Campana de flujo del apilamiento de celdas de combustible.

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

(i) una placa base (40);

(ii) al menos un apilamiento de celdas de combustible de óxido sólido detemperatura intermedia (10) montado sobre dicha placa base y encerradopor dicha campana;

(iii) dicha campana (50) unida de forma hermética a dicha placa base y quedefine un volumen de campana (60) entre dicho al menos un apilamientode celdas de combustible, dicha placa base y la superficie interna dedicha campana y que define así un espacio libre entre dicho al menos unapilamiento de celdas de combustible y dicha superficie interna de dichacampana;

(iv) al menos una entrada de oxidante (120) en dicho volumen de campana; y

(v) un precalentador (200) en comunicación de fluido con una fuente deoxidante y dicha al menos una entrada de oxidante y adaptado parasuministrar oxidante desde dicha fuente de oxidante a dicho volumen decampana por medio de dicha entrada de oxidante,

comprendiendo cada apilamiento de celdas de combustible al menos una capa delapilamiento de celdas de combustible (20, 21), comprendiendo cada capa delapilamiento de celdas de combustible al menos una celda de combustible de óxidosólido de temperatura intermedia (30), definiendo cada celda de combustible unextremo de entrada de oxidante y un extremo de salida de oxidante de escape,teniendo dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible:

(a) al menos una entrada de oxidante 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 (90,100).

La presente invención está relacionada con ensamblajes del apilamiento de celdas de combustible mejorados y métodos de funcionamiento de un ensamblaje del

apilamiento de celdas de combustible, especialmente con una gestión térmica y del flujo de gas mejorada. [0002] El término “ensamblaje del apilamiento de celdas de combustible” como se usa aquí se refiere a al menos un apilamiento de celdas de combustible, comprendiendo cada al menos un apilamiento de celdas de combustible al menos una capa del

apilamiento de celdas de combustible, comprendiendo cada al menos una capa del apilamiento de celdas de combustible al menos una celda de combustible, conexiones de entrada/salida de combustible y oxidante, y trayectorias de flujo para la corriente o corrientes de combustible y oxidante, y para la corriente o corrientes de combustible y oxidante 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. Otros componentes opcionales de un ensamblaje del apilamiento de celdas de combustible incluyen un ensamblaje de cierre del lado del 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/supervisión según convenga. [0003] El término “ensamblaje del sistema de apilamiento de celdas de combustible” como se usa aquí se refiere a un ensamblaje del apilamiento de celdas de combustible junto con electrónica de sistema. Otros componentes opcionales incluyen un reformador (si el combustible de entrada ha de ser reformado) , un sistema de recuperación de agua, una unidad generadora de vapor, un al menos un intercambiador de calor que implique opcionalmente el cambio de fase de una de las corrientes intercambiadoras de calor, medios de control del sistema y electrónica del sistema, aislamiento térmico, un quemador de arranque y una cámara de combustión de gas residual.

El término “electrónica del sistema” incluye la electrónica de control y/o cualquier electrónica de potencia, donde puede haber al menos una unidad y/o panel de electrónica situado de forma opcional junto con el ensamblaje del apilamiento de celdas de combustible, o separado, en el mismo o cerca del mismo. [0005] El término “medios de control del sistema” incluye las válvulas y bombas de control de fluido y gas, la unidad del ventilador y el equipo de seguridad.

Los ensamblajes del apilamiento de celdas de combustible funcionan tomando combustible y oxidante de entrada para generar productos de oxidación (aquí denominados como corrientes de gas de escape, pero también denominados como efluentes gaseosos del ánodo y efluentes gaseosos del cátodo) , calor y electricidad en 5 forma de corriente CC. En general, los ensamblajes del sistema de apilamiento de celdas de combustible pueden también comprender elementos adicionales que incluyen medios de control del sistema y electrónica del sistema que incluye, p. ej., electrónica de potencia que transforma la salida CC de la celda de combustible de un primer voltaje a un segundo voltaje, y/o transforma la salida CC de la celda de combustible en forma de onda CA. [0007] Resulta común manejar apilamientos de celdas de combustible con una relación de oxidante y combustible de entre 1:1 y 10:1, más comúnmente 2:1 y 5:1 y más comúnmente 2, 5:1 y 4:1. Por lo tanto, en funcionamiento existe un mayor volumen de gas oxidante que fluye a través del apilamiento de celdas de combustible que de combustible que fluye a través del apilamiento de celdas de combustible. El exceso de flujo de gas oxidante se usa normalmente para permitir que el enfriamiento del apilamiento de celdas de combustible tenga lugar cerca del lugar de la reacción electroquímica de la celda de combustible. [0008] Para los expertos en la técnica, se sabe que la eficacia del funcionamiento 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 una corriente de gas de entrada antes de su entrada en la celda de combustible; si entra en la celda de combustible con una temperatura demasiado baja, entonces la temperatura local en el

punto de la reacción electroquímica puede ser demasiado baja y la eficacia de funcionamiento y la salida de potencia de la celda de combustible pueden verse afectados de forma negativa. La capacidad de gestionar la temperatura de un apilamiento de celdas de combustible tiene un efecto significativo en la eficacia del funcionamiento del apilamiento de celdas de combustible y su salida de potencia nominal. Se realiza un gran esfuerzo de ingeniería al diseñar apilamientos de celdas de combustible y un equilibrio de los componentes de la maquinaria y los 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 de funcionamiento. Las condiciones de funcionamiento típicas incluyen arranque del sistema, funcionamiento en estado continuo, cambio de carga dinámica y apagado del sistema. [0009] Por ejemplo, con un dispositivo de celda de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (IT-SOFC, por el inglés intermediate-temperature solid oxid fuel cell) , la reacción electromecánica de la (s) celda (s) de combustible de un apilamiento de celdas de combustible en un ensamblaje del apilamiento de celdas de combustible puede operar de forma más eficaz con una temperatura local de la celda de combustible entre 450 - 650 °C. La temperatura de funcionamiento del apilamiento de celdas de combustible está normalmente entre 450 - 650 °C. Para un funcionamiento eficaz del apilamiento de celdas de combustible, se recomienda calentar las corrientes de entrada de oxidante y combustible a una temperatura cercana a (p. ej., dentro del 0-20 %, más preferiblemente dentro del 0-10 %, más preferiblemente aún 0-5 % de la temperatura de funcionamiento del apilamiento de celdas de combustible en °C) la temperatura de funcionamiento del apilamiento de celdas de combustible. Un ejemplo de dicho 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) con soporte de metal. Un ejemplo de tal sistema IT-SOFC puede tener al menos un sistema de intercambio de calor capaz de calentar la corriente de gas oxidante que entra en el apilamiento de celdas de combustible a una temperatura de alrededor de 480 °C. En diseños de sistemas de celdas de combustible típicos, la temperatura de la corriente de gas oxidante de salida del sistema intercambiador de calor está diseñada para ser prácticamente la misma que la temperatura de entrada de la corriente de gas oxidante del apilamiento de celdas de combustible requerida, de forma que no sea necesario un intercambio de calor adicional a la corriente de gas oxidante de entrada de la celda de combustible.

En un sistema IT-SOFC típico, el gas calefactor para el sistema de intercambio de calor puede tener una temperatura de entrada del sistema intercambiador de calor de alrededor de 510 °C. Debido a la baja potencia térmica entre la corriente de gas oxidante que entra en el apilamiento de celdas de combustible a una temperatura de alrededor de 480 °C y la temperatura de entrada del gas calefactor del sistema de intercambio de calor de alrededor de 510 °C, el diseño del intercambiador de calor tendrá necesariamente un tamaño grande y una masa alta. Un ejemplo de un sistema de intercambio de calor como tal para un sistema de celdas de combustible con una salida de potencia eléctrica de aproximadamente 1 kW es una unidad de intercambio de calor con un diseño costoso y complejo pero eficaz con un peso de aproximadamente 3, 5 kg.

El sistema de intercambio de calor para calentar la corriente de gas oxidante del apilamiento de celdas de combustible puede estar compuesto de al menos dos unidades intercambiadoras de calor. Las al menos dos unidades de intercambio de calor pueden utilizar al menos dos corrientes de gas del sistema de celdas de combustible (p. ej., una corriente de efluentes gaseosos del ánodo y una corriente de efluentes gaseosos del quemador de gas residual) como un fluido calefactor para la corriente de gas oxidante del apilamiento de celdas de combustible. [0011] De la técnica anterior se conocen varias configuraciones de intercambio de calor que permiten el calentamiento de corrientes de entrada de gas del apilamiento de celdas de combustible, p. ej., US 5902692, US 6042956 y EP 0580918. Sin embargo, tales... [Seguir leyendo]

1. Un ensamblaje del apilamiento de celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (1) que comprende:

(i) una placa base (40) ;

(ii) 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;

(iii) dicha campana (50) unida de forma hermética a dicha placa base y que define un volumen de campana (60) entre dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible, dicha placa base y la superficie interna de dicha campana y que define así un espacio libre entre dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible y dicha superficie interna de dicha campana;

(iv) al menos una entrada de oxidante (120) en dicho volumen de campana; y

(v) un precalentador (200) en comunicación de fluido con una fuente de oxidante y dicha al menos una entrada de oxidante y adaptado para suministrar oxidante desde dicha fuente de oxidante a dicho volumen de campana por medio de dicha entrada de oxidante, comprendiendo cada apilamiento de celdas de combustible al menos una capa del

apilamiento de celdas de combustible (20, 21) , comprendiendo cada capa del 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, teniendo dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible:

(a) al menos una entrada de oxidante 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 (90, 100) , dicha al menos una entrada de oxidante (120) en dicho volumen de campana que se sitúa lejos de dicho extremo de colector abierto de dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible de manera que, en uso, el oxidante entra en dicho volumen de campana a través de dicha al menos una entrada de oxidante (120) y pasa alrededor del exterior de dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible a dicha al menos una entrada de oxidante de colector abierto, y 35 adaptado para que tenga lugar una transferencia de calor directa entre dicho oxidante y la superficie externa (170) de dicha al menos una capa del apilamiento de celdas de combustible al tiempo que pasa dicho oxidante y contacta directamente dicha superficie externa de dicha al menos una capa del apilamiento de celdas de combustible antes de la entrada de dicho oxidante en dicha entrada 5 de oxidante de colector abierto (70) , efectuándose la transferencia de calor directa desde el exterior del al menos un apilamiento de celdas de combustible al oxidante que pasa por él, estando configurado dicho precalentador para que caliente dicho oxidante de dicha fuente de oxidante y lo suministre a dicho volumen de campana a través de dicha al menos una entrada de oxidante (120) a 10 una temperatura por debajo de 100 °C o superior a 100 °C por debajo de la temperatura de funcionamiento en uso en el extremo de entrada de la celda de combustible más cercana a la al menos una entrada de oxidante de colector abierto (70) , estando situada dicha al menos una entrada de oxidante (120) en dicho volumen de campana en un extremo de dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible opuesto a dicho extremo de colector abierto.

2. Ensamblaje del apilamiento de celdas de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, 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 con soporte en metal.

3. Ensamblaje del apilamiento de celdas de combustible de acuerdo con 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) .

4. Ensamblaje del apilamiento de celdas de combustible de acuerdo con la reivindicación 3, 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) .

5. Ensamblaje del apilamiento de celdas de combustible de acuerdo con la reivindicación 3, comprendiendo dicha al menos una salida de gas de colector interno al menos una salida de oxidante y combustible de escape mixta de colector interno.

6. Ensamblaje del apilamiento de celdas de combustible de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, comprendiendo además dicha superficie 35 externa de dicha al menos una capa del apilamiento de celdas de combustible al menos un saliente adaptado para llevar a cabo, en uso, la transferencia de calor entre este y el gas.

7. Ensamblaje del apilamiento de celdas de combustible de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, comprendiendo además al menos una de la superficie interna de la campana y dicha superficie externa de dicha al menos una capa de apilamiento de celdas de combustible al menos un saliente adaptado para provocar, en uso, el flujo de fluido turbulento.

8. Ensamblaje del apilamiento de celdas de combustible de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho apilamiento de celdas de 10 combustible tiene una temperatura de funcionamiento en uso d.

45. 850 °C.

9. Ensamblaje del apilamiento de celdas de combustible de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho al menos apilamiento de celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia tiene soporte en metal.

10. Ensamblaje del sistema de apilamiento de celdas de combustible que comprende un ensamblaje del apilamiento de celdas de combustible de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

11. Un método de funcionamiento de un ensamblaje del apilamiento de celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (1) que comprende: 20 (i) una placa base (40) ;

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

(iii) dicha campana (50) unida de forma hermética a dicha placa base y que define un volumen de campana (60) entre dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible, dicha placa base y la superficie interna de dicha campana y que define así un espacio libre entre dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible y dicha superficie interna de dicha campana;

(iv) al menos una entrada de oxidante (120) en dicho volumen de campana; y

(v) un precalentador (200) en comunicación de fluido con una fuente de oxidante y dicha al menos una entrada de oxidante y adaptado para suministrar oxidante desde dicha fuente de oxidante a dicho volumen de campana por medio de dicha entrada de oxidante,

comprendiendo cada apilamiento de celdas de combustible al menos una capa del apilamiento de celdas de combustible (20, 21) , comprendiendo cada capa del 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,

teniendo dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible:

(a) al menos una entrada de oxidante 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 (90, 110) ,

estando dicha al menos una entrada de oxidante (120) en dicho volumen de campana distante de dicho extremo de colector abierto de dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible, comprendiendo los pasos de pasar oxidante al dicho volumen de campana a través de dicha al menos una entrada de oxidante (120) pasándolo alrededor del

exterior de dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible hasta dicha al menos una entrada de oxidante de colector abierto, teniendo lugar una transferencia de calor directa entre dicho oxidante y la superficie externa (170) de dicha al menos una capa del apilamiento de celdas de combustible al tiempo que pasa dicho oxidante sobre dicha superficie externa de dicha al menos una capa del

apilamiento de celdas de combustible y entra en contacto directamente con ella antes de la entrada de dicho oxidante en dicha entrada de oxidante de colector abierto (70) , efectuándose la transferencia de calor directa desde el exterior del al menos un apilamiento de celdas de combustible al oxidante que pasa por él, estando configurado dicho precalentador de manera que, en uso, el oxidante de dicha fuente de oxidante se caliente y se suministre a dicho volumen de campana a través de dicha al menos una entrada de oxidante (120) a una temperatura por debajo de 100 °C o superior a 100 °C por debajo de la temperatura de funcionamiento en uso en el extremo de entrada de la celda de combustible más cercana a la entrada de oxidante de colector abierto (70) , estando situada dicha al

menos una entrada de oxidante (120) en dicho volumen de campana en un extremo de dicho al menos un apilamiento de celdas de combustible opuesto a dicho extremo de colector abierto.

12. Método de acuerdo con la reivindicación 11, que comprende además el paso de llevar

a cabo una reacción electroquímica con oxidante y combustible en dicha al menos una 35 celda de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia con el fin de generar

calor y electricidad.