Procedimiento para la operación de un sistema de células de combustible.

Procedimiento para la operación de un sistema para la generación simultánea de energía eléctrica y térmica con almenos una pila de células de combustible (1) con un reformador (2) para la generación de gas de proceso rico enhidrógeno a partir de hidrocarburos y un regulador (5),

en el que el regulador (5) controla la corriente volumétrica deentrada, de forma particular la corriente de gas de combustión del reformador (2), caracterizado porque de la pila decélulas de combustible (1) se obtiene la energía necesaria para establecer un gradiente de tensión predeterminado.

Procedimiento para la operación de un sistema de células de combustible La presente invención se refiere a un procedimiento para la operación de un sistema de células de combustible.

En las células de combustible se oxida con ayuda de una reacción electroquímica un gas de combustión –la mayoría de los casos un gas que contiene hidrógeno–. En esta reacción se genera corriente eléctrica y calor.

La mayor parte de las células de combustible, de forma particular las células de combustible con membrana de polímero, transforman hidrógeno. El hidrógeno es una fuente de energía secundaria que se debe producir a partir de otras fuentes de energía. Aquí frecuentemente se usan para tal fin reformadores que generan a partir de hidrocarburos un gas de proceso rico en hidrógeno.

En las células de combustible con membrana de polímero (PEM) se hace fluir un gas rico en hidrógeno por un ánodo recubierto catalíticamente con platino. El hidrógeno molecular (H2) se disocia en el catalizador en hidrógeno atómico (H) . Los átomos de hidrógeno facilitan mediante interconectores sus electrones (e-) a un circuito de corriente, con lo que los núcleos de hidrógeno que quedan (H+) consisten tan solo en protones puros.

Reacción parcial anódica (oxidación) :

2H2 → 4H+ + 4e-

Los protones pueden alcanzar mediante una membrana de electrolito, que no es permeable para otras partículas, la parte del cátodo de células de combustible. En un catalizador sobre la parte del cátodo se transforma oxígeno del aire molecular con adición de electrones del circuito de corriente en iones de oxígeno (O2-) . Estos reaccionan con los protones dando hidrógeno.

Reacción parcial catódica (reducción) :

O2 + 4e-→ 2O2

4H+ + 2O2-→ 2H2O

La energía liberada a este respecto de 242 KJ/mol se transforma a medias, por ejemplo, en energía eléctrica y calor.

La tensión de la célula es dependiente de la carga. En el punto muerto alcanza teóricamente 1, 228 V y cae con una carga en aumento simultáneo de la corriente (véase figura 1) . La corriente es función de nuevo –con suministro de hidrógeno suficiente– de la superficie de la membrana y de la carga. En la práctica se operan células de combustible PEM con aproximadamente 0, 7 voltios. Se conectan en serie varias células de combustible dando una pila de células de combustible (stack) para poder obtener una tensión que pueda procesarse de forma eficiente.

Debido a que el hidrógeno que se necesita para la reacción electroquímica en una célula de combustible PEM es una fuente de energía secundaria, se debe producir a partir de otros compuestos que contienen hidrógeno. Para la generación de corriente y calor descentralizado con sistemas de células de combustible se ofrece un reformador de gas natural ya que el gas natural se encuentra presente prácticamente en todo el globo.

En presencia de un catalizador se pueden oxidar parcialmente los hidrocarburos (CnHm) con oxígeno (O2) exotérmicamente o reformar con vapor endotérmicamente con vapor de agua (H2O) . En ambas reacciones se genera dióxido de carbono (CO2) e hidrógeno (H2) .

natural también hidrógeno a partir de vapor de agua, el siguiente balance total:

En sistemas de células de combustible descentralizados se puede usar una combinación de los dos tipos de reformado, el reformado autotérmico. Es ventajoso en este procedimiento que se pueda minimizar el gasto para el calentamiento o bien el enfriamiento del reactor y se pueda reducir el volumen de diseño.

En la reacción del carbono de un hidrocarburo con oxígeno (del aire) para dar dióxido de carbono se forma siempre en el recipiente de reacción temporalmente monóxido de carbono. Si la reacción en el reformado no es completa entonces el monóxido de carbono permanece en el gas de proceso. Este debe descomponerse tan pronto como sea posible ya que el monóxido de carbono cubre el catalizador de una celda de combustible y con ello reduce la conductividad de una célula al menos temporalmente.

Los reformadores se hacen operar de forma que reacciona el menor hidrógeno posible con oxígeno. A este respecto se mantiene una concentración de monóxido de carbono relativamente alta en el gas de proceso. Esto se oxida en un oxidador selectivo con oxígeno dando dióxido de carbono.

2CO + O2→ 2CO2

La adición de oxígeno por encima de la cantidad estequiométrica conduce a una oxidación no deseada del hidrógeno formado dando vapor de agua. En concreto se necesita obligatoriamente una humedad elevada del gas de proceso para la operación de las células de combustible, siendo más eficiente energéticamente una humectación con agua. Aumentando demasiado la humedad del gas de proceso – por ejemplo, mediante oxidación excesiva del hidrógeno – entonces puede caer considerablemente el rendimiento de las células de combustible.

Además del monóxido de carbono se debe evitar el azufre en el gas de proceso. De forma natural el azufre a penas se encuentra presente en el gas natural; sin embargo la mayoría de los compuestos de azufre se mezclan con el gas como agentes de odorización. El más habitual es tetrahidrotiofeno (THT, C4H8S) . Para la separación del azufre del gas natural se pueden usar filtros de óxido de cinc o filtros de carbón activo.

El costoso proceso de reformado debería operarse de la forma más constante posible. De forma particular el proceso de inicio puede durar algunas horas, se necesita en este tiempo energía para el calentamiento del reformador y conduce a un envejecimiento de los catalizadores. En el caso ideal se operan sistemas de célula de combustible con reformadores en modulación con prolongados tiempos de proceso.

Debido a que el sistema de células de combustible produce al mismo tiempo corriente y calor y estos tipos de energía se generan en relación casi constante en la pila de células de combustible, se da la posibilidad de operar un sistema de células de combustible que produzca corriente o calor.

Los sistemas de células de combustible descentralizados de poca potencia se hacen funcionar en la mayoría de los casos con producción de calor. El calor se usa luego para la preparación de agua caliente y calentamiento y la corriente se suministra a una red eléctrica.

Debido a que el sistema de células de combustible no está configurado por lo general para la carga máxima térmica de uno o varios consumidores y el calor –de forma particular en verano– tampoco se necesita de forma continua, se integra en la mayor parte de los casos un depósito de agua caliente en todo el sistema. De este modo es posible operar el sistema de forma continua con una menor velocidad de modulación, lo que es ventajoso para el reformador, ya que este no puede reaccionar rápidamente frente a cambios de carga debido a su inercia térmica.

No obstante resulta el problema de que en la modulación se dan oscilaciones de las corrientes másicas. Debido a que las células de combustible no se deben operar con déficit de hidrógeno, ya que en tal caso se dañarían, se eleva consecuentemente con cambio de carga la corriente volumétrica de hidrógeno de forma intencionada, de modo que se evite el daño. Esto tiene como consecuencia sin embargo una reducción del rendimiento eléctrico. Debido a que el reformador presenta además pérdidas térmicas, el hidrógeno en exceso puede contribuir también de forma condicionada a un aumento del rendimiento térmico, de modo que se reduce también el rendimiento total.

El documento DE 10056843 A1 describe una regulación de combustible en la que las tensiones de las células se deben minimizar sin que se baje por debajo de una tensión de células mínima. También se conoce la relación de corriente a tensión. Esta relación depende del aporte de hidrógeno. Entonces se puede aumentar con aumento de la corriente de hidrógeno con igual tensión la corriente pertinente.

El documento DE 19517813 A1 da a conocer el ajuste mediante un inversor CC-CA de la corriente de célula a una corriente teórica según la necesidad de calor.

Por tanto es objetivo de la invención proporcionar un sistema de células de combustible que sea óptimo en cada punto de operación, de forma particular que sea óptimo el rendimiento en cambio de carga y al mismo tiempo se evite un daño de las células de combustible.

De acuerdo con la invención se consigue esto con un procedimiento según la reivindicación independiente 1 por el hecho de que un regulador controla las corrientes de entrada de un reformador para sistemas de células de combustible y al mismo tiempo se obtiene de la pila de células de... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la operación de un sistema para la generación simultánea de energía eléctrica y térmica con al menos una pila de células de combustible (1) con un reformador (2) para la generación de gas de proceso rico en hidrógeno a partir de hidrocarburos y un regulador (5) , en el que el regulador (5) controla la corriente volumétrica de entrada, de forma particular la corriente de gas de combustión del reformador (2) , caracterizado porque de la pila de células de combustible (1) se obtiene la energía necesaria para establecer un gradiente de tensión predeterminado.

2. Procedimiento para la operación de un sistema para la generación simultánea de energía eléctrica y térmica según la reivindicación 1, caracterizado porque el regulador (5) controla las corrientes volumétricas de entrada en función de un requerimiento de calor predeterminado.

3. Procedimiento para la operación de un sistema para la generación simultánea de energía eléctrica y térmica según la reivindicación 1, caracterizado porque el regulador (5) controla las corrientes volumétricas de entrada en función de un requerimiento de corriente predeterminado.

4. Procedimiento para la operación de un sistema para la generación simultánea de energía eléctrica y térmica según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la tensión teórica y/o el gradiente de tensión depende del volumen de 15 operación.

5. Procedimiento para la operación de un sistema para la generación simultánea de energía eléctrica y térmica según la reivindicación 4, caracterizado porque el volumen de operación, del cual depende la tensión teórica y/o el gradiente de tensión, es el requerimiento de calor, el requerimiento de corriente y/o el flujo de gas combustible.

6. Procedimiento para la operación de un sistema para la generación simultánea de energía eléctrica y térmica según una

de las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque la tensión teórica y/o el gradiente de tensión se calcula a partir de los volúmenes de operación.

7. Procedimiento para la operación de un sistema para la generación simultánea de energía eléctrica y térmica según una de las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque la tensión teórica y/o el gradiente de tensión se toman de un diagrama característico.

8. Procedimiento para la operación de un sistema para la generación simultánea de energía eléctrica y térmica según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la pila de células de combustible (1) se opera con una tensión que es poco más pequeña que la tensión que se establece cuando se da en un aumento de carga una caída de tensión en exceso.