Sistema de celdas de combustible con óxidos sólidos así como un procedimiento para hacerlo funcionar.

Procedimiento para hacer funcionar por lo menos una celda de combustible de óxidos sólidos,

en cuyo caso seaporta un combustible fresco al lado del ánodo y en cuyo caso por el lado del ánodo se evacua un gas de salida delánodo, siendo aportada de nuevo al lado del ánodo de la celda de combustible una primera corriente parcial del gasde salida del ánodo en forma de recirculación continua en circuito, y siendo retirada continuamente la corrienteparcial restante en forma de gas de salida del sistema, caracterizado por que la relación de recirculación real, quese establece a partir del cociente entre la corriente volumétrica del gas de salida del ánodo que se ha recirculado yla corriente volumétrica del gas de salida del ánodo que se ha producido en total, se determina de tal manera queen la corriente del gas de salida del ánodo se miden las presiones dinámicas en por lo menos dos sitios, y a partirde las dos presiones dinámicas medidas se calcula la relación de recirculación real, realizándose para ello o bienque:

- se miden las presiones dinámicas del gas de salida del ánodo que se retira y del gas de salida del ánodototal, o

- se miden las presiones dinámicas del gas de salida del ánodo que se retira y del gas de salida del ánodoque se recircula, o

- se miden las presiones dinámicas del gas de salida del ánodo que se recircula y del gas de salida delánodo total.

Sistema de celdas de combustible con óxidos sólidos así como un procedimiento para hacerlo funcionar

El invento se refiere a un sistema que comprende por lo menos una celda de combustible con óxidos sólidos (Solid Oxide Fuel Cell, con el acrónimo SOFC) , así como a un procedimiento para hacerlo funcionar.

Estado de la técnica

Las celdas de combustible con óxidos sólidos (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) con celdas cerámicas constituyen una de las variantes para altas temperaturas de las celdas de combustible. Ellas se hacen funcionar a 600 hasta 1.000ºC y suministran en tal caso unos elevadísimos coeficientes de rendimiento eléctrico de aproximadamente 50 %. Ellas se pueden emplear en el abastecimiento de energía domestica, en el acoplamiento de fuerza y calor industrial (BHKW, Industriellen Kraft-Wärme-Kopplung) , en centrales energéticas para la generación de corriente eléctrica e incluso para la generación de corriente eléctrica a bordo de vehículo. La SOFC es desarrollada predominantemente en dos variantes principales: como unos tubos y como una membrana plana. Ella se puede hacer funcionar con hidrógeno, pero también con metano o con un material reformado de combustible Diesel o respectivamente también con un material reformado de otros hidrocarburos. El electrólito de este tipo de celda se compone de un material cerámico sólido (clásicamente: dióxido de zirconio dopado con itrio YSZ) , que está en situación de conducir iones de oxígeno, pero que actúa sin embargo aislando a los electrones. El cátodo se produce asimismo a base de un material cerámico (manganato de lantano dopado con estroncio) , que es capaz de conducir iones y electrones. El ánodo se produce a base de níquel con óxido de zirconio dopado con itrio (un denominado cermet) , que asimismo conduce iones y electrones.

En el caso del funcionamiento de las celdas de combustible para altas temperaturas, el combustible, por ejemplo gas natural, entra a través de un soplante dentro del reformador previo. Es ventajoso estructurar de un modo autárquico para el agua a una celda de combustible para altas temperaturas (instalación de SOFC) . Un método de garantizar la autarquía para el agua es la devolución (recirculación) parcial del gas de salida del ánodo que contiene vapor de agua. En este caso, es necesario, según sea la carga de la instalación, añadir al gas combustible de nueva aportación (= fresco) una determinada cantidad de material de recirculación o una determinada relación de recirculación. Si la cantidad de material de recirculación y por consiguiente también la cantidad de vapor es demasiado pequeña, entonces se puede llegar de manera desventajosa a la formación de hollín en los componentes atravesados por el gas combustible, con lo que se daña de una manera irreversible a la instalación. En el caso de una cantidad demasiado alta del material de recirculación el gas combustible es diluido de una manera excesiva, con lo cual se disminuye el coeficiente de rendimiento de las SOFC.

Por regla general, por lo tanto, mediante una bomba de chorro o un soplante se devuelve aproximadamente un 60 % de gas de salida del ánodo y se mezcla con el combustible aportado de modo fresco. Esto tiene dos ventajas. Por un lado, aumenta el aprovechamiento de combustible en el sistema, lo cual aumenta el coeficiente de rendimiento eléctrico del sistema. Por otro lado, se devuelve vapor de agua, que es necesario para la reforma con vapor del gas natural y que en caso contrario se tendría que producir adicionalmente y aportar al sistema, lo cual aumenta la complejidad y empeora el coeficiente de rendimiento térmico del sistema. En un aparato reformador previo conectado delante se reforma por ejemplo aproximadamente de un 10 a un 30 % del gas natural así como de los hidrocarburos superiores, el metano restante es transformado en el apilamiento de celdas de combustible en hidrógeno y monóxido de carbono, con lo cual a causa de este proceso endotérmico se reduce manifiestamente además de esto la cantidad de aire que es necesaria para la refrigeración.

Con el fin de garantizar un funcionamiento seguro y óptimo del sistema de celdas de combustible se debe de devolver en cada caso una cantidad definida del gas de salida del ánodo. La cantidad del gas de salida del ánodo que se devuelve es en este caso dependiente del respectivo punto de carga de las SOFC. Por lo tanto, debería estar puesto a disposición un apropiado procedimiento, con el que se pueda determinar la proporción devuelto del gas de salida del ánodo.

En la corriente de entrada en el aparato reformador debería respetarse una determinada cantidad introducida de vapor de agua, indicada como relación S/C. La relación S/C es definida como la relación molar del agua (como Steam = vapor de agua) a los átomos de carbono en los hidrocarburos (como Carbono) y según sea la definición también en CO y CO2. A través de esta relación se determina la necesaria cantidad de agua, con el fin de impedir de manera segura una formación de hollín. Para esto es necesario conocer la composición, que es conocida por regla general, y la corriente másica, que se puede medir por ejemplo en un aparato medidor del flujo térmico de paso, del gas fresco, así como la composición o respectivamente el contenido de humedad y la corriente másica del material reciclado.

En el momento actual, la cantidad absoluta de gas de salida del ánodo que se devuelve (corriente de material recirculado) se determina con diferentes métodos convencionales de medición del flujo de paso, determinándose

primeramente la velocidad y, a través de la correspondiente sección transversal de la conducción, la corriente volumétrica (= caudal volumétrico) del gas de salida. En el caso de conocerse la temperatura actual real y la composición gaseosa exacta del gas de salida del ánodo, se puede de esta manera sacar una conclusión acerca de la corriente másica ( = caudal másico) absoluta (o) por medio de una línea característica del aparato medidor utilizado. Esta corriente se puede comparar entonces con la del combustible fresco aportado o se puede establecer fijamente de manera indirecta a través de unas líneas características previamente determinadas del soplante de recirculación o de la bomba de chorro.

Este modo de proceder muestra sin embargo algunas desventajas. Así, el gas de salida del ánodo debe tener unas temperaturas fluctuantes durante el procedimiento, comprendidas entre 600 y 900 ºC, mientras que el gas aportado al ánodo tiene por regla general unas temperaturas comprendidas entre 400 y 800 ºC. Además de esto, la composición gaseosa del gas de salida del ánodo puede fluctuar en gran manera dependiendo de la relación de recirculación y del punto de carga de la celda de combustible. Estos hechos dificultan la conversión por cálculo de la corriente volumétrica devuelta determinada del gas de salida en una corriente másica, que hasta ahora se necesitaba para realizar el ajuste con el combustible fresco aportado.

La inseguridad que existía hasta ahora en la determinación de la corriente másica del gas de salida del ánodo que se ha devuelto puede perjudicar sin embargo al funcionamiento seguro de la instalación, puesto que por ejemplo un contenido de agua demasiado pequeño conduce regularmente a la formación de hollín, y un contenido de agua demasiado alto en el circuito del ánodo reduce la potencia de la celda de combustible.

A partir del documento de patente japonesa JP 3 037965 A (de ISHIKAWAJIMA HARIMA HEAVY IND) de 19 de Febrero de 1991 (1991-02-19) , compárense el resumen y la figura, ya es conocido un sistema de celdas de combustible con una devolución del gas del ánodo. A través de una medición del flujo de paso a la salida del ánodo y de una tabla de corrección que ha de tomar en cuenta a la mezcla gaseosa, se puede sacar una conclusión acerca de una medición exacta del flujo de paso a la salida del ánodo, que se devuelve al ánodo.

A partir del documento de solicitud de patente alemana DE 10 2008 054375 Ai (de BOSCH GMBH ROBERT [OE]) de 10 de Junio de 2010 (2010-06-10) se conoce asimismo una celda de combustible con un sistema de devolución del gas del ánodo. Por medio de dos mediciones de la presión delante y detrás de la celda de combustible. Por medio de dos mediciones de la presión en los sitios V1 y V2 se calcula de un modo complejo, por medio del establecimiento de unos diagramas de estado y de las estimaciones de las cantidades de materiales a partir de estos diagramas, se calculan a continuación para V1 y V2 dos presiones estimadas, que luego son comparadas con las que se han medido. La meta es determinar en el primer volumen las cantidades de material de un reaccionante (el combustible) , con el fin... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para hacer funcionar por lo menos una celda de combustible de óxidos sólidos, en cuyo caso se aporta un combustible fresco al lado del ánodo y en cuyo caso por el lado del ánodo se evacua un gas de salida del ánodo, siendo aportada de nuevo al lado del ánodo de la celda de combustible una primera corriente parcial del gas de salida del ánodo en forma de recirculación continua en circuito, y siendo retirada continuamente la corriente parcial restante en forma de gas de salida del sistema, caracterizado por que la relación de recirculación real, que se establece a partir del cociente entre la corriente volumétrica del gas de salida del ánodo que se ha recirculado y la corriente volumétrica del gas de salida del ánodo que se ha producido en total, se determina de tal manera que en la corriente del gas de salida del ánodo se miden las presiones dinámicas en por lo menos dos sitios, y a partir de las dos presiones dinámicas medidas se calcula la relación de recirculación real, realizándose para ello o bien que:

- se miden las presiones dinámicas del gas de salida del ánodo que se retira y del gas de salida del ánodo total, o

- se miden las presiones dinámicas del gas de salida del ánodo que se retira y del gas de salida del ánodo que se recircula, o

- se miden las presiones dinámicas del gas de salida del ánodo que se recircula y del gas de salida del ánodo total.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en cuyo caso las mediciones de las dos presiones dinámicas se llevan a cabo en caso como mediciones de diferencias.

3. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 2, en cuyo caso para la medición de las presiones dinámicas se utilizan unos idénticos aparatos de medición.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 3, en cuyo caso está presente adicionalmente también un circuito de gas de salida del cátodo, en cuyo caso una primera corriente parcial del gas de salida del cátodo es aportada de nuevo en forma de recirculación en circuito al lado de cátodo de la celda de combustible, y la corriente parcial restante del gas de salida del cátodo se retira continuamente como gas de salida del sistema, y midiéndose las presiones dinámicas en la corriente de gas de salida del cátodo, en por lo menos dos sitios, y calculándose a partir de las presiones dinámicas medidas la relación de recirculación como el cociente entre la corriente volumétrica del gas de salida del cátodo que se ha recirculado y la corriente volumétrica del gas de salida de cátodos que se ha producido en total.

5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 4, en cuyo caso los gases de salida producidos por el lado del ánodo y por el lado del cátodo se queman en un quemador posterior, siendo aportada de nuevo una primera corriente parcial del gas de salida del quemador posterior en forma de recirculación en circuito al lado del ánodo de la celda de combustible y siendo retirada continuamente la corriente parcial del gas de salida del quemador posterior como gas de salida del sistema, y siendo medidas en la corriente de gas de salida del quemador posterior las presiones dinámicas en por lo menos dos sitios y siendo calculada a partir de las presiones dinámicas medidas la relación de recirculación como el cociente entre la corriente volumétrica del gas de salida del quemador posterior que se ha recirculado y la corriente volumétrica del gas de salida del quemador posterior que se ha producido en total.

6. Celda de combustible con óxidos sólidos, que comprende un ánodo, un electrólito sólido así como un cátodo, con una conducción para el gas de salida del ánodo, un circuito de gas de salida del ánodo y un medio de circulación dispuesto dentro de ella, en la que una primera corriente parcial del gas de salida del ánodo se aporta de nuevo en forma de recirculación en circuito al lado del ánodo de la celda de combustible, así como con una conducción del gas de salida del sistema, a través de la cual se evacua la restante corriente parcial del gas de salida del ánodo como gas de salida del sistema, caracterizada por que en por lo menos dos sitios está previsto un aparato de medición para efectuar la medición de una presión dinámica en la conducción, disponiéndose o bien

- en cada caso un aparato de medición en la conducción de gas de salida del ánodo y en el circuito de gas de salida del ánodo por el lado del ánodo, o

- en cada caso un aparato de medición en la conducción de gas de salida del ánodo y en la conducción de gas de salida del sistema o -en cada caso un aparato de medición en la conducción de gas de salida del sistema y en el circuito de gas de salida de ánodo por el lado de ánodo.

7. Celda de combustible con óxidos sólidos de acuerdo con la reivindicación 6, en cuyo caso están previstos dos aparatos de medición idénticos para la medición de una presión dinámica.

8. Celda de combustible con óxidos sólidos de acuerdo con una de las reivindicaciones 6 hasta 7, con una conducción de gas de salida del cátodo, con un circuito de gas de salida del cátodo, en cuyo caso una primera corriente parcial del gas de salida del cátodo se aporta de nuevo en forma de recirculación en circuito al lado de cátodo de la celda de combustible, así como con otra conducción de gas de salida del sistema para el gas de salida

de cátodo, a través de la que se evacua continuamente la restante corriente parcial del gas de salida del cátodo, caracterizada por que en por lo menos dos sitios en la corriente de gas de salida del cátodo está previsto en cada caso un aparato de medición para la medición de la presión dinámica en la conducción.

9. Celda de combustible con óxidos sólidos de acuerdo con una de las reivindicaciones 6 hasta 8, con un quemador posterior, en cuyo caso se queman los gases de salida del ánodo y del cátodo, con un circuito del gas de salida del

quemador posterior, en cuyo caso una primera corriente parcial de gas de salida del quemador posterior se aporta de nuevo en forma de recirculación en circuito al lado del ánodo de la celda de combustible, así como con otra conducción de gas de salida del sistema para el gas de salida del quemador posterior, a través de la que se evacua continuamente la corriente parcial restante del gas de salida del quemador posterior, caracterizada por que en por lo menos dos sitios en la corriente de gas de salida del quemador posterior está previsto en cada caso un aparato de medición para la medición de la presión dinámica en la conducción.