Un método de funcionamiento de un ensamblaje de pilas de combustible de óxidosólido de potencia de salida variable que comprende,

al menos, una pila decombustible de óxido sólido, y que posee un electrolito de conducción mixtaiónica/electrónica. El método comprende las siguientes etapas:

- Determinar una potencia de salida presente y una potencia de salida necesariade dicho ensamblaje de pilas de combustible de óxido sólido.

- Comparar dicha potencia de salida presente determinada y la potencia de salidanecesaria de dicho ensamblaje de pilas de combustible de óxido sólido paradeterminar un cambio necesario en la potencia de salida de dicho ensamblaje depilas de combustible de óxido sólido.

- Controlar al menos una condición de funcionamiento de dicho ensamblaje depilas de combustible de óxido sólido para efectuar dicho cambio necesario de lapotencia de salida, un aumento requerido de la potencia de salida quecomprende al menos uno de los siguientes supuestos:

- Un incremento de la temperatura de al menos una de dichas pilas decombustible de óxido sólido.

- Un incremento de la concentración de combustible proporcionado a dichapila de combustible de óxido sólido.

Y una reducción necesaria de la potencia de salida que comprende al menos unode los siguientes supuestos:

- Una reducción de la temperatura de dicha pila de combustible de óxidosólido.

- Una reducción de la concentración de combustible proporcionado a dichapila de combustible de óxido sólido.

MÉTODO Y DISPOSITIVO PARA EL FUNCIONAMIENTO DE UN ENSAMBLAJE DE PILAS DE COMBUSTIBLE DE ÓXIDO SÓLIDO CON UN ELECTROLITO DE CONDUCCIÓN MIXTA IÓNICA/ELECTRÓNICA

Descripción [0001] La presente invención hace referencia a un método y a un dispositivo para manejar un ensamblaje de pilas de combustible de óxido sólido con el fin de incrementar su eficiencia, en particular variando una o más de una de las condiciones de funcionamiento de la pila de combustible. 10 [0002] Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC por sus siglas en inglés) son un medio prometedor para generar electricidad a partir de hidrógeno o combustibles fósiles de manera más eficiente y ecológicamente aceptable que otras tecnologías de generación tradicionales. Sin embargo, las pilas de combustible de óxido sólido tradicionales funcionan a temperaturas muy elevadas (superiores a 900ºC) , e incluso las 15 innovaciones más recientes han sido sólo capaces de reducir esta temperatura a 700800ºC. Esta alta temperatura de funcionamiento conlleva problemas importantes con los materiales usados en la construcción de dichos ensamblajes de pilas de combustible y los componentes del sistema relacionados. Los materiales que pueden soportar un funcionamiento prolongado a estas temperaturas suelen ser caros, frágiles o ambas 20 cosas. Intentar usar materiales de coste inferior, como el acero inoxidable ferrítico, a altas temperaturas de funcionamiento causa problemas con la degradación de la calidad de la eficiencia del ensamblaje debido a la oxidación del metal y a la migración de especies de cromo volátiles en periodos prolongados a estas elevadas temperaturas de funcionamiento. 25 [0003] Con el fin de elaborar un ensamblaje de pilas de combustible de óxido sólido comercialmente atractivo para aplicaciones para el mercado general, hay un fuerte incentivo en intentar reducir la temperatura de funcionamiento del ensamblaje y, por consiguiente, el coste de los materiales necesarios. A una temperatura por debajo de los 650ºC, ciertos materiales de construcción de bajo coste como el acero inoxidable

ferrítico son lo suficientemente estables como para permitir un funcionamiento a largo plazo sin una degradación significativa de la calidad de rendimiento del conjunto. [0004] Las pilas de combustible de óxido sólido convencionales usan un electrolito de óxido de zirconio dopado con itrio. Se trata de un material que conduce iones de óxido a altas temperaturas, pero no electrones. Es, por tanto, idóneo para su uso como

electrolito de una pila de combustible. Desafortunadamente, el zirconio estabilizado con itrio (YSZ) no es un buen conductor de iones de óxido, y su resistencia iónica se vuelve elevada de manera poco práctica por debajo de unos 650ºC, lo que conlleva un rendimiento muy pobre de la pila de combustible. Con el fin de funcionar por debajo de esta temperatura, lo que, tal y como se mencionó anteriormente, es altamente deseable, se requiere un material de electrolito diferente.

[0005] A diferencia del YSZ, que no conduce electrones, existe un número de materiales de electrolito cerámicos de conducción mixta iónica/electrónica que poseen una conductividad iónica elevada por debajo de 650ºC. En términos de eficiencia, estabilidad y seguridad en su manejo, el material más prometedor y ampliamente empleado de todos estos materiales de electrolito de conducción mixta iónica/electrónica a baja

temperatura es el óxido de cerio dopado con gadolinio (CGO) , aunque existen otros materiales como otros óxidos de cerio dopados. El CGO muestra una buena conductividad iónica hasta por debajo de 500ºC. Desafortunadamente, el CGO no es tan estable como el YSZ, y en una atmósfera reductora de temperatura (como la que se encuentra normalmente en el lado del ánodo de la pila de combustible) , los iones Ce4+

se pueden reducir a Ce3+. Esto produce que el electrolito desarrolle cierta conductividad electrónica, lo que resulta en una corriente de cortocircuito que fluye dentro de la pila de combustible. Este cortocircuito se observa externamente como una caída en la tensión en bornes de la pila en circuito abierto, y tiene como resultado la pérdida de eficiencia en la conversión de la energía en el combustible para electricidad.

[0006] Este rasgo del CGO ha provocado su rechazo generalizado como material de electrolito ya que consideran que la pérdida de eficiencia a través del cortocircuito interno es muy grave para que un dispositivo sea práctico.

La presente invención tiene como objetivo reducir al menos algunos de los inconvenientes citados con anterioridad.

[0008] Según una primera forma de realización de la invención, se revela un método de operar un ensamblaje de pilas de combustible de óxido sólido de energía variable que comprende al menos una pila de combustible de óxido sólido y que contiene un electrolito de conducción mixta iónica/eléctrica. El método comprende los siguientes pasos:

1. Determinar una potencia de salida presente y una potencia de salida necesaria de dicha serie de pilas de combustible de óxido sólido.

2. Comparar la potencia de salida presente determinada y la potencia de salida necesaria de dicha serie de pilas de combustible de óxido sólido para determinar un cambio necesario en la potencia de salida de dicha serie de pilas de

combustible de óxido sólido.

3. Controlar al menos una condición de funcionamiento de dicha serie de pilas de combustible de óxido sólido que efectúe dicho cambio necesario en la potencia de salida, y un incremento requerido en la potencia de salida que incluya al menos:

− Un aumento de la temperatura de al menos una de dichas pilas de combustible de óxido sólido. − Un aumento de la concentración de combustible distribuido a dicha pila de combustible de óxido sólido. Y una disminución necesaria de la potencia de salida que incluya al menos: 10 − Una disminución de la temperatura de dicha pila de combustible de óxido sólido. − Una disminución de la concentración de combustible distribuido a dicha pila de combustible de óxido sólido. [0009] La conductividad electrónica de CGO depende considerablemente de la

temperatura y, a una temperatura lo suficientemente baja, la corriente de fuga electrónica puede reducirse a un nivel aceptable. Conforme disminuye la temperatura de funcionamiento del material de electrolito CGO, se va restringiendo también la magnitud del efecto de cortocircuito. El efecto se mitiga a tal grado que, cuando la temperatura de funcionamiento se reduce a 500ºC, el efecto es insignificante. Por consiguiente, CGO es

un material de electrolito adecuado cuando la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible está por debajo de una temperatura de 650ºC o, preferentemente, 600ºC. Este es el caso concreto bajo una carga externa elevada en la que el flujo de iones de óxido a través del electrolito tiende a reoxidar los iones Ce3+ en Ce4+, eliminando, por tanto, la conductividad electrónica.

[0010] La eficiencia de un ensamblaje de pilas de combustible con un electrolito que incluye cerio aumenta rápidamente por encima de cerca del 50% de su potencia nominal, ya que la corriente de cortocircuito se ve reducida en relación con la corriente del circuito externo.

Puede demostrarse, por ejemplo, que con un funcionamiento a casi plena

potencia y a una temperatura de menos de 600ºC, la eficiencia de una pila de combustible a base de CGO se puede comparar con la de una pila de combustible a base de YSZ que funciona a temperaturas que exceden los 700ºC y no hay ninguna consecuencia significativa resultante del uso de CGO.

Según una segunda forma de realización de la invención, se revela un sistema 35 de control para un ensamblaje de pilas de combustible de óxido sólido de potencia de salida variable que comprende al menos una pila de combustible de óxido sólido y que contiene un electrolito de conducción mixta iónica/electrónica, en el que el sistema de control comprende:

1. Medios para determinar una potencia de salida presente y una potencia de salida necesaria de dicha serie de pilas de combustible de óxido sólido.

2. Medios de comparación para comparar una potencia de salida presente determinada y una potencia de salida necesaria de dicha serie de pilas de combustible de óxido sólido con el fin de determinar un cambio necesario en la potencia de salida de dicho... [Seguir leyendo]

1. Un método de funcionamiento de un ensamblaje de pilas de combustible de óxido sólido de potencia de salida variable que comprende, al menos, una pila de combustible de óxido sólido, y que posee un electrolito de conducción mixta iónica/electrónica. El método comprende las siguientes etapas:

− Determinar una potencia de salida presente y una potencia de salida necesaria de dicho ensamblaje de pilas de combustible de óxido sólido.

− Comparar dicha potencia de salida presente determinada y la potencia de salida necesaria de dicho ensamblaje de pilas de combustible de óxido sólido para determinar un cambio necesario en la potencia de salida de dicho ensamblaje de pilas de combustible de óxido sólido.

− Controlar al menos una condición de funcionamiento de dicho ensamblaje de pilas de combustible de óxido sólido para efectuar dicho cambio necesario de la potencia de salida, un aumento requerido de la potencia de salida que comprende al menos uno de los siguientes supuestos:

- Un incremento de la temperatura de al menos una de dichas pilas de combustible de óxido sólido. -Un incremento de la concentración de combustible proporcionado a dicha

pila de combustible de óxido sólido. Y una reducción necesaria de la potencia de salida que comprende al menos uno de los siguientes supuestos:

- Una reducción de la temperatura de dicha pila de combustible de óxido sólido. -Una reducción de la concentración de combustible proporcionado a dicha pila de combustible de óxido sólido.

2. Un método según la reivindicación 1, en el que se mantiene la temperatura de la pila de combustible de óxido sólido a 650ºC o menos.

3. Un método según la reivindicación 2, en el que se mantiene la temperatura de la pila de combustible de óxido sólido a 600ºC o menos.

4. Un método según las reivindicaciones 1 a 3, en el que el combustible proporcionado a la pila de combustible de óxido sólido se diluye con una cantidad predeterminada de vapor, dióxido de carbono, nitrógeno o una mezcla que incluya vapor, dióxido de carbono y/o nitrógeno.

5. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el combustible proporcionado a la pila de combustible de óxido sólido se diluye con una proporción variable de gas de escape reciclado de un lado anódico de al menos una pila de combustible.

6. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que al menos un electrolito de dicha pila de combustible de óxido sólido comprenda óxido de cerio dopado con galodinio.

7. Un sistema de control para un ensamblaje de pilas de combustible de óxido sólido de potencia de salida variable que comprende al menos una pila de combustible de óxido sólido, y que posea un electrolito de conducción mixta iónica/electrónica. El sistema de control consta de:

− Medios para determinar una potencia de salida presente y una potencia de salida necesaria de dicho ensamblaje de pilas de combustible de óxido sólido.

− Medios de comparación para comparar una potencia de salida presente determinada y una potencia de salida necesaria de dicho ensamblaje de pilas de combustible de óxido sólido para determinar un cambio necesario en la potencia de salida de dicho ensamblaje de pilas de combustible de óxido sólido.

− Un regulador para controlar al menos una condición de funcionamiento de dicho ensamblaje de pilas de combustible de óxido sólido para efectuar dicho cambio necesario de la potencia de salida. Dicho regulador está dispuesto de forma que lleve a cabo un aumento preciso de la potencia de salida controlando al menos una de las siguientes variables:

- Un incremento de la temperatura de al menos una de dichas pilas de combustible de óxido sólido. -Un incremento de la concentración de combustible proporcionado a dicha

pila de combustible de óxido sólido. Y para efectuar una reducción precisa de la potencia de salida controlando al menos una de las siguientes variables:

- Una reducción de la temperatura de dicha pila de combustible de óxido sólido. -Una reducción de la concentración de combustible proporcionado a dicha pila de combustible de óxido sólido.

8. Un sistema de control según la reivindicación 7, en el que el regulador mantiene la temperatura del ensamblaje a 650ºC o menos.

9. Un sistema de control según la reivindicación 8, en el que el regulador mantiene la temperatura del ensamblaje a 600ºC o menos.

10. Un sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que el regulador aplica la dilución del combustible proporcionado al ensamblaje de pilas de

combustible con una cantidad predeterminada de vapor, dióxido de carbono, nitrógeno o una mezcla que incluye vapor, dióxido de carbono y/o nitrógeno.

11. Un sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en el que el regulador aplica la dilución del combustible proporcionado al ensamblaje de pilas de combustible con una proporción variable de gas de escape reciclado de los lados

anódicos del ensamblaje de pilas de combustible.

12. Un ensamblaje de pilas de combustible compuesto por electrolitos de conducción mixta iónica/electrónica y que comprende un sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11.

Figura 3

Figura 4 – Sistema SOFC operando con GLP que muestra el método de implementación descrito en el método 1.

Potencia/W

Tiempo/s Fig. 5 – Potencias de salida del emsamblaje y el sistema.