Ensambles de producción de energía y generación de hidrógeno.

Un ensamble de generación de hidrógeno (10), que comprende:

un ensamble de procesamiento de combustible (31),

que comprende:

una región productora de hidrógeno (19) adaptada para recibir al menos una corriente de alimentación (16) que contiene al menos una materia prima de alimentación que contiene carbono y para producir una corriente de gas mezclada (20) que contiene gas de hidrógeno como un componente mayoritario de ahí; al menos una región de purificación (24) adaptada para recibir la corriente de gas mezclada y separar la corriente de gas mezclada en al menos una corriente de hidrógeno producto (14) y al menos una corriente subproducto (28);

un ensamble de calentamiento (60) adaptado para combustionar una corriente de combustible para producir una corriente de escape caliente (66) para calentar al menos la región productora de hidrógeno, en donde el ensamble de calentamiento se adapta para recibir y combustionar la corriente subproducto cuando la región productora de hidrógeno produce el gas de hidrógeno;

un limitador de flujo (140) entre la región productora de hidrógeno y el ensamble de calentamiento, en donde el limitador de flujo se adapta para crear contrapresión en un conducto de fluido (77) a través del cual fluye la corriente subproducto al ensamble de calentamiento (60);

un sistema de suministro de materia prima de alimentación (22) adaptado para suministrar la corriente de alimentación (16) que contiene al menos una materia prima de alimentación que contiene carbono a la región productora de hidrógeno del ensamble de procesamiento de combustible (31), en donde el sistema de suministro de materia prima de alimentación está en comunicación con un suministro líquido (112) que contiene la materia prima de alimentación que contiene carbono, en donde el sistema de suministro de materia prima de alimentación (22) comprende:

un ensamble de bomba (100) adaptado para extraer del suministro líquido (112) una corriente de entrada líquida (110) que contiene al menos la materia prima de alimentación que contiene carbono y emitir una corriente de salida líquida (116);

un conducto de salida (132) en comunicación continua con un conducto de suministro (134) y con un conducto de reciclado (136), en donde el conducto de suministro (134) está en comunicación continua con la región productora de hidrógeno (19) del ensamble de procesamiento de combustible productor de hidrógeno (10), y el conducto de reciclado (136) está en comunicación continua con al menos uno del suministro líquido (112) y un conducto de entrada (130) a través del cual la corriente de entrada líquida (110) se extrae al ensamble de bomba (100); en donde el conducto de salida (132) se adapta para recibir la corriente de salida líquida (116) y para definir un trayecto de flujo para la corriente de salida líquida al conducto de suministro y el conducto de reciclado;

un limitador de flujo (140) adaptado para crear contrapresión en el conducto de reciclado; y

una válvula accionada por presión (150) adaptada para permitir selectivamente que el líquido en el conducto de reciclado se derive al limitador de flujo.

Ensambles de producción de energía y generación de hidrógeno Campo de la descripción La presente descripción se dirige generalmente a los ensambles de generación de hidrógeno, componentes de estos, y ensambles de producción de energía.

Antecedentes de la descripción Un ensamble de generación de hidrógeno es un ensamble que convierte uno o más materiales de alimentación en una corriente de producto que contiene gas de hidrógeno como componente mayoritario. Las materias primas de alimentación pueden incluir una materia prima de alimentación que contiene carbono, y en algunas modalidades, pueden incluir adicionalmente agua. Las materias primas son suministradas a la región productora de hidrógeno del ensamble de generación de hidrógeno desde el sistema de suministro de materia prima de alimentación, típicamente las materias primas son suministradas bajo presión y a temperaturas elevadas. La región productora de hidrógeno es frecuentemente asociada a un ensamble de modulación de la temperatura, tal como un ensamble de calentamiento o un ensamble de enfriamiento, el cual consume uno o más corrientes de combustibles para mantener la región productora de hidrógeno dentro de un intervalo de temperatura adecuado produciendo gas de hidrógeno.

El gas de hidrógeno producido se puede usar en una variedad de aplicaciones. Una de tales aplicaciones es la producción de energía, tales como en celdas de combustible electroquímicas. Una celda de combustible electroquímica es un dispositivo que convierte un combustible y un oxidante en electricidad, un producto de reacción, y calor. Por ejemplo, las celdas de combustible pueden convertir el hidrógeno y el oxígeno en agua y electricidad. En tales celdas de combustible, el hidrógeno es el combustible, el oxígeno es el oxidante, y el agua es un producto de reacción. Los apilados de celdas de combustible incluyen una pluralidad de celdas y pueden ser utilizados con un ensamble de generación de hidrógeno para proporcionar un ensamble de producción de energía. El apilado de celdas de combustible puede asociarse a un sistema de suministro de aire para suministrar una corriente de aire y/o un ensamble modulador de temperatura para mantener el apilado de celdas de combustible dentro de un intervalo de temperaturas adecuado para generar electricidad El documento US 2004/083890describe membranas purificadoras de hidrógeno, dispositivos purificadores de hidrógeno, y procesamiento de combustible y sistemas de celdas de combustibles que incluyen dispositivos de purificación de hidrógeno Las membranas purificadoras de hidrógeno incluyen una membrana metálica, que está al menos sustancialmente compuesta por paladio o una aleación de paladio. En algunas modalidades, la membrana contiene cantidades trazas de carbono, silicio y/o oxígeno En algunas modalidades, las membranas forman parte de un dispositivo purificador de hidrógeno que incluye un recinto que contiene un ensamble de separación, el cual se adapta para recibir una corriente de gas mixto que contiene gas de hidrógeno y producir una corriente pura o al menos prácticamente pura de gas hidrógeno de esta. En algunas modalidades, la (s) membrana (s) y/o el dispositivo de purificación forman una porción de un procesador de combustible, y en determinadas modalidades, la (s) membrana (s) y/o el dispositivo purificador forman una porción de un procesador de combustible o un sistema de celdas de combustible.

En la patente de los Estados Unidos 2003/223926 se describen ensambles de quemadores por difusión y atomización y procesadores de combustibles y sistemas de celdas de combustible que contienen los mismos El ensamble del quemador recibe al menos un combustible líquido y/o gaseoso, mezcla dicha corriente con aire, y combustiona la mezcla de corrientes para proporcionar calor para un procesador de combustible. En algunas modalidades, el ensamble del quemador recibe al menos una corriente de combustible combustionable producida por el procesador de combustible y/o el sistema de celdas de combustible. En algunas modalidades, el ensamble del quemador recibe una corriente de combustible que posee la misma composición que la de una corriente que es suministrada para propósitos que no son de combustión a otra porción del procesador de combustible y/o sistema de celdas de combustible. En algunas modalidades, el ensamble del quemador recibe y vaporiza una corriente de combustible que incluye la misma materia prima de alimentación que contiene carbono y/o tiene la misma composición general que las corrientes de alimentación desde las cuales el reformador de vapor de agua u otros procesadores de combustible producen gas de hidrógeno. Se describen además los métodos de uso Resumen de la descripción La presente descripción se relaciona con los ensambles, sistemas, dispositivos, y métodos que se adaptan para producir gas hidrógeno a partir de una o más materias primas para usar en celdas de combustible electroquímicas o en otras aplicaciones, así como en ensambles de producción de energía que incorporan los mismos.

De acuerdo con un primer aspecto, la presente invención proporciona un ensamble de generación de hidrógeno de acuerdo con la reivindicación 1.

De acuerdo con un segundo aspecto la presente invención proporciona un sistema de la reivindicación 12 que comprende un ensamble de generación de hidrógeno en combinación con un apilado de celdas de combustible adaptadas para producir una corriente eléctrica a partir de un oxidante y al menos una porción de la corriente de hidrógeno producto.

De acuerdo con un tercer aspecto, la presente invención proporciona un método de acuerdo con la reivindicación 19, donde el método es un método de arranque y operación de un ensamble de generación de hidrógeno. En algunas modalidades, los ensambles de generación de hidrógeno, y/o ensambles de producción de energía que incorporan los mismos, están adaptados para aplicaciones portátiles. En algunas modalidades, los ensambles de generación de hidrógeno, y/o ensambles de producción de energía que incorporan los mismos, están libres de bombas y otros sistemas de suministro de fluido accionados eléctricamente. En algunas modalidades, los ensambles de generación de hidrógeno, y/o ensambles de producción de energía que incorporan los mismos, incluyen bombas u otros sistemas de suministro de materia prima de alimentación que se adaptan para extraer una o más corrientes de alimentación de un suministro, que en algunas modalidades es un suministro de baja presión o no presurizado. En algunas modalidades, los ensambles de generación de hidrógeno, y/o ensambles de producción de energía que incorporan los mismos, están libres de controladores accionados eléctricamente. En algunas modalidades, los ensambles de generación de hidrógeno, y/o ensambles de producción de energía que incorporan los mismos, incluyen un controlador, que en algunas modalidades es un controlador accionado eléctricamente, y en algunas modalidades es un controlador computarizado, o implementado por computadora. En algunas modalidades, los ensambles de generación de hidrógeno, y ensambles de producción de energía que incorporan los mismos, se adaptan para producir gas de hidrógeno purificado sin requerir un sistema de suministro de materia prima de alimentación o un ensamble de calentamiento u otro de modulación de la temperatura. En algunas modalidades, los ensambles de generación de hidrógeno, y/o ensambles de producción de energía que incorporan los mismos, incluyen un sistema de suministro de materia prima de alimentación energizado eléctricamente y/o un ensamble calentamiento u otro de modulación de la temperatura. En algunas modalidades, los ensambles de generación de hidrógeno, y/o ensambles de producción de energía que incorporan los mismos, se adaptan para el arranque a partir de una configuración de funcionamiento, para la transición de la configuración de funcionamiento de arranque a una configuración de funcionamiento productora de hidrógeno y/o productora de energía, y para mantener la configuración de funcionamiento seleccionada con mínimas entradas de usuario y/o requisitos del balance de planta. En algunas modalidades, los ensambles de generación de hidrógeno, y/o ensambles de producción de energía que incorporan los mismos, se adaptan para el arranque usando un ensamble del quemador de combustible líquido. En algunas modalidades, los ensambles de generación de hidrógeno, y/o ensambles de producción de energía que incorporan los mismos, se adaptan para el arranque usando un ensamble del quemador de combustible gaseoso. En algunas modalidades, los ensambles de generación de hidrógeno, y los ensambles de producción de energía que incorporan los mismos, incluyen un sistema de suministro de... [Seguir leyendo]

1. Un ensamble de generación de hidrógeno (10) , que comprende:

un ensamble de procesamiento de combustible (31) , que comprende:

una región productora de hidrógeno (19) adaptada para recibir al menos una corriente de alimentación (16) que contiene al menos una materia prima de alimentación que contiene carbono y para producir una corriente de gas mezclada (20) que contiene gas de hidrógeno como un componente mayoritario de ahí; al menos una región de purificación (24) adaptada para recibir la corriente de gas mezclada y separar la corriente de gas mezclada en al menos una corriente de hidrógeno producto (14) y al menos una corriente subproducto (28) ; un ensamble de calentamiento (60) adaptado para combustionar una corriente de combustible para producir una corriente de escape caliente (66) para calentar al menos la región productora de hidrógeno, en donde el ensamble de calentamiento se adapta para recibir y combustionar la corriente subproducto cuando la región productora de hidrógeno produce el gas de hidrógeno; un limitador de flujo (140) entre la región productora de hidrógeno y el ensamble de calentamiento, en donde el limitador de flujo se adapta para crear contrapresión en un conducto de fluido (77) a través del cual fluye la corriente subproducto al ensamble de calentamiento (60) ;

un sistema de suministro de materia prima de alimentación (22) adaptado para suministrar la corriente de alimentación (16) que contiene al menos una materia prima de alimentación que contiene carbono a la región productora de hidrógeno del ensamble de procesamiento de combustible (31) , en donde el sistema de suministro de materia prima de alimentación está en comunicación con un suministro líquido (112) que contiene la materia prima de alimentación que contiene carbono, en donde el sistema de suministro de materia prima de alimentación (22) comprende:

un ensamble de bomba (100) adaptado para extraer del suministro líquido (112) una corriente de entrada líquida (110) que contiene al menos la materia prima de alimentación que contiene carbono y emitir una corriente de salida líquida (116) ; un conducto de salida (132) en comunicación continua con un conducto de suministro (134) y con un conducto de reciclado (136) , en donde el conducto de suministro (134) está en comunicación continua con la región productora de hidrógeno (19) del ensamble de procesamiento de combustible productor de hidrógeno (10) , y el conducto de reciclado (136) está en comunicación continua con al menos uno del suministro líquido (112) y un conducto de entrada (130) a través del cual la corriente de entrada líquida (110) se extrae al ensamble de bomba (100) ; en donde el conducto de salida (132) se adapta para recibir la corriente de salida líquida (116) y para definir un trayecto de flujo para la corriente de salida líquida al conducto de suministro y el conducto de reciclado; un limitador de flujo (140) adaptado para crear contrapresión en el conducto de reciclado; y una válvula accionada por presión (150) adaptada para permitir selectivamente que el líquido en el conducto de reciclado se derive al limitador de flujo.

2. El ensamble de generación de hidrógeno de la reivindicación 1, en donde la válvula accionada por presión (150) está en comunicación continua con un conducto de derivación (152) que se extiende en comunicación continua con porciones del conducto de reciclado corriente arriba y corriente abajo del limitador de flujo.

3. El ensamble de generación de hidrógeno de la reivindicación 2, en donde la válvula accionada por presión (150) se adapta para ser selectivamente configurada entre una configuración cerrada, en que la válvula accionada por presión restringe el flujo de la corriente de salida líquida (116) a través del conducto de derivación (152) , y una configuración de accionamiento, en la que la válvula accionada por presión (150) permite el flujo de la corriente de salida líquida a través del conducto de derivación (152) , en donde la válvula accionada por presión es girada hacia la configuración cerrada, y en donde además opcionalmente la válvula accionada por presión se adapta para una transición hacia la configuración de accionamiento cuando la presión de la corriente de salida líquida en el conducto de suministro excede una presión de reciclado umbral.

4. El ensamble de generación de hidrógeno de la reivindicación 3, en donde la región productora de hidrógeno (19) tiene una presión de suministro umbral para la porción de la corriente de salida líquida suministrada a ella, en donde la presión de reciclado umbral corresponde a la presión de suministro umbral, y opcionalmente en donde la presión de reciclado umbral es menor que la presión de suministro umbral.

5. El ensamble de generación de hidrógeno de cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde la región productora de hidrógeno (19) se adapta para recibir hasta un régimen de flujo umbral de la corriente de salida 46

líquida a través del conducto de suministro (34) , y en donde además el ensamble de bomba se adapta para emitir una corriente de salida líquida con un régimen de flujo mayor que el régimen de flujo umbral.

6. El ensamble de generación de hidrógeno de cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en donde el ensamble de calentamiento (60) está en comunicación térmica con la región productora de hidrógeno (19) , en donde el ensamble de calentamiento comprende al menos una cámara de combustible (376) y al menos una fuente de calentamiento e ignición (378) ; en donde al menos una cámara de combustible (376) se adapta para recibir al menos una corriente de combustible a una primera temperatura, y al menos una corriente de combustible que comprende un líquido, combustible, combustible que contiene carbono con una temperatura de ignición mayor que dicha primera temperatura, y en donde además al menos una fuente de calentamiento e ignición se adapta para calentar al menos una porción de la cámara de combustible para elevar la temperatura de al menos una porción del combustible que contiene carbono a una segunda temperatura al menos mayor que la temperatura de ignición y provoca la ignición del combustible que contiene carbono.

7. El ensamble de generación de hidrógeno de la reivindicación 6, en donde el sistema de suministro de materia prima de alimentación se adapta adicionalmente para suministrar al menos una corriente de combustible a al menos una cámara de combustible.

8. El ensamble de generación de hidrógeno de la reivindicación 7, en donde la cámara de combustible (376) incluye al menos sustancialmente un reservorio abierto adaptado para recibir y al menos temporalmente almacenar un volumen de combustible que contiene carbono combustionable líquido.

9. El ensamble de generación de hidrógeno de las reivindicaciones 7 u 8, en donde el ensamble de calentamiento comprende además un medio de transporte (410) dispuesto en la cámara de combustible (376) , opcionalmente en donde el medio de transporte se adapta para absorber al menos temporalmente el combustible que contiene carbono combustionable líquido.

10. El ensamble de generación de hidrógeno de las reivindicaciones 7 u 8, en donde el ensamble de calentamiento comprende además un medio de transporte dispuesto en la cámara de combustible, y en donde el medio de transporte se adapta para definir una superficie sostenedora de llama para el combustible.

11. Un sistema que comprende el ensamble de generación de hidrógeno de cualquiera de las reivindicaciones 110, en combinación con un apilado de celdas de combustible adaptado para producir una corriente eléctrica a partir de un oxidante y al menos una porción de la corriente de hidrógeno producto.

12. El ensamble de generación de hidrógeno de cualquiera de las reivindicaciones 1-10 o el sistema de la reivindicación 11, en donde el mecanismo por el cual se produce el gas de hidrógeno a partir de la corriente de alimentación (16) es un reformador de vapor o reformador auto-térmico en el cual se usan los catalizadores de reformación, y en donde además la corriente de alimentación contiene agua y una materia prima de alimentación que contiene carbono.

13. El ensamble de generación de hidrógeno de cualquiera de las reivindicaciones 1-10 o del sistema de las reivindicaciones 11 o 12, en donde la corriente de alimentación y la corriente de combustible comprenden cada una al menos un componente común, y opcionalmente en donde al menos un componente que contiene carbono común es suministrado desde un suministro común, en donde opcionalmente la corriente de alimentación y la corriente de combustible comprenden cada una u.

2. 75 % en vol. de agua y al menos un componente que contiene carbono miscible en agua.

14. El ensamble de generación de hidrógeno de cualquiera de las reivindicaciones 1-10 o el sistema de cualquiera de las reivindicaciones 11-13 en donde la región productora de hidrógeno incluye un catalizador de reformación vapor (23) , en donde la región productora de hidrógeno se adapta para producir una corriente de gas mezclada que contiene gas de hidrógeno y otros gases, y en donde además el gas de hidrógeno forma el componente mayoritario de la corriente de gas mezclada.

15. El ensamble de generación de hidrógeno de cualquiera de las reivindicaciones 1-10 o el sistema de cualquiera de las reivindicaciones 11-14, en donde la al menos una región de purificación incluye al menos una membrana selectiva de hidrógeno (30) , y opcionalmente en donde la al menos una región de purificación incluye además un ensamble de remoción de monóxido de carbono químico seleccionado de: un reactor de desplazamiento agua-gas para proporcionar gas de hidrógeno y dióxido de carbono a partir de agua y monóxido de carbono, reactores de oxidación parcial que se adaptan para convertir monóxido de carbono en dióxido de carbono y regiones del catalizador de metanación, o lechos, que convierten el monóxido de carbono y gas de hidrógeno en metano y agua.