Proceso para el funcionamiento de una pila de células de combustible a alta temperatura.

Proceso para el funcionamiento de una pila de células de óxido sólido a alta temperatura,

comprendiendo el proceso las siguientes etapas:

a) conectar la pila de células de óxido sólido en paralelo a una unidad de suministro de potencia a una temperatura y/o tensión predefinidas de la pila de células e combustible,

b) aplicar una tensión desde la unidad de suministro de combustible entre 700 y 1500 mV por célula de óxido sólido a través de la pila de células de óxido sólido independientemente de la fuerza electromotriz de la pila de células de óxido sólido, de manera que la unidad de suministro de potencia impulsa los electrones hacia el ánodo de la pila de células de combustible,

c) calentar la pila de células de óxido sólido desde una temperatura predeterminada hasta una temperatura de funcionamiento, manteniendo al mismo tiempo la tensión por célula de óxido sólido desde la unidad de suministro de potencia,

d) mantener la pila de células de óxido sólido en o por encima de una temperatura predeterminada de funcionamiento y/o por encima de una tensión predeterminada hasta que la pila de células de óxido sólido debe ponerse en funcionamiento,

e) suministrar combustible a la pila de células de óxido sólido,

f) desconectar la unidad de suministro de potencia seguido por

g) desconectar una carga que requiere potencia a la pila de células de óxido sólido.

Proceso para el funcionamiento de una pila de células de combustible a alta temperatura

La invención se refiere a un proceso para el funcionamiento de una pila de células de combustible a alta temperatura (SOC o MCFC). En particular, la invención se refiere a un proceso para el funcionamiento de una pila de células de óxido sólido de alta temperatura o pila de células de combustible de carbonato fundido, en el que se obtiene protección eléctrica de los elementos de electrodos de combustible en la pila.

Las células de combustible convierten directamente energía química de un combustible en electricidad. Se pueden utilizar Células de Óxido sólido Reversible (SOC) tanto como Células de Combustible de Óxido Sólido (SOFC) y como Células de Electrólisis de Óxido Sólido (SOEC). El electrodo de combustible en una célula de óxido sólido se basa en un cerametal de circonia estabilizado con níquel e ¡tria (Ni/YSZ) y este elemento se designa como el ánodo en una SOFC y el cátodo en una SOEC.

Las SOECs disocian agua en hidrógeno y oxígeno y el hidrógeno generado puede ser utilizado en la SOFC. Por los tanto, las SOECs tienen el potencial de disociar dióxido de carbono en monóxido de carbono y oxígeno. Esto significa que la electrólisis de una mezcla de vapor y dióxido de carbono da como resultado una mezcla d hidrógeno y monóxido de carbono (conocido también como "gas de síntesis").

El desarrollo reciente se dirige a mejorar el rendimiento de las SOFCs debido a que estas células de combustible son capaces de convertir una amplia variedad de combustible con alta eficiencia.

Una SOFC sencilla comprende un electrolito denso de óxido sólido intercalado entre un ánodo (electrodo de combustible) y un cátodo (electrodo de oxígeno), teniendo cada uno de dichos ánodos y cátodos poros o canales finos para suministrar los reactivos. Después de pasar un gas que contiene oxígeno, tal como aire, a lo largo del cátodo, las moléculas de oxígeno contactan con la Interfaz entre el cátodo y el electrolito, donde son reducidos electroquímicamente a Iones de oxígeno. Estos Iones se difunden en el material del electrolito y migran hacia el ánodo, donde oxidan electroquímicamente el combustible en la interfaz entre el ánodo y el electrolito. Las reacciones electroquímicas dentro de la célula de combustible proporcionan electricidad para un circuito externo. La célula de combustible puede comprender, además, un soporte que tiene poros o canales finos, que permiten la distribución controlada del combustible. Una pluralidad de SOFCs puede ser conectada en serie a través de interconexiones para formar una llamada "pila SOFC".

Cuando la SOFC es accionada en el modo Inverso, es decir, como una célula de electrólisis de óxido sólido, SOEC, se convierte directamente electricidad en energía química de un combustible. En la SOEC se invierte la función de los electrodos comparado con la SOFC, es decir, que el ánodo de la SOFC funciona como el cátodo en la SOEC y el cátodo de la SOFC funciona como el ánodo. Los electrodos tanto para SOFC como también para la SOEC se pueden referir también como el electrodo de combustible y el electrodo de oxígeno, como se ha indicado anteriormente, indicando de esta manera la función del electrodo.

El ánodo de la SOFC del estado de la técnica se basa en un cerametal de circonia estabilizado con Ni e itria (Ni/YSZ). El electrodo de Ni solamente es activo en el estado reducido como partículas de Ni, no en el estado oxidado como NiO. Además, la re-oxidación del ánodo después de la activación dará como resultado la expansión del volumen del ánodo que conduce a grietas en el electrolito y a una pérdida concomitante de potencia.

El oxígeno se difunde desde el entorno y el cátodo hacia la cámara del ánodo, por ejemplo a través de juntas de estanqueidad insuficientes o a través de poros, que reacciona de esta manera con el combustible. Si se cierra el flujo de combustible en el sistema SOFC, la presión parcial del oxígeno se incrementa en la cámara del ánodo y de esta manera se incrementa también el riesgo de re-oxidación del ánodo.

La tecnología convencional comprende medios para inundar la cámara del ánodo con un gas reductor (a menudo H2 diluido en gas inerte, gas natural o equivalente) y manteniendo de esta manera la presión parcial del oxígeno por debajo de un valor crítico. La inundación se mantiene típicamente al menos a temperaturas por encima de aproximadamente 5°C tanto durante el calentamiento como también durante el enfriamiento del sistema.

La solicitud de patente US N° 26/1413 asignada a Versa Power Systems describe medios para mejorar la tolerancia de la célula de combustible hacia la re-oxidación.

La solicitud de patente WO N° 25/11556 asignada a Versa Power Systems publica un método para purgar la cámara del ánodo con vapor, removiendo de esta manera especies de carbonilo y de oxígeno desde la superficie de Ni.

Otro método para prevenir la oxidación se describe por Delphi Technologies en la solicitud de patente US N° 23/235752. Un material colector de oxígeno, por ejemplo Ni metálico, se coloca en las vías de paso el combustible para prevenir la oxidación.

La solicitud JP N° 243246 asignada a Mitsubishi Heavy Industries, ltd, describe un sistema que consta de una SOFC en conexión con dispositivo de electrólisis de agua separado y un depósito de almacenamiento de H2.

La solicitud de patente JP N° 76778 describe un proceso, en el que se utiliza una fuente de potencia para generar un flujo de iones de oxígeno a partir de un electrodo de combustible Ni-YSE hasta un electrodo de aire a través de un electrolito YSE para desoxidar NiO de Ni-YSZ y para reducir la resistencia óhmica y la resistencia a la polarización de la SOFC.

Este proceso describe la restauración de una SOFC después del deterioro por funcionamiento de larga duración con el fin de prolongar el tiempo de vida útil.

Otros procesos se describen en las solicitudes de patente US nos. 22/28362 y 25/95469.

Existe una necesidad de un proceso simple, por el que se prevenga que el electrodo de combustible de Ni se oxide a través de todo el tiempo de vida útil del electrodo.

El objetivo del proceso de la invención es, por lo tanto, proporcionar un proceso, por el que el electrodo de combustible de una célula de óxido sólido en una pila es protegido contra oxidación a través de todo su tiempo de vida útil.

Este objetivo se obtiene por el proceso de la invención, que proporciona un proceso de funcionamiento de una pila de células de óxido sólido a alta temperatura, comprendiendo el proceso las siguientes etapas:

a) conectar la pila de células de óxido sólido en paralelo a una unidad de suministro de potencia a una temperatura y/o tensión predefinidas de la pila de células e combustible,

b) aplicar una tensión desde la unidad de suministro de combustible entre 7 y 15 mV por célula de óxido sólido a través de la pila de células de óxido sólido independientemente de la fuerza electromotriz de la pila

de células de óxido sólido,

c) calentar la pila de células de óxido sólido desde una temperatura predeterminada hasta una temperatura de funcionamiento, manteniendo al mismo tiempo la tensión por célula de óxido sólido desde la unidad de suministro de potencia,

d) mantener la pila de células de óxido sólido en o por encima de una temperatura predeterminada de funcionamiento y/o por encima de una tensión predeterminada hasta que la pila de células de óxido sólido debe ponerse en funcionamiento,

e) suministrar combustible a la pila de células de óxido sólido,

f) desconectar la unidad de suministro de potencia seguido por

g) desconectar una carga que requiere potencia a la pila de células de óxido sólido.

Las siguientes son formas de realización de la invención, que se pueden combinar con las formas de realización dadas antes o después de cada forma de realización.

El proceso comprende desconectar la carga, seguido por aplicar una tensión desde la unidad de suministro de potencia de entre 7 y 15 mV por célula de óxido sólido a través de la pila de células de óxido sólido, independientemente de la fuerza electromotriz de la pila de células de óxido sólido, hasta que la pila de células de óxido sólido o bien se pone en funcionamiento de nuevo o la pila de células de óxido sólido se enfría a la temperatura predefinida.

El proceso comprende colocar la pila de células de óxido sólido en funcionamiento de nuevo realizando las etapas

e), f) y 9)-

El proceso comprende desconectar el suministro de combustible mientras se aplica una... [Seguir leyendo]

1- Proceso para el funcionamiento de una pila de células de óxido sólido a alta temperatura, comprendiendo el proceso las siguientes etapas:

a) conectar la pila de células de óxido sólido en paralelo a una unidad de suministro de potencia a una temperatura y/o tensión predefinidas de la pila de células e combustible,

b) aplicar una tensión desde la unidad de suministro de combustible entre 7 y 15 mV por célula de óxido sólido a través de la pila de células de óxido sólido Independientemente de la fuerza electromotriz de la pila de células de óxido sólido, de manera que la unidad de suministro de potencia impulsa los electrones hacia el ánodo de la pila de células de combustible,

c) calentar la pila de células de óxido sólido desde una temperatura predeterminada hasta una temperatura de funcionamiento, manteniendo al mismo tiempo la tensión por célula de óxido sólido desde la unidad de suministro de potencia,

d) mantener la pila de células de óxido sólido en o por encima de una temperatura predeterminada de funcionamiento y/o por encima de una tensión predeterminada hasta que la pila de células de óxido sólido debe ponerse en funcionamiento,

e) suministrar combustible a la pila de células de óxido sólido,

f) desconectar la unidad de suministro de potencia seguido por

g) desconectar una carga que requiere potencia a la pila de células de óxido sólido.

2.- Proceso de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende desconectar la carga, seguido por aplicar una tensión desde la unidad de suministro de potencia de entre 7 y 15 mV por célula de óxido sólido a través de la pila de células de óxido sólido, independientemente de la fuerza electromotriz de la pila de células de óxido sólido, hasta que la pila de células de óxido sólido o bien se pone en funcionamiento de nuevo o la pila de células de óxido sólido se enfría a la temperatura predefinida.

3.- Proceso de acuerdo con la reivindicación 2 que comprende colocar la pila de células de óxido sólido en funcionamiento de nuevo realizando las etapas e), f) y g).

4.- El proceso de acuerdo con la reivindicación 3, que comprende desconectar el suministro de combustible mientras se aplica una tensión desde la unidad de suministro de potencia de entre 7 y 15 mV porcada célula de óxido sólido a través de la pila de células de óxido sólido.

5.- El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 3 ó 4, que comprende desconectar la carga seguido por la aplicación de una tensión desde la unidad de suministro de potencia de entre 7 y 15 mV por cada célula de óxido sólido a través de la pila de células de óxido sólido, independientemente de la fuerza electromotriz de la pila de células de óxido sólido, desconectar el suministro de combustible a la pila de células de óxido sólido y finalmente refrigerar la pila de células de óxido sólido hasta la temperatura predefinida.

6.- El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la tensión desde la unidad de suministro de potencia de entre 7 y 15 mV por cada célula de óxido sólido incluye tolerancia de producción.

7.- El proceso de acuerdo con la reivindicación 6, en el que la tensión desde la unidad de suministro de potencia es 1 mV por cada célula de óxido sólido.

8.- El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la temperatura predefinida está entre temperatura ambiente y 3°C.

9.- El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la pila de células de óxido sólido está funcionando en el modo de electrólisis en las etapas a) a d) y en el modo SOFC en las etapas e) a g).

1.- El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que un gas que comprende vapor es añadido en la etapa c) al electrodo de combustible.

11.- El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2, 4 ó 1, en el que el hidrógeno producido en la pila de células de óxido sólido es transferido a un sistema de procesamiento de combustible curso arriba de la pila de células de óxido sólido.

12. El proceso de acuerdo con la reivindicación 11, en el que el sistema de procesamiento de combustible es un reformador o una unidad de hidra desulfuración.

13.- El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que la célula de combustible de alta temperatura es una célula de combustible de carbonato fundido o una célula de óxido sólido.

14.- El proceso de acuerdo con la reivindicación 13, en el que la célula de óxido sólido es una célula de combustible de óxido sólido o una célula de electrolisis de óxido sólido.