Procedimiento de funcionamiento de un conjunto modular de apilamiento de pilas de combustible conectadas en serie.

Un procedimiento de funcionamiento de un conjunto de apilamiento de Pilas de Combustible de Óxido Sólido apropiado para funcionamiento en carga parcial,

comprendiendo dicho conjunto una pluralidad de pilas de combustible dispuestas en al menos dos módulos de apilamiento conectados en serie de gas catódico y que comprende al menos un apilamiento en cada módulo, donde el escape de gas catódico desde un primer módulo de apilamiento primario es transportado a la entrada de gas catódico al menos del siguiente módulo de apilamiento secundario conectado en serie, en el que cada módulo de apilamiento tiene un primer múltiple o colector del lado de entrada de gas catódico común a todos los apilamientos de dicho módulo y un segundo múltiple del lado de salida de gas catódico común a todos los apilamientos de dicho módulo, y en el que el gas catódico está conectado en serie desde el primer módulo de apilamiento primario al menos al siguiente estar módulo de apilamiento secundario de la conexión en serie a través de dichos múltiples de lado comunes, comprendiendo dicho procedimiento las operaciones de:

- proveer al menos a dos módulos de apilamiento conectados en serie con gas catódico, un módulo de apilamiento primario y un módulo de apilamiento secundario

- proveer al menos al primer módulo de apilamiento en la serie con gas anódico

- proveer a la entrada de gas catódico del primer módulo de apilamiento primario en la serie con gas catódico precalentado

- proveer a la entrada de gas catódico de al menos un módulo de apilamiento secundario en la serie con gas catódico de escape caliente procedente de la salida de gas catódico del módulo de apilamiento precedente

- proveer gas anódico al apilamiento primario, no siendo transportado dicho gas anódico hasta ninguno de los módulos de apilamiento secundario del conjunto o solo a algunos de ellos.

Procedimiento de funcionamiento de un conjunto modular de apilamiento de pilas de combustible conectadas en serie

El invento se refiere a un procedimiento de funcionamiento de un apilamiento modular de pilas de combustible, más específicamente a módulos de apilamiento con una conexión en serie de las entradas y salidas de gas catódico, más específicamente a módulos de apilamiento, cada uno de los cuales tiene un múltiple o colector del lado de gas catódico común de una entrada y una salida para todas las pilas de combustible en un módulo, en particular para apilamientos de Pilas de Combustible de Óxido Sólido (SOFC) .

Las reacciones electroquímicas y la función de una pila de combustible no es la esencia del presente invento, por lo que éstas no se han explicado en mayor detalle aquí, pero se han considerado conocidas para un experto en la técnica.

Para aumentar la tensión producida por la SOFC, se ensamblan varias unidades de pilas para formar un apilamiento y son enlazadas juntas por interconexiones. Estas capas del apilamiento son cerradas herméticamente juntas por medio de un cierre hermético a los gases y resistente a la temperatura, tal como vidrio, a lo largo de alguno o de todos los bordes. Hay un límite factible para el tamaño de los apilamientos, para el área de cada pila así como para el número de pilas que son ensambladas. El riesgo de fallos de un apilamiento de pilas de combustible aumenta con el número de pilas y el tamaño del área. Para aumentar el efecto producido por la SOFC es por ello conocido conectar varios apilamientos en vez de aumentar simplemente el área de las pilas y el número de pilas en un único apilamiento. Las pilas pueden ser conectadas en serie y en paralelo tanto por el lado eléctrico como por el lado del gas anódico y del gas catódico de los apilamientos.

Los documentos US 20060172176 A1 y US 6033794 muestran ejemplos de apilamientos de pilas de combustible conectadas en serie, pero no cómo realizar la conexión. El documento US 6403247 describe apilamientos de pilas de combustible que comparten una cámara de entrada de gas común, pero una conexión no en serie en la que una cámara común conecta la salida de un apilamiento o conjunto de apilamientos a la entrada de otro.

El documento US 2007184315 describe un sistema de pilas de combustible que comprende una pluralidad de apilamientos de pilas de combustible. Los apilamientos pueden estar conectados eléctricamente en cualquier secuencia deseada, tal como en serie, en paralelo, o como combinaciones de las mismas o eléctricamente independientes. El rendimiento eléctrico de cada apilamiento es optimizado dada por alguna medida, o la temperatura de funcionamiento del apilamiento es controlada controlando la temperatura operativa interna del apilamiento, que a su vez es controlada controlando la tensión de salida, la corriente de salida, o la carga de cada apilamiento independientemente de los otros apilamientos. En sistemas grandes de pilas de combustible que tienen una gran pluralidad de apilamientos, el apilamiento adyacente puede por necesidad estar agrupado como pares de apilamientos con un control eléctrico de la unión en vez de con un control individual, pero con algún sacrificio en el funcionamiento óptimo.

El documento DE10256281 describe un sistema de pilas de combustible que utiliza una combinación de apilamientos de pilas de combustible de membrana de electrolito de polímero hecha funcionar a diferentes temperaturas.

El documento US 6083636 describe un sistema de energía de pilas de combustible para producir electricidad, comprendiendo dicho sistema un conjunto de apilamientos de pilas de combustible adaptado para funcionar a diferentes temperaturas de funcionamiento, en el que dichas temperaturas de funcionamiento varían entre dos o más de dichos apilamientos de pilas de combustible en dicho conjunto, y en el que cada uno de dichos apilamientos de pilas de combustible incluye medios para recibir reactivos para producir electricidad electroquímicamente.

A pesar de las soluciones conocidas presentadas para el problema de conexión de varios apilamientos de pilas de combustible, la totalidad de ellas tienen alguno de los problemas inherentes:

- Aunque varios apilamientos están conectados en módulos únicos, aún el múltiple de gas catódico no ha sido simplificado igualmente.

- Cuando varios apilamientos o varios módulos están conectados en serie, es necesaria una canalización/tubería extensiva para conectar al gas catódico y anódico.

- Conectar varios apilamientos para aumentar el efecto también aumenta la demanda del sistema de alimentación (intercambiadores de calor para enfriar y precalentar) .

- Pilas de combustible de temperatura relativamente alta, tales como apilamientos de Pilas de Combustible de Óxido Sólido tienen periodos de encendido y apagado relativamente largos.

- Los conjuntos de SOFC de varios apilamientos con salida de efecto relativamente grande, tienen una baja flexibilidad hacia la variación del efecto de salida.

Es un objeto del presente invento resolver los problemas mencionados proporcionando un nuevo procedimiento de funcionamiento de un conjunto de apilamiento de SOFC para al menos dos o más apilamientos de pilas de combustible. El procedimiento está definido en la reivindicación 1.

El conjunto de apilamiento de SOFC comprende módulos de apilamiento conectados en serie, comprendiendo cada módulo al menos un apilamiento, con una conexión simplificada de los módulos en las series omitiendo la necesidad de una canalización y tuberías especial o adicionalmente extensivas y reduce la necesidad de intercambiadores de calor para enfriar y calentar.

Más específicamente, es un objeto del invento proporcionar un conjunto de apilamiento de SOFC que comprende módulos de apilamiento conectados en serie, comprendiendo cada módulo al menos un apilamiento, con una conexión simplificada de los módulos en las series omitiendo la necesidad de una canalización y tuberías extra extensivas.

Un objeto del invento es también proporcionar un conjunto de apilamiento de SOFC que reduce la necesidad de intercambiadores de calor para enfriar y calentar.

Es otro objeto importante del invento proporcionar un conjunto de apilamiento de SOFC con una flexibilidad de efecto aumentado que le permite aumentar o disminuir rápidamente la salida de energía sin necesitar procedimientos de encendido y apagado largos.

Otro objeto del invento es proporcionar un conjunto de apilamiento de SOFC con un sistema de múltiple del lado del gas catódico simplificado común a todos los apilamientos en un módulo de apilamiento.

Otro objeto del invento es proporcionar un conjunto de apilamiento de SOFC, que es compacto con relación a la salida de efecto y que es relativamente insensible a las variaciones en la pérdida de presión sobre los apilamientos en el conjunto.

Otro objeto del invento es proporcionar un conjunto de apilamiento de SOFC que permite inherentemente conexiones simples para una inyección excedente de gases o fluidos de procedimiento.

Estos y otros objetos han sido alcanzados por el invento como se ha descrito a continuación.

El invento es un modo particularmente simple de conectar apilamientos de pilas de combustible en serie en el lado del gas catódico.

Los apilamientos de pilas de combustible están hechos con múltiples en el lado del aire, es decir la entrada y salida del cátodo a cada pila individual en los apilamientos están abiertas a los lados de los apilamientos. Un número de apilamientos están alineados lado a lado y ensamblados en un módulo de apilamiento con entradas de cátodo en una cara del módulo y las salidas de cátodo en la otra cara del módulo. Los módulos de apilamiento son conectados en serie de una manera simple colocando los módulos de apilamiento uno después del otro, de manera que la cara de salida del primer módulo mire a la cara de entrada del segundo módulo y así sucesivamente. En la cámara entre dos módulos de apilamiento, el aire es enfriado por ejemplo añadiéndole aire enfriado o mediante un intercambiador de calor.

Además, el invento ofrece un modo conveniente de operar el sistema de pilas de combustible en fracciones de la carga completa. Cuando el conjunto de apilamiento de SOFC funciona... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de funcionamiento de un conjunto de apilamiento de Pilas de Combustible de Óxido Sólido apropiado para funcionamiento en carga parcial, comprendiendo dicho conjunto una pluralidad de pilas de combustible dispuestas en al menos dos módulos de apilamiento conectados en serie de gas catódico y que comprende al menos un apilamiento en cada módulo, donde el escape de gas catódico desde un primer módulo de apilamiento primario es transportado a la entrada de gas catódico al menos del siguiente módulo de apilamiento secundario conectado en serie, en el que cada módulo de apilamiento tiene un primer múltiple o colector del lado de entrada de gas catódico común a todos los apilamientos de dicho módulo y un segundo múltiple del lado de salida de gas catódico común a todos los apilamientos de dicho módulo, y en el que el gas catódico está conectado en serie desde el primer módulo de apilamiento primario al menos al siguiente estar módulo de apilamiento secundario de la conexión en serie a través de dichos múltiples de lado comunes, comprendiendo dicho procedimiento las operaciones de:

- proveer al menos a dos módulos de apilamiento conectados en serie con gas catódico, un módulo de apilamiento primario y un módulo de apilamiento secundario

- proveer al menos al primer módulo de apilamiento en la serie con gas anódico

- proveer a la entrada de gas catódico del primer módulo de apilamiento primario en la serie con gas catódico precalentado

- proveer a la entrada de gas catódico de al menos un módulo de apilamiento secundario en la serie con gas catódico de escape caliente procedente de la salida de gas catódico del módulo de apilamiento precedente

- proveer gas anódico al apilamiento primario, no siendo transportado dicho gas anódico hasta ninguno de los módulos de apilamiento secundario del conjunto o solo a algunos de ellos.

2. Un procedimiento de funcionamiento de un conjunto de apilamiento de Pilas de Combustible de Óxido Sólido según la reivindicación 1, en el que el gas catódico de escape proporcionado a la entrada de gas catódico de al menos un módulo de apilamiento secundario con gas anódico es enfriado por medio de un intercambiador de calor o por la entrada de gas catódico frío adicional.

3. Un procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que el conjunto comprende dos módulos de apilamiento.

4. Un procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que el conjunto comprende cuatro módulos de apilamiento.

5. Un procedimiento según la reivindicación 4 adecuado para funcionar aproximadamente al 25%, 50%, 75% o 100% de carga,

cuando funciona a un 25% de carga, sólo el primer módulo de apilamiento en la serie es provisto con gas anódico,

cuando funciona a un 50% de carga, sólo os el primer y el segundo módulo de apilamiento en la serie son provistos con gas anódico y sólo el gas catódico proporcionado al segundo módulo de apilamiento es enfriado,

cuando funciona a un 75% de carga, solo el primer, el segundo y el tercer módulo de apilamiento en la serie son proporcionados con gas anódico y sólo el gas catódico proporcionado al segundo y tercer módulos de apilamiento es enfriado,

cuando funciona a un 100% de carga, todos los módulos de apilamiento en las serie son provistos con gas anódico y el gas catódico proporcionado al segundo, tercer y cuarto módulos de apilamiento es enfriado.