Un ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible de óxido sólido detemperatura intermedia (1) que comprende:

(i). una placa base (40);

(ii). una campana (50) unida de forma hermética 5 a dicha placa basey que define un volumen de campana (60) entre dicha placabase y dicha campana;

(iii). al menos un apilamiento de celdas de combustible de óxidosólido de temperatura intermedia (10) montado sobre dichaplaca base y encerrado por dicha campana;

(iv). al menos una entrada de gas (120) que define al menos unpunto de entrada de gas (125) en dicho volumen de campana; y

(v). un precalentador (200) situado en el exterior de dicho volumende campana y en comunicación de fluido con una fuente deoxidante y dicha al menos una entrada de gas y adaptado parasuministrar oxidante (140) desde dicha fuente de oxidante adicho volumen de campana a través de dicha entrada de gas,comprendiendo cada apilamiento de celdas de combustible al menos trescapas de apilamientos de celdas de combustible (20,21), comprendiendo cadacapa de apilamiento de celdas de combustible al menos una celda decombustible de óxido sólido de temperatura intermedia (30), definiendo cadacelda de combustible un extremo de entrada de oxidante y un extremo desalida de oxidante de escape (140a),teniendo dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible:

(a) al menos una entrada de gas de colector abierto (70) que define unextremo de colector abierto (80) de dicho al menos un apilamiento deceldas de combustible ; y

(b) al menos una salida de gas de colector interno,dicho al menos un punto de entrada de gas en dicho volumen de campanasituado alejado de dicho extremo de colector abierto de dicho al menos unapilamiento de celdas de combustible de manera que el oxidante en uso entraen dicho volumen de campana a través de dicha al menos una entrada de gasy pasa alrededor del exterior de dicho al menos un apilamiento de celdas decombustible hacia dicha al menos una entrada de gas de colector abierto,produciéndose una transferencia de calor directa entre dicho oxidante y lasuperficie externa (170) de dichas capas de apilamiento de celdas decombustible antes de la entrada de dicho oxidante en dicha entrada de gas decolector abierto, estando configurado dicho precalentador de formaque en uso el oxidante de dicha fuente de oxidante se calienta y suministra adicho volumen de campana a través de dicha al menos una entrada de gas auna temperatura no superior de 100 ºC por debajo de la temperatura operativaen uso en el extremo de entrada de la celda de combustible más cercana a laal menos una entrada de gas de colector abierto,

en el que dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible de óxidosólido de temperatura intermedia define una altura X medida desde la capa deapilamiento de celdas de combustible (20) más cercana a dicha placa basehasta la capa del apilamiento de celdas de combustible (21) más alejada dedicha placa base, y en el que dicho al menos un punto de entrada de gas estásituado a una altura Y sobre dicha capa de apilamiento de celdas decombustible más cercana a dicha placa base, en el que 0,25X

FLUJO DE AIRE MEJORADO DE LA CAMPANA DE FLUJO DE UN APILAMIENTO

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DE CELDAS DE COMBUSTIBLE UTILIZANDO UN DISPOSITIVO DE DISTRIBUCIÓN DE AIRE Descripción

La presente invención está relacionada con un ensamblaje de apilamiento o “stack” de celdas de combustible mejorado, y métodos de funcionamiento de un ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible, específicamente con una gestión térmica y del flujo de gas mejorada. [0002] El término “ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible” como se usa aquí significa al menos un apilamiento de celdas de combustible, cada uno de los al menos un apilamiento de celdas de combustible comprende al menos una capa de apilamiento de celdas de combustible, cada al menos una capa de apilamiento de celdas de combustible comprende al menos una celda de combustible, conexiones de entrada/salida de oxidante y combustible, y trayectorias de flujo para la corriente o corrientes de oxidante y combustible, y para la corriente o corrientes de oxidante y combustible usados, una placa base del apilamiento de celdas de combustible y una campana unida herméticamente a la placa base del apilamiento de celdas de combustible y que define un volumen de campana entre la placa base del apilamiento de celdas de combustible y la campana, al menos una entrada de gas en el volumen de campana, y un precalentador (no situado en el volumen de campana) . Otros componentes opcionales de un ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible incluyen un ensamblaje de cierre del lado de combustible, ensamblaje de cierre del lado del oxidante, placas de extremo y un sistema de compresión, aislamiento del apilamiento de celdas de combustible, y conexiones eléctricas y de control/monitorización según convenga. [0003] El término “ensamblaje de sistema de apilamiento de celdas de combustible” según el uso aquí realizado significa un ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible junto con electrónica de sistema y medios de control. Otros componentes opcionales incluyen un reformador (si el combustible de entrada debe ser reformado o prerreformado) , un sistema de recuperación de agua, una unidad de generador de vapor, al menos una intercambiador de calor que implica opcionalmente el cambio de fase de una de las corrientes del intercambiador de calor, aislamiento térmico, un quemador de arranque, y una cámara de combustión de gases de cola. [0004] El término “electrónica de sistema” incluye electrónica de control y/o cualquier electrónica de potencia, donde puede haber al menos una placa y/o unidad electrónica situada de forma opcional junto con el ensamblaje de apilamiento de celdas de combutible, o separada, en el mismo o cerca del mismo.

El término “medios de control” incluye válvulas y bombas de control de fluido y gas, unidad de soplador de aire (oxidante) , y equipo de seguridad, junto con medios de entrada y detección, según convenga. [0006] Los ensamblajes de apilamiento de celdas de combustible funcionan tomando oxidante y combustible de entrada para generar productos de oxidación (aquí denominadas corrientes de gases de escape, pero también denominados efluentes gaseosos del ánodo y efluentes gaseosos del cátodo) , calor, y electricidad en forma de corriente CC. En términos generales, los ensamblajes de sistema de apilamiento de celdas de combustible pueden comprender también elementos adicionales que incluyen medios de control del sistema y electrónica de sistema, p.ej., electrónica de potencia que transforme la salida CC de la celda de combustible de un primer voltaje a un segundo voltaje, y/o transforme la salida CC de la celda de combustible en la forma de onda CA. [0007] Resulta común manejar apilamientos de celdas de combustible con una proporción de oxidante y combustible de 1:1 y 20:1, más comúnmente de 5:1 a 15:1 y más comúnmente de 8:1 a 12:1. Por ello, en el funcionamiento normal se da un exceso estequiométrico de gas oxidante que fluye por el apilamiento de celdas de combustible. Normalmente, el exceso de flujo de gas oxidante se utiliza para permitir que se produzca el enfriamiento del apilamiento de celdas de combustible cerca del lugar de reacción electroquímica de la celda de combustible. [0008] En los casos en los que se usa una unidad de reformador para reformar o prerreformar el combustible, es común utilizar un catalizador de reformado con vapor para lograr un proceso de reformado eficiente y eficaz. Por ejemplo, cuando se usa combustible basado en metano, como el gas natural, no resulta atípico tener una proporción de vapor y carbono de entre 2:1 y 3:1. Cuando se utiliza gas combustible basado en propano, como GLP, no es atípico tener proporciones de vapor y carbono de entre 3:1 y 4:1, aunque puede ser tan alta como 5:1 según los elementos constituyentes del GLP, como el porcentaje de hidrocarburos de cadena larga y dobles enlaces, p.ej., alquenos. Cuando se utiliza gas combustible basado en butano, no es atípico tener una proporción de vapor a carbono de entre 4:1 y 5:1. Para un diseño de reformador dado, aumentar la proporción de vapor a carbono durante el funcionamiento del reformador da como resultado generalmente una disminución en la temperatura de escape del reformador. [0009] Para aquellos con habilidad en la técnica, resulta bien conocido que la eficacia operativa de una celda de combustible está relacionada con la temperatura local en el punto de la reacción electroquímica en la celda de combustible. En el funcionamiento del ensamblaje del apilamiento de celdas de combustible, se calienta la corriente de

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gas de entrada antes de su entrada a la celda de combustible; si entra en la celda de combustible a una temperatura demasiado baja, entonces la temperatura local en el punto de la reacción electroquímica puede ser demasiado baja y la eficacia operativa y la salida de potencia de la celda de combustible puede verse afectada de manera adversa. La capacidad de gestionar la temperatura de un apilamiento de celdas de combustible tiene un efecto significativo en la eficacia operativa del apilamiento de celdas de combustible y su salida de potencia nominal. Se realizan grandes esfuerzos en la ingeniería para diseñar apilamientos de celdas de combustible y un equilibrio de los componentes del equipo y procesos de control para asegurar que el apilamiento de celdas de combustible mantiene la temperatura correcta para la reacción electroquímica más eficaz en un margen de condiciones operativas. Las condiciones operativas típicas incluyen el arranque del sistema, funcionamiento en estado continuo, cambio de carga dinámica, y apagado del sistema. [0010] Por ejemplo, con un dispositivo de celda de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (IT-SOFC) , la reacción electroquímica de la (s) celda (s) de combustible de un apilamiento de celdas de combustible en un ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible puede operar del modo más eficiente con una temperatura local de la celda de combustible entre 450-650 ºC. La temperatura operativa del apilamiento de celdas de combustible es normalmente de entre 450-650 ºC. Para el funcionamiento eficaz del apilamiento de celdas de combustible es recomendable calentar las corrientes de entrada de combustible y oxidante a una temperatura cercana a la temperatura operativa del apilamiento de celdas de combustible, p.ej., entre el 0 y el 20%, más preferiblemente entre el 0 y el 10%, más preferiblemente todavía entre el 0 y el 5% de la temperatura operativa del apilamiento de celdas de combustible en ºC. Un ejemplo de tal IT-SOFC sería un apilamiento de celdas de combustible que incorpora al menos una celda de combustible de electrolito basado en óxido de cerio dopado con gadolinio (CGO) soportado sobre metal. Un ejemplo de tal sistema IT-SOFC puede tener al menos un sistema de intercambio de calor (precalentador) capaz de calentar la corriente de gas oxidante que entra en el apilamiento de celdas de combustible a una temperatura de alrededor de 480 ºC. En algunos diseños de sistemas de celdas de combustible, la temperatura de la corriente de gas oxidante de la salida del sistema intercambiador de calor se configura de forma que sea sustancialmente la misma que la temperatura requerida de la entrada de corriente de gas oxidante del apilamiento de celdas de combustible, de forma que no es necesario mayor intercambio de calor a la corriente de gas oxidante de entrada de la celda de combustible. En un sistema IT-SOFC típico, el gas de calefacción para el sistema de intercambio de calor puede tener una temperatura de entrada del sistema

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intercambiador de calor de aproximadamente 510 ºC. Debido al bajo potencial térmico... [Seguir leyendo]

1. Un ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (1) que comprende: (i) . una placa base (40) ; (ii) . una campana (50) unida de forma hermética a dicha placa base y que define un volumen de campana (60) entre dicha placa base y dicha campana; (iii) . al menos un apilamiento de celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (10) montado sobre dicha placa base y encerrado por dicha campana; (iv) . al menos una entrada de gas (120) que define al menos un punto de entrada de gas (125) en dicho volumen de campana; y (v) . un precalentador (200) situado en el exterior de dicho volumen de campana y en comunicación de fluido con una fuente de oxidante y dicha al menos una entrada de gas y adaptado para suministrar oxidante (140) desde dicha fuente de oxidante a dicho volumen de campana a través de dicha entrada de gas,

comprendiendo cada apilamiento de celdas de combustible al menos tres capas de apilamientos de celdas de combustible (20, 21) , comprendiendo cada capa de apilamiento de celdas de combustible al menos una celda de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (30) , definiendo cada celda de combustible un extremo de entrada de oxidante y un extremo de salida de oxidante de escape (140a) , teniendo dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible:

(a) al menos una entrada de gas de colector abierto (70) que define un extremo de colector abierto (80) de dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible ; y

(b) al menos una salida de gas de colector interno, dicho al menos un punto de entrada de gas en dicho volumen de campana situado alejado de dicho extremo de colector abierto de dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible de manera que el oxidante en uso entra en dicho volumen de campana a través de dicha al menos una entrada de gas y pasa alrededor del exterior de dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible hacia dicha al menos una entrada de gas de colector abierto, produciéndose una transferencia de calor directa entre dicho oxidante y la superficie externa (170) de dichas capas de apilamiento de celdas de combustible antes de la entrada de dicho oxidante en dicha entrada de gas de

F colector abierto, estando configurado dicho precalentador de forma que en uso el oxidante de dicha fuente de oxidante se calienta y suministra a dicho volumen de campana a través de dicha al menos una entrada de gas a una temperatura no superior de 100 ºC por debajo de la temperatura operativa en uso en el extremo de entrada de la celda de combustible más cercana a la al menos una entrada de gas de colector abierto, en el que dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia define una altura X medida desde la capa de apilamiento de celdas de combustible (20) más cercana a dicha placa base hasta la capa del apilamiento de celdas de combustible (21) más alejada de dicha placa base, y en el que dicho al menos un punto de entrada de gas está situado a una altura Y sobre dicha capa de apilamiento de celdas de combustible más cercana a dicha placa base, en el que 0, 25X <= Y <= 0, 75X.

2. Un ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible según la reivindicación 1, que no comprende un precalentador de gas de entrada situado como parte de dicha campana.

3. Un ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia es un apilamiento de celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia soportado en metal.

4. Un ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, comprendiendo además dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible al menos una entrada de combustible de colector interno (100) .

5. Un ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible según la reivindicación 4, siendo dicha al menos una salida de gas de colector interno una salida de combustible de escape de colector interno (110) , comprendiendo además dicho apilamiento de celdas de combustible al menos una salida de oxidante de escape de colector interno (90) .

6. Un ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible según la reivindicación 4, comprendiendo dicha al menos una salida de gas de colector interno al menos una salida mixta de oxidante y combustible de escape de colector interno.

7. Un ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, comprendiendo además la superficie externa de dicha al menos una capa de apilamiento de celdas de combustible al menos

F una protrusión adaptada para realizar en uso la transferencia de calor entre ella misma y el gas.

8. Un ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, comprendiendo además al menos una de la superficie interna de dicha campana y la superficie externa de dicha al menos una capa de apilamiento de celdas de combustible al menos una protrusión adaptada para provocar en uso el flujo de fluido turbulento.

9. Un ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho apilamiento de celdas de combustible tiene en uso una temperatura operativa d.

45. 650 ºC.

10. Un ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia tiene un soporte metálico.

11. Un apilamiento de celdas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, comprendiendo además un dispositivo de calentador eléctrico (400) en o en comunicación térmica directa con dicha al menos una entrada de gas y contenido dentro de dicho volumen de campana o dicha campana o placa base; y comprendiendo además opcionalmente medios de control (420) para dicho dispositivo de calentador eléctrico; y comprendiendo además opcionalmente un sensor de temperatura (410) para determinar en uso la temperatura del oxidante que fluye a o a través de dicha al menos una entrada de gas o la temperatura del oxidante en un punto seleccionado dentro de dicho volumen de campana.

12. Un ensamblaje de sistema de apilamiento de celdas de combustible que comprende un ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

13. Un método de funcionamiento de un ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (1) , comprendiendo dicho ensamblaje de apilamiento de celdas de combustible:

(i) . una placa base (40) ;

(ii) . una campana (50) unida de forma hermética a dicha placa base y que define un volumen de campana (60) entre dicha placa base y dicha campana;

(iii) .al menos un apilamiento de celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (10) montado sobre dicha placa base y encerrado por dicha campana;

(iv) . al menos una entrada de gas (120) que define al menos un punto de entrada de gas (125) en dicho volumen de campana; y

(v) . un precalentador (200) situado en el exterior de dicho volumen de campana y en comunicación de fluido con una fuente de oxidante y dicha al menos una entrada de gas y adaptado para suministrar oxidante (140) desde dicha fuente de oxidante a dicho volumen de campana a través de dicha entrada de gas,

comprendiendo cada apilamiento de celdas de combustible al menos tres capas de apilamientos de celdas de combustible (20, 21) , comprendiendo cada capa de apilamiento de celdas de combustible al menos una celda de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (30) , definiendo cada celda de combustible un extremo de entrada de oxidante y un extremo de salida de oxidante de escape (140a) , teniendo dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible:

(a) al menos una entrada de gas de colector abierto (70) que define un extremo de colector abierto (80) de dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible ; y

(b) al menos una salida de gas de colector interno, dicho al menos un punto de entrada de gas en dicho volumen de campana situado alejado de dicho extremo de colector abierto de dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible, en el que dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia define una altura X medida desde la capa de apilamiento de celdas de combustible (20) más cercana a dicha placa base hasta la capa del apilamiento de celdas de combustible (21) más alejada de dicha placa base, y en el que dicho al menos un punto de entrada de gas está situado a una altura Y sobre dicha capa de apilamiento de celdas de combustible más cercana a dicha placa base, en el que 0, 25X <= Y <= 0, 75X, comprendiendo dicho método las etapas de pasar oxidante a dicho volumen de campana a través de dicha al menos una entrada de gas, pasándolo alrededor de la parte exterior de dicho al menos una apilamiento de celdas de combustible hasta dicha al menos una entrada de gas de colector abierto, produciéndose la transferencia de calor directa entre dicho oxidante y la superficie externa (170) de dichas capas de apilamiento de celdas de