Un sistema de generación de células de combustible que comprende:

una célula de combustible que comprende un ánodo y un cátodo; una fuente de gas hidrógeno, siendo proporcionado el hidrógeno al ánodo de la célula de combustible; un compresor para la creación de una corriente de aire presurizado, siendo proporcionada la corriente de aire presurizado al cátodo de la célula de combustible, reaccionando la corriente de aire presurizada del cátodo y el gas hidrógeno del ánodo en la membrana de la célula de combustible para producir una salida de energía eléctrica y calor de desecho; un suministro líquido en comunicación para fluidos con la corriente de aire presurizada, siendo calentado al menos una parte del líquido de suministro por el calor de desecho del sistema de generación y evaporándose dentro de la corriente de aire presurizado para producir una mezcla presurizada de aire y vapor, siendo inyectado directamente el líquido del suministro en la célula de combustible; un quemador que quema un combustible con la mezcla de aire/vapor presurizada para producir una corriente de escape que contiene vapor; un expansor en comunicación para fluidos con el quemador, siendo accionado el expansor por la corriente de escape que contiene vapor para producir una salida de potencia que excede la potencia requerida para presurizar el aire y una toma de potencia del exceso de potencia desde el expansor

Sistema de generación de células de combustible de alto rendimiento con expansor de generación de energía.

Esta solicitud se refiere a un sistema de generación de células de combustible de alto rendimiento con expansor de generación de energía.

Antecedentes de la invención

Una célula de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de una reacción en energía eléctrica. Una célula de combustible consiste en un ánodo y un cátodo separados por una capa de electrolito. Durante el funcionamiento, se suministra al ánodo un reactivo, típicamente gas hidrógeno, y se suministra al cátodo un oxidante, típicamente aire u otro gas que contenga oxígeno. Las reacciones electroquímicas que tienen lugar en la célula de combustible producen una corriente eléctrica. Los sistemas de generación eléctrica de células de combustible comprenden generalmente series agregadas de células. A menudo denominadas “pilas” de células de combustible, para proporcionar voltajes más altos que los que se obtienen en una única célula.

Las células de combustible se han convertido en útiles fuentes de energía en los años recientes y hay un creciente interés en el uso de células de combustible para la generación eléctrica móvil y a pequeña escala, incluyendo aplicaciones de energía en vehículos. Un impedimento para la amplia aceptación de los sistemas de generación de células de combustible es la falta de una infraestructura extendida para la producción y distribución de combustible, particularmente hidrógeno, requerido para el funcionamiento de la célula de combustible. Se han realizado intentos para superar este problema por medio del uso de sistemas de generación híbridos que funcionan con combustibles de hidrocarburo convencionales. En estos sistemas, los combustibles de hidrocarburo se convierten primero en un reformado que contiene hidrógeno por medio de un reformador de combustible integrado incluido y el reformado resultante se usa a continuación para alimentar la célula de combustible.

En el futuro, se anticipa que se convertirá cada vez más eficaz en costes el empleo de sistemas de generación de células de combustible de hidrógeno “puro” no hibridado (es decir sin reformador presente) , en los que se proporciona el hidrógeno mediante un sistema de almacenamiento de hidrógeno local o (en aplicaciones estacionarias) directamente desde una fuente remota. También, se puede evitar el uso de un subsistema reformador de combustible mediante la alimentación de la célula de combustible con un combustible que se reforme fácilmente, tal como un alcohol, particularmente metanol, de modo que se pueda formar el hidrógeno in situ en el ánodo de la célula de combustible.

En cualquiera de estos sistemas de generación basados en células de combustible, particularmente en el caso de aplicaciones de generación de energía portátil o móvil, incluso modestos incrementos en la eficiencia del sistema pueden suponer una diferencia crítica en términos de tamaño, peso y coste-efectividad del sistema.

El documento WO-A-01/95409 describe un sistema de células de combustible de alto rendimiento de ciclo conjunto con una turbina de generación eléctrica. El documento DE-A-10118151 describe una célula de combustible que tiene una contrapresión regulada dinámicamente.

Sumario de la invención

45 La presente invención proporciona un sistema de generación de célula de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, un método para el funcionamiento eficiente del sistema de generación de célula de combustible de acuerdo con la reivindicación 28, un sistema de generación de célula de combustible de hidrógeno no hibridado de acuerdo con la reivindicación 50 y un método para el funcionamiento eficiente de un sistema de generación de célula de combustible de hidrógeno no hibridado de acuerdo con la reivindicación 53. Las características preferidas se definen en las reivindicaciones dependientes.

En general, la presente invención se refiere a sistemas de generación basados en células de combustible, que incluyen sistemas integrados de células de combustible/reformador de combustible y sistemas de generación de 55 células de combustible basados en hidrógeno “purgado”. En un aspecto, los sistemas de célula de combustible de la presente invención utilizan ventajosamente el calor de desecho de baja temperatura de la célula de combustible para generar energía adicional, permitiendo así mejoras en la eficiencia global del sistema. El sistema comprende una célula de combustible que tiene un ánodo y un cátodo y un suministro de gas hidrógeno que se proporciona al ánodo de la célula de combustible y un compresor que crea una corriente de aire presurizada que se suministra al cátodo de la célula de combustible. La corriente de aire presurizada del cátodo y el gas hidrógeno del ánodo reaccionan en la célula de combustible para producir una salida de energía eléctrica y un calor de desecho. El sistema comprende además un líquido de refrigeración (por ejemplo agua) , que elimina el calor de desecho de baja temperatura de la célula de combustible. El líquido de refrigeración, calentado directa o indirectamente por el calor de desecho del sistema de generación, se evapora en una corriente de aire presurizado, que puede ser una corriente de aire 65 oxidante, desde, o dentro del cátodo de la célula de combustible, para producir una corriente de aire cargada de vapor presurizado. La corriente de aire cargado de vapor se alimenta, junto con un combustible, a un quemador, en el que se quema para generar una corriente de salida cargada de vapor a alta temperatura. La corriente de salida cargada de vapor se usa para accionar un expansor, tal como una turbina, para proporcionar una salida de energía. La salida de energía desde el expansor excede en general la energía usada para comprimir el aire y la potencia del expansor se puede usar, por medio de una salida de potencia para accionar componentes auxiliares del sistema, tales como un compresor, y/o para suplementar la salida de energía del sistema de la célula de combustible, tal como mediante el accionamiento de un generador eléctrico.

En ciertas realizaciones, el sistema incluye un bucle de refrigeración en el que un fluido circula a través del sistema para eliminar el calor de desecho de la célula de combustible. El líquido de refrigeración que se evapora en el aire presurizado puede incluir el fluido del bucle de refrigeración o se puede calentar mediante el fluido del bucle de refrigeración.

En otras realizaciones, la célula de combustible se refrigera mediante inyección directa de un líquido de refrigeración en la célula de combustible. En este caso, el líquido de refrigeración se puede evaporar en el aire presurizado dentro de la célula de combustible.

La presente invención es capaz de conseguir una célula de combustible mejorada y eficiencias del ciclo Brayton mediante la utilización ventajosamente del calor de desecho de baja temperatura del sistema de generación de células de combustible. El calor de desecho generado en las células de combustible de baja temperatura convencionales, tal como las bien conocidas células “PEM” (células de membrana de electrólito de polímero o células de membrana de intercambio de protones; a veces denominadas células de membrana de electrólito de polímero sólido) , son notoriamente difíciles de recapturar en una forma que produzca energía útil adicional. Por ejemplo, la mayor parte de las células de combustible de baja temperatura funcionan a temperaturas de menos de 200ºC e incluso más típicamente a temperaturas de menos de 100ºC. Las células de combustible PEM actualmente existentes funcionan a temperaturas entre 50ºC y 100ºC, por ejemplo. Las temperaturas de expulsión de calor para estas células de combustible de baja temperatura es demasiado baja para recuperar energía a través de medios convencionales, tales como una turbina de vapor u otros “ciclos de descenso” del tipo Rankine. Consecuentemente, el calor de desecho de tales células de combustible de baja temperatura se descarga simplemente al ambiente a través de un radiador de bucle cerrado u otros medios.

En la presente invención, por otro lado, al menos una parte de este calor de desecho de baja temperatura se recaptura ventajosamente mediante el uso de la energía del calor de desecho para evaporar agua en una corriente de aire presurizada (por ejemplo la corriente de aire del cátodo de la célula de combustible) para producir... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de generación de células de combustible que comprende:

una célula de combustible que comprende un ánodo y un cátodo; una fuente de gas hidrógeno, siendo proporcionado el hidrógeno al ánodo de la célula de combustible; un compresor para la creación de una corriente de aire presurizado, siendo proporcionada la corriente de aire presurizado al cátodo de la célula de combustible, reaccionando la corriente de aire presurizada del cátodo y el gas hidrógeno del ánodo en la membrana de la célula de combustible para producir una salida de energía eléctrica y calor de desecho; un suministro líquido en comunicación para fluidos con la corriente de aire presurizada, siendo calentado al menos una parte del líquido de suministro por el calor de desecho del sistema de generación y evaporándose dentro de la corriente de aire presurizado para producir una mezcla presurizada de aire y vapor, siendo inyectado directamente el líquido del suministro en la célula de combustible;

un quemador que quema un combustible con la mezcla de aire/vapor presurizada para producir una corriente de escape que contiene vapor; un expansor en comunicación para fluidos con el quemador, siendo accionado el expansor por la corriente de escape que contiene vapor para producir una salida de potencia que excede la potencia requerida para presurizar el aire y una toma de potencia del exceso de potencia desde el expansor.

2. El sistema de la reivindicación 1, en el que la toma de potencia se usa para accionar un generador eléctrico.

3. El sistema de la reivindicación 1, en el que la toma de potencia se usa para accionar al menos un componente del 25 sistema de generación.

4. El sistema de la reivindicación 3 en el que el al menos un componente del sistema comprende al menos uno de entre el compresor y una bomba.

5. El sistema de la reivindicación 1, en el que el expansor comprende una turbina.

6. El sistema de la reivindicación 1, en el que la fuente de hidrógeno comprende un reformador de combustible.

7. El sistema de la reivindicación 6, en el que el quemador proporciona calor para una reacción de reforma del 35 combustible.

8. El sistema de la reivindicación 1, en el que la fuente de hidrógeno comprende un combustible que es al menos parcialmente reformado para producir directamente hidrógeno en o cerca de una membrana de la célula de combustible.

9. El sistema de la reivindicación 1, en el que la célula de combustible comprende una célula de combustible de hidrógeno no hibridado.

10. El sistema de la reivindicación 9, en el que la fuente de hidrógeno comprende una fuente de hidrógeno 45 almacenado.

11. El sistema de la reivindicación 9, en el que el combustible quemado por el quemador comprende gas hidrógeno sin reaccionar del ánodo.

12. El sistema de la reivindicación 9, en el que el combustible quemado por el quemador comprende combustible desde una fuente distinta a la del ánodo de la célula de combustible.

13. El sistema de la reivindicación 12, en el que el combustible adicional comprende hidrógeno y la fuente

comprende la fuente del gas hidrógeno. 55

14. El sistema de la reivindicación 13, que comprende además una válvula de regulación para proporcionar selectivamente al quemador gas hidrógeno desde la fuente.

15. El sistema de la reivindicación 11, que comprende además una válvula de purga para proporcionar de modo selectivo al quemador el escape desde el ánodo de la célula de combustible.

16. El sistema de la reivindicación 9, que comprende además un intercambiador de calor para la transferencia de calor desde el escape del quemador a al menos un fluido.

65 17. El sistema de la reivindicación 16, en el que el fluido comprende una entrada del quemador.

18. El sistema de la reivindicación 16, en el que el intercambiador de calor transfiere calor desde el escape del quemador después de que el escape haya pasado a través del expansor.

19. El sistema de la reivindicación 16, en el que el intercambiador de calor transfiere calor desde el escape del 5 quemador antes de que el escape haya pasado a través del expansor.

20. El sistema de la reivindicación 1, que comprende además un radiador de condensación para la recuperación del vapor desde el escape del quemador previamente a la descarga del escape desde el sistema.

21. El sistema de la reivindicación 20, que comprende además un aparato para la aplicación de modo selectivo de una contrapresión al escape del quemador para facilitar la recuperación del vapor en el escape del quemador.

22. El sistema de la reivindicación 1, que comprende además un fluido de refrigeración que circula a través del

sistema para la eliminación del calor de desecho de la célula de combustible. 15

23. El sistema de la reivindicación 22, en el que la fuente de líquido evaporado en el aire presurizado comprende el fluido de refrigeración.

24. El sistema de la reivindicación 22, en el que la fuente de líquido evaporado en el aire presurizado se calienta por el calor de desecho desde el fluido de refrigeración.

25. El sistema de la reivindicación 1, en el que el líquido se evapora dentro de la corriente de aire presurizada dentro de la célula de combustible.

26. El sistema de la reivindicación 1, en el que la célula de combustible tiene una temperatura de funcionamiento de menos de aproximadamente 200ºC.

27. El sistema de la reivindicación 1, en el que la célula de combustible es una célula de combustible de PEM.

28. Un método para el funcionamiento eficiente de un sistema de generación de células de combustible que comprende:

el suministro de gas hidrógeno desde una fuente al ánodo de una célula de combustible; la compresión del gas que contiene oxígeno para producir una corriente de aire presurizado el suministro del aire presurizado al cátodo de una célula de combustible; la reacción del gas hidrógeno y el aire presurizado en la célula de combustible para producir una salida de energía eléctrica y calor de desecho; la inyección de un líquido directamente en la célula de combustible y la evaporación del líquido en el aire presurizado dentro de la célula de combustible para producir una mezcla de aire/vapor presurizada; la combustión del combustible con la mezcla de aire/vapor presurizada para producir una corriente de escape que contiene vapor a alta temperatura y la expansión de la corriente de escape que contiene vapor a alta temperatura a través de un expansor para producir una salida de potencia en exceso a la potencia requerida para proporcionar la corriente de aire presurizado y 45 la toma del exceso de potencia desde el expansor.

29. El método de la reivindicación 28, en el que la toma de la potencia en exceso comprende el uso de la potencia para accionar un generador eléctrico.

30. El método de la reivindicación 28, en el que la toma de la potencia en exceso comprende el accionamiento de un componente del sistema de generación.

31. El método de la reivindicación 30, en el que el componente comprende al menos uno de entre una bomba y un

compresor. 55

32. El método de la reivindicación 28, en el que el expansor comprende una turbina.

33. El método de la reivindicación 28, en el que la etapa de la evaporación del líquido dentro del aire presurizado tiene lugar antes de que la corriente de aire entre en la célula de combustible.

34. El método de la reivindicación 28, en el que la etapa de la evaporación del líquido dentro del aire presurizado tiene lugar dentro de la célula de combustible.

35. El método de la reivindicación 28, que comprende además la circulación de un fluido de refrigeración dentro del

65 sistema para eliminar el calor de desecho de la célula de combustible y el uso del calor de desecho del fluido de refrigeración en circulación para evaporar líquido dentro del aire presurizado.

36. El método de la reivindicación 35, en el que el líquido evaporado dentro del aire presurizado comprende fluido de refrigeración en circulación.

37. El método de la reivindicación 28, en el que la célula de combustible tiene una temperatura de funcionamiento de 5 aproximadamente 200ºC o menor.

38. El método de la reivindicación 28, en el que la célula de combustible es una célula de combustible de PEM.

39. El método de la reivindicación 28, en el que el sistema comprende un sistema de generación de célula de 10 combustible hibridado y en el que la fuente de hidrógeno es un reformador de combustible.

40. El método de la reivindicación 28, en el que la fuente de hidrógeno comprende un combustible que se reforma al menos parcialmente para producir hidrógeno directamente en o cerca de una membrana de la célula de combustible.

41. El método de la reivindicación 28, en el que el sistema comprende un sistema de generación de célula de combustible de hidrógeno no hibridado.

42. El método de la reivindicación 41, en el que la fuente de hidrógeno comprende una fuente de hidrógeno almacenado. 20

43. El método de la reivindicación 41, que comprende además:

la descarga del escape desde el ánodo de la célula de combustible, incluyendo el escape hidrógeno sin reaccionar y 25 la combustión del hidrógeno sin reaccionar con la mezcla de aire/vapor presurizado para producir la corriente de escape que contiene vapor a alta temperatura.

44. El método de la reivindicación 41, en el que el combustible quemado con la mezcla de aire/vapor presurizado comprende combustible desde una fuente distinta a la del ánodo de la célula de combustible. 30

45. Al método de la reivindicación 44, en el que el combustible comprende hidrógeno y la fuente comprende la fuente de gas hidrógeno.

46. El método de la reivindicación 41, que comprende además el precalentamiento de al menos uno de entre 35 combustible y la mezcla de aire/vapor presurizada previamente a la combustión.

47. El método de la reivindicación 46, en el que la etapa de precalentamiento comprende proporcionar calor desde la corriente de escape que contiene vapor a alta temperatura.

48. El método de la reivindicación 28, que comprende además la recuperación del vapor condensado desde la corriente de escape previamente a la descarga del escape desde el sistema.

49. El método de la reivindicación 48, que comprende además la aplicación de modo selectivo de una contrapresión a la corriente de escape para facilitar la recuperación del vapor condensado desde el escape. 45

50. Un sistema de generación de célula de combustible de hidrógeno no hibridado que comprende:

una célula de combustible que comprende un ánodo y un cátodo; una fuente de gas hidrógeno, siendo suministrado el gas hidrógeno al ánodo de la célula de combustible, no 50 siendo suministrado el hidrógeno mediante una unidad de reforma de combustible local separada; un compresor para la creación de una corriente de aire presurizada, siendo suministrada la corriente de aire presurizada al cátodo de la célula de combustible, reaccionando la corriente de aire presurizada del cátodo y el gas hidrógeno del ánodo en la membrana de la célula de combustible para producir una salida de energía eléctrica y calor de desecho;

55 un suministro líquido en comunicación para fluidos con la corriente de aire presurizada, siendo calentado al menos una parte del líquido del suministro por el calor de desecho del sistema de generación y evaporándose dentro de la corriente de aire presurizado para producir una mezcla presurizada de aire y vapor, siendo inyectado directamente el líquido del suministro en la célula de combustible; un quemador que quema un combustible con la mezcla de aire/vapor presurizada para producir una corriente 60 de escape que contiene vapor; un expansor en comunicación para fluidos con el quemador, siendo accionado el expansor por la corriente de escape que contiene vapor para producir una salida de potencia.

51. El sistema de la reivindicación 50, en el que la fuente de gas hidrógeno comprende una fuente de hidrógeno 65 almacenado.

52. El sistema de la reivindicación 50, en el que la fuente de gas hidrógeno comprende un combustible que se convierte en hidrógeno directamente en o cerca de una membrana de la célula de combustible.

53. Un método para el funcionamiento eficiente de un sistema de generación de célula de combustible de hidrógeno 5 no hibridado que comprende:

el suministro de gas hidrógeno desde una fuente a un ánodo de una célula de combustible, no siendo proporcionado el hidrógeno por una unidad de reforma del combustible local separada; la compresión del gas que contiene oxígeno para producir una corriente de aire presurizado; suministrando el aire presurizado a un cátodo de una célula de combustible; la reacción del gas hidrógeno y el aire presurizado en la célula de combustible para producir una salida de energía eléctrica y calor de desecho; la inyección de un líquido directamente en la célula de combustible y la evaporación del líquido en el aire presurizado dentro de la célula de combustible para producir una mezcla de aire/vapor presurizada;

la combustión de un combustible con la mezcla de aire/vapor presurizada para producir una corriente de escape que contiene vapor a alta temperatura y la expansión de la corriente de escape que contiene vapor a alta temperatura a través de un expansor para producir una salida de potencia.