APARATO GENERADOR DE ENERGÍA.

Esta invención se refiere a un aparato generador de energía que contiene celdas de combustible y, en particular pero no exclusivamente, a un aparato que permite la coproducción de hidrógeno y electricidad. Existe una creciente necesidad de producir energía de forma lo más eficaz y limpia posible. Una preocupación especial es la emisión de dióxido de carbono a la atmósfera. Es ampliamente reconocido que ésta contribuye al calentamiento global, por lo que se hacen esfuerzos por reducir las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera. Una manera de conseguirlo es, sin duda, aumentando la eficacia con la que se genera energía a partir de combustible. Otra posible manera de reducir las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera consiste en capturar y almacenar el dióxido de carbono producido mediante el proceso de generación de energía. Esto resulta problemático en los sistemas generadores de energía convencionales basados en la combustión en aire, puesto que el dióxido de carbono presente en los productos de combustión está mezclado con una gran cantidad de nitrógeno. La presencia de nitrógeno encarece significativamente la captura y separación del dióxido de carbono. En los últimos años, el interés se ha centrado en celdas de combustible, que son dispositivos capaces de generar una corriente eléctrica y calor directamente a partir de combustible sin combustión. La generación directa de corriente eléctrica significa que la eficacia de tales dispositivos no está restringida por límites de eficacia termodinámica. Sin embargo, los sistemas generadores de energía basados en celdas de combustible pueden seguir produciendo dióxido de carbono. Sistemas de celdas de combustible 25 La mayoría de las celdas de combustible funcionan con combustible gaseoso, normalmente hidrógeno (H2), metano (CH4) o monóxido de carbono (CO), así como con oxígeno (O2). Una celda de combustible comprende un ánodo y un cátodo separados uno del otro por un electrolito. Transcurren dos tipos de reacciones electroquímicas: semirreacción(es) de oxidación en el ánodo y semirreacción(es) de reducción en el cátodo. Típicamente, el hidrógeno (que se puede haber producido en el lugar a partir de gas natural u otro combustible en un proceso 30 conocido como "reformado") sufre una reacción electroquímica en el ánodo, el oxígeno (que puede ser suministrado en forma de aire) sufre una reacción electroquímica en el cátodo y la reacción neta proporciona agua y genera energía eléctrica. En el flujo de entrada a la celda de combustible también pueden estar presentes otros componentes, tales como metano o monóxido de carbono, especialmente cuando el hidrógeno se prepara por reformado de gas natural con vapor o gasificación de carbón. Esto significa que puede haber otros productos 35 además del agua, como dióxido de carbono. Existen varios tipos de celdas de combustible, algunos de los cuales se describen a continuación. Las celdas de PEM (membrana electrolítica polimérica o membrana de intercambio de protones) trabajan a 40 temperaturas bajas (60 a 100ºC). El electrolito es un polímero sólido flexible. Los cationes hidrógeno pasan del ánodo al cátodo. Se usan catalizadores de platino tanto en el cátodo como en el ánodo. Se produce agua en el cátodo. Las PAFC (celdas de combustible de ácido fosfórico) trabajan a temperaturas moderadas (150 a 200ºC). El 45 electrolito es una matriz de ácido fosfórico. Los cationes hidrógeno pasan del ánodo al cátodo. Se usan catalizadores de platino tanto en el cátodo como en el ánodo. Se puede tolerar una pequeña cantidad de monóxido de carbono en el flujo de entrada de hidrógeno. Se produce agua en el cátodo. Las reacciones tanto para las celdas de combustible de PEM como para las PAFC son: en el ánodo: 2H2 4H + + 4e - en el cátodo: O2 + 4H + + 4e - 2H2O reacción neta: 2H2 + O2 2H2O Las MCFC (celdas de combustible de carbonato fundido) trabajan a temperaturas elevadas (600 a 1.000ºC). El 55 electrolito es una matriz de carbonatos (por ejemplo, carbonatos de litio, sódico, potásico y/o de magnesio). Los aniones carbonato pasan del cátodo al ánodo, y los aniones carbonato perdidos por esta vía se reponen suministrando dióxido de carbono al cátodo. En el flujo de entrada de hidrógeno también puede estar presente monóxido de carbono que se usa como combustible. Se produce agua en el ánodo. Las reacciones son: en el ánodo: 2H2 + 2CO3 2- 2H2O + 2CO2 + 4e - (asimismo, si está presente CO: 2CO + 2CO3 2- 4CO2 + 4e - en el cátodo: ) O2 + 2CO2 + 4e - 2CO3 2- reacción neta: 2H2 +O2 2H2O (asimismo, si está presente CO: 2CO + O2 2CO2) 2   Las SOFC (celdas de combustible de óxido sólido) también trabajan a temperaturas elevadas (600 a 1.000ºC). El electrolito es un compuesto cerámico sólido, por ejemplo óxidos de circonio. Los iones óxido pasan del cátodo al ánodo. De nuevo se puede usar monóxido de carbono como combustible. Se produce agua en el ánodo. Las reacciones son: en el ánodo: 2H2 + 2O 2- 2H2O + 4e - (asimismo, si está presente CO: 2CO + 2O 2- 2CO2 + 4e - ) en el cátodo: O2 + 4e - 2O 2- reacción neta: 2H2 +O2 2H2O (asimismo, si está presente CO: 2CO + O2 2CO2) Los dos tipos de celdas de combustible más prometedores son la celda de combustible de óxido sólido (SOFC), que trabaja típicamente entre 600 y 1.000ºC, y la celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM), que trabaja típicamente a 80ºC. La SOFC puede trabajar con la mayoría de los combustibles hidrocarbonados gaseosos o combustibles derivados del reformado de gas natural, diésel, gasolina o de la gasificación de combustibles sólidos. Cuando se usan combustibles carbonosos, los gases de producto contendrán dióxido de carbono. En aplicaciones estacionarias, el dióxido de carbono se puede capturar y secuestrar, pero esto es más difícil de realizar en aplicaciones móviles, como en los coches. Además, la celda de combustible de PEM más comúnmente usada para aplicaciones móviles requiere generalmente hidrógeno purificado para trabajar por debajo de 150ºC. Sigue existiendo una demanda de sistemas generadores de energía y de hidrógeno altamente eficaces y limpios que permitan la transición a un uso sostenible y poco contaminante de la energía de combustibles fósiles sin la liberación de dióxido de carbono a la atmósfera. La separación de dióxido de carbono se puede realizar de diferentes maneras. Una posibilidad reside en el uso de membranas para separar las diferentes especies, otra consiste en absorber gases en líquidos o sólidos y desorber los gases por separado usando ciclos de presión oscilante o de temperatura oscilante. Aunque la eficacia de las celdas de combustible no está limitada termodinámicamente, se ha demostrado, en particular, que es difícil alcanzar unas eficacias que se aproximen al máximo teórico. Numerosos sistemas híbridos han aprovechado el exceso de calor generado por una SOFC en una turbina u otra máquina. Sin embargo, estos sistemas son complejos, y la eficacia total está limitada por la máquina termodinámica. Una propuesta se describe en el documento US 5,079,103. En este documento se reconoce que puede haber hidrógeno en los gases que salen del ánodo de celdas de combustible tales como MCFC o SOFC y, en lugar de usarlo para la generación de energía de baja calidad (por ejemplo por combustión), se procura separar éste y el dióxido de carbono del gas de desecho y utilizarlo más eficazmente. El hidrógeno se puede separar del gas de desecho por absorción con presión oscilante (PSA) y reciclar para el ánodo. El dióxido de carbono también se puede separar del gas de desecho del ánodo y, en el caso de las MCFC, enviar al cátodo, reduciendo de este modo la demanda de dióxido de carbono suministrado desde el exterior. El dióxido de carbono se puede separar del gas de desecho del ánodo mediante una etapa de depuración o mediante PSA. Por lo tanto, este documento describe que el reciclaje de hidrógeno y dióxido de carbono de esta manera proporciona más energía que el simple quemado del gas de desecho del ánodo. El documento también describe, como corriente de alimentación para el ánodo, gas natural que se reforma internamente en hidrógeno. Puesto que se usa gas natural, puede ser necesario realizar una desulfuración, y el reciclaje del hidrógeno puede fomentarla. Sin embargo, aunque este documento reivindica unas eficacias globales de hasta 70%, éstas siguen siendo bastante inferiores al máximo teórico. Además, puesto que se lleva a cabo una eliminación de dióxido de carbono del flujo de salida de la celda de combustible, se han de limpiar grandes volúmenes de gas. El documento US 2001/0010873 describe una SOFC en la que se introduce en una celda de combustible un combustible con contenido en hidrocarburos que se convierte en ella... [Seguir leyendo]

1. Aparato generador de energía que comprende una celda de combustible (23) y un módulo de reformado (21), en el que el módulo de reformado está adaptado para reformar combustible hidrocarbonado en hidrógeno y otros componentes y separar dicho hidrógeno de dichos otros componentes, estando dispuesto el aparato de tal manera que dicho hidrógeno sea alimentado desde el módulo de reformado al ánodo (3) de la celda de combustible; comprendiendo el aparato también medios para reciclar el hidrógeno (8) presente en la corriente de salida del ánodo (4) de la celda de combustible de vuelta al ánodo, caracterizado porque el aparato comprende medios de control (30) que controlan la proporción de hidrógeno reciclado durante el funcionamiento para satisfacer las necesidades de hidrógeno externo o de diferente carga eléctrica y medios (9) para derivar, para uso externo, el hidrógeno que está presente en la corriente de salida del ánodo y que no se recicla. 2. Aparato según la reivindicación 1, en el que el aparato está dispuesto de manera que no se alimente sustancialmente nada, excepto hidrógeno, en la celda de combustible (23). 15 3. Aparato según la reivindicación 1 ó 2, que comprende medios para eliminar agua de la corriente de salida del ánodo (4) de la celda de combustible (23). 4. Aparato según cualquier reivindicación precedente, en el que el módulo de reformado (21) comprende medios para separar dióxido de carbono y medios (7) para evacuar una corriente de dicho dióxido de carbono. 5. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el módulo de reformado (21) comprende medios para absorber dióxido de carbono o para secuestrarlo en un sólido. 6. Aparato según la reivindicación 1, en el que el módulo de reformado (21) comprende medios para 25 absorber el dióxido de carbono mediante una reacción de carbonatación con un óxido o hidróxido de metal para producir un carbonato metálico.   7. Aparato según cualquier reivindicación precedente, que comprende además un módulo de desorción (21b) adaptado para permitir la liberación de dióxido de carbono. 8. Aparato según cualquier reivindicación precedente, en el que el módulo de reformado (21) está integrado térmicamente con la celda de combustible (23). 9. Aparato según la reivindicación 7 u 8, en el que el módulo de desorción (21b) está integrado térmicamente con la celda de combustible. 10. Procedimiento para generar energía y producir hidrógeno usando un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9. 13   14     16