ES2557906T3 - Unidad central para el suministro de medios para sistemas de pilas de combustible con reformador - Google Patents

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Abstract

Sistema de pilas de combustible con reformador (8) con - una unidad central para el suministro de medios con una instalación de conductos (100) para proporcionar conductos (9) para conducir aire y carburante con capacidad de flujo; - una conexión para el suministro de aire (2) dispuesta en la instalación de conductos (100) para conectar un dispositivo para el suministro de aire (4); - una conexión de carburante (3) dispuesta en la instalación de conductos para conectar un dispositivo para el suministro de carburante (5); - conexiones de componentes (52) dispuestas en la instalación de conductos (100) para conectar componentes (6, 7) del sistema de pilas de combustible con reformador (8); donde - al menos algunos de los conductos (9) sirven como rutas de flujo parcial de medios, para conducir aire y/o carburante como respectivos flujos de medios hacia las conexiones de componentes correspondientes; - en al menos una de las rutas de flujo parcial de medios se encuentra dispuesto un dispositivo de medición (M), un dispositivo de regulación (R) y/o un dispositivo de mezclado (X); - a través de los respectivos dispositivos de medición (M), dispositivos de regulación (R) y/o dispositivos de mezclado (X), el medio respectivamente suministrado es suministrado a la conexión de componentes en un estado adecuado para el respectivo componente; - la instalación de conductos (100) está diseñada como un bloque macizo en forma de un componente realizado de una pieza o compuesto por dos mitades, en cuyo interior se encuentran conformados los conductos, así como las rutas de flujo parcial de los medios; - el dispositivo de medición (M), el dispositivo de regulación (R) y/o el dispositivo de mezclado (X) se encuentran fijados dentro o fuera en el bloque macizo; y donde - las conexiones están dispuestas en el bloque macizo.

Description

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DESCRIPCION
Unidad central para el suministro de medios para sistemas de pilas de combustible con reformador

La presente invencion hace referencia a una unidad para el suministro de medios para un sistema de pilas de

combustible con reformador, asi como a metodos coordinados para regular flujos de medios para un sistema de
pilas de combustible con reformador de esa clase.
En particular, la presente invencion hace referencia a un dispositivo y a metodos coordinados para medir, mezclar,

dosificar y distribuir aire e hidrocarburos gaseosos o liquidos en distintos subsistemas de un sistema de pilas de
combustible de un reformador. Se describen ademas diferentes estrategias de regulacion para los flujos de medios.
Un area de aplicacion preferente para un sistema de pilas de combustible de un reformador de este tipo con un rango de potencia de pocos vatios hasta varios kilovatios consiste en la utilizacion como sistema APU (Auxiliary Power Unit/unidad de potencia auxiliar) para el abastecimiento de corriente a bordo en vehiculos recreativos, vehiculos utilitarios, automoviles y botes, asi como yates. Se considera tambien la utilizacion como generador de corriente para aplicaciones autonomas (aisladas u “off grid”), asi como para sistemas de acoplamiento de fuerza- calor para el abastecimiento descentralizado de energia. Como combustibles preferentes se emplean propano, butano, asi como mezclas de propano - butano (gas liquido). Sin embargo, en el caso de un procesamiento correspondiente del combustible, pueden utilizarse tambien otros compuestos liquidos o gaseosos de hidrocarburos (por ejemplo gas natural, diesel, JP-8, bencina, metanol, etanol y biocarburantes).
Las pilas de combustible necesitan hidrogeno y oxigeno (del aire) como reactivos para generar energia electrica y termica. Se conocen diferentes metodos de reformado, como por ejemplo reformado de vapor, reformado autotermico, oxidacion parcial o craqueo, en donde se genera gas que contiene hidrogeno a traves de la conversion de hidrocarburos gaseosos y liquidos (carburante). Los metodos mencionados generalmente son muy complejos e implican una inversion elevada en cuanto a los aparatos y a las tecnicas de regulacion. Generalmente, requieren una pluralidad de componentes individuales, como por ejemplo reactores de reformado, etapas de reaccion “shift” (o de desplazamiento), etapas de depuracion completa del gas, intercambiadores de calor y evaporadores. Los componentes individuales mencionados requieren diferentes medios gaseosos y/o liquidos como reactivos, con el fin de una refrigeracion o para el funcionamiento de quemadores de regulacion (de forma catalitica, convencional). Lo mismo se aplica para el abastecimiento de medios del lado anodico y del lado catodico de la pila de combustible, independientemente del tipo y del principio de accion.
Es conocido el hecho de que la provision de medios para los subsistemas con reformador y las pilas de combustible se efectue mediante unidades para el suministro de medios separadas unas de otras para cada subsistema, como por ejemplo mediante bombas, ventiladores, compresores con dispositivos de medicion adicionales correspondientes (medicion de flujos de masa y/o de volumen, temperaturas, presiones, conductividad, etc.), asi como dispositivos de regulacion (valvulas, diafragmas, limitadores, tapas, etc.). Esto implica una inversion elevada en cuanto a los aparatos, a los procedimientos y a la tecnologia de regulacion, con costes correspondientemente elevados.
Por la solicitud US 2006/0151495 A1 se conoce un dispositivo para el abastecimiento de medios. Los medios, mediante un cartucho insertable, son suministrados a un sistema de pilas de combustible con reformador a traves de dispositivos de conductos, dispositivos de medicion, dispositivos de regulacion y dispositivos de mezclado, donde dicho sistema proporciona energia para el funcionamiento de un ordenador portatil.
Es objeto de la presente invencion proporcionar un sistema simplificado, asi como un metodo correspondiente, con el cual pueda asegurarse el abastecimiento de medios de un sistema de pilas de combustible con reformador.
Este objeto se alcanzara a traves de una unidad central para el suministro de medios segun la reivindicacion 1. En reivindicaciones secundarias se indica un metodo para una unidad para el suministro de medios de este tipo, asi como un metodo con estrategias de regulacion determinadas para los flujos de medios en la unidad para el suministro de medios.
Una unidad central para el suministro de medios para un sistema de pilas de combustible con reformador esta provista de una instalacion de conductos para proporcionar conductos en los cuales se conducen medios, donde como medios se proporcionan aire y carburante (hidrocarburos gaseosos o liquidos), con una conexion para el suministro de aire, proporcionada en la instalacion de conductos, para conectar un dispositivo para el suministro de aire, con una conexion de carburante proporcionada en la instalacion de conductos para conectar un dispositivo para el suministro de carburante, y con conexiones de componentes, proporcionadas en la instalacion de conductos, para conectar componentes del sistema de pilas de combustible con reformador. Al menos algunos de los conductos estan disenados como rutas de flujo parcial de medios, para conducir aire y/o carburante como respectivos flujos de medios hacia las conexiones de componentes correspondientes. En al menos una de las rutas de flujo parcial de
medios se proporcionan un dispositivo de medicion, un dispositivo de regulacion y/o un dispositivo de mezclado. A traves de los respectivos dispositivos de medicion, dispositivos de regulacion y/o dispositivos de mezclado, el respectivo medio suministrado puede ser suministrado a la conexion de componentes en un estado adecuado para el respectivo componente (por ejemplo flujo masico, flujo volumetrico, presion, temperatura, proporcion de la 5 mezcla). La instalacion de conductos puede estar disenada como un bloque macizo, donde los dispositivos de medicion, los dispositivos de regulacion y/o los dispositivos de mezclado, como componentes, pueden estar fijados dentro o fuera del bloque macizo. En el bloque macizo pueden estar proporcionadas tambien las conexiones, a saber, en particular la conexion para el suministro de aire, la conexion para el suministro de carburante, las conexiones de componentes, y eventualmente una conexion para agua o llquido.
10 Como bloque macizo se entiende un componente en particular realizado de una pieza o compuesto por dos mitades, en cuyo interior estan conformados, entre otras cosas, los conductos, as! como las rutas de flujo parcial de los medios. Tambien una parte de los dispositivos de medicion, de regulacion o de mezclado - al menos de forma parcial - puede estar dispuesta en el bloque o tambien fuera del mismo. A este respecto, la instalacion de conductos en forma de bloque conforma un cuerpo de conductos, en donde se proporcionan todos los conductos 15 fundamentales para el abastecimiento central de los medios.
De este modo, con la ayuda de la invencion es posible integrar la mayor cantidad posible de los componentes necesarios en una unidad central para el suministro de medios, en donde la medicion, el mezclado, la dosificacion y la distribucion de los flujos individuales de sustancias se desarrollan de forma combinada.
El bloque que se utiliza como instalacion de conductos puede estar fabricado por ejemplo como pieza moldeada o 20 fresada, de plastico o metal. En un caso ideal, no se necesitan otros conductos por fuera de la instalacion de conductos. Gracias a ello, por ejemplo, se reducen tambien la cantidad de superficies de estanqueidad y la inversion para el montaje.
Otras ventajas son:
- Una marcada reduccion de la diversidad de componentes individuales del abastecimiento de medios a traves de la 25 utilizacion de unidades centrales para el suministro para todos los componentes. A modo de ejemplo, puede
proporcionarse una ventilacion de aire central (dispositivo para el suministro de aire) dimensionada de un tamano mayor, en lugar de muchas unidades de suministro de aire individuales, como bombas, ventiladores, aireadores, etc.
- Una marcada reduccion del consumo de energla del abastecimiento completo de medios a traves de la reduccion de los componentes individuales, debido a un grado de efectividad mas elevado del sistema en su totalidad.
30 - Una reduccion de las piezas que conducen medios, como tubos, atornilladuras incluyendo las fijaciones y soportes
requeridos para ello.
- Una reduccion considerable de los costes, debido a una cantidad menor de componentes.
- Una mejor capacidad de montaje y de prueba, as! como simplificada.
- Un aumento de la seguridad del funcionamiento.
35 Los componentes del sistema de pilas de combustible de almacenador pueden seleccionarse del grupo:
- subsistemas del reformador que solo deben ser abastecidos con carburante;
- subsistemas del reformador que solo deben ser abastecidos con aire, donde el aire puede proporcionarse como aire de refrigeracion y/o como aire de reaccion;
- subsistemas del reformador que deben ser abastecidos con mezclas de carburante - aire;
40 - pila de combustible que debe ser abastecida con aire, donde el aire puede proporcionarse como aire de
refrigeracion y/o como aire de reaccion.
Un reformador se compone generalmente de varios subsistemas que mas adelante se explicaran en detalle con relacion a la descripcion de las figuras. A los subsistemas mencionados - del modo antes representado - debe suministrarse parcialmente solo carburante (por ejemplo gas llquido) o solo aire, o tambien una mezcla de 45 carburante-aire. En cambio, la pila de combustible requiere principalmente aire como aire de reaccion, pero tambien como aire de refrigeracion, para regular de forma optima la temperatura de la pila de combustible.
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En la ilnea de suministro de carburante puede proporcionarse un dispositivo de procesamiento de carburante. De este modo, por ejemplo puede ser conveniente desulfurar el carburante o tambien proporcionar un componente para aumentar la presion (por ejemplo una bomba). Tambien el dispositivo de procesamiento de carburante puede proporcionarse en o cerca de la instalacion de conductos en forma de bloque.
En la instalacion de conductos puede proporcionarse una conexion de llquidos, para conducir un llquido, donde el llquido puede tratarse de agua o de una mezcla de agua/carburante llquido. En determinados casos de aplicacion puede ser conveniente suministrar agua o una mezcla al sistema de pilas de combustible con reformador, de manera que el mezclado, la regulacion y la medicion del agua, as! como de la mezcla de agua-carburante llquido, dentro de la unidad para el suministro de medios pueden realizarse de forma analoga a la ramificacion de aire o carburante.
Puede proporcionarse un dispositivo de control para medir y regular los flujos parciales de medios individuales en las rutas de flujo parcial de los medios. De este modo, el dispositivo de control puede controlar los flujos parciales de los medios y, eventualmente, considerando las especificaciones almacenadas o predeterminadas desde el exterior - puede efectuar medidas como por ejemplo la activacion de una valvula de control - para poner a disposicion el respectivo flujo parcial de medios en el estado adecuado, es decir, con la calidad deseada (cantidad, temperatura, etc.).
El dispositivo de control puede comunicarse con el controlador superordinado del sistema de pilas de combustible con reformador.
Puede proporcionarse al menos un dispositivo de medicion integrado en una de las rutas de flujos parciales de los medios, donde el flujo parcial de medios que circula en la respectiva ruta de flujo parcial puede ser regulado en funcion de valores de medicion del respectivo dispositivo de medicion integrado. De este modo, el flujo parcial de medios es controlado con la ayuda del dispositivo de medicion y es regulado con la ayuda de un dispositivo de regulacion asociado. Se considera fundamental el valor de medicion del dispositivo de medicion integrado.
De manera complementaria o alternativa, en el dispositivo de control puede proporcionarse tambien una entrada para la conexion de un dispositivo de medicion externo, no proporcionado en una de las rutas de flujo parcial de los medios, donde al menos uno de los flujos parciales de los medios puede ser regulado por el dispositivo de medicion externo en funcion de valores de medicion. En ese caso, por consiguiente, un dispositivo de medicion puede estar dispuesto por fuera de la unidad central para el suministro de medios, por ejemplo en el sistema de pilas de combustible con reformador. El dispositivo de medicion mencionado suministra valores de medicion que son determinantes para la regulacion de los flujos parciales de los medios en la unidad central para el suministro de medios.
En la instalacion de conductos puede proporcionarse una placa de brida, donde las conexiones de componentes se encuentran dispuestas en la placa de brida. De ese modo, la instalacion de conductos con su placa de brida puede ser fijada con mucha facilidad directamente en el sistema de pilas de combustible con reformador, as! como en una capa aislante del sistema de pilas de combustible con reformador, de manera que entre la unidad central para el suministro de medios y el sistema de pilas de combustible con reformador propiamente dicho no deban superarse rutas de gran tamano. Ademas, la placa de brida facilita la fijacion.
En la placa de brida puede proporcionarse una conexion de componentes como conexion tubular, en la cual es posible poner a disposicion una mezcla de aire/carburante. La conexion tubular puede presentar un tubo externo que conduce aire y un tubo interno que conduce carburante, donde este ultimo se encuentra dispuesto en el tubo externo, por ejemplo de forma concentrica. De este modo, una abertura de salida del tubo interno puede proporcionarse en un area que esta dispuesta por fuera de la instalacion de conductos. De esta manera, la salida del carburante puede trasladarse a un area que ya no se encuentra dentro de la instalacion de conductos, es decir dentro del bloque de conductos, sino por fuera, es decir ya cerca del sistema de pilas de combustible con reformador. Esto puede incrementar la seguridad del funcionamiento.
Se indica un metodo para un abastecimiento de medios central para un sistema de pilas de combustible con reformador, con los pasos
- provision de una instalacion de conductos en forma de bloque, con conexiones para el suministro para suministrar flujos de medios hacia la instalacion de conductos y con conexiones de componentes en las cuales pueden conectarse componentes del sistema de pilas de combustible con reformador en la instalacion de conductos;
- suministro de flujos de medios hacia las conexiones para el suministro en la instalacion de conductos, donde como medios se proporcionan aire y carburante;
- separacion de los flujos de medios en la instalacion de conductos y conduction de los flujos de medios hacia las conexiones de componentes;
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- medicion, regulation y/o mezclado de los flujos de medios en la instalacion de conductos durante el paso de los flujos de medios a traves de la instalacion de conductos.
Con la ayuda de este metodo, por tanto, es posible conducir los medios aire y carburante de manera uniforme desde el exterior hacia la instalacion de conductos, separandolos de forma adecuada una vez que se encuentran dentro de la instalacion de conductos, para acondicionarlos y eventualmente tambien mezclarlos. Despues de esto, los flujos parciales de medios se encuentran en un estado respectivamente adecuado para los componentes correspondientes del sistema de pilas de combustible con reformador, de manera que los mismos pueden ser suministrados directamente a dicho sistema.
Un metodo para regular flujos de medios para un sistema de pilas de combustible con reformador presenta los pasos
- suministro de un flujo de medios a traves de un dispositivo de suministro de medios, hacia un dispositivo para el suministro de medios;
- separation del flujo de medios en varios flujos parciales de medios que circulan respectivamente a traves de una ruta de flujo parcial de los medios, donde al menos una parte de las rutas de flujo parcial de los medios presenta un dispositivo de regulacion;
- apertura completa de un dispositivo de regulation en una de las rutas de flujo parcial de los medios y ajuste correspondiente del dispositivo de suministro de medios para obtener en esa ruta de flujo parcial de los medios la cantidad de flujos de los medios requerida para el funcionamiento del sistema de pilas de combustible con reformador;
- ajuste de los dispositivos de regulation en las otras rutas de flujo parcial de los medios para obtener en esas rutas de flujo parcial de los medios las cantidades de flujo de medios requerida para el funcionamiento del sistema de pilas de combustible con reformador.
Como una "apertura completa", con relation al presente texto en su totalidad, se entiende que un dispositivo de regulation se abre hasta un valor llmite predeterminado o mas alla del mismo, por ejemplo hasta alcanzar o superar el 90%.
El dispositivo de suministro de medios puede ser por ejemplo un ventilador o una bomba, mediante el cual el respectivo medio, por ejemplo aire, carburante o agua, es suministrado al dispositivo para el suministro de medios.
De acuerdo con este metodo se asegura siempre que uno de los dispositivos de regulation se encuentre abierto por completo, de manera que el dispositivo de suministro de medios correspondiente puede ser operado en el rango de trabajo optimo con una utilization de energla optima. El flujo parcial de medios producido de ese modo alcanza justamente para abastecer a los componentes correspondientes del sistema de pilas de combustible con reformador. Por otra parte, el flujo parcial de medios no debe ser reducido a traves del dispositivo de regulation, porque precisamente no demasiado medio o medio con una presion demasiado elevada es proporcionado por el dispositivo de suministro de medios.
En un perfeccionamiento del metodo se preven los pasos:
- determination de cantidades de flujo de medios deseadas para las rutas de flujo parcial de los medios en funcion de los requerimientos de un funcionamiento del sistema de pilas de combustible con reformador;
- medicion de las cantidades de flujo de los medios en las rutas de flujo parcial de los medios y control de si en la respectiva ruta de flujo parcial de los medios se proporciona la cantidad de flujo de los medios deseada requerida;
- ajuste del respectivo dispositivo de regulation, de manera que la cantidad de flujo de los medios deseada requerida se alcance en la ruta de flujo parcial de los medios;
- ajuste correspondiente del dispositivo de suministro de medios y aumento de la cantidad de flujo de medios total, as! como de la presion, si se determina que no puede alcanzarse una cantidad de flujo parcial de los medios tambien en el caso de que el dispositivo de regulation se encuentre completamente abierto;
- ajuste correspondiente de los otros dispositivos de regulation que no se encuentran abiertos por completo para alcanzar respectivamente la cantidad de flujos de medios deseada en las rutas de flujo parcial de los medios.
El metodo de regulation mencionado se basa en la idea de que para aumentar la potencia de salida del sistema de pilas de combustible con reformador es conveniente mantener lo mas reducido posible el consumo de energla propia
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del sistema. La unidad para el suministro de aire que sirve por ejemplo como dispositivo de suministro de medios - generalmente un ventilador, una bomba o un compresor - representa el consumidor mas grande en la totalidad del sistema, de manera que se pretende operar la unidad de suministro de aire con una demanda de energia lo mas reducida posible.
El metodo antes indicado posibilita por tanto la siguiente estrategia de regulacion:
Cada subsistema parcial con reformador y la pila de combustible necesitan una cantidad de aire definida en funcion del estado de funcionamiento. El dispositivo de regulacion correspondiente en el respectivo flujo de aire parcial en el circuito se encarga de la funcion de conduction con respecto a la regulacion de la unidad para el suministro de aire (dispositivo de suministro de medios) que justamente alcanza su cantidad de aire definida en el caso de un elemento de regulacion abierto de forma maxima. Todos los otros flujos de aire parcial de los otros subsistemas son regulados a traves de elementos de regulacion asociados, donde alli los dispositivos de regulacion no deberian en general estar abiertos por completo. La funcion de conduccion puede variar en los distintos dispositivos de regulacion en el caso de diferentes estados de funcionamiento.
En el estado de funcionamiento estable siempre se encuentra abierto por completo al menos un dispositivo de regulacion de un flujo de aire parcial, el cual asume la funcion de conduccion para la regulacion de la unidad para el suministro de aire. Los otros dispositivos de regulacion presentan diferentes estados de apertura, dependiendo de la necesidad de aire de los componentes del reformador o de las pilas de combustible que deben ser abastecidos por los mismos.
Si se determina que otro componente del reformador o tambien la pila de combustible ya no necesita mas aire, entonces el dispositivo de regulacion que pertenece a ese componente continua abriendose hasta alcanzar la apertura completa. Si el flujo de aire proporcionado por la unidad para el suministro de medios no es suficiente, entonces dicho dispositivo de regulacion asume la funcion de conduccion o de guia para la regulacion de la unidad para el suministro de aire. Gracias a ello se logra que la unidad para el suministro de aire ponga a disposition mas volumen de aire o presion, de manera que finalmente pueda alcanzarse un abastecimiento de aire suficiente del componente o de la pila de combustible. Todos los otros dispositivos de regulacion de los otros flujos de aire parcial se adecuan al nuevo volumen de aire y se regulan de forma correspondiente. En particular, los dispositivos de regulacion reduciran en ese caso las rutas de flujo parcial o sus secciones transversales para impedir flujos de aire parcial demasiado grandes.
Lo mismo aplica en el caso inverso, cuando el componente del reformador o la pila de combustible que actualmente cumple la funcion de conduccion necesita menos aire. En ese caso, el dispositivo de regulacion reduce el volumen de aire de la unidad central para el suministro de aire. Los otros dispositivos de regulacion de los otros flujos de aire parcial se adecuan, de manera que eventualmente al final otro dispositivo de regulacion asume la funcion de conduccion, a saber, cuando este otro dispositivo de regulacion ya se encuentra abierto por completo.
Conforme a ello, el metodo antes indicado puede complementarse con el paso en el cual, si se determina que ninguno de los dispositivos de regulacion se encuentra completamente abierto, un ajuste correspondiente del dispositivo de suministro de medios (por ejemplo de la unidad para el suministro de aire) y una reduction de la cantidad de flujo de medios total tienen lugar hasta que se determine que uno de los dispositivos de regulacion se encuentra abierto por completo.
El principio de regulacion puede utilizarse tanto para flujos de aire como tambien para flujos de carburante.
Otro metodo para regular flujos de medios presenta los pasos:
- suministro de un flujo de carburante que sirve como flujo de medios y de un flujo de aire que sirve como flujo de medios hacia un dispositivo para el suministro de medios, donde al menos uno de los flujos de medios es suministrado a traves de un dispositivo de suministro de medios con una presion de admision constante;
- en el dispositivo para el suministro de medios, separation del flujo de carburante y del flujo de aire en varios flujos parciales de los medios;
- en el dispositivo para el suministro de medios, regulacion de los flujos parciales de medios en funcion de un estado de funcionamiento actual del sistema de pilas de combustible con reformador.
Este metodo se basa en el principio de que por ejemplo en el lado del carburante (liquido o gaseoso) y/o en el lado del aire se pone a disposicion una presion de admision constante, mientras que los dispositivos de regulacion en las ramificaciones parciales individuales regulan los flujos parciales de medios en correspondencia con el estado de funcionamiento actual de los sistemas parciales del reformador o de la pila de combustible. Se considera preferente el lado del carburante, ya que la provision de un nivel de presion determinado exige aqui una demanda energetica
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claramente mas reducida para el componente de generacion de presion (dispositivo para el suministro de carburante, por ejemplo una bomba de membrana), que en el lado del aire.
El carburante (pero tambien el aire), puede ser proporcionado con una presion de admision constante a traves del componente de generacion de presion, de manera que en el interior de la unidad para el suministro de medios, as! como en el dispositivo para el suministro de medios, los flujos parciales de medios pueden regularse del modo deseado.
Estas y otras ventajas y caracterlsticas de la invencion se explican a continuacion en detalle mediante ejemplos, haciendo referencia a las figuras anadidas.
Las figuras muestran:
Figura 1: la estructura basica esquematica de una unidad central para el suministro de medios;
Figura 2: una forma de ejecucion especial de un sistema de pilas de combustible con reformador con una unidad central para el suministro de medios;
Figura 3: una vista en perspectiva de una unidad central para el suministro de medios;
Figura 4: una representacion en seccion parcial de una conexion de componentes;
Figura 5: un ejemplo de un dispositivo de medicion en la unidad para el suministro de medios.
La figura 1 muestra la estructura basica de una unidad central para el suministro de medios 1.
En la unidad para el suministro de medios 1 se proporcionan una conexion para el suministro de aire 2 y una conexion de carburante 3.
Mediante la conexion para el suministro de aire 2 puede ser suministrado aire desde un dispositivo para el suministro de aire 4, por ejemplo, un ventilador, una bomba de aire o un compresor.
De forma analoga, mediante la conexion de carburante 3 puede ser suministrado carburante desde una reserva de carburante 5, para lo cual puede estar presente por ejemplo tambien una bomba de carburante.
La reserva de carburante 5 almacena en particular hidrocarburos de forma gaseosa o llquida, tal como se ha descrito mas arriba en la introduccion de la descripcion. El carburante es suministrado a la conexion de carburante 3 mediante un conducto y, debido a ello, puede alcanzar la unidad para el suministro de medios 1.
En la llnea de alimentacion pueden proporcionarse diferentes dispositivos de procesamiento de carburantes (por ejemplo desulfuracion, componentes para aumentar la presion, como bombas, etc.) y/o dispositivos de regulacion y de cierre (por ejemplo valvulas) y/o dispositivos de medicion (por ejemplo para medir presion, flujo volumetrico, flujo masico, etc.). Los componentes mencionados pueden estar integrados parcialmente tambien de forma completa en la unidad central para el suministro de medios 1, debido a lo cual se prescinde de elementos de conexion y de conduccion adicionales entre los componentes.
Dentro de la unidad para el suministro de medios 1 se separan flujos de aire y de carburante (rutas de flujo parcial de medios 99), en funcion de la demanda de subsistemas del reformador 6 dispuestos aguas abajo y de una pila de combustible 7. Los subsistemas del reformador 6 y la pila de combustible 1 conforman juntos un sistema de pilas de combustible con reformador 8.
Con respecto al sistema de pilas de combustible con reformador 8 puede diferenciarse entre
- componentes del reformador abastecidos solamente con carburante (subsistemas del reformador G), como por ejemplo un reactor de reformado;
- componentes del reformador que deben abastecerse solo con aire (subsistemas del reformador L), como por ejemplo etapas de reaccion shift (refrigeracion por aire) o etapas de depuracion completa del gas (por ejemplo aire de reaccion para oxidacion selectiva);
- componentes del reformador que son operados con mezclas de carburante-aire (subsistemas del reformador L/G), como por ejemplo quemadores internos de los componentes (de forma catalltico o convencional) con el fin de una regulacion y un calentamiento, o reactores de reformado (por ejemplo reformado autotermico);
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- la pila de combustible 7 abastecida con aire (aire de reaccion y/o aire de refrigeracion).
En la figura 1 puede observarse que a los diferentes subsistemas del reformador 6 (L, L/G, G) se suministra respectivamente aire, carburante (G) o una mezcla (L/G).
En las rutas de flujo parcial de medios 9 individuales, en el interior de la unidad para el suministro de medios 1, pueden estar integrados dispositivos de medicion (M), dispositivos de regulacion (R) y dispositivos de mezclado (X), respectivamente necesarios, para el abastecimiento de carburante y de aire. Gracias a ello puede prescindirse de elementos de conexion y de conduccion adicionales entre los componentes. Los dispositivos de medicion y de regulacion M, R pueden estar integrados en los respectivos conductos o tambien en una derivacion del conducto.
La regulacion de los flujos parciales de los medios individuales dentro de la unidad central para el suministro de medios 1 puede efectuarse segun los siguientes principios:
- regulacion de los flujos parciales de los medios para cada ramificacion mediante una medicion integrada en la ramificacion (por ejemplo mediante flujo masico, flujo volumetrico, presion);
- regulacion de al menos un flujo parcial de los medios en una ramificacion a traves de medicion integrada (por ejemplo flujo masico, flujo volumetrico, presion), regulacion de los flujos parciales de los medios restantes mediante magnitudes de medicion externas (por ejemplo temperatura de un subsistema del reformador 6, requerimientos de carga en la pila de combustible 7);
- regulacion de todos los flujos parciales de los medios a traves de magnitudes de medicion externas.
El mezclado, la regulacion y la medicion de agua o de la mezcla correspondiente dentro de la unidad para el suministro de medios 1, de forma analoga a las ramificaciones de aire o carburante mostradas en la figura 1; si bien no se representa en la figura 1, es posible de forma adicional para casos de aplicacion en los cuales tambien agua o mezclas de agua/carburante llquido deben ser suministradas al sistema de pilas de combustible con reformador 8.
La figura 2 muestra de manera detallada una forma de ejecucion de un sistema de pilas de combustible con reformador 8 con la unidad central para el suministro de medios 1.
Como carburante se retira gas llquido de la reserva de carburante 5 y, mediante un dispositivo de reduccion de presion (no representado), se desciende a la presion de servicio de 30mbar, estandarizada en los vehlculos recreativos, vehlculos utilitarios y botes.
El gas llquido es suministrado a la unidad central para el suministro 1 mediante un conducto de suministro de gas 3a y la conexion de carburante 3.
Dentro de la unidad central para el suministro de medios 1, una primera valvula magnetica 10 sirve como valvula de bloqueo con respecto al conducto de suministro de gas 3a, donde esta se encuentra abierta durante el funcionamiento del dispositivo de consumo de gas.
Mediante una derivacion 11 con una valvula magnetica 12, gas llquido es conducido a un quemador inicial 13 que puede utilizarse para calentar el sistema del reformador 6 y la pila de combustible 7.
En una ruta central de gas 14 se encuentran integrados una bomba de gas 15 - para elevar la presion del gas -, una unidad de desulfuracion 16 - para separar odorizantes y otros componentes que contienen azufre en el gas llquido -, as! como un sensor de presion 17 para medir la presion del gas llquido.
De la ruta de gas central 14 deriva una ruta de gas parcial 18 en donde se encuentran integrados un dispositivo de medicion del flujo masico 19 y una valvula proporcional 20 para dosificar la cantidad de gas. La ruta de gas parcial 18 abastece a un reactor de reformado 21 del sistema del reformador.
En la forma de ejecucion mostrada, desde la ruta de gas central 14 sale una ruta de gas parcial 22, en donde igualmente se encuentra integrada una valvula proporcional 23 para dosificar la cantidad de gas mediante un punto de mezcla 24, para los quemadores catallticos de un quemador de evaporador 25.
De forma analoga a lo mencionado, desde la ruta de gas central 14 se abre una ruta de gas parcial 26, en donde se encuentra incorporada una valvula proporcional 27 para dosificar la cantidad de gas mediante un punto de mezcla 28 para el quemador catalltico de un quemador con reformador 29.
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Mediante una ruta de aire central 30, aire de reaccion y de refrigeracion se suministran a la unidad central para el suministro de medios 1 desde el dispositivo para el suministro de aire 4, por ejemplo un ventilador.
Desde la ruta de aire central 30 deriva una ruta de aire parcial 31 que, mediante el punto de mezcla 28, abastece al quemador del reformador con aire de reaccion. El aire en la ruta de aire parcial 31 es conducido delante del punto de mezcla 28, sobre un dispositivo de medicion del flujo masico 32 que se encuentra integrado en una derivacion, y sobre una valvula proporcional 33 posterior, para regular el flujo masico del aire.
El abastecimiento de aire del quemador del evaporador 25 esta disenado de forma analoga: aire de reaccion, mediante el punto de mezcla 24, es suministrado al quemador del evaporador, a traves de una ruta de aire parcial 34, sobre un dispositivo de medicion del flujo masico 35 en el funcionamiento de derivacion y hacia una valvula proporcional 36.
El abastecimiento del aire de reaccion a la pila de combustible 7 tiene lugar mediante una ruta de aire parcial 37 con una medicion del flujo masico 38 integrada, en el funcionamiento de derivacion, y con una valvula proporcional 39 para regular el flujo de aire.
De la ruta de aire central 30 derivan ademas una ruta de aire parcial 40 con una valvula proporcional 41 y una ruta de aire parcial 42 con una valvula proporcional 43, las cuales abastecen con aire de refrigeracion a una etapa de reaccion shift 44 y a un intercambiador de calor 45. En las dos ultimas rutas de aire parcial 40, 42 se regula el respectivo flujo de aire parcial, a saber, mediante parametros de regulacion externos (temperatura de la etapa de reaccion shift 44 o del intercambiador de calor 45).
La figura 3 muestra la estructura representada en la figura 2 de forma esquematica, en una vista en perspectiva.
El dispositivo para el suministro de aire 4 esta realizado como un ventilador de aire con filtro de aire.
Conforme a ello, en las figuras 2 y 3 se utilizan los mismos slmbolos de referencia para los mismos elementos constructivos.
En particular, en la figura 3 puede observarse claramente que la unidad central para el suministro de medios 1 presenta una instalacion de conductos 100, en donde se extienden practicamente todos los conductos. En el ejemplo mostrado, la instalacion de conductos 100 esta realizada de plastico (por ejemplo mediante moldeo por inyeccion) y presenta ya todas las perforaciones, as! como tambien puntos de fijacion y asientos para las valvulas proporcionales y para los dispositivos de medicion (sensores). De este modo, los componentes adicionales de la unidad central para el suministro de medios 1, de manera sencilla, pueden colocarse exteriormente en la instalacion de dispositivos 1, sin que deban proporcionarse otras conexiones para los tubos o los conductos. Mas bien, es suficiente la fijacion de los componentes correspondientes directamente en la instalacion de conductos 100 colocando una junta entre medio.
En el lado frontal de la instalacion de conductos 100 puede observarse que un conducto inferior es guiado hacia el quemador inicial 13 (de forma analoga a la figura 2). De manera correspondiente - como se muestra a traves de flechas -se representa un conducto hacia la unidad de desulfuracion 16 y nuevamente de retorno hacia la instalacion de conductos 100.
En la instalacion de conductos 100 pueden fijarse otros elementos, como por ejemplo ventiladores o bombas, tal como se indica con el slmbolo de referencia 50.
Del mismo modo, todas las conexiones electricas pueden efectuarse desde el exterior.
En principio, la carcasa, es decir la instalacion de conductos 100, puede estar fabricada de cualquier material que cumpla con la especificacion en cuanto a la densidad del gas, la estabilidad del gas y/o la resistencia a los choques termicos. De manera adicional puede impedirse un requemado de la mezcla de gas-aire en el tubo a traves de un cortallamas integrado (no representado).
En la figura 4 se muestra un ejemplo de la sujecion de la unidad central para el suministro de medios 1 en un subsistema con reformador 6 o la pila de combustible 7.
Para evitar atornilladuras y conexiones de los tubos adicionales, la unidad para el suministro de medios 1 puede estar unida a los subsistemas del reformador 6 y a la pila de combustible 7 de forma sencilla y favorable en cuanto a costes, mediante una placa de brida 51 con conexiones tubulares 52 y juntas anulares 53. Esto significa que la placa de brida 51 se encuentra en contacto con los subsistemas del reformador 6 y la pila de combustible 7, as! como se situa de forma adyacente con respecto a los mismos.
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En la figura 4 se muestra solamente una conexion tubular 52. Sin embargo, tal como se observa en particular en la figura 2, pueden ser convenientes por ejemplo en total seis conexiones tubulares para suministrar medios al quemador del reformador 29, a la pila de combustible 7, al quemador del evaporador 25, al reactor de reformado 21, a la etapa de reaccion shift 44 y al intercambiador de calor 45. De manera correspondiente, conexiones tubulares 52 pueden proporcionarse como conexiones de componentes.
En el interior de la instalacion de conductos 100 se representa una entrada de aire 54 que se extiende a traves de la instalacion de conductos 100 en forma de bloque y que finalmente atraviesa la placa de brida 51.
En el interior de la entrada de aire 54 que desemboca en la conexion tubular 52 es guiada concentricamente una llnea de gas llquido 55. La abertura 55a de la llnea de gas llquido 55 similar a un tubo es trasladada a un area fuera de la instalacion de conductos 100, por consiguiente ya hacia el interior del respectivo subsistema del reformador 6 o de la pila de combustible 7. De este modo puede impedirse que el mezclado entre aire y carburante tenga lugar aun en la instalacion de conductos 100 propiamente dicha, sino primero aguas abajo de la misma.
De este modo, el punto de mezcla de gas llquido y aire es trasladado desde el bloque 100 hacia la entrada de medios de los subsistemas del reformador 6. Lo mencionado se considera ante todo conveniente cuando la instalacion de conductos 100 en forma de bloque esta realizada de un plastico inflamable.
La figura 5 muestra un ejemplo para medir la masa de un flujo de medios, es decir, un ejemplo de uno de los dispositivos de medicion de flujo masico 19, 32, 35, 38.
Tal como se expuso anteriormente, para la regulacion y la dosificacion de los flujos de medios se considera ventajoso registrar el flujo masico de los respectivos flujos de medios parciales. Preferentemente dicha medicion se realiza mediante una derivacion. Para ello, en un flujo de aire 56 se genera una perdida de presion definida mediante un diafragma 57, donde de este modo un flujo masico parcial 58 se ramifica mediante la derivacion y es conducido sobre un sensor 59, por ejemplo un medidor del flujo masico. Para limitar las tolerancias de la medicion, en la derivacion puede integrarse un elemento de ajuste 60 para la calibracion mecanica. Mediante el elemento de ajuste 60, por ejemplo un tornillo o un restrictor regulable, la perdida de presion en la derivacion y, con ello, el flujo masico parcial 58 que es guiado sobre el sensor 59, puede ser modificada y ajustada de forma precisa.

Claims (15)

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    REIVINDICACIONES
    1. Sistema de pilas de combustible con reformador (8) con
    - una unidad central para el suministro de medios con una instalacion de conductos (100) para proporcionar conductos (9) para conducir aire y carburante con capacidad de flujo;
    - una conexion para el suministro de aire (2) dispuesta en la instalacion de conductos (100) para conectar un dispositivo para el suministro de aire (4);
    - una conexion de carburante (3) dispuesta en la instalacion de conductos para conectar un dispositivo para el suministro de carburante (5);
    - conexiones de componentes (52) dispuestas en la instalacion de conductos (100) para conectar componentes (6, 7) del sistema de pilas de combustible con reformador (8);
    donde
    - al menos algunos de los conductos (9) sirven como rutas de flujo parcial de medios, para conducir aire y/o carburante como respectivos flujos de medios hacia las conexiones de componentes correspondientes;
    - en al menos una de las rutas de flujo parcial de medios se encuentra dispuesto un dispositivo de medicion (M), un dispositivo de regulacion (R) y/o un dispositivo de mezclado (X);
    - a traves de los respectivos dispositivos de medicion (M), dispositivos de regulacion (R) y/o dispositivos de mezclado (X), el medio respectivamente suministrado es suministrado a la conexion de componentes en un estado adecuado para el respectivo componente;
    - la instalacion de conductos (100) esta disenada como un bloque macizo en forma de un componente realizado de una pieza o compuesto por dos mitades, en cuyo interior se encuentran conformados los conductos, as! como las rutas de flujo parcial de los medios;
    - el dispositivo de medicion (M), el dispositivo de regulacion (R) y/o el dispositivo de mezclado (X) se encuentran fijados dentro o fuera en el bloque macizo; y donde
    - las conexiones estan dispuestas en el bloque macizo.
  2. 2. Sistema de pilas de combustible con reformador (8) segun la reivindicacion 1, caracterizado porque en la instalacion de conductos (100) esta dispuesta una conexion de llquido, para suministrar agua o una mezcla de agua/carburante llquido.
  3. 3. Sistema de pilas de combustible con reformador (8) segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque se proporciona un dispositivo de control, para medir y regular los flujos parciales de los medios en las rutas de flujo parcial de los medios.
  4. 4. Sistema de pilas de combustible con reformador (8) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque
    - se proporciona al menos un dispositivo de medicion (M) integrado en una de las rutas de flujo parcial de medios; y porque
    - el flujo parcial de medios que circula en la respectiva ruta de flujo parcial es regulado en funcion de valores de medicion del respectivo dispositivo de medicion integrado.
  5. 5. Sistema de pilas de combustible con reformador (8) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque
    - en la instalacion de conductos (100) se encuentra dispuesta una placa de brida (51);
    - las conexiones de componentes (52) estan dispuestas en la placa de brida (51).
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  6. 6. Sistema de pilas de combustible con reformador (8) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque
    - en la placa de brida (51) esta dispuesta una conexion de componentes como conexion tubular (52), en donde se proporciona una mezcla de aire/carburante;
    - la conexion tubular (52) presenta un tubo externo (54) que conduce aire y un tubo interno (55) que conduce carburante, el cual se encuentra dispuesto en el tubo externo (54); y porque
    - una abertura de salida del tubo interno (55) esta dispuesta en el area que se encuentra dispuesta por fuera de la instalacion de conductos (100).
  7. 7. Sistema de pilas de combustible con reformador (8) segun una de las reivindicaciones precedentes, donde los componentes (6, 7) del sistema de pilas de combustible con reformador (8) se seleccionan del grupo:
    - subsistemas del reformador (6) que solo deben ser abastecidos con carburante;
    - subsistemas del reformador (6) que solo deben ser abastecidos con aire, donde el aire se proporciona como aire de refrigeracion y/o como aire de reaccion;
    - subsistemas del reformador (6) que deben ser abastecidos con mezclas de carburante - aire;
    - pila de combustible (7) que debe ser abastecida con aire, donde el aire se proporciona como aire de refrigeracion y/o como aire de reaccion.
  8. 8. Sistema de pilas de combustible con reformador segun la reivindicacion 7, caracterizado porque en la llnea de suministro de carburante se encuentra dispuesto un dispositivo de procesamiento de carburante (l6).
  9. 9. Sistema de pilas de combustible con reformador segun la reivindicacion 7 u 8, caracterizado porque
    - en el dispositivo de control se proporciona una entrada para la conexion de un dispositivo de medicion externo, no dispuesto en una de las rutas de flujo parcial de los medios, y porque
    - al menos uno de los flujos parciales de los medios es regulado en funcion de valores de medicion por el dispositivo de medicion externo.
  10. 10. Metodo para un abastecimiento de medios central para un sistema de pilas de combustible con reformador (8), con los pasos
    - provision de una instalacion de conductos (100) en forma de bloque, con conexiones para el suministro (2, 3) para suministrar flujos de medios hacia la instalacion de conductos (100) y con conexiones de componentes (52) en las cuales se conectan componentes (6, 7) del sistema de pilas de combustible con reformador (8) en la instalacion de conductos (100), donde la instalacion de conductos (100) en forma de bloque es un componente realizado de una pieza o compuesto por dos mitades, donde en su interior se encuentran conformados conductos, as! como rutas de flujo parcial de los medios;
    - suministro de flujos de medios hacia las conexiones para el suministro (2, 3) en la instalacion de conductos (100), donde como medios se proporcionan aire y carburante con capacidad de flujo;
    - separacion de los flujos de medios en la instalacion de conductos (100) en forma de bloque y conduccion de los flujos de medios hacia las conexiones de componentes (52);
    - medicion, regulacion y/o mezclado de los flujos de medios en la instalacion de conductos (100) durante el paso de los flujos de medios a traves de la instalacion de conductos (100) en forma de bloque.
  11. 11. Metodo segun la reivindicacion 10 para regular flujos de medios para un sistema de pilas de combustible con reformador (8), con los pasos
    - suministro de un flujo de medio perteneciente a los flujos de medios, a traves de un dispositivo de suministro de medios (4, 5) hacia un dispositivo para el suministro de medios (1) que presenta la instalacion de conductos (100) en forma de bloque;
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    - separacion del flujo de medios en varios flujos parciales de medios que circulan respectivamente a traves de una ruta de flujo parcial de los medios, donde al menos una parte de las rutas de flujo parcial de los medios presenta un dispositivo de regulacion (R);
    - apertura completa de un dispositivo de regulacion (R) en una de las rutas de flujo parcial de los medios y ajuste correspondiente del dispositivo de suministro de medios (4, 5) para obtener en esa ruta de flujo parcial de los medios la cantidad de flujos de los medios requerida para el funcionamiento del sistema de pilas de combustible con reformador (8);
    - ajuste de los dispositivos de regulacion (R) en las otras rutas de flujo parcial de los medios para obtener en esas rutas de flujo parcial de los medios las cantidades de flujo de medios requerida para el funcionamiento del sistema de pilas de combustible con reformador (8).
  12. 12. Metodo segun la reivindicacion 11, con los pasos
    - determinacion de cantidades de flujo de medios deseadas para las rutas de flujo parcial de los medios en funcion de los requerimientos de un funcionamiento del sistema de pilas de combustible con reformador (8);
    - medicion de las cantidades de flujo de los medios en las rutas de flujo parcial de los medios y control de si en la respectiva ruta de flujo parcial de los medios se proporciona la cantidad de flujo de los medios deseada requerida;
    - ajuste del respectivo dispositivo de regulacion (R), de manera que la cantidad de flujo de los medios deseada requerida se alcance en la ruta de flujo parcial de los medios;
    - ajuste correspondiente del dispositivo de suministro de medios (4, 5) y aumento de la cantidad de flujo de medios total, as! como de la presion si se determina que no puede alcanzarse una cantidad de flujo parcial de los medios tambien en el caso de que el dispositivo de regulacion (R) se encuentre completamente abierto;
    - ajuste correspondiente de los otros dispositivos de regulacion (R) que no se encuentran abiertos por completo para alcanzar respectivamente la cantidad de flujos de medios deseada en las rutas de flujo parcial de los medios.
  13. 13. Metodo segun la reivindicacion 11 o 12, con el paso - si se determina que no se encuentra abierto por completo ninguno de los dispositivos de regulacion (R), ajuste correspondiente del dispositivo de suministro de medios y reduccion de la cantidad de flujo de medios total hasta que se determine que uno de los dispositivos de regulacion (R) se encuentra abierto por completo.
  14. 14. Metodo segun una de las reivindicaciones 11 a 13, donde la medida de la apertura completa de un dispositivo de regulacion (R) significa que el dispositivo de regulacion se abre hasta un valor llmite de apertura predeterminado o mas alla de dicho valor.
  15. 15. Metodo segun la reivindicacion 10 para regular flujos de medios para un sistema de pilas de combustible con reformador (8), con los pasos
    - suministro de un flujo de carburante que sirve como flujo de medios y de un flujo de aire que sirve como flujo de medios hacia un dispositivo para el suministro de medios (1) que presenta la instalacion de conductos (100) en forma de bloque, donde al menos uno de los flujos de medios es suministrado a traves de un dispositivo de suministro de medios (5) con una presion de admision constante;
    - en el dispositivo para el suministro de medios, separacion del flujo de carburante y del flujo de aire en varios flujos parciales de los medios;
    - en el dispositivo para el suministro de medios (1), regulacion de los flujos parciales de medios en funcion de un estado de funcionamiento actual del sistema de pilas de combustible con reformador (8).
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