Método para generar un gas que puede utilizarse para el encendido y apagado de una celda de combustible.

Método para el encendido y apagado de una celda de combustible (12) mediante un generador de gas reductor (14),

que comprende las etapas de:

recibir aire en una entrada de aire del generador de gas reductor (48);

generar una corriente oxidante de bajo contenido de oxígeno (O2) con un contenido de oxígeno inferior al del aire atmosférico bajo las mismas condiciones de presión y temperatura utilizando al menos en parte el aire recibido desde la entrada de aire;

iniciar un flujo de una corriente de combustible de hidrocarburo en el generador de gas reductor;

combinar la corriente de combustible de hidrocarburo con la corriente oxidante de bajo contenido de O2 con el fin de producir una mezcla de alimentación;

dirigir la mezcla de alimentación a un catalizador (36);

convertir de forma catalítica la mezcla de alimentación en un gas reductor;

dirigir el gas reductor a al menos uno de entre un ánodo (20) y un reformador (26) de la celda de combustible; e

iniciar uno de entre:

una transición de la celda de combustible al modo de producción de energía; y

una transición de la celda de combustible fuera del modo de producción de energía.

Método para generar un gas que puede utilizarse para el encendido y apagado de una celda de combustible

[1] La presente solicitud está relacionada con la solicitud de patente estadounidense n° 12/554.46, titulada "Apparatus For Generating A Gas Which May Be Used For Startup And Shutdown Of A Fuel Cell", presentada el 4 de septiembre de 29.

Campo de la invención

[2] La presente invención hace referencia a sistemas de celdas de combustible, y más concretamente, a métodos para generar un gas que pueda utilizarse para el encendido y apagado de una celda de combustible.

Antecedentes

[3] Los sistemas de celdas de combustible, tal como centrales eléctricas basadas en celdas de combustible y equipamiento de generación de energía basado en celdas de combustible móviles, generan energía eléctrica mediante reacciones electroquímicas y están siendo cada vez más utilizados puesto que los subproductos de escape resultan normalmente más limpios que las centrales eléctricas tradicionales y puesto que las celdas de combustible pueden generar electricidad de forma más eficaz que las centrales eléctricas tradicionales. Los sistemas de celdas de combustible utilizan apilamientos de celdas de combustible individuales, donde cada celda de combustible incluye normalmente un ánodo, un cátodo y un electrolito colocado entre el ánodo y el cátodo. La carga eléctrica está acoplada al ánodo y al cátodo. El ánodo y el cátodo son conductores de la electricidad y permeables a los gases necesarios, tal como hidrógeno y oxígeno, respectivamente. En una celda de combustible de óxido sólido (SOFC por sus siglas en inglés), el electrolito está configurado para pasar iones de oxígeno y presenta poca o ninguna conductividad eléctrica con el fin de impedir el paso de electrones libres del cátodo al ánodo. Para que las reacciones electroquímicas tengan lugar de forma eficaz, algunas celdas de combustible funcionan con temperaturas elevadas, p. ej., con temperaturas del ánodo, cátodo y electrolito cercanas a 7 °C a 1 °C o superiores para una SOFC.

[4] Durante el funcionamiento normal, se suministra un gas de síntesis al ánodo y se suministra un oxidante, tal como aire, al cátodo. Algunos sistemas de celdas de combustible incluyen un reformador interno que convierte de manera catalítica el combustible en gas de síntesis mediante el uso de un oxidante. El combustible puede ser un combustible convencional, tal como gas natural, gasolina, gasóleo, o un combustible alternativo, tal como biogás, etc. El gas de síntesis incluye normalmente hidrógeno (H2), que es un gas utilizado frecuentemente en celdas de combustible de muchos tipos. El gas de síntesis puede contener otros gases adecuados como combustible, tal como monóxido de carbono (CO), que sirve como reactivo para algunos tipos de celdas de combustible, p. ej., celdas de combustible SOFC, aunque el monóxido de carbono puede ser perjudicial para otros tipos de celdas de combustible, tal como celdas de combustible PEM (membrana de intercambio de protones). Además, el gas de síntesis normalmente incluye otros subproductos reformadores, tal como vapor de agua y otros gases, p. ej., nitrógeno y dióxido de carbono (CO2), metano (normalmente 1 %), así como residuos de pérdidas de hidrocarburo superiores, tal como etano.

[5] En cualquier caso, el gas de síntesis se oxida en una reacción electroquímica en el ánodo con iones de oxígeno recibidos desde el cátodo por medio de migración a través del electrolito. La reacción crea vapor de agua y electricidad en forma de electrones libres en el ánodo que se utilizan para alimentar la carga eléctrica. Los iones de oxígeno se crean mediante una reducción del oxidante del cátodo utilizando los electrones que vuelven de la carga eléctrica al cátodo.

[6] Una vez se ha iniciado la celda de combustible, los procesos internos mantienen la temperatura necesaria para el funcionamiento. Sin embargo, con el fin de iniciar la celda de combustible, los componentes del sistema de la celda de combustible primarios deben calentarse y algunos componentes del sistema de la celda de combustible deben protegerse del daño durante el encendido. Por ejemplo, el ánodo puede estar sujeto a daños por oxidación en presencia de oxígeno con temperaturas por debajo de la temperatura de funcionamiento ordinaria en ausencia del gas de síntesis. Asimismo, el reformador puede requerir una química específica además del calor, con el fin de iniciar las reacciones catalíticas que generar el gas de síntesis. Además, el encendido del sistema de la celda de combustible debería conseguirse de manera segura, p. ej., de manera que se evite la formación de una mezcla inflamable durante el proceso de encendido. También es recomendable purgar la celda de combustible con un gas no explosivo ni oxidante durante la etapa inicial del encendido.

[7] US28/226955A1 revela una cámara de combustión de múltiples etapas configurada para iniciar una celda de combustible.

[8] Birmingham, Daniel et al., OSTI TECHNICAL REPORT, US DEPARTMENT OF ENERGY / OFFICE OF SCIENCE AND TECHNICAL INFORMATION, EEUU no. 943976, páginas 1-29 proporciona un informe

relacionado con el desarrollo de un procesador de combustible externo para una celda de combustible de óxido sólido.

[9] Lo que se necesita en la técnica es un aparato y método mejorados para el encendido y apagado de una celda de combustible.

Sumario

[1] La presente Invención proporciona un método para el encendido y apagado de una celda de combustible. Por ejemplo, las formas de realización de la presente invención pueden utilizar un generador de nitrógeno para generar una corriente rica en nitrógeno, p. ej., mediante el uso de una membrana de separación de nitrógeno, que pueda utilizarse para purgar uno o más componentes del subsistema auxiliar u otros componentes de una central eléctrica de celdas de combustible.

[11] Además, la misma y/u otras formas de realización de la presente Invención pueden Incluir la etapa de generar un oxidante de bajo contenido de oxígeno, al combinar el oxidante con combustible con el fin de producir una mezcla de alimentación y después convertir de forma catalítica la mezcla de alimentación en un gas reductor.

[12] Asimismo, la misma y/u otras formas de realización de la presente Invención pueden Incluir la variación del contenido de oxígeno del oxidante y también la variación de la relación oxldante/combustlble de la mezcla de alimentación con el fin de mantener el gas reductor a una temperatura deseada, p. ej., una temperatura de reacción o una temperatura posterior al reactor.

[13] También, la misma y/o formas de realización diferentes de la presente Invención pueden Incluir el control del contenido de oxígeno del oxidante y también el control de la relación oxldante/combustible de la mezcla de alimentación con el fin de mantener una temperatura de salida del catalizador deseada, mientras se proporciona una fuerza reductora deseada del gas reductor, p. ej., mediante la variación del contenido de combustibles del gas reductor, mientras que se proporciona un caudal deseado del gas reductor.

[14] También, la misma y/o formas de realización diferentes de la presente invención pueden incluir el control del contenido de oxígeno del oxidante y también el control de la relación oxidante/combustible de la mezcla de alimentación con el fin de mantener una temperatura de salida del catalizador deseada, mientras se proporciona una fuerza reductora deseada del gas reductor, p. ej., mediante la variación del contenido de combustibles del gas reductor, mientras que se varía el flujo del gas reductor.

[15] Igualmente, la misma y/o formas de realización diferentes de la presente invención pueden Incluir el control del contenido de oxígeno del oxidante y también el control de la relación oxidante/combustible de la mezcla de alimentación con el fin de mantener una temperatura de salida del catalizador del gas reductor deseada, mientras se varía, p. ej., cambiando la fuerza reductora del gas reductor, p. ej., mediante la variación del contenido de combustibles del gas reductor.

[16] Además, la misma y/o formas de realización diferentes de la presente invención pueden incluir la etapa de mantener una temperatura, p. ej., de un dispositivo térmico, a la temperatura de autoignición de la mezcla de alimentación o por encima de esta con el fin de reducir la cantidad de tiempo requerido para empezar a producir gas reductor.

Breve descripción de los dibujos

[17] La descripción en el presente documento hace referencia a los dibujos adjuntos, en los que se ha utilizado la misma referencia numérica para partes similares en todas las vistas y donde: La figura... [Seguir leyendo]

1. Método para el encendido y apagado de una celda de combustible (12) mediante un generador de gas reductor (14), que comprende las etapas de:

recibir aire en una entrada de aire del generador de gas reductor (48);

generar una corriente oxidante de bajo contenido de oxígeno (O2) con un contenido de oxígeno inferior al del aire atmosférico bajo las mismas condiciones de presión y temperatura utilizando al menos en parte el aire recibido desde la entrada de aire;

iniciar un flujo de una corriente de combustible de hidrocarburo en el generador de gas reductor;

combinar la corriente de combustible de hidrocarburo con la corriente oxidante de bajo contenido de 2

con el fin de producir una mezcla de alimentación;

dirigir la mezcla de alimentación a un catalizador (36);

convertir de forma catalítica la mezcla de alimentación en un gas reductor;

dirigir el gas reductor a al menos uno de entre un ánodo (2) y un reformador (26) de la celda de combustible; e iniciar uno de entre:

una transición de la celda de combustible al modo de producción de energía; y una transición de la celda de combustible fuera del modo de producción de energía.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha transición de la celda de combustible (12) al modo de producción de energía incluye el suministro de flujos de un combustible primario y un oxidante primario a la celda de combustible; y en el que dicha transición de la celda de combustible fuera del modo de producción de energía incluye la finalización de los flujos del combustible primario y el oxidante primario hacia la celda de combustible.

3. Método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además la etapa de generar una corriente rica en nitrógeno a partir del aire recibido desde la entrada de aire (48), corriente rica en nitrógeno que forma al menos una parte de la corriente oxidante de bajo contenido de oxígeno (2).

4. Método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además la etapa de mantener una temperatura control elegida mediante la variación independiente tanto del contenido de 2 de la corriente oxidante como de la relación oxidante/combustible de la mezcla de alimentación.

5. Método de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende el control de la temperatura control elegida en función de un contenido de 2 detectado en al menos una de entre la corriente oxidante y la mezcla de

alimentación.

6. Método de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende además el control de un caudal de la mezcla de alimentación mientras que se lleva a cabo dicho mantenimiento de la temperatura control elegida mediante la variación tanto del contenido de 2 de la corriente oxidante como de la relación oxidante/combustible de la mezcla de alimentación.

7. Método de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende además la variación selectiva del contenido de combustibles del gas reductor.

8. Método de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende además la variación selectiva del contenido de combustibles del gas reductor mientras se mantiene la temperatura control elegida en función de un contenido de 2 detectado en al menos uno entre el oxidante y la mezcla de alimentación.

9. Método de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende además el control del caudal de la mezcla de alimentación mientras se lleva a cabo dicha variación selectiva del contenido de combustibles del gas reductor mientras se mantiene la temperatura control elegida.

1. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el gas reductor se produce inicialmente como gas seguro dirigido a la celda de combustible (12) durante la transición de la celda de combustible al modo de producción de energía, que comprende además el aumento de la fuerza reductora del gas reductor mediante el aumento del contenido de combustibles del gas reductor.

11. Método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además las etapas de:

generar una corriente rica en nitrógeno a partir del aire recibido de la entrada de aire (48); y

dirigir al menos parte de la corriente rica en nitrógeno para purgar un componente asociado a una celda

de combustible (12).

12. Método para apagar una celda de combustible (12), que comprende las etapas de:

recibir una orden para apagar la celda de combustible del modo de producción de energía; recibir aire desde una entrada de aire (48);

generar una corriente de gas rica en nitrógeno mediante la extracción de oxígeno (O2) del aire recibido 5 desde la entrada de aire;

iniciar un flujo de una corriente de combustible de hidrocarburo como respuesta a la orden;

combinar la corriente de combustible de hidrocarburo con la corriente de gas rica en nitrógeno con el fin

de producir una mezcla de alimentación;

dirigir la mezcla de alimentación a al menos uno de entre un calentador (74), un catalizador (36) y una 1 entrada al catalizador, donde el al menos uno de entre el calentador, el catalizador y la entrada al

catalizador se calienta hasta una temperatura de precalentamiento elegida para la autoignición catalítica de la mezcla de alimentación;

convertir la mezcla de alimentación en un gas reductor por medio del catalizador; y dirigir el gas reductor hacia al menos uno de entre un ánodo (2) y un reformador (26) de la celda de 15 combustible.

13. Método de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende además el mantenimiento de al menos uno de entre el calentador, el catalizador y la entrada al catalizador con la temperatura de precalentamiento seleccionada para la autoignición catalítica de la mezcla de alimentación durante el funcionamiento de la celda de combustible en modo de producción de energía antes de recibir la orden de apagado de la celda

de combustible.