ES2160336T5 - Instalacion para el aprovechamiento de la entalpia contenida en los gases de escape de una celula de combustible a baja temperatura. - Google Patents

Abstract

PROCEDIMIENTO PARA UTILIZAR EL CALOR EN LOS GASES DE ESCAPE DE UN MODULO DE CELDA COMBUSTIBLE DE BAJA TEMPERATURA (1), EN EL QUE LOS GASES DE ESCAPE (5) SE LLEVAN DESDE LA CELDA DE COMBUSTIBLE, PARA RECUPERAR LA ENERGIA, HASTA UN CONDENSADOR (6). INSTALACION PARA EJECUTAR ESTE PROCEDIMIENTO.

Description

Instalación para el aprovechamiento de la entalpía contenida en los gases de escape de una célula de combustible a baja temperatura.

La invención se refiere a una instalación de células de combustible a baja temperatura con acoplamiento de energía eléctrica-calor.

Se conoce ya, por la publicación DE-PS-42 34 151, en el caso de las células de combustible a alta temperatura, que puede aprovecharse el calor, procedente de los gases de escape del módulo de células de combustible, por medio de calentadores normales de paso, a través de intercambiadores de calor. Se conoce, por la publicación DE-PS-4032993, que puede utilizarse para la combustión el gas de escape del ánodo de un módulo de células de combustible, que puede ser también, entre otras cosas, un módulo de células de combustible a baja temperatura. En la forma de realización con células de combustible a alta temperatura, contenidas en este estado de la técnica, se ha previsto que los gases de escape a alta temperatura, procedentes de las células de combustible a alta temperatura, sean utilizados para el precalentamiento de los combustibles todavía no calentados, con un gran contenido de H_{2}. Sin embargo, hasta ahora no se ha dado a conocer ningún procedimiento ni ninguna instalación para la realización de un procedimiento, en el que sea aprovechada la entalpía, contenida en los gases de escape de células de combustible a baja temperatura, para aumentar el grado de utilización total de una instalación suministradora de energía.

Por lo tanto, el objeto de la presente invención consiste en proponer una instalación para la realización de un procedimiento, en el que la entalpía o la energía de condensación, contenida en los gases de escape de un módulo de células de combustible a baja temperatura, contribuya a aumentar el rendimiento total del sistema para la transformación de la energía.

La invención se basa en el descubrimiento de que puede ser considerable la energía de condensación, contenida en los gases de escape de una célula de combustible a baja temperatura, especialmente si funciona a baja presión y si se puede aprovechar en el conjunto del sistema de una instalación suministradora de energía. Especialmente, la invención se basa en el descubrimiento de que la combinación de dos intercambiadores de calor, situados agua abajo de un módulo de células de combustible a baja temperatura -por una parte un intercambiador de calor, que posibilite el aprovechamiento del calor almacenado en el medio de refrigeración, y por otra parte, un intercambiador de calor, que posibilite el aprovechamiento de la entalpía contenida en los gases de escape- aumenta el rendimiento calorífico y, por lo tanto, el grado de aprovechamiento térmico del módulo de células de combustible a baja temperatura, de tal manera, que se puede alcanzar un grado de aprovechamiento total del combustible H_{2} > 100%, referido al H_{u} del H_{2}(valor calorífico inferior "H_{U}").

El objeto de la invención consiste en una instalación de células de combustible a baja temperatura, con acoplamiento de energía eléctrica-calor, en la que el gas de escape está conectado con un intercambiador de calor, que comprende un condensador, estando previstos conductos para conducir, de manera parcial o total, al segundo gas de escape, es decir al gas de escape, que sale del intercambiador de calor o del condensador, hasta el interior de un recinto habitable que deba ser suministrado.

Otras realizaciones ventajosas de la invención se desprenden de la descripción y de las dos figuras.

El intercambiador de calor, que hace que sea aprovechable la entalpía del gas de escape, comprende un condensador. Sin embargo, el resto de la configuración del intercambiador de calor no debe limitar, en modo alguno, el alcance de la invención, puesto que, en este caso, puede utilizarse también, según la invención, un transformador de la energía, que transforme la entalpía del gas de escape en otras energías aprovechables.

Como células de combustible, para la instalación de células de combustible a baja temperatura, se pueden utilizar todos los tipos, cuya temperatura de trabajo esté por debajo de la de la MCFC (célula de combustible de carbonato fundido: temperatura de servicio: aproximadamente 600ºC). A título de ejemplo, pueden citarse, en este caso, la PAFC (célula de combustible de ácido fosfórico: temperatura de servicio: aproximadamente 150ºC - 250ºC); la SMFC (célula de combustible directa de metanol: temperatura de servicio: aproximadamente 80ºC - 150ºC); la PEM (célula de combustible con membrana: temperatura de servicio: 50ºC - 80ºC), así como la AFC (célula de combustible alcalina: temperatura de servicio: 60ºC - 90ºC).

De forma especialmente preferente, se utilizan las células de combustible con membrana de polímero (PEM). Se entenderán por células de combustible con membrana de polímero, aquellas células de combustible PEM; significando PEM membrana con electrolito de polímero o membrana con intercambio de protones. Además, se encuentran, frecuentemente también, las denominaciones SPE (Solid Polymer Electrolyte -electrolito de polímero sólido); SPFC (solid polymer fuel cell -célula de combustible de polímero sólido); PEFC (polymer electrolyte fuell cell -célula de combustible de electrolito de polímero) y la célula de combustible de IEM (Ion Exchange Membran -membrana de intercambio de iones-). En este caso se trata de células de combustible con electrolitos de membrana macromoleculares.

También es especialmente ventajosa una instalación, en la que, además del aprovechamiento de la entalpía del gas de escape, se aproveche, también, la energía almacenada en el medio de refrigeración utilizado y calentado, por medio de un intercambiador de calor. En este caso, es especialmente favorable el que, tanto el intercambiador de calor para el medio de refrigeración, así como, también, el intercambiador de calor para el gas de escape, puedan integrarse en un único grupo, con ahorro de espacio. En esta forma de realización, es especialmente ventajoso que el medio de refrigeración pueda ser conducido en circuito cerrado, es decir que sea reciclado hasta el módulo de células de combustible, después de su enfriamiento y regeneración.

También, es ventajosa una instalación con un módulo de células de combustible PEM, en el que la entalpía, procedente de los gases de escape del módulo de células de combustible, sea transformada en un condensador -por una parte, en energía aprovechable (por ejemplo, energía calorífica) y -por otra parte, el producto, separado por condensación, de la reacción de la células de combustible, es decir el agua, sea reconducido hasta el módulo de células de combustible PEM para la humidificación.

En esta forma de realización, puede alimentarse el agua, producida en este caso, que se obtiene en forma líquida, a través de conductos independientes hasta la conducción para la alimentación de los reactivos, por regla general los gases de la reacción. En dicho caso, el agua sirve para la humidificación de los gases de la reacción o incluso para la humidificación de la membrana. Además, el agua, obtenida a partir del condensador, puede ser aprovechada también de cualquier otro modo (por ejemplo, como agua industrial para el recinto habitable).

En el procedimiento para la instalación puede introducirse en el intercambiador de calor bien la totalidad del gas de escape, es decir el conjunto formado por el gas del ánodo y por el gas del cátodo, o puede introducirse solo uno de los gases de escape, es decir o bien el gas de escape del ánodo o bien el gas de escape del cátodo.

El procedimiento se realizará en la instalación, preferentemente, a una temperatura de servicio del módulo de células de combustible comprendida entre 30ºC y 150ºC. De forma especialmente preferente, se emplearán intervalos de temperatura comprendidos entre 50ºC y 100ºC y son especialmente preferentes los intervalos de temperatura comprendidos entre 45ºC y 80ºC o una temperatura de servicio de aproximadamente 70ºC.

También es ventajoso, que se aprovechen en el procedimiento, según la invención, el calor residual del gas de escape, también con fines de calefacción, una vez que haya abandonado el condensador. Especialmente, es posible alimentar, por lo menos, una parte del gas de escape, que sale del intercambiador de calor, directamente en el aire ambiente del recinto habitable que deba ser calentado. Del mismo modo, puede introducirse en otro intercambiador de calor el gas de escape, que sale del intercambiador de calor o del condensador, a través de conductos previstos expresamente para esta finalidad. En este caso, puede servir para el calentamiento de agua fresca.

La expresión "módulo de células de combustible" es la denominación para un grupo, que comprende el transformador electroquímico, propiamente dicho, los correspondientes elementos de ajuste y los generadores de órdenes y el correspondiente humidificador. Se denomina "instalación de células de combustible" una instalación que comprende el módulo y la respectiva periferia de la instalación. Mediante la elección del verbo "comprender" quiere expresarse, en este caso, que los grupos no están limitados por estas características, debido a las dos denominaciones (módulo de... e instalación de...), sino que pueden tener además, también, más componentes y otros componentes.

Como células de combustible entran en consideración, en el procedimiento y en la instalación según la invención, como ya se ha dicho, todas las células de combustible a baja temperatura. Preferentemente, se trata, en este caso, de las células de combustible PEM. Los reactantes, transformados en las células de combustible, no están sometidos a ninguna limitación en el sentido de la invención; tratándose, en este caso, de todos los gases y líquidos, que puedan actuar como oxidantes o como combustible en las células de combustible. A modo de ejemplo, pueden citarse el aire, el oxígeno y las mezclas arbitrarias constituidas por estos componentes, así como el hidrógeno, el metanol, los gases de síntesis y/o los gases de convertidor, así como el gas natural.

El tipo del medio de refrigeración depende, a su vez, del tipo de las células de combustible utilizadas, debiéndose mencionar el agua desionizada u otro medio no conductor de la electricidad, por ejemplo el etilenglicol, el aire o cualquier gas, a título de ejemplo, para los bloques de células de combustible PEM, empleados preferentemente. También es posible un enfriamiento en un tubo isotérmico (heat-pipe), siendo el intercambiador de calor el condensador para el medio del tubo isotérmico (heat-pipe). Por medio de la expresión "enfriamiento en tubo isotérmico" quiere indicarse, que la parte que se debe enfriar está conectada con una parte más fría por medio de un canal ("pipe" -tubo-) tridimensional, evaporándose el líquido contenido en el tubo en la parte que se desea enfriar y separándose de nuevo, por condensación, en la segunda parte, más fría.

Como "gas de escape del ánodo" se denomina el gas de escape que abandona el recinto del ánodo de las células de combustible, es decir el gas de escape del combustible de las células de combustible. Del mismo modo, se denomina "gas de escape del cátodo" el gas de escape que abandona el recinto del cátodo de las células de combustible, es decir el gas de escape del oxidante.

El procedimiento se empleará, preferentemente, en sistemas estacionarios de suministro de energía, pero no debe descartarse una utilización también en sistemas móviles de suministro de energía. En el caso de los sistemas estacionarios de suministro de energía, se trata, no solo de grandes instalaciones, sino que también se pueden equipar recintos habitables individuales o grupos de recintos habitables con un sistema de suministro de energía que funcione según el procedimiento según la invención. El sistema de suministro de energía comprende una alimentación de corriente eléctrica y una alimentación de calor, pudiéndose aprovechar el calor para la calefacción de recintos y/o para la preparación de de agua caliente o de agua a ebullición. La energía eléctrica puede ser aprovechada en un acumulador de energía, por ejemplo una batería o un volante, mientras que la energía térmica puede ser utilizada en un acumulador de calor. Por regla general, el principio, según la invención, puede realizarse en todas las dimensiones posibles, encontrándose en primer lugar, en el desarrollo de la invención, la utilización en sistemas estacionarios de calefacción, tales como, por ejemplo, en grupos de recintos habitables. De manera correspondiente, las expresiones "módulo de células de combustible" e "instalación de células de combustible" tampoco deben establecerse con respecto a las dimensiones, puesto que pueden variar enormemente entre sí, según sea el ámbito de aplicación.

El intercambiador de calor para el gas de escape, según la invención, que puede ser también un transformador de energía, aprovecha la energía del gas de escape, que, en primer lugar, se libera cuando el gas se lleve hasta una temperatura más baja, y que se libera, en segundo lugar, como energía de condensación durante la licuación del vapor. La energía de las fuerzas moleculares, atrayentes, es decir, la energía de condensación, constituye, en este caso, ampliamente la mayor parte. Esta energía es igual que la energía específica de evaporación del líquido. En el caso del agua, tiene un valor especialmente elevado, concretamente de 4,06 x 10^{7} J/mol o de 2,25 x 10^{6} J/kg. Según la invención, se aprovecha esta energía por medio de un grupo, que se encuentra situado a continuación de las células de combustible.

En el caso del módulo de células de combustible PEM, utilizado preferentemente, se forma el agua, producida, en el lado del cátodo, fluyendo sobre el oxidante. Ciertamente, se alimentará en el intercambiador de calor, de manera correspondiente, el gas de escape del cátodo, saturado, preferentemente, con vapor, sin embargo, debido a las grandes diferencias de concentración del agua dentro de cada una de las células de combustible, individuales, se encontrará, siempre, agua producida sobre el lado del ánodo, también como consecuencia de la difusión y también el gas de escape puede introducirse en un intercambiador de calor con aporte de beneficios.

Además, el agua producida, formada en el intercambiador de calor o en el condensador no solo puede ser utilizada a continuación y, especialmente, para el humidificación de los reactantes o de la membrana, sino que al mismo tiempo se libera también la entalpía que queda remanente en el "segundo gas de escape" tras de la separación por condensación del producto. A diferencia de lo que ocurre con el gas de escape, que abandona las células de combustible, se denominará, en este caso como "segundo gas de escape", aquel gas que abandona el intercambiador de calor, el transformador de la energía o el condensador y que está más frío. A pesar de ello, este segundo gas de escape dispone también, todavía, de energía no aprovechada y de entalpía, que puede ser aprovechada con aporte de beneficios. Especialmente, el segundo gas de escape, se introduce directamente en el aire ambiente para su calentamiento. Además, también puede introducirse parcialmente en el aire ambiente y, parcialmente, puede someterse a otro transformador de energía o intercambiador de calor.

La palabra "condensador" se utilizará, en este caso, en el sentido usual, como sinónimo usual, empleado en general, para un intercambiador de calor con condensación. Se entenderá por la palabra "reformador", un generador de H_{2} a partir de compuestos hidrocarbonatos (por ejemplo, gas natural o metanol).

Las definiciones precedentes son válidas aquí para las reivindicaciones, para la descripción siguiente y para las explicaciones de las figuras. Además, la invención se explicará a continuación por medio de un ejemplo de realización, que muestra el suministro de energía doméstica con células de combustible PEM, con empleo del procedimiento según la invención.

Las figuras 1 y 2 muestran la técnica del sistema de las aplicaciones estacionarias del procedimiento propuesto en la presente invención.

En la figura 1 se puede ver un esquema de conexiones, en bloques, de la instalación. En el centro de la imagen se encuentra el módulo 1 de células de combustible, con los dos conductos de alimentación 2 y 3. El oxidante (aire) es alimentado al módulo 1 de células de combustible a través del conducto de alimentación 2 es introducido y el combustible (H_{2}) entra a través del conducto de alimentación 3. En este caso, el oxidante puede esta constituido, además de por aire, por oxígeno o por una mezcla arbitraria de ambos, y el combustible puede estar constituido por hidrógeno, por metanol, por gas de síntesis y/o por gas de reformación, así como por gas natural. En el caso del gas de reformación o del metanol, podrá instalarse, además, un reformador 4 por delante del conducto de alimentación 3. El gas de escape abandona el módulo de células de combustible a través del conducto de evacuación 5, y llega hasta el condensador 6. En el condensador se enfría el gas de escape y se separa por condensación el agua producida. El conducto de alimentación 7 transporta el agua, calentada por medio del condensador 6, por una parte, a través del punto de conexión 8, hasta el acumulador de agua caliente 9 y, por otra parte, a través del conducto de alimentación 10, hasta el intercambiador de calor 11, que está conectado directamente con las instalaciones del recinto habitable. El "segundo aire de escape" y el agua producida, separada por condensación, abandona el condensador 6 por el otro lado del condensador 6, a través de la conducto de evacuación 13. A la izquierda del módulo 1 de células de combustible, se conduce la electricidad producida hasta el transformador de corriente 12, que transforma en corriente alterna a la corriente continua, producida por el módulo de células de combustible. La corriente alterna puede ser conducida, por una parte, hasta las instalaciones domésticas del recinto habitable y, por otra parte, hasta la red pública.

La figura 2 muestra otro esquema de conexiones para el suministro de energía doméstica, con células de combustible PEM, con desacoplamiento del calor en el caso en que se trabaje con hidrógeno/aire. Completamente a la izquierda de la figura puede verse el módulo 1 de células de combustible, que es alimentado con hidrógeno y con aire a través de dos conductos de alimentación 2 y 3. A la derecha y a continuación del módulo de células de combustible se encuentra el circuito cerrado de refrigeración, a través del cual se conduce el medio de refrigeración, en circuito cerrado, entre el intercambiador de calor del grupo 6 y el módulo 1 de células de combustible. El medio de refrigeración penetra a una temperatura de, por ejemplo, 50ºC hasta el interior del módulo de células de combustible y lo abandona con una temperatura de, por ejemplo, 70ºC. La corriente de salida, que está caliente todavía, aproximadamente a 70ºC, llega hasta el grupo 6 a través de una bomba 7 y desde éste hasta el intercambiador de calor, que está conectado con un circuito cerrado de calefacción y en el que cede energía térmica, por enfriamiento hasta, aproximadamente, 50ºC. El medio de refrigeración queda regenerado, de nuevo, con esta temperatura y puede ser introducido en el módulo de células de combustible.

La corriente de salida, saturada con vapor de agua o, al menos enriquecida con vapor de agua, llega, a través de la conducto 5, desde el módulo de células de combustible 1 hasta el grupo 6, que tiene integrado, además del intercambiador de calor, también un condensador. El vapor de agua, contenido en el aire de escape, se condensa en el condensador del grupo 6 para dar agua, que abandona el grupo 6, a través de la salida 8, en forma de agua de servicio. El calor de condensación liberado y el calor del aire de escape, así como el calor del medio de refrigeración se utilizan para suministrar energía térmica al circuito cerrado de calefacción, conectado con el grupo 6 del intercambiador de calor y del condensador. El medio de calefacción, que se hace circular en circuito cerrado a través del circuito de calefacción, entra por ejemplo en el grupo 6 con una temperatura de, por ejemplo, 45ºC y abandona del grupo con una temperatura de, por ejemplo 65ºC, habiéndose calentado aproximadamente en una cuantía 20ºC. A continuación llega, a través de de una bomba 10, hasta un distribuidor 11, mediante el cual es conducido, en parte, hasta los cuerpos de calefacción 12 y, en parte, hasta el acumulador de agua caliente 13. El acumulador de agua caliente se alimenta con agua de la cañería, a una temperatura de 10ºC y puede calentar al agua de la cañería, en este sistema, hasta aproximadamente 60ºC. En el otro lado del módulo 1 de células de combustible se obtiene corriente eléctrica, que es conducida, a su vez, a través de un transformador de corriente continua/corriente alterna, para el suministro de al recinto habitable (conducción 12).

El sistema, según la invención, puede proporcionar tanto electricidad, como también calor con fines de calefacción y para el suministro de agua caliente. Del mismo modo, puede eliminarse el circuito cerrado de calefacción, en cuyo caso se aprovechará el calor únicamente para el suministro agua caliente.

Las temperaturas indicadas en la figura 2 son temperaturas de funcionamiento preferentes, sin embargo, el sistema trabaja hasta una temperatura de funcionamiento del módulo de células de combustible desde aproximadamente 30ºC hasta 40ºC, con aumento del rendimiento térmico del conjunto del sistema de suministro de energía. El agua, obtenida a partir del intercambiador de calor y del grupo de condensador 6, puede conducirse tanto hasta un sistema de agua de servicio, como también puede utilizarse, en parte o en su totalidad, para el humidificación de la membrana del módulo de células de combustible. El aire de escape, que sale del grupo 6, a través de la conducto 9, tiene un contenido en calor residual, que puede ser aprovechado, a su vez, directamente para la calefacción de recintos o, también, a través de otro intercambiador de calor, verificándose esto último, especialmente, cuando la instalación aproveche el calor, fundamentalmente, para suministrar agua caliente. La configuración constructiva del grupo 6 puede abarcar todas las formas posibles de la combinación formada por el intercambiador de calor y por el condensador, siendo el rendimiento del conjunto del sistema tanto mayor, cuanto menor sea el contenido en energía del aire de escape, que sale del grupo 6.

Claims (1)

1. Instalación de células de combustible a baja temperatura, con acoplamiento de energía eléctrica-calor, en la que el gas de escape está conectado con un intercambiador de calor (6), que comprende un condensador, estando previstos conductos (9, 13) para conducir, de forma parcial o total, al segundo gas de escape, es decir al gas de escape, que sale del intercambiador de calor (6) o del condensador, hasta el interior de un recinto habitable que debe ser suministrado, para el aprovechamiento adicional del calor residual, alimentándose el segundo gas de escape directamente, a través de los conductos (9, 13) en el aire ambiente del recinto habitable a ser suministrado y/o alimentándose el segundo gas de escape, a través de los conductos (9, 13) en otro intercambiador de calor.