PT1716612E - Um método e dispositivo para funcionamento de uma pilha de céclulas de combustível de óxido sólido com um electrólito condutor misto iónico/electrónico - Google Patents

Description

ΡΕ1716612 1 DESCRIÇÃO "UM MÉTODO E DISPOSITIVO PARA FUNCIONAMENTO DE UMA PILHA DE CÉCLULAS DE COMBUSTÍVEL DE ÓXIDO SÓLIDO COM UM ELECTRÓLITO CONDUTOR MISTO IÓNICO/ELECTRÓNICO" A presente invenção refere-se a um método e dispositivo para funcionamento de uma pilha de combustível óxido sólido de modo a aumentar a sua eficiência, em particular através da variação de uma ou mais condições de funcionamento da célula de combustível. Células de combustível de óxido sólido (CCOSs) são um meio promissor de geração de eletricidade a partir do hidrogénio ou de combustíveis fósseis de forma mais eficiente e ambientalmente aceitável que tecnologias de geração mais tradicionais. No entanto, CCOSs tradicionais funcionam a temperaturas muito elevadas (superiores a 900°C), e as inovações mais recentes foram apenas capazes de reduzir esta temperatura para 700 a 800°C. Esta alta temperatura de funcionamento leva a problemas significativos nos materiais utilizados no fabrico de tais pilhas de células de combustível e componentes do sistema relacionados. Materiais que possam suportar o funcionamento prolongado a estas temperaturas tendem a ser quer caros, quer frágeis, ou ambos. A tentativa de utilizar materiais de baixo custo, tais como os aços inoxidáveis ferríticos, a 2 ΡΕ1716612 temperaturas de funcionamento elevadas causa problemas com a degradação do desempenho da pilha devido à oxidação do metal e migração das espécies de crómio voláteis ao longo de períodos prolongados a estas temperaturas de funcionamento elevadas.

De modo a fazer uma pilha CCOS comercialmente atraente para aplicações comerciais em massa existe, por conseguinte, um forte incentivo para tentar reduzir a temperatura de funcionamento da pilha e, consequentemente, o custo dos materiais necessários. A uma temperatura inferior a 650°C, materiais de baixo custo de construção, tais como os aços inoxidáveis ferríticos são suficientemente estáveis para permitir operação de longo prazo sem degradação significativa do desempenho da pilha. CCOSs convencionais usam um eletrólito de óxido de zircónio dopado com ítrio (YSZ). Este é um material que conduz iões de óxido a temperaturas elevadas, mas não electrões. É, portanto, adequado para uso como electrólito da célula de combustível. Infelizmente o YSZ não é um óxido condutor de iões particularmente bom, e a sua resistência iónica torna-se impraticavelmente alta abaixo de cerca de 650°C, conduzindo a um desempenho muito pobre de célula de combustível. De modo a funcionar abaixo desta temperatura, que como se referiu anteriormente, é altamente desejável, é necessário um material electrólito diferente.

Ao contrário do YSZ, que nao conduz electrões, há 3 ΡΕ1716612 um número de materiais electrólitos cerâmicos condutores iónicos/electrónicos mistos, que têm uma elevada conduti-vidade iónica abaixo de 650°C. Em termos do seu desempenho, estabilidade e segurança na manipulação, o mais promissor e amplamente utilizado destes materiais electrólitos condutores iónicos/electrónicos mistos de baixa temperatura é o óxido de cério dopado com gadolinio (CGO), embora existam outros materiais tais como outros óxidos de cério dopados. O CGO exibe boa condutividade iónica até abaixo de 500°C. Infelizmente o CGO não é tão estável como o YSZ e, numa atmosfera redutora de temperatura (como a que normalmente se encontra no lado do ânodo da célula de combustível), iões de Ce4+ podem ser reduzidos a Ce3+. Isto resulta no desenvolvimento de alguma condutividade electrónica no electrólito, resultando numa corrente de curto-circuito que flui no interior da célula de combustível. Este curto-circuito é observado externamente como uma queda na tensão terminal da célula em circuito aberto, e resulta numa perda de eficiência na conversão da energia do combustível em electricidade.

Esta característica do CGO tem levado muitas pessoas a rejeitá-lo como um material de eletrólito, pois consideram a perda de eficiência através do curto-circuito interno como muito grave para um dispositivo prático. É um objectivo da presente invenção reduzir, pelo menos, alguns dos problemas discutidos acima. 4 ΡΕ1716612

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é proporcionado um método de funcionamento de uma pilha de células de combustível de óxido sólido com potência de saída variável que compreende pelo menos uma célula de combustível de óxido sólido tendo um electrólito condutor misto iónico/electrónico, compreendendo o método os seguintes passos: (a) determinação de uma potência de saída presente e de uma potência de saída requerida da referida pilha de células de combustível de óxido sólido; (b) comparação das referidas potência de saída presente e da potência de saída requerida determinadas da referida pilha de células de combustível de óxido sólido para determinar uma alteração necessária na potência de saída da referida pilha de células de combustível de óxido sólido, e (c) controlo de pelo menos uma condição de funcionamento da referida pilha de células de combustível de óxido sólido para efectuar a referida mudança requerida da potência de saída, em que um aumento requerido da potência de saída, inclui pelo menos um de: (i) um aumento na temperatura de, pelo menos, uma das referidas células de combustível de óxido sólido; e (ii) um aumento na concentração de combustível entregue à referida célula de combustível de óxido sólido, 5 ΡΕ1716612 e uma diminuição desejada na potência de saída, incluindo pelo menos um de: (i) uma diminuição na temperatura da referida célula de combustível de óxido sólido; e (ii) uma diminuição na concentração de combustível entregue à referida célula de combustível de óxido sólido. A condutividade electrónica do CGO é fortemente dependente da temperatura, e a uma temperatura suficientemente baixa a fuga electrónica de corrente pode ser reduzida para um nível aceitável. À medida que a temperatura de funcionamento do material electrólito CGO reduz, reduz também a magnitude do efeito de curto-circuito. 0 efeito reduz-se a um grau tal que, quando a temperatura de funcionamento se reduz a 500°C, o efeito é negligenciável. Portanto o CGO é um material electrólito adequado quando a temperatura de funcionamento da célula de combustível está abaixo de uma temperatura de 650°C ou, mais preferencialmente, 600°C. Isto é particularmente o caso sob uma carga elevada externa, em que o fluxo de iões de óxido através do electrólito tende a reoxidar os iões de Ce3+ para Ce4+, eliminando assim a condutividade electrónica. A eficiência de uma pilha de células de combustível com um electrólito incluindo cério aumenta rapidamente até cerca de 50% da sua potência nominal, à 6 ΡΕ1716612 medida que a corrente de curto-circuito se torna pequena em relação à corrente externa do circuito.

Pode ser demonstrado, por exemplo, que a um funcionamento a potência máxima e a uma temperatura inferior a 600°C, a eficiência de uma célula de combustível com base em CGO é comparável a uma célula de combustível à base de YSZ funcionando a temperaturas superiores a 700°C e não há nenhuma penalização significativa resultante da utilização do CGO.

De acordo com um segundo aspecto da presente invenção é proporcionado um sistema de controlo de uma pilha de células de combustível de óxido sólido com potência de saída variável compreendendo pelo menos uma célula de combustível de óxido sólido tendo um electrólito condutor misto iónico/electrónico, compreendendo o sistema de controlo: (a) meios para determinar uma e potência de saída presente e uma potência de saída requerida da referida pilha de células de combustível de óxido sólido; (b) meios de comparação para comparar uma potência de saída presente e potência de saída requerida determinadas da referida pilha de células de combustível de óxido sólido para determinar uma alteração requerida na potência de saída da referida pilha de células de combustível de óxido sólido, e (c) um controlador para controlar pelo menos uma 7 ΡΕ1716612 condição de funcionamento da referida pilha de células de combustível de óxido sólido para efectuar a referida requerida mudança na potência de saida, sendo o referido controlador arranjado de modo a efectuar um aumento desejado na potência de saida por controlo de pelo menos um de: (i) um aumento na temperatura da referida pelo menos uma célula de combustível de óxido sólido; e (ii) um aumento na concentração de combustível fornecido à referida célula de combustível de óxido sólido, e para efectuar uma diminuição requerida na potência de saída por controlo de pelo menos uma de: (i) uma diminuição na temperatura da referida célula de combustível de óxido sólido; e (ii) uma diminuição na concentração de combustível fornecido à referida célula de combustível de óxido sólido.

Uma pilha de células de combustível com um electrólito condutor misto iónico/electrónico pode ser provido de um sistema de controlo de acordo com o segundo aspecto da presente invenção.

Concretizações da presente invenção serão agora ΡΕ1716612 descritas a título de exemplo com referência aos desenhos anexos, nos quais: A Figura 1 mostra a eficiência de conversão de energia de uma célula de combustível com um electrólito de base CGO em função da densidade de energia eléctrica para uma gama de temperaturas de 500°C a 600°C; A Figura 2 mostra a eficiência de conversão de energia de uma célula de combustível com um electrólito de base CGO em função da densidade de energia eléctrica a uma gama de diluições de combustível e A Figura 3 mostra esquematicamente uma pilha de células de combustível com um sistema de controlo para controlar uma ou mais condições de funcionamento da pilha de combustível dependente de uma potência de saída requerida; A Figura 4 mostra esquematicamente um sistema de célula de combustível de óxido sólido a funcionar com combustível GPL; A Figura 5 mostra a potência de saída da pilha (CC) e do sistema (CA) durante as simulações do sistema mostrado na Figura 4; A Figura 6 mostra a temperatura da pilha, durante as simulações; A Figura 7 mostra a relação estequiométrica de ar durante as simulações; A Figura 8 mostra as eficiências resultantes da pilha e do sistema durante as simulações; A Figura 9 mostra as correntes iónica e externa dentro da pilha, durante as simulações; 9 ΡΕ1716612 A Figura 10 mostra a tensão prevista de uma única célula de combustível; A Figura 11 mostra a relação de vapor/carbono no reformador para uma simulação adicional e A Figura 12 mostra a eficiência da pilha para a simulação adicional.

Duas estratégias são apresentados a seguir para a minimização da corrente de curto-circuito em condições de carga parcial maximizando, assim, a eficiência da célula de combustível em toda a sua gama de funcionamento. Método 1 A Figura 1 ilustra os resultados de uma simulação em computador de uma célula de combustível com base em CGO com uma potência de saída nominal máxima específica de 0,2 Wcm"2. A eficiência da conversão de energia é representada em função da densidade de potência eléctrica a uma gama de temperaturas de funcionamento de 500°C a 600°C. A eficiência de conversão de energia é definida como a entrega de energia eléctrica dividida pela energia química consumida na célula de hidrogénio, assumindo uma conversão de combustível de 100%. Estes valores são, portanto, as eficiências teóricas máximas para esta célula, e não as eficiências reais, uma vez que, na realidade, uma conversão de 100% do combustível não é possível. No entanto, a tendência real seguiria o mesmo padrão. 10 ΡΕ1716612

Pode ser obervado, a partir da Figura 1, que a eficiência máxima em qualquer densidade de potência dada é dependente da temperatura, e que quanto mais elevada a densidade de potência, maior a temperatura à qual ocorre a máxima eficiência. A razão para isto é a seguinte: uma temperatura mais baixa de funcionamento reduz tanto a magnitude absoluta da densidade de corrente de fuga electrónica, como a densidade de corrente do circuito externo à qual a corrente de fuga electrónica se torna insignificante. Isto significa que a baixas densidades de corrente externa, uma maior eficiência pode ser alcançada a uma baixa temperatura de funcionamento. No entanto, a baixa temperatura também aumenta as diferentes resistências das células, particularmente o sobrepotencial do cátodo. Assim, para qualquer dada densidade de corrente a perda de tensão como resultado da resistência interna da célula será mais elevada, resultando em menor eficiência a correntes mais elevadas. No entanto, a estas densidades de corrente mais altas a corrente de fuga electrónica é insignificante, mesmo a uma temperatura mais elevada, mas a resistência da célula é mais baixa. Isto leva a uma menor perda de tensão por resistência interna da célula e, assim, a uma maior tensão nos terminais das células e, portanto, eficiência.

Uma estratégia clara para optimizar a eficiência de uma pilha com estas caracteristicas é, portanto, permitir que a temperatura de pilha varie na gama de 500 a 600°C, ou possivelmente até 650°C, dependendo da potência de saída desejada. Isto é relativamente simples de 11 ΡΕ1716612 conseguir uma vez que uma maior produção de energia eléctrica a partir da pilha também resulta numa maior produção de calor, e por sub-arrefecimento da pilha, a temperatura pode ser facilmente deixada subir com um aumento de potência, e vice-versa.

No entanto, no caso de um rápido aumento da procura de energia, a pilha pode não estar a uma temperatura suficientemente alta para permitir que a procura seja satisfeita. Dependendo de quão rapidamente a pilha possa ser aquecida, pode ser possivel, se necessário, cobrir esta procura temporariamente utilizando alguma forma de armazenamento de energia.

Como uma alternativa ou em adição ao método descrito acima, um segundo método de aumentar a eficiência da pilha é apresentada abaixo. Método 2 A Figura 2 ilustra os resultados de uma outra simulação em computador de uma célula baseada em CGO, desta vez com uma densidade nominal de potência máxima de 0,4 Wcm-2. Neste caso, a temperatura foi mantida constante nos 570°C, e a diluição do combustível de hidrogénio com vapor foi variada.

Pode ser observado que a diluição do combustível com percentagens crescentes de vapor tem o mesmo efeito que 12 ΡΕ1716612 a redução da temperatura. Isto é principalmente devido ao facto da adição de maiores percentagens de vapor ao combustível de hidrogénio tornar o combustível menos redutor. Isto tem o efeito de diminuir a tendência dos iões de Ce4+ no electrólito de reduzirem para Ce3+ e, assim, reduzir a condutividade electrónica do electrólito. No entanto, a diluição do combustível também aumenta a resistência do ânodo e reduz a tensão de circuito aberto da célula, reduzindo assim a potência de saída máxima alcançável.

Outra estratégia possível para optimizar a eficiência da pilha em carga parcial, é diluir o combustível com uma percentagem crescente de vapor à medida que a carga cai. Este método é igualmente aplicável se o combustível for diluído com dióxido de carbono, azoto, ou uma mistura de vapor, azoto e/ou dióxido de carbono, ou se o gás combustível for o monóxido de carbono, ou uma mistura de hidrogénio e monóxido de carbono.

Um método de alcançar esta diluição do combustível seria misturar o gás combustível de entrada com uma proporção variável de gás de escape reciclado a partir do lado do ânodo da pilha.

Contudo, qualquer método de diluição do gás combustível do ânodo, por exemplo através da entrega de vapor, azoto e/ou dióxido de carbono a partir de uma fonte separada ficaria dentro do âmbito da presente invenção. 13 ΡΕ1716612 A Figura 3 mostra esquematicamente uma pilha de células de combustível sólido óxido com electrólitos condutores mistos iónicos/electrónicos com um sistema de controlo para controlo de pelo menos uma das temperaturas da pilha de células de combustível e/ou da diluição do combustível entregue à pilha. A pilha de células de combustível 10 tem um compartimento de ânodo 11 através do qual é feito passar um gás combustível contendo hidrogénio, e um compartimento de cátodo 12 através do qual é feito passar ar. A pilha de células de combustível é feita de arranjos únicos ou múltiplos de ânodo, electrólito e cátodo, dispostos em camadas para atingir uma pilha de células de combustível funcional. A pilha tem uma entrada de combustível 30, através da qual é feito passar quer hidrogénio quer um combustível hidrocarboneto como metano, e uma conduta de exaustão 70 através da qual os gases de exaustão do compartimento de ânodo deixam a pilha. Estes gases de escape são, tipicamente, uma mistura de vapor e hidrogénio que não reagiu. Se o combustível original é um hidrocarboneto, os gases de escape irão conter também óxidos de carbono. Uma conduta de reciclagem 40 é providenciada, o que permite aos gases de exaustão serem misturados com o combustível de entrada, por meio de um compressor variável 50. Este compressor pode ser tanto um insuflador de accionamento eléctrico como alguma forma de ejector ou bomba.

Opcionalmente, a mistura de combustível de entra- 14 ΡΕ1716612 da e de gases de exaustão reciclados podem servir de alimentação a uma unidade reformadora 31, que converte um combustível hidrocarboneto numa mistura de óxidos de hidrogénio e carbono por reacção com vapor. A pilha é também provida de uma conduta de entrada de ar 20, através da qual ar pré-aquecido é entregue à pilha, tanto como um oxidante, como como um arrefecedor. O pré-aquecimento pode ocorrer através de meios que incluem o uso de calor em excesso a partir da própria pilha de combustível, ou a recuperação de calor a partir das condutas de exaustão da pilha, ou usando uma fonte separada de calor, como o aquecimento por indução, a queima ou a recuperação de calor a partir de outro processo externo. O compartimento do cátodo também tem uma conduta de saída 71 para permitir que os gases de exaustão sejam retirados da pilha. É fornecido um microprocessador 60 que pode ser parte de um computador ou placa de circuito impresso, por exemplo. O microprocessador recebe dados da temperatura da pilha 13, da tensão da pilha 14 e da corrente da pilha 15. O microprocessador é arranjado de modo a controlar a temperatura da pilha por controlo através da linha 21, e a proporção de combustível novo para o gás de exaustão reciclado por controlo através da linha 51, que controla o compressor variável 50. Alternativamente a diluição do combustível que entra pode ser controlada pela adição de uma quantidade controlada de vapor, dióxido de carbono ou um gás inerte a partir de outra fonte. 15 ΡΕ1716612 0 controlo da temperatura da pilha, através da linha 21 pode ser efectuado por uma série de métodos, ou combinações de métodos, incluindo, mas não se limitando a: 1) Variação do volume de ar entregue à pilha 2) Variação da temperatura do ar entregue à pilha 3) Variação da concentração de combustível hidrocar-boneto não reformado a entrar na pilha, assumindo que ocorre reformação interna 4) Variação da temperatura do combustível que entra na pilha 0 microprocessador recebe um sinal da potência de saída da pilha, através da multiplicação da tensão da pilha e sinais de corrente 14 e 15. 0 microprocessador irá conter uma tabela de consulta, ou semelhante, que irá conter a temperatura óptima da pilha e/ou diluição de combustível para uma dada potência de saída. 0 microprocessador irá manipular as variáveis de controlo 21 e 51 para tentar atingir esta optimização para uma dada potência de saída. A Figura 4 ilustra esquematicamente um sistema completo de Célula de Combustível de Óxido Sólido funcionando a combustível de gás de petróleo liquefeito (GPL) . Este sistema ilustra como um método de controlo de uma pilha de células de combustível de óxido sólido de temperatura intermédia (CCOS-TI) descrito no método 1 pode ser implementado na prática. Este sistema é ilustrado como 16 ΡΕ1716612 um exemplo apenas, e muitas outras configurações podem ser adoptadas que alcançariam o mesmo resultado. 0 combustível GPL é fornecido através de alguma forma de controlo de fluxo de massa e de um sistema de dessulfurização 10'. O combustível é misturado com vapor do tubo 62 no misturador 21', a uma proporção de pelo menos duas moles de vapor para cada mole de carbono no combustível. A mistura de vapor/GPL é então pré-aquecida a cerca de 430°C no permutador de calor de combustível 22 e, em seguida, alimentado ao reformador 23. No reformador a mistura é aquecida a cerca de 700°C por meio de troca de calor com a corrente de gás de exaustão, o que é ilustrado esquematicamente pela ligação 51' do permutador de calor 50'. A esta temperatura elevada os hidrocarbonetos no combustível (predominantemente propano com uma pequena fracção de propileno, butano e traços de componentes, tais como pentano) reagem com o fluxo para formar uma mistura reformada rica em hidrogénio. Esta mistura reformada seria tipicamente de 60 a 70% de hidrogénio, em volume, com uma menor percentagem de vapor, monóxido de carbono, dióxido de carbono e metano. A mistura de gás é adequada para alimentar uma pilha CCOS sem tratamento adicional. A mistura reformada é arrefecida a uma temperatura adequada para a alimentação da pilha por meio do permutador de calor de combustível 22, aquecendo os reagentes de entrada no processo. A mistura reformada é então entregue ao compartimento do ânodo 31' da pilha de células 17 ΡΕ1716612 de combustível 30' por meio da conduta de entrada de fluido 24. O gás combustível é parcialmente consumido no interior da pilha, e os gases de exaustão saem do compartimento do ânodo da pilha através da conduta de exaustão 41. O gás de exaustão sai a temperatura próxima da parte mais quente da pilha, tipicamente 550 a 620°C, dependendo das condições de funcionamento. O gás de exaustão é predominantemente vapor e dióxido de carbono, com quantidades menores de hidrogénio e monóxido de carbono não queimados.

Ar atmosférico é inserido no sistema através do filtro de ar 90, pelo ventilador de ar 91. O ventilador 91 tem um motor de velocidade variável controlado pelo controlador de motor 93, e isto significa que o fluxo de massa de ar admitido ao sistema pode ser variado. O fluxo de massa de ar a ser admitido ao sistema é medido pelo sensor de fluxo de massa 94. O ar é fornecido tanto como um oxidante como como um meio de arrefecimento da pilha CCOS, como é normal para uma alimentação de ar consideravelmente maior do que a necessária como um oxidante, o restante transporta o excesso de calor para fora da pilha. O ar é entregue 92 pelo sensor de fluxo de massa 94 ao pré-aquecedor de ar 70', onde é pré-aquecido a uma temperatura adequada para ser alimentado à pilha (tipicamente 450 a 500°C). O ar de entrada é pré-aquecido por arrefecimento do fluxo de gás quente de exaustão 63. O ar pré-aquecido é então entregue ao compartimento do cátodo 32 da pilha da células de combustível 30' por meio da conduta 18 ΡΕ1716612 de ar 72. Tal como acontece com o combustível, o oxigénio do ar é parcialmente consumido pela reacção da célula de combustível. 0 ar residual, ligeiramente esgotado de oxigénio, abandona a pilha por meio da conduta de ar de exaustão 42. Tal como acontece com o gás combustível, o ar estará tipicamente próximo da temperatura máxima da pilha, tipicamente 550 a 620°C, dependendo das condições de funcionamento.

Ambas as condutas de exaustão de ar e de combustível 42 e 41 alimentam o sistema de pós-queima 40', em que os fluxos de exaustão de ar e de combustível são misturados, e o hidrogénio e monóxido de carbono da exaustão da pilha são queimados convencionalmente para gerar calor. O fluxo de gás de exaustão quente (tipicamente 700 a 900°C) resultante 43 é primeiro entregue através do permutador de calor 50' para fornecer calor ao reformador 23. O fluxo de gás mais frio 52 do permutador de calor 50' é então entregue ao gerador de vapor 60', no qual é utilizado para evaporar a água proporcionada pela bomba de alimentação 61. O vapor resultante é então entregue ao reformador através do tubo 62. O gás de exaustão, agora arrefecido a cerca de 600°C é, em seguida, entregue ao pré-aquecedor de ar 70' para pré-aquecer o ar de entrada. Finalmente, o gás de exaustão, ainda a cerca de 250°C, é entregue ao permutador de calor 80 que pode ser usado para recuperar o calor residual para uma aplicação combinada de calor e energia. 19 ΡΕ1716612 É aplicada à pilha uma procura de energia externa 110, que extrai corrente da pilha através do cabo 111. A natureza da procura de potência pode ser uma de uma variedade de diferentes aplicações. O sistema é equipado com uma unidade de controlo baseada no microprocessador 100. Este mede a corrente da pilha através da entrada 101 e a temperatura da pilha através da entrada 102. Também mede o fluxo de massa de ar que entra no sistema através do sensor de fluxo de massa 94 e da entrada 104. A unidade de controlo controla o ventilador de ar 91 por meio do controlador do motor 93 e da saida 103. Desta forma, o controlador pode controlar o fluxo de ar para a pilha. A unidade de controlo 100 também controla a bomba de alimentação de água 61 pela saida 105. Deste modo, a proporção entre vapor e combustível no reformador também podem ser alterada. O desempenho do sistema ilustrado na Figura 4 foi simulado em computador. O sistema simulado baseia-se uma pilha com uma potência de saída de 1 kWe, e um sistema fornecendo energia de CA. A potência de saída CA do sistema é sempre menor do que a potência de saída da pilha, porque várias partes do sistema, tais como o ventilador de ar, consomem energia.

Nesta simulação o sistema é posto a funcionar por 10 minutos (600 segundos) no máximo de energia CA (800 W) . A potência é então baixada em rampa até metade da energia 20 ΡΕ1716612 CA (400 W) e, em seguida, a temperatura da pilha é reduzida 25°C através do aumento temporário do fluxo de ar para aumentar a taxa de arrefecimento dentro da pilha. Pode ser observado o efeito claramente benéfico de reduzir a temperatura da pilha sob condições de carga parcial.

Figura 5 mostra as saídas de energia da pilha (CC) e do sistema (CA) durante as simulações, ilustrando a diminuição em rampa de energia de 800 para 400 We. A Figura 6 mostra a temperatura pilha durante a simulação, e a Figura 7, a proporção de ar estequiométrica. Isto representa a razão entre o fluxo real de ar e a necessidade teórica de ar para fornecer oxigénio suficiente para a reacção da célula de combustível. Pode ser observado que a plena potência esta razão é de cerca de 10, representando a grande quantidade de ar necessária para o arrefecimento da pilha. A proporção de ar, em seguida, aumenta até um máximo de cerca de 20, à medida que o fluxo de ar é aumentado para arrefecer a pilha. O aumento no fluxo de ar a cerca de IlOOs é um resultado do controlador de temperatura da pilha a ser reposto a zero para o tornar mais sensível à medida que a temperatura da pilha se aproxima do novo ponto de funcionamento. A Figura 8 mostra as eficiências resultantes da pilha e do sistema. Pode ser observado que, com a temperatura da pilha mantida em torno dos 590°C, existe uma queda significativa na eficiência à medida que a carga é reduzida. Isto é um resultado do aumento da condutividade 21 ΡΕ1716612 electrónica no electrólito à medida que a densidade de corrente é reduzida. No entanto, à medida que a temperatura da pilha cai, a eficiência recupera até ser comparável à eficiência de plena carga. De facto, a eficiência da pilha é melhor do que a eficiência em plena carga, como resultado da tensão mais elevada das células. No entanto, a eficiência do sistema é um pouco pior como resultado de exigências de energias parasitas fixas, tais como a necessária para operar o sistema de controlo. A Figura 9 mostra as correntes iónica e externa dentro da pilha. A corrente externa é a corrente que flui no circuito externo, e a corrente iónica é a soma da corrente externa e da corrente de fuga electrónica. Pode ser observado que a diferença entre estas duas linhas, que representa a magnitude da fuga electrónica, aumenta à medida que corrente externa cai. No entanto, pode também ser observado que a diferença se aproxima quando a temperatura da pilha cai sob condições de carga parcial.

Finalmente a Figura 10 mostra a tensão prevista de uma única célula de combustível. Pode ser observado que a tensão da célula aumenta à medida que a carga é reduzida, tal como seria de esperar. Pode também ser observado que a tensão da célula cai realmente ligeiramente à medida que a pilha arrefece, o que normalmente representaria uma perda de eficiência à medida que aumenta a resistência da célula. No entanto, a vantagem de reduzir a corrente de fuga supera o aumento da resistência desde que a queda de temperatura não seja muito elevada. 22 ΡΕ1716612

Uma segunda simulação foi realizada para demonstrar o efeito da diluição do combustível na eficiência do sistema em carga parcial (método 2) . Uma simulação semelhante foi realizada onde a pilha foi operada na potência máxima durante 10 minutos, e depois diminuída para metade da potência. No entanto, durante este tempo, a pilha foi mantida a uma temperatura constante, mas o fluxo de massa de água ao gerador de vapor a partir da bomba 61 foi aumentado em duas fases. Isto tem o efeito de aumentar a proporção de vapor/carbono no reformador de 2,0 para 3,5 e aumentar, assim, a diluição do combustível na pilha, como está ilustrado na figura 11. O efeito na eficiência da pilha pode ser observado na figura 12. A vantagem desta abordagem é menos acentuada do que a alteração da temperatura de pilha (método 1), mas uma pequena melhoria na eficiência é claramente aparente.

Muitas variações podem ser feitas aos exemplos acima descritos estando ainda abrangidos pelo âmbito da presente invenção. Por exemplo, o microprocessador pode apenas controlar a temperatura da pilha, mas não a diluição do combustível, ou vice-versa.

Lisboa, 6 de Agosto de 2012

Claims (12)

1. ΡΕ1716612 1 REIVINDICAÇÕES 1. Um método de funcionamento de uma pilha de células de combustível de óxido sólido de potência de saída variável que compreende pelo menos uma célula de combustível de óxido sólido tendo um electrólito condutor misto iónico/electrónico, o método compreendendo os passos de: (a) determinação de uma potência de saída presente e de uma potência de saída requerida da referida pilha de células de combustível de óxido sólido; (b) comparação das referidas potência de saída presente e potência de saída requerida da referida pilha de células de combustível de óxido sólido para determinar uma mudança requerida na produção de energia da referida pilha de células de combustível de óxido sólido, e (c) controlo de pelo menos uma condição de funcionamento da referida pilha de células de combustível de óxido sólido para efectuar a referida mudança requerida da potência de saída, um aumento necessário na potência de saída, incluindo pelo menos um de: (i) um aumento na temperatura da referida pelo menos uma célula de combustível de óxido sólido; e (ii) um aumento na concentração de combustível entregue à referida célula de combustível de óxido sólido, 2 ΡΕ1716612 e uma diminuição desejada da potência de saída, incluindo pelo menos uma de: (i) uma diminuição na temperatura da referida célula de combustível de óxido sólido; e (ii) uma diminuição na concentração de combustível entregue à referida célula de combustível de óxido sólido.
2. 2. Um método de acordo com a reivindicação 1, em que a temperatura da célula de combustível de óxido sólido é mantida nos 650°C ou abaixo.
3. 3. Um método de acordo com a reivindicação 2, em que a temperatura da célula de combustível de óxido sólido é mantida nos 600°C ou abaixo.
4. 4. Um método de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 3, em que o combustível entregue à célula de combustível de óxido sólido é diluído com uma quantidade predeterminada de vapor, dióxido de carbono, azoto ou uma mistura de vapor incluindo dióxido de carbono e/ou azoto.
5. 5. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, em que o combustível entregue à célula de combustível de óxido sólido é diluído com uma proporção variável de gás de escape reciclado a partir de um lado do ânodo de pelo menos uma célula de combustível. 3 ΡΕ1716612
6. 6. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o electrólito das referidas pelo menos uma células de combustível de óxido sólido, inclui óxido de cério dopado com gadolínio.
7. 7. Um sistema de controlo para uma pilha de células de combustível de óxido sólido de potência de saída variável que compreende pelo menos uma célula de combustível de óxido sólido tendo um electrólito condutor misto iónico/electrónico, compreendendo o sistema de controlo: (a) meios para determinar uma potência de saída presente e uma potência de saída requerida da referida pilha de células de combustível de óxido sólido; (b) meios de comparação para comparar uma potência de saída presente e uma potência de saída requerida determinadas da referida pilha de células de combustível de óxido sólido para determinar uma alteração requerida na potência de saída da referida pilha de células de combustível de óxido sólido, e (c) um controlador para controlar pelo menos uma condição de funcionamento da referida pilha de células de combustível de óxido sólido para efectuar a referida mudança requerida na potência de saída, sendo o referido controlador arranjado de modo a efectuar um aumento requerido na potência de saída por controlo de pelo menos um de: 4 ΡΕ1716612 (i) um aumento na temperatura da referida pelo menos uma célula de combustível de óxido sólido; e (ii) um aumento na concentração de combustível entregue à referida célula de combustível de óxido sólido, e para efectuar uma diminuição desejada na potência de saída por controlo de pelo menos uma de: (i) uma diminuição na temperatura da referida célula de combustível de óxido sólido; e (ii) uma diminuição na concentração de combustível entregue à referida célula de combustível de óxido sólido.
8. 8. Um sistema de controlo de acordo com a reivindicação 7, no qual o controlador mantém a temperatura da pilha nos 650°C ou abaixo.
9. 9. Um sistema de controlo de acordo com a reivindicação 8, em que o controlador mantém a temperatura da pilha nos 600°C ou abaixo.
10. 10. Um sistema de controlo de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, em que o controlador arranja o combustível entregue à pilha de células de combustível de modo a ser diluído com uma quantidade predeterminada de vapor, dióxido de carbono, azoto ou uma mistura de vapor incluindo dióxido de carbono e/ou azoto. 5 ΡΕ1716612
11. 11. Um sistema de controlo de acordo com qualquer das reivindicações 7 a 10, onde o controlador arranja o combustível entregue à pilha de células de combustível de modo a ser diluído com uma proporção variável de qás de escape reciclado a partir dos lados de ânodo da pilha de células combustível.
12. 12. Uma pilha de células de combustível com electrólitos condutores mistos iónicos/electrónicos incluindo um sistema de controlo de acordo com qualquer das reivindicações 7 a 11. Lisboa, 6 de Agosto de 2012