Sistema de celdas de combustible que comprende un reformador (1) con dispositivo térmico de puesta en marcha,

al menos una etapa de preparación de gas (2) conectada a continuación del reformador (1) y al menos una celda de combustible (3) que está conectada a continuación de la etapa de preparación de gas (2) y presenta una pluralidad de placas bipolares (4), dicha celda de combustible (3) con una zona interior (5) de una reacción, en especial con ánodo, cátodo y electrolito, y una zona exterior (6) con al menos un canal de refrigeración (7) a través del que puede circular un medio refrigerante y sin comunicación de fluido con la zona interior (5), así como estructuras de canal adicionales opcionales (8) que se pueden unir por fluido con el dispositivo de conmutación (9), de modo que los gases de producto del reformador se pueden conducir a través de las estructuras de canal adicionales (8) y/o del al menos un canal de refrigeración (7), estando previsto corriente arriba, delante de la celda de combustible (3), un dispositivo de conmutación (9) que se puede conmutar entre una posición de arranque, pudiéndose conducir en la posición de arranque para los gases de producto del reformador y/o del dispositivo térmico de puesta en marcha al menos durante el proceso de puesta en marcha una vía de flujo por la zona exterior (6) de la celda de combustible (3) para calentar la celda de combustible (3), y al menos una posición de funcionamiento, pudiéndose crear en la posición de funcionamiento para los gases de producto del reformador y/o del dispositivo térmico de puesta en marcha una vía de flujo hacia la zona interior (5) de la celda de combustible (3), caracterizado porque la superficie del al menos un canal de refrigeración (7) y/o de las estructuras de canal adicionales (8), a través de los que circulan los gases de producto del reformador, está revestida con un catalizador

Sistema de celdas de combustible y procedimiento para su funcionamiento La invención se refiere a un sistema de celdas de combustible de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, así como a un procedimiento para su funcionamiento de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 8.

Las celdas de combustible son convertidores de energía electroquímicos que pueden producir corriente de manera inofensiva para el medio ambiente en relación con la generación de ruidos y la eficiencia energética. A tal efecto, las 10 celdas de combustible transforman el hidrógeno o los combustibles con contenido de hidrocarburo directamente en corriente eléctrica. Como combustible para la celda de combustible se genera gas de síntesis, rico en hidrógeno, a partir de hidrocarburo. Cuando se usan combustibles con contenido de hidrocarburo en un reformador, el hidrocarburo se transforma con aire y vapor de agua en hidrógeno y otros subproductos como dióxido de carbono y monóxido de carbono. Según el grado de pureza requerido, que se determina mediante el tipo usado de celda de combustible, se pueden prever al menos una o varias etapas de preparación de gas. El reformador se puede calentar para el calentamiento durante la puesta en marcha con preferencia con un dispositivo térmico de puesta en marcha, en particular un quemador de gas en el que se desarrolla una combustión completa.

Por el documento DE10059578A1 se conoce la puesta en marcha de un sistema de metanol mediante la combustión 20 completa de metanol.

El documento DE19945713A1 describe un sistema de calentamiento de las celdas de combustible mediante el calentamiento del aire de proceso a partir del aprovechamiento del calor residual de un reformador con la interconexión de filtros.

En especial las celdas de combustible de alta temperatura, como las descritas en el documento DE10155543, se deben operar por encima de 100 ºC para lograr un funcionamiento eficiente. En este tipo de celdas de combustible existe una sensibilidad pequeña durante el funcionamiento de las celdas de combustible respecto a los subproductos en los gases de producto del reformador.

La eficiencia constante de una celda de combustible depende especialmente del correcto funcionamiento de los catalizadores situados aquí en la zona interior de reacción junto con el ánodo, el cátodo y el electrolito. Su funcionamiento se puede ver afectado si los residuos de combustión incompleta o subproductos no deseados, en particular hollín, a partir de la reacción de combustión del dispositivo térmico de puesta en marcha o con gases de producto del reformador, por ejemplo, en la fase de arranque, llegan a la zona interior de la celda de combustible, es decir, a la zona en la que se desarrollan las reacciones de las celdas de combustible, en especial al ánodo de la celda de combustible. Además, la celda de combustible es sensible al aire en el lado del ánodo debido al hidrógeno residual que en determinadas circunstancias se puede quemar aquí de forma descontrolada desde el punto de vista térmico. Especialmente en el caso de celdas de combustible de alta temperatura tampoco se debe producir agua líquida por el peligro de expulsión del electrolito y, por consiguiente, pérdidas de potencia durante la fase de puesta en marcha.

Por tanto, es problemático un calentamiento directo de la celda de combustible con los gases de escape del dispositivo térmico de puesta en marcha o los gases de producto del reformador a la temperatura requerida de 45 funcionamiento superior a 100 ºC. El calentamiento de la propia celda de combustible se realiza normalmente, por ejemplo, mediante el calentamiento eléctrico o el calentamiento del aire de proceso con intercambiadores de calor.

Un sistema de celdas de combustible y un procedimiento para su funcionamiento con las características del preámbulo de la reivindicación 1 o de la reivindicación 8 se conocen del documento WO2004/079846A2. En este 50 dispositivo, el gas producido en un sistema generador de gas en caso de una puesta en marcha en frío no se conduce mediante la pila de celdas de combustible, sino con ayuda de una válvula conmutable de tres vías y un conducto de derivación alrededor del espacio del ánodo de la pila de celdas de combustible. Antes de llegar al conducto de derivación, el gas puede circular a través de un intercambiador de calor para que la pila de celdas de combustible se caliente más rápidamente por la transmisión de la energía térmica del gas.

55 El documento US5, 019, 463A muestra una disposición de celdas de combustible, en la que se pueden suministrar opcionalmente aire ambiente o los gases de escape de un reformador a una conexión de aire y una conexión de camisa refrigerante de la celda de combustible.

La invención tiene el objetivo de prever un sistema de celdas de combustible, así como un procedimiento para su funcionamiento que elimine las desventajas del estado de la técnica y aproveche en especial el calor residual del reformador, en particular durante la puesta en marcha del sistema de celdas de combustible, de forma especialmente simple desde el punto de vista constructivo y de la técnica de procedimiento. Otro objetivo de la invención es poder arrancar con rapidez el sistema de celdas de combustible, en especial sistemas de celdas de combustible de alta temperatura, sin influencias perjudiciales de reacciones no deseadas en la zona interior de reacción de la celda o las celdas de combustible.

Según la invención, el objetivo se consigue mediante un dispositivo con las características de la reivindicación 1, así

como mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 8. En las reivindicaciones secundarias se pueden encontrar variantes ventajosas.

El sistema de celdas de combustible según la invención comprende un reformador con dispositivo térmico de puesta en marcha, al menos una etapa de preparación de gas conectada a continuación del reformador y al menos una 15 celda de combustible que está conectada a continuación de la etapa de preparación de gas y presenta una pluralidad de placas bipolares, con una zona interior de una reacción, en especial con ánodo, cátodo y electrolito, y una zona exterior con al menos un canal de refrigeración a través del que puede circular un medio refrigerante y sin comunicación de fluido con la zona interior. La celda de combustible tiene en la zona exterior estructuras de canal adicionales del reformador, que se pueden unir por fluido con el dispositivo de conmutación, de modo que los gases 20 de producto se pueden conducir a través de las estructuras de canal adicionales y/o del canal de refrigeración. Corriente arriba, delante de la celda de combustible, está previsto un dispositivo de conmutación que se puede conmutar entre una posición de arranque, pudiéndose conducir en la posición de arranque los gases de producto del reformador y/o del dispositivo térmico de puesta en marcha al menos durante el proceso de puesta en marcha por la zona exterior de la celda de combustible para calentar la celda de combustible, y al menos una posición de funcionamiento, pudiéndose suministrar en la posición de funcionamiento los gases de producto del reformador y/o del dispositivo térmico de puesta en marcha a la zona interior de la celda de combustible.

La superficie del al menos un canal de refrigeración y/o de las estructuras de canal adicionales, a través del cual o las cuales circulan los gases de producto del reformador, está revestida con un catalizador.

Por tanto, según la invención está previsto desde el punto de vista constructivo que exista una unión térmica de la zona interior, por ejemplo, el ánodo, con el al menos un canal de refrigeración o los canales de refrigeración en la zona exterior de las celdas de combustible, en las que se guían los gases de escape aún calientes de un dispositivo térmico de puesta en marcha durante la fase de calentamiento del reformador. Por tanto, existe una unión térmica de los canales de refrigeración con el lado del ánodo, pero también preferentemente con el lado del cátodo de la celda de combustible. Estos canales de refrigeración están configurados ventajosamente como canales de aire para una refrigeración por aire de la celda de combustible durante la fase normal de funcionamiento. Según la invención, se logra así un buen acoplamiento de calor sin comunicación de fluido entre la zona interior correspondiente y la zona exterior correspondiente.

A fin de evitar según la invención que la celda de combustible sensible al aire se dañe en el lado... [Seguir leyendo]

1. Sistema de celdas de combustible que comprende un reformador (1) con dispositivo térmico de puesta en marcha, al menos una etapa de preparación de gas (2) conectada a continuación del reformador (1) y al menos 5 una celda de combustible (3) que está conectada a continuación de la etapa de preparación de gas (2) y presenta una pluralidad de placas bipolares (4) , dicha celda de combustible (3) con una zona interior (5) de una reacción, en especial con ánodo, cátodo y electrolito, y una zona exterior (6) con al menos un canal de refrigeración (7) a través del que puede circular un medio refrigerante y sin comunicación de fluido con la zona interior (5) , así como estructuras de canal adicionales opcionales (8) que se pueden unir por fluido con el dispositivo de conmutación (9) , 10 de modo que los gases de producto del reformador se pueden conducir a través de las estructuras de canal adicionales (8) y/o del al menos un canal de refrigeración (7) , estando previsto corriente arriba, delante de la celda de combustible (3) , un dispositivo de conmutación (9) que se puede conmutar entre una posición de arranque, pudiéndose conducir en la posición de arranque para los gases de producto del reformador y/o del dispositivo térmico de puesta en marcha al menos durante el proceso de puesta en marcha una vía de flujo por la zona exterior 15 (6) de la celda de combustible (3) para calentar la celda de combustible (3) , y al menos una posición de funcionamiento, pudiéndose crear en la posición de funcionamiento para los gases de producto del reformador y/o del dispositivo térmico de puesta en marcha una vía de flujo hacia la zona interior (5) de la celda de combustible (3) , caracterizado porque la superficie del al menos un canal de refrigeración (7) y/o de las estructuras de canal adicionales (8) , a través de los que circulan los gases de producto del reformador, está revestida con un catalizador

20 (10) .

2. Sistema de celdas de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el al menos un canal de refrigeración (7) discurre en al menos una de las placas bipolares (4) , y entre el dispositivo de conmutación (9) y el al menos un canal de refrigeración (7) hay una comunicación de fluido, de modo que los gases de producto se pueden conducir a través del al menos un canal de refrigeración (7) .

3. Sistema de celdas de combustible de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque las estructuras de canal adicionales (8) están dispuestas preferentemente en las placas bipolares (4) .

4. Sistema de celdas de combustible de acuerdo con la reivindicación 1 a 3, caracterizado porque el medio refrigerante es aire.

5. Sistema de celdas de combustible de acuerdo con la reivindicación 1 a 4, caracterizado porque la celda de combustible (3) es una celda de combustible de alta temperatura en el intervalo de temperatura de entre 3.

10. 200 ºC.

6. Sistema de celdas de combustible de acuerdo con la reivindicación 1 a 5, caracterizado porque un quemador por separado (11) , preferentemente un quemador catalítico, está dispuesto en la zona de las estructuras de canal adicionales (8) y/o del al menos un canal de refrigeración (7) .

7. Sistema de celdas de combustible de acuerdo con la reivindicación 1 a 6, caracterizado porque el dispositivo térmico de puesta en marcha es un quemador adecuado para la combustión completa de los combustibles usados.

45 8. Procedimiento para el arranque y el funcionamiento de un sistema de celdas de combustible con un reformador con dispositivo térmico de puesta en marcha, al menos una etapa de preparación de gas conectada a continuación del reformador y al menos una celda de combustible que está conectada a continuación de la etapa de preparación de gas y presenta una pluralidad de placas bipolares, con una zona interior de una reacción, en especial con ánodo, cátodo y electrolito, y una zona exterior con al menos un canal de refrigeración, a través del que puede 50 circular un medio refrigerante, y sin comunicación de fluido con la zona interior, calentándose el reformador mediante el dispositivo térmico de puesta en marcha, estando previsto corriente arriba, delante de la celda de combustible, un dispositivo de conmutación que se puede conmutar entre una posición de arranque, pudiéndose conducir en la posición de arranque los gases de producto del reformador y/o del dispositivo térmico de puesta en marcha al menos durante el proceso de puesta en marcha por la zona exterior de la celda de combustible para calentar la celda de 55 combustible, y al menos una posición de funcionamiento, pudiéndose suministrar en la posición de funcionamiento los gases de producto del reformador y/o del dispositivo térmico de puesta en marcha a la zona interior de la celda de combustible, caracterizado porque los gases de producto del reformador, mediante un revestimiento catalítico de la superficie del al menos un canal de refrigeración y/o de la estructuras de canal adicionales, a través de los que circulan los gases de producto del reformador, se transforman químicamente para la generación de calor adicional.

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el dispositivo térmico de puesta en marcha se desconecta al alcanzarse la temperatura de funcionamiento del reformador y los gases de producto del reformador se conducen después por la zona exterior de la celda de combustible, preferentemente a través del al menos un canal de refrigeración que discurre con especial preferencia en las placas bipolares, hasta que la celda de combustible ha alcanzado su temperatura de funcionamiento.

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8 ó 9, caracterizado porque los gases de escape del dispositivo térmico de puesta en marcha o los gases de producto del reformador se conducen a través de 10 estructuras de canal adicionales en la zona exterior.

11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8 a 10, caracterizado porque la celda de combustible es una celda de combustible de alta temperatura.

12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8 a 11, caracterizado porque la transformación se lleva a cabo mediante una conmutación a la posición de arranque en una fase de puesta en marcha del reformador.

13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8 a 12, caracterizado porque en la posición de arranque durante la fase de puesta en marcha, el reformador se calienta en su funcionamiento nominal y el exceso de hidrógeno generado durante el funcionamiento nominal del reformador, que se transforma en la posición de funcionamiento en la celda de combustible, se transforma en la posición de arranque en el quemador por separado mediante la adición de aire.

14. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8 a 13, caracterizado porque el calor generado sirve 25 para el precalentamiento de componentes del sistema.