observar que la dilución del combustible con porcentaje en aumento de vapor tiene mucho el mismo efecto que reducir la temperatura. Esto es ampliamente debido a la adición de porcentajes superiores de vapor a combustible de hidrógeno hace al combustible menos reductor. Esto tiene el efecto de aminorar la tendencia de iones de Ce4+ en electrolito para reducir a Ce3+, y de esa forma reduce la conductividad electrónica del electrolito. Sin embargo, diluir el combustible también aumenta la resistencia de ánodo y reduce el voltaje de circuito abierto de celda, de esa forma reduce la salida de energía máxima lo obtenible.

Otra estrategia posible para optimizar la eficiencia de pila en carga de parte es diluir el combustible como un porcentaje en aumento de vapor mientras la carga cae. Este método es igualmente aplicable si el combustible se diluye con dióxido de carbón, nitrógeno, o una mezcle de vapor, nitrógeno y/o dióxido de carbono, o si el gas de combustible es monóxido de carbono, o una mezcla de hidrógeno o monóxido de carbono. Un método de lograr esta dilución de combustible sería mezclar el gas de combustible entrante con una proporción variable de gas de escape reciclado de lado de ánodo de la pila. Sin embargo, cualquier método de diluir el gas de combustible de ánodo, por ejemplo al suministrar vapor, nitrógeno y/o dióxido de carbono de una fuente separada cairia dentro del alcance de la presente invención. La Figura 3 esquemáticamente muestra una pila de celda de combustible de óxido sólido con electrolitos de conducción iónica/electrónica mixto con un sistema de control para controlar al menos una de la temperaturas de la pila de celda de combustible y/o la dilución del combustible suministrado a la pila. La pila de celda de combustible 10 tiene un compartimiento de ánodo 11 a través del cual se pasa el gas de combustible que contiene hidrógeno y un compartimiento de cátodo 12 a través del cual se pasa el aire. La pila de celda de combustible se forma de disposiciones individuales y múltiples de ánodo, electrolítica y cátodo dispuestos en capas para lograr una pila de celda de combustible en funcionamiento. La pila tiene una entrada de combustible 30, a través de la cual se pasa al hidrógeno o un combustible de hidrocarburo tal como metano, y un conducto de salida 70 a través del cual los gases de escape de compartimiento de ánodo dejar la pila. Estos gases de escape típicamente son una mezcla de vapor e hidrógeno no reaccionado. Si el combustible original fuera hidrocarburo, las bases de escape también contendrían óxidos de carbono. El conducto de reciclado 40 se proporciona lo cual permite que los gases de escape se mezclen con el combustible entrante, por medio de un compresor variable 50. Este compresor podría conducirse eléctricamente ventilado o algunos forman el ejecutor o bomba de chorro. Opcionalmente, la mezcla de combustible entrante y gases de escape reciclado se puede alimentar a una unidad de reformador 31, que convierte un combustible de hidrocarburo a una mezcla de hidrógeno y óxidos de carbono por reacción por vapor. La pila también se proporciona con un conducto de entrada de aire 20, por la cual el aire precalentado se alimenta a la pila, tanto como un oxidante como un enfriador. El precalentamiento puede ocurrir por medio que incluye utilizar calor en exceso de la pila de celda de combustible, o recuperar calor de los conductos de escape de pila, o utilizar una fuente de calor separada tal como calentamiento de inducción, quemar o recuperar calor de otro procedimiento externo. El compartimiento de cátodo también tiene un conducto de salida 71 para permitir que los gases de escape se remuevan de la pila. Se proporciona un microprocesador 60 que puede ser parte de una computadora o tableros de circuito impreso. Por ejemplo. El microprocesador recibe entradas de la temperatura de pila 13, el voltaje de pila 14 y la corriente de pila 15. El microprocesador se dispone para controlar la temperatura desde la línea de control 21 y la relación de combustible fresco para gas de escape reciclado a través de la línea de control 51, que controla el compresor variable 50. Alternativamente la dilución del combustible entrante se puede controlar por la adición de una cantidad controlada de vapor, dióxido de carbono o un gas inerte de otra fuente. El control de la temperatura depila a través de la línea 21 se puede efectuar por un número de métodos, o combinaciones de métodos, que incluyen pero no se limitan a: 1) variar el volumen de alimentación del aire a la pila 2) Variar la temperatura de la alimentación de aire a la pila. 3) Variar la concentración de combustible de hidrocarburo no reformado que ingresa a la pila, a sumir que ocurre reformación interna. 4) Variar la temperatura del combustible que ingresa a la pila.

El microprocesador recibe una entrada de la salida de energía de la pila al multiplicar el voltaje de pila y señales de corriente 14 y 15. El microprocesador contendrá una tabla de revisión o similar que contendrá la temperatura de pila óptima y/o disolución de combustible para una salida de energía dada. El microprocesador manipulara variables de control 21 y 51 para intentar lograr este óptimo para una salida de energía dada. La Figura 4 esquemáticamente ¡lustra un sistema completo de Celda de Combustible de Óxido Sólido que opera en combustible de gas de petróleo líquido (LPG). Este sistema ilustra cómo un método de controlar una pila de celda de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (IT-SOFC) descrito en el método 1 se podría implementar en la práctica. Este sistema se ilustra como un ejemplo solamente, y se pueden adoptar muchas otras configuraciones que lograrían el mismo resultado. El combustible de LPG se suministra a través de alguna forma de control de flujo de masa y sistema de sulfuración 10. El sistema se mezcla con el vapor de la tubería 62 en el mezclador 21, en relación de al menos dos moles de vapor por cada modo carbono en el combustible. La mezcla de vapor/LPG después se precalienta aproximadamente a 430°C en el intercambiador de calor de combustible 22, y después se alimenta al reformador 23. En el reformador la mezcle se calienta a aproximadamente 700°C por medio de intercambio de calor con la corriente de gas de escape, que se ilustra esquemáticamente por conexión 51 del intercambiador de calor 50. A esta temperatura elevada los hidrocarburos en el combustible (predominantemente propano con una fracción pequeña de butano, propileno y componentes de rastro tal como pentano) reacciona con el vapor para formar una mezcla de reformación n rica en hidrógeno. La mezcla de reformación típicamente sería de 60-70% de hidrógeno en volumen con un porcentaje inferior de vapor, monóxido de carbono, dióxido de carbono y metano. Esta mezcla de gases adecuada para mar combustible a una pila de SOFC sin otro tratamiento. La mezcla de reformación se enfría a una temperatura adecuada para alimentar la pila por medio del intercambiador de calor de combustible 22, calentar los reactivos entrantes en el procedimiento. La mezcla de reformación después se alimenta al compartimiento de ánodos 31 de la pila de celda de combustible 30 por medio del conducto de entrada de combustible 24. El gas de combustible se consume parcialmente dentro de la pila, y el gas de escape deja al compartimiento de ánodo de la pila por medio del conducto de escape 41. En lugar de escape se deja cerca de la temperatura a la parte más caliente de la pila, típicamente 550-520°C dependiente de la condición operativa. El gas de escape es predominantemente vapor y dióxido de carbono, con cantidades más pequeñas de hidrógeno no quemado y monóxido de carbono. El aire atmosférico se presenta en el sistema a través del filtro de aire 30, por el ventilador de aire 31. El ventilador 91 tiene un motor de velocidad variable controlado por el controlador de motor 93, y por medio de flujo de masa de aire presentada en el sistema puede variarse. El flujo de masa del aire se presenta en el sistema se mide por el sensor de flujo de masa 94. El aire se proporciona tanto como un oxidante y como un medio de enfriamiento de la pila de SOFC, y es normal para que se alimente considerablemente más aire que el requerido como un oxidante, el resto que transporta calor en exceso fuera de la pila. El aire se alimenta del sensor de flujo de masa 94 al precalentador de aire 70, en donde se precalienta a una temperatura adecuada para alimentarse en la pila (típicamente 450-500°C) el aire entrante se precaliente por enfriamiento de la corriente de gas de escape caliente 63. El aire precalentado después se alimenta al compartimiento de cátodo 32 de la pila de celda de combustible 30 por medio de conductos de aire 72. Como con el combustible, el hidrógeno en el aire se consume parcialmente por al reacción de celda de combustibles. El aire es igual, de alguna forma llena de oxigeno, deja la pila por medio del conducto de escape de aire 42. Con el gas de combustible, el aire típicamente estará más cerca de la temperatura de pila máxima, típicamente 550-620°C dependiendo de la condición operativa. Tanto los conductos de escape de aire, combustible 41 y 42 se alimentan en el quemador posterior del sistema 40, en el cual el gas de aire y combustible se mezclan, y el hidrógeno no ha reaccionado en monóxido de carbón del escape de pilas se queman convencionalmente para generar calor. La corriente de gas de escape 43 del calor resultante (típicamente 700-900°C) primero se alimenta a través del intercambiador de calor 50 para proporcionar calentamiento para el reformador 23. La corriente de gas de enfriador 52 del intercambiador de calor 50 después se alimenta al generador de vapor 60, en el cual se utiliza para evaporar agua suministrada por la bomba de alimentación 61. El vapor resultante después se alimenta al reformador a través de la tubería 62. El gas de escape, ahora enfriada aproximadamente a 600°C, después se alimenta al precalentador de aire 70 para precalentar el aire entrante. Finalmente el gas de escape, aun aproximadamente a 250°C, se alimenta al intercambiador de calor 80 que se puede utilizar para recuperar calor del desperdicio para una aplicación de calor combinado y energía. La pila se proporciona con una demanda de energía estrena 110, que presenta la corriente fuera de la pila a través del cable 111. La naturaleza de la demanda de energía podía ser una de un rango de diferentes aplicaciones. El sistema se proporciona con una unidad de control a base de microprocesador 100. Esto mide la corriente de pila a través de la entrada 101, y la temperatura de pila a través de la entrada 102. También mide el flujo de masa de aire que entra al sistema a través del sensor de flujo de masa 94 y entrada 104. La unidad de control controla el ventilador de aire 91 por medio del controlador de motor 93 y la salida 103. De esta forma el controlador puede controlar el flujo de aire de la pila. La unidad de control 100 también controla la bomba de alimentación de agua 61 por la salida 105. De esta forma la relación de vapor con el combustible en el reformador también puede cambiarse. El desempeño del sistema ilustrado en la Figura 4 se simuló en una computadora. El sistema simulado está basado en una pila con una salida de energía de 1KWe, y un sistema que suministra energía de AC. La salida de energía de AC del sistema siempre es menor que la salida de energía de pila debido a que varias partes del sistema tal como el ventilador de aire consumen energía. En esta simulación el sistema se opera durante 10 minutos (600 segundos) a energía de AC completa (800 W). La energía después se desliza sobre rampa hacía abajo a la mitad de la energía de AC (400 W), y después la temperatura de pilas se disminuye a 25°C al aumentar temporalmente el flujo de aire para aumentar la velocidad de enfriamiento dentro de la pila. El efecto claramente benéfico de disminuir la temperatura de pila bajo las condiciones de carga de parte se puede observar. La Figura 5 muestra la salidas de energía de pila (DC) y sistema (AC) durante la simulación, que ilustra el deslizamiento de lámpara hacia debajo de energía de 800 a 400 We. La Figura 6 muestra la temperatura de pila durante la simulación, y la Figura 7 en la relación de aire estequiométrica. Esto representa la relación de flujo de aire real a la demanda de aire teórica para suministrar suficiente oxigeno para la reacción de celda de combustible. Se puede observar que a la energía completa, esta relación está aproximadamente a 10, que representa la cantidad de aire requerida para enfriamiento de pila. La relación de aire después aumenta a un máximo de aproximadamente 20 mientras el flujo de aire aumenta para enfriar la pila. El aumento de flujo de aire a aproximadamente 1100s es un resultado del controlador de temperatura de pila que se reestablece para hacerlo más sensible que la temperatura de pila cerca del punto de establecimiento nuevo. La Figura 8 muestra las eficiencias de pila y sistema resultante. Se puede observar que con la temperatura de pila mantenida aproximadamente a 590°C, hay una caída significante en la eficiencia mientras la carga se reduce. Este es como resultado de aumentar conductividad de electrónica en el electrolito mientras se reduce la densidad de corriente. Sin embargo, mientras la temperatura de pila cae, la eficiencia se recupera hasta que es compatible con la eficiencia de carga completa. De hecho la eficiencia de pila es mejor que la eficiencia de carga completa como resultado del voltaje de celda superior. Si embargo el sistema deficiencia es un poco peor como resultado de las demandas de energía parásitas fijas tal como las requeridas para hacer funcionar el sistema de control. La Figura 9 muestra las corrientes iónicas y externas dentro de la pila. La corriente externa es el flujo de corriente en el conducto externo, y la corriente iónica es la suma de la corriente externa y la corriente de escape electrónica. Se puede observar que el espacio entre estas dos líneas que representa la magnitud del escape electrónico, aumentan mientras caen la corriente externa. Sin embargo, se puede observar que el espacio cierra mientras la temperatura de pila cae bajo condiciones de carga de parte. Finalmente la Figura 10 muestra voltaje previsto de una celda de combustible individual. Se puede observar que el voltaje de celda aumenta mientras se reduce la carga, como se podría esperar. También se puede observar que el voltaje de celda finalmente cae un poco mientras la pila se enfría, lo cual podría representar normalmente una perilla de eficacia mientras aumenta la resistencia de celdas. Sin embargo, el beneficio de reducir la corriente de escape supero el aumento de resistencia proporcionando la caída de temperatura que no es muy grande. Una segunda simulación se realiza para demostrar el efecto de diluir el combustible en la eficiencia del sistema a carga de parte (método 2). Una simulación similar se realizo en donde la pila corre a una energía completa durante 10 minutos, y después se dejó caer a la mitad de la energía. Sin embargo este tiempo en el que la pila se mantuvo a una temperatura constante pero el flujo de masa de agua de generador de corriente de la bomba 61 aumentó en dos etapas. Esto tiene el efecto de aumentar la relación de vapor/carbono en el formador de 2.0 a 3.5, y de esa forma aumenta la dilución del combustible en la pila, como se ilustro en la Figura 11. El efecto de eficiencia en la pila se puede observar en la Figura 12. El beneficio de este acercamiento es menos marcado que cambiar la temperatura de pila (método 1), pero una pequeña mejora en eficiencia es claramente aparente. Se pueden hacer muchas variaciones a los ejemplos descritos anteriormente mientras incluso caen dentro de la alcance de la invención. Por ejemplo el microprocesador solo puede controlar la temperatura de pila pero no la dilución completa, o viceversa.

Claims (22)

REIVINDICACIONES

1.- Un método para operar una pila de combustible de óxido sólido para optimizar la eficiencia de conversión de energía de la pila, en donde la pila de combustible de óxido sólido comprende electrolitos de conducción iónica/electrónica, mixtos, el método comprende: determinar la salida de energía requerida de la pila de celda de combustible de óxido sólido, y controlar una o más condiciones de operación de la pila de combustible de óxido sólido que depende de la salida de energía determinada para optimizar dicha eficiencia de conversión de energía durante la operación de la pila.

2.- Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las condiciones de operación de la pila de celda de combustible de óxido sólido que se controlan son al menos una de la temperatura de la pila de celda de combustible y la dilución del combustible suministrado a la pila de celda de combustible.

3.- Un método de acuerdo con la reivindicación 2, en donde mientras la salida de energía de la pila de celda de combustible de óxido sólido se reduce, la temperatura de la pila de celda de combustible se reduce y mientras la salida de energía de la celda de combustible de óxido sólido aumenta, la temperatura de la pila de celda de combustible aumenta.

4.- Un método de acuerdo con la reivindicación 2 o reivindicación 3, en donde la temperatura de la pila de celda de combustible se mantiene a 650°C o inferior.

5.- Un método de acuerdo con la reivindicación 4, en donde la temperatura de la pila de celda de combustible se mantiene a 600°C o inferior.

6.- Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en donde el combustible suministrado a la pila de celda de combustible se diluye con una cantidad predeterminada de vapor, dióxido de carbono, nitrógeno, o una mezcla que incluye vapor, dióxido de carbono y/o nitrógeno.

7.- Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en donde el combustible suministrado a la pila de celda de combustible se diluye con una proporción variable de gas de escape reciclado de un lado de ánodo a al celda de combustible.

8.- Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, en donde mientras la salida de energía de la pila de celda de combustible de óxido se reduce, la dilución del combustible suministrado a la pila de celda de combustible aumenta y mientras la salida de energía de la celda de combustible de óxido sólido, aumenta, la dilución de combustible suministrado a la pila de celda de combustible se reduce.

9.- Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, aplicado a una celda de combustible de óxido sólido con un electrolito que incluye óxido de cerio corregido con gadolinio.

10.- Un método substancialmente como se describió aquí anteriormente con referencia a los dibujos anexos.

11.- Un sistema de control configurado para optimizar una eficiencia de conversión de energía de una pila de celda de combustible de óxido sólido, en donde la pila de celda de combustible de óxido sólido comprende un electrolito de conducción iónica/electrónica mixto, el sistema de control comprende: medios para determinar una salida de energía requerida de la pila; y un controlador para controlar una o más condiciones operativas de la pila dependiente de la salida de energía requerida para optimizar dicha eficiencia de conversión de energía durante la operación de la pila.

12.- Un sistema de control de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el controlador se ordena para controlar al menos una temperatura de la pila y la dilución de combustible suministrado a la pila.

13.- Un sistema de control de acuerdo con la reivindicación 12, en donde el controlador reduce la temperatura de la pila como resultado de los medios de determinación que determinan que la salida de energía requerida se reduce y el controlador aumenta la temperatura de la pila como resultado de los medios de determinación que determinan que la salida de energía requerida está en aumento.

14.- Un sistema de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, en donde los medios de determinación monitorean una salida de energía eléctrica de la pila.

15.- Un sistema de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, en donde el controlador mantiene la temperatura de la pila a 650°C o inferior.

16.- Un sistema de control de acuerdo con la reivindicación 15, en donde el controlador mantiene la temperatura de la pila a 600°C o inferior.

17.- Un sistema de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 16, en donde el controlador dispone el combustible suministrado a la pila de celda de combustible para diluirse con una cantidad predeterminada de vapor, dióxido de carbono, nitrógeno o una mezcla que incluye vapor, dióxido de carbono y/o nitrógeno.

18.- Un sistema de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 17, en donde el controlador dispone el combustible suministrado a la pila de celda de combustible para diluirse con una proporción variable de gas de escape reciclado de lados de ánodo de la pila de celda de combustible.

19.- Un sistema de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 18, en donde el controlador aumenta la dilución del combustible suministrado a al pila de celda de combustible como resultado de los medios de determinación que determinan que la salida de energía requerida está reduciendo y el controlador reduce la dilución del combustible suministrado a la pila de celda de combustible como resultado de los medios de determinación que determinan que la salida de energía requerida está en aumento.

20.- Un sistema de control substancialmente como se describe aquí anteriormente con referencia a los dibujos anexos.

21.- Una pila de celda de combustible con electrolitos de conducción iónica/electrónico mixtos que incluyen un sistema de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 20.

22.- Una pila de celda de combustible sustancialmente como se describió aquí anteriormente con preferencia a los dibujos anexos.