ES2391483T3 - Dispositivos para aprovechar el calor de pilas de combustible - Google Patents
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Abstract
Pila de combustible (1) con una conducción de gases de escape del ánodo (2) y una conducción de gases deescape del cátodo (3) en combinación con un acumulador de agua caliente (4), caracterizada porque la conducciónde gases de escape del ánodo (2) y la conducción de gases de escape del cátodo (3) se conducen a dosintercambiadores (5, 6) independientes que atraviesan el acumulador de agua caliente (4), y los gases de escape deun equipo calentador adicional (7) se conducen a través de un tercer intercambiador de calor (8) que atraviesa elacumulador de agua caliente (4).
Description
Dispositivos para aprovechar el calor de pilas de combustible
La invención se refiere a un dispositivo para el aprovechamiento del calor de pilas de combustible.
En las pilas de combustible por lo general reacciona hidrógeno con oxígeno en una reacción electroquímica generando así vapor de agua y energía eléctrica. En las pilas de combustible de oxido sólido (Solide Oxide Fuel Cell, SOFC), reaccionan en el ánodo, oxígeno con hidrógeno para formar vapor de agua. En cambio el cátodo conduce únicamente oxígeno o aire. Las pilas de combustible de óxido sólido suelen trabajar generalmente a temperaturas de unos 900ºC, con gran exceso de aire (A> 2). De acuerdo con el estado de la técnica, el gas de escape del ánodo y el gas de escape del cátodo se reúnen y se enfrían conjuntamente. Dado que según aumenta la proporción de aire disminuye el punto de rocío (véase el diagrama de Mollier), apenas se puede aprovechar el calor de condensación del gas de escape en las pilas de combustible SOFC.
Según el tipo de pilas de combustible, la formación de vapor de agua tiene lugar en el ánodo o en el cátodo a diferentes temperaturas. También varía mucho el exceso de aire según el tipo de célula combustible. Pero todas las pilas de combustible tienen en común que la formación de vapor de agua tiene lugar en uno de los electrodos.
Por el documento US 2005/069741 A1 se conoce la instalación de pilas de combustible en las que la conducción de los gases de escape del ánodo y del cátodo de una célula combustible PEMFC se enfrían por separado en dos intercambiadores de calor atravesados por líquido. El líquido enfriador enfría primeramente el gas seco de escape del ánodo y a continuación el gas húmedo de escape del cátodo. Otro ejemplo de realización muestra un intercambiador de calor para tres fluidos, donde un medio de refrigeración enfría, o bien los gases de escape del ánodo o los gases de escape del cátodo.
La invención se plantea como objetivo mejorar el aprovechamiento de la energía contenida en los gases de escape de las pilas de combustible.
De acuerdo con la invención esto se resuelve por las características de la reivindicación independiente, porque en una célula combustible con conducción de los gases de escape del ánodo y conducción de los gases de escape del cátodo, estos se conducen a los intercambiadores de calor independientes que atraviesan un acumulador de agua caliente. Con ello se consigue que los gases de escape que contienen vapor de agua dispongan de una proporción de aire reducida, y que por lo tanto su punto de rocío sea elevado, con lo cual la condensación ya comienza a unas temperaturas relativamente altas. Los gases de escape de un equipo calentador adicional se conducen a través de un tercer intercambiador de calor independiente que atraviese el acumulador de agua caliente, para transmitir más calor al acumulador de agua caliente.
Unas realizaciones ventajosas de la invención se deducen de las características de las reivindicaciones independientes.
Así por ejemplo, los gases de escape del equipo calentador adicional también se pueden conducir al intercambiador de calor de los gases de escape que contiene vapor de agua.
Resulta especialmente ventajoso si los intercambiadores de calor que atraviesan el acumulador de agua caliente transcurren en dirección vertical, y son atravesados por el flujo desde arriba hacia abajo, puesto que entonces los gases de escape se enfrían según un principio de contracorriente.
Como alternativa a lo anterior, los intercambiadores de calor que atraviesan el acumulador de agua caliente transcurren horizontales uno sobre otro. El intercambiador de calor que está unido a la conducción de los gases de escape que conducen vapor de agua está situado para ello debajo del intercambiador de calor que está unido con la conducción de los gases de escape que contienen aire, con el fin de que se ponga en contacto en el acumulador con el agua más fría.
Con el fin de aprovechar el combustible que no se haya quemado se puede situar en la conducción de los gases de escape que contienen vapor de agua un postquemador.
La invención se explica a continuación de modo detallado sirviéndose de las figuras. Estas muestran:
la figura 1 una variante del dispositivo conforme a la invención
la figura 2 otra variante que no queda bajo la protección de la patente pero que contribuye a entender la invención, ya que da a conocer otra solución para resolver el problema.
En ambas variantes, los componentes iguales están designados con números de referencia iguales, de modo que especialmente en la explicación de la figura 2, se puede renunciar a repeticiones.
La figura 1 muestra una pila de combustible 1 con alimentación de aire 14 y alimentación de combustible 15. La alimentación de combustible 15 puede tener conectado delante un reformador – no representado - para generar gases de proceso ricos en hidrógeno. En la pila de combustible 1 tiene lugar la reacción electroquímica. En el caso presente se trata de una pila de combustible 1 SOFC; no obstante, de acuerdo con la invención, se puede tratar igualmente de cualquier otro tipo de pila de combustible.
En el ánodo transcurre la reacción O2-+ H2�H2O+ 2e-, y en el cátodo transcurre la reacción
1/2 O2 + 2e- � 202-.
Una conducción de los gases de escape del cátodo 3 conduce desde la pila de combustible 1 a un intercambiador de calor 6 situado en el acumulador de agua caliente 4. El acumulador de agua caliente 4 dispone de una conducción de retorno 12 situada en su zona inferior, y una conducción de ida 13 situada en su zona superior; a través de estas conducciones 12, 13 el acumulador de agua caliente 4 está unido a un circuito de calefacción que no está representado.
Desde la pila de combustible 1, una conducción de gases de escape del ánodo 2 conduce gases de escape que contienen vapor de agua a un postquemador 9, en el cual se quema el hidrógeno que no se haya quemado así como eventualmente otros componentes que no se hayan quemado. El postquemador 9 es generalmente un postquemador 9 catalítico. Si se requiere más oxígeno para la postcombustión entonces este puede llegar al posquemador 9 a través de una acometida - no representada – al postquemador 9 . Para este fin se puede extraer una cierta cantidad de gases de escape del cátodo de la conducción de gases de escape del cátodo 3, o bien aire fresco. Los gases de escape del ánodo quemados a posteriori llegan a un intercambiador de calor 5 en el acumulador de agua caliente 4.
Un calentador adicional 7 está unido a un intercambiador de calor 8 situado en el acumulador de agua caliente 4.
Los tres intercambiadores de calor 5, 6, 8 atraviesan el acumulador de agua caliente 4 en dirección vertical y son atravesados por sus respectivos flujos de gases de escape, desde arriba hacia abajo. Dado que en el acumulador de agua caliente 4 el agua caliente fluye hacia arriba y el agua fría hacia abajo, queda de este modo garantizado que los intercambiadores de calor 5, 6, 8 trabajan según el principio de contracorriente y que los gases de escape sean enfriados lo más posible. Los tres intercambiadores de calor 5, 6, 8 conducen a una conducción de gases de escape
11. El condensado se evacua a través de un sifón 10 que está unido a los intercambiadores de calor 5, 8.
No está representada la variante en la que los intercambiadores de calor 5, 6, 8 están dispuestos esencialmente horizontales, en cuyo caso el intercambiador o los intercambiadores 5, 8 que trabajan condensando están situados debajo del intercambiador de calor 6 que conduce aire.
La figura 2 muestra una variante que no cae dentro de la protección de la patente, de un dispositivo con una pila de combustible 1, con una conducción de gases de escape del ánodo 2 y una conducción de gases de escape del cátodo 3, en la que la conducción de gases de escape del ánodo 2 se conduce a un intercambiador de calor refrigerado por líquido y la conducción de gases de escape del cátodo 3 a otro intercambiador de calor 6 refrigerado por líquido. Los dos intercambiadores de calor 5, 6 dispuestos en paralelo por el lado de los gases de escape desembocan en una conducción común de gases de escape 11, en la cual está conectado un sifón 10 para evacuar el condensado. Los dos intercambiadores de calor 5, 6, que están conectados en serie por el lado del líquido, están en un circuito con un acumulador de agua caliente 4 y una bomba de recirculación 16. El intercambiador de calor 5 de la conducción de gases de escape 2 que conduce vapor de agua está situado en el sentido de flujo del agua del circuito, corriente arriba del otro intercambiador de calor 6 con el fin de poder trabajar en el nivel de temperatura más bajo con mayor condensación.
Claims (4)
- REIVINDICACIONES1. Pila de combustible (1) con una conducción de gases de escape del ánodo (2) y una conducción de gases de escape del cátodo (3) en combinación con un acumulador de agua caliente (4), caracterizada porque la conducción de gases de escape del ánodo (2) y la conducción de gases de escape del cátodo (3) se conducen a dos5 intercambiadores (5, 6) independientes que atraviesan el acumulador de agua caliente (4), y los gases de escape de un equipo calentador adicional (7) se conducen a través de un tercer intercambiador de calor (8) que atraviesa el acumulador de agua caliente (4).
- 2. Pila de combustible (1) en combinación con un acumulador de agua caliente (4) según la reivindicación 1, caracterizada porque los intercambiadores de calor (5, 6, 8) que atraviesan el acumulador de agua caliente (4)10 transcurren en dirección vertical y están unidos en la zona superior del acumulador de agua caliente (4) con la pila de combustible (1) y con el equipo calentador adicional (7).
- 3. Pila de combustible (1) en combinación con un acumulador de agua caliente (4) según la reivindicación 1, caracterizada porque los intercambiadores de calor (5, 6, 8) que atraviesan el acumulador de agua caliente (4) transcurren en dirección horizontal, unos por encima o por debajo de los otros, y el intercambiador de calor (5) que15 en las pilas de combustible SOFC está unido a la conducción de gases de escape del ánodo (2), está situado por debajo del intercambiador de calor (6) que está unido con la otra conducción de gases de escape (3).
- 4. Pila de combustible (1) en combinación con un acumulador de agua caliente (4) según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque en las pilas de combustible SOFC está situado un postquemador (9) en la conducción de gases de escape del ánodo (2).
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