APARATO PARA LA REFORMA DE COMBUSTIBLES.

Aparato para la reforma de combustible adecuado para llevar a cabo una reacción de reforma por vapor de agua,

que es endotérmica y produce hidrógeno a partir de un hidrocarburo y vapor de agua, y una reacción de oxidación, que es exotérmica y oxida el hidrocarburo, utilizándose los productos y el calor generado por la reacción de oxidación para el avance de la reacción de reforma por vapor, comprendiendo dicho dispositivo de reforma de combustible: una sección catalítica que comprende un catalizador adecuado para acelerar la reacción de reforma por vapor y la reacción de oxidación; una unidad de suministro de gas combustible en bruto para producir el paso de un suministro de gas combustible en bruto que contiene el hidrocarburo y vapor de agua hacia dentro de dicha sección catalítica; una unidad de suministro de gas oxidante para obligar al paso de un suministro de un gas oxidante que contiene oxígeno hacia dentro de dicha sección catalítica; una unidad de envío de combustible gaseoso que provoca que un combustible gaseoso rico en hidrógeno, que es producido por la reacción de reforma por vapor de agua y la reacción de oxidación que tiene lugar en dicha sección catalítica, sea enviado desde dicha sección catalítica; y una unidad de refrigeración final adecuada para pulverizar un líquido que contiene, como mínimo, un hidrocarburo y agua en una zona del lado que recibe el suministro de gas combustible en bruto y el suministro de gas oxidante

5 Sector técnico

La presente invención se refiere a un aparato para la reforma de combustibles, y más específicamente a un aparato para la reforma de combustibles que produce un gas rico en hidrógeno a partir de un hidrocarburo y vapor de agua, así como un proceso para llevar a cabo una reacción de reforma con vapor de agua en un aparato para la reforma de combustibles.

Antecedentes de la técnica

El aparato para la reforma de combustibles que produce el gas rico en hidrógeno a partir de un hidrocarburo y vapor de agua es un aparato conocido, utilizado para suministrar un combustible gaseoso a las células de combustible. Las células de combustible convierten la energía química de un combustible en energía eléctrica, no mediante la energía mecánica o energía térmica, sino directamente, y de esta manera consiguen un elevado rendimiento de la energía. En las células de combustible, un combustible gaseoso que contiene hidrógeno es suministrado a los ánodos, mientras que un gas oxidante que contiene oxígeno es suministrado a los cátodos. Las células de combustible generan fuerza electromotriz a través de reacciones electroquímicas que tienen lugar en ambos electrodos. Las siguientes ecuaciones definen las reacciones electroquímicas que tienen lugar en las células de combustible. La ecuación (1) representa una reacción que tiene lugar en los ánodos, y la ecuación (2) representa una reacción que tiene lugar en los cátodos. La reacción expresada por la ecuación (3) tiene lugar, por lo tanto en las celdas de combustible en su conjunto.

**(Ver fórmula)**

Un gas oxidante y un combustible gaseoso que contienen dióxido de carbono pueden ser utilizados en células de combustible de electrolito polímero, célula de combustible de fosfato, y células de combustible de electrolito de 30 carbonato fundido entre una serie de células de combustible dadas las características de sus electrolitos. En estas células de combustible, el aire es utilizado de manera general para el gas oxidante, y un gas rico en hidrógeno producido por reforma mediante vapor de un hidrocarburo, tal como metanol o gas natural, es utilizado para el combustible gaseoso. Un sistema de células de combustible que utilizan dichas células de combustible tiene el dispositivo reformador de combustible en el que tiene lugar la reacción de reforma por vapor de agua para producir el combustible gaseoso. La siguiente reacción describe el proceso de reforma que tiene lugar dentro del aparato para la reforma del combustible. La descripción tiene en cuenta el caso en que se utiliza metanol como hidrocarburo sometido a la reacción de reforma. La siguiente ecuación representa una reacción de vapor que reforma metanol:

**(Ver fórmula)**

40 Tal como se ha mostrado en esta ecuación (4), la reacción de reforma mediante vapor es endotérmica. Un suministro de energía térmica se requiere, por lo tanto, para que tenga lugar el avance de la reacción de reforma. Un método conocido para suministrar energía térmica requerida para la reacción de reforma, aplica exteriormente calor por medio de un quemador o un calentador instalado en el aparato para la reforma de combustible. Otro método

45 conocido provoca una reacción de oxidación exotérmica para que tenga lugar además de la reacción de reforma por vapor en el aparato para la reforma de combustible, y utiliza el calor generado por la reacción de oxidación para el avance de la reacción de reforma por vapor. Entre estos métodos conocidos, el método que provoca la reacción de oxidación en paralelo con la reacción de reforma mediante vapor en el aparato para la reforma de combustible se explica a continuación.

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La ecuación (5) representa un ejemplo de la reacción de oxidación de metanol (reacción de oxidación parcial). En la

55 estructura que introduce un suministro de oxígeno en el dispositivo reformador de combustible y provoca la reacción de oxidación de metanol para que tenga lugar en paralelo con la reacción de reforma mediante vapor expresada por la ecuación (4), la energía térmica generada por la reacción de oxidación es utilizada para la reacción de reforma mediante vapor. La regulación del caudal de oxígeno suministrado al aparato para la reforma de combustible posibilita que la cantidad de calor requerida para la reacción de reforma mediante vapor se equilibre con la cantidad de calor generado por la reacción de oxidación. Teóricamente, la cantidad de calor generado por la reacción de oxidación puede compensar la cantidad de calor requerida para la reacción de reforma mediante vapor. En comparación con el método de calentamiento externo, este método de hacer que la cantidad de calor generado por la reacción de oxidación suministre la cantidad de calor requerida para la reacción de reforma mediante vapor, tiene la menor pérdida de energía debido a la disipación de calor y consigue el mayor rendimiento energético. En comparación con el método de calentamiento externo, este método simplifica la estructura del aparato para la reforma de combustibles y posibilita la reducción de dimensiones del conjunto del sistema de células de combustible.

El método de suministrar oxígeno, así como metanol y vapor de agua, al aparato para la reforma de combustible y utilizar la energía térmica generada por la reacción de oxidación para la reacción de reforma mediante vapor, no obstante, tiene un inconveniente que consiste en una distribución irregular de la temperatura dentro del aparato para la reforma de combustibles. La figura 38 es un gráfico que muestra una distribución de temperatura dentro del aparato para la reforma de combustible que recibe suministro de oxígeno, así como metanol y vapor de agua, y provoca que la reacción de oxidación tenga lugar en paralelo con la reacción de reforma mediante vapor. Cuando se introduce un suministro de oxígeno conjuntamente con un suministro de metanol y vapor de agua en el aparato para la reforma del combustible, dado que la reacción de oxidación tiene la velocidad de reacción más elevada que la reacción de reforma por vapor de agua, la cantidad de calor generado por la reacción de oxidación supera la cantidad de calor requerida por la reacción de reforma por grupo de agua en el lado superior de la corriente en la unidad de reforma de combustible (es decir, el lado que recibe un suministro de gas que contiene metanol, vapor de agua y oxígeno). Tal como se ha mostrado en el gráfico de la figura 38, la temperatura interna aumenta bruscamente en el lado superior de la corriente formando un pico en la distribución de temperatura. Después del consumo del oxígeno por la reacción de oxidación, solamente tiene lugar la reacción de reforma mediante vapor. La temperatura interna del aparato para la reforma de combustible disminuye, por lo tanto, de manera continua hacia el lado inferior de la corriente (es decir, el lado por el que sale el gas rico en hidrógeno) después del pico en la distribución de temperatura.

La formación del pico en la distribución de temperatura o el aumento excesivo de la temperatura dentro del aparato para la reforma del combustible tiene como resultado ciertos inconvenientes, por ejemplo, el deterioro del catalizador y la formación de subproductos. Un problema es el deterioro del catalizador. Se supone en este caso que se utiliza un catalizador Cu-Zn como catalizador de aceleración de la reacción de reforma mediante vapor y la reacción de oxidación de metanol. La utilización del catalizador Cu-Zn a temperaturas superiores a 300ºC disminuye la duración del catalizador y puede provocar la sinterización. La sinterización es el fenómeno por el que se agrega el catalizador soportado sobre la superficie del portador. El catalizador Cu-Zn se forma de manera general dispersando partículas finas de cobre sobre la superficie de las partículas de zinc. La aparición de la sinterización hace que las partículas finas de cobre se agreguen y formen partículas gigantes. Este fenómeno disminuye el área superficial de las partículas de cobre y reduce el área de la actividad catalítica, reduciendo de esta manera el rendimiento del aparato para la reforma de combustibles.

Otro problema debido al excesivo aumento de la temperatura es la formación de subproductos. Tiene lugar una reacción secundaria distinta de la reacción normal de reforma explicada anteriormente en paralelo con la reacción de reforma a elevadas temperaturas predeterminadas formando metano. El nitrógeno gaseoso incluido en el suministro de gas a presión sufre una reacción secundaria produciendo... [Seguir leyendo]

1. Aparato para la reforma de combustible adecuado para llevar a cabo una reacción de reforma por vapor de agua, que es endotérmica y produce hidrógeno a partir de un hidrocarburo y vapor de agua, y una reacción de oxidación, que es exotérmica y oxida el hidrocarburo, utilizándose los productos y el calor generado por la reacción de oxidación para el avance de la reacción de reforma por vapor, comprendiendo dicho dispositivo de reforma de combustible:

una sección catalítica que comprende un catalizador adecuado para acelerar la reacción de reforma por vapor y la reacción de oxidación;

una unidad de suministro de gas combustible en bruto para producir el paso de un suministro de gas combustible en bruto que contiene el hidrocarburo y vapor de agua hacia dentro de dicha sección catalítica;

una unidad de suministro de gas oxidante para obligar al paso de un suministro de un gas oxidante que contiene oxígeno hacia dentro de dicha sección catalítica;

una unidad de envío de combustible gaseoso que provoca que un combustible gaseoso rico en hidrógeno, que es producido por la reacción de reforma por vapor de agua y la reacción de oxidación que tiene lugar en dicha sección catalítica, sea enviado desde dicha sección catalítica; y

una unidad de refrigeración final adecuada para pulverizar un líquido que contiene, como mínimo, un hidrocarburo y agua en una zona del lado que recibe el suministro de gas combustible en bruto y el suministro de gas oxidante.

2. Aparato para la reforma de combustible, según la reivindicación 1, adecuado para llevar a cabo a una reacción de reforma por vapor de agua, en el que el hidrocarburo es metanol y el catalizador para acelerar la reacción de reforma por vapor de agua y la reacción de oxidación es un único catalizador que contiene cobre.

3. Procedimiento para llevar a cabo una reacción de reforma por vapor en un dispositivo de reforma de combustible, cuya reacción es endotérmica y produce hidrógeno a partir de un hidrocarburo y vapor de agua, en el que una reacción de oxidación, que es exotérmica y oxida el hidrocarburo, se desarrolla y el calor generado por la reacción de oxidación es utilizado para el avance de la reacción de reforma por vapor, comprendiendo dicho dispositivo de reforma de combustible:

una sección catalítica que comprende un catalizador para acelerar la reacción de reforma de vapor y la reacción de oxidación;

una unidad de suministro de gas combustible en bruto que hace pasar un suministro de gas combustible en bruto que contiene el hidrocarburo y el vapor de agua hacia dentro de dicha sección catalítica;

una unidad de suministro de gas oxidante que hace pasar un suministro de un gas oxidante que contiene oxígeno hacia dentro de dicha sección catalítica;

una unidad de envío de combustible gaseoso que provoca que un combustible gaseoso rico en hidrógeno, que es producido mediante la reacción de reforma por vapor de agua y la reacción de oxidación que tiene lugar en dicha sección catalítica, sea enviado desde dicha sección catalítica; y

una unidad de refrigeración final que pulveriza un líquido que contiene, como mínimo, uno de hidrocarburo y agua en una zona del lado que recibe el suministro del gas combustible en bruto y el suministro del gas oxidante.

4. Procedimiento para llevar a cabo una reacción de reforma por vapor de agua, de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el hidrocarburo es metanol, y el catalizador para acelerar la reacción de reforma por vapor y la reacción de oxidación es un catalizador único que contiene cobre.