SISTEMA DE PROCESADO DE COMBUSTIBLE.

Un aparato integrado de reformado y combustión para su uso en un sistema de celda de combustible,

comprendiendo dicho aparato una unidad de reformado en la que, durante el uso, puede tener lugar una reacción de reformado, en comunicación térmica con una unidad de combustión, en la que, durante el uso, puede tener lugar una reacción de combustión, caracterizado por que dicho aparato comprende un circuito de fluido adicional (19,29,39), en comunicación térmica tanto con dicha unidad de reformado como con dicha unidad de combustión, de manera que permite que la temperatura de dichas unidades se controle mediante la circulación de un fluido que tiene una temperatura preseleccionada y/o un caudal a través del circuito de fluido adicional

Esta invención se refiere a un aparato integrado de reformado y combustión, que es adecuado para su uso en sistemas de celdas de combustible, y a métodos para reformado de un combustible para producir hidrógeno usando dicho aparato. 5

Con el aumento del movimiento hacia el suministro de energía a coches y otros vehículos con celdas de combustible que funcionan con hidrógeno, hay una necesidad en aumento de proporcionar medios seguros, compactos y rentables para suministrar hidrógeno a las celdas de combustible. El metanol es una fuente de hidrógeno preferida, puesto que éste puede almacenarse en forma líquida. Las unidades de reformado que convierten catalíticamente el metanol y el agua en hidrógeno, para su uso en celdas de combustible, se conocen en la técnica. 10

Las reacciones de reformado catalítico son endotérmicas y, por lo tanto, requieren calentamiento externo. Se conocen sistemas de celdas de combustible que comprenden unidades integradas de reformado y combustión, en los que la unidad de reformado y la unidad de combustión están en comunicación térmica. En estos sistemas, la combustión catalítica de los gases residuales de la celda de combustible proporciona el calor necesario para mantener la reacción de reformado. Los sistemas conocidos comprenden unidades tubulares de reformado y combustión que ocupan un gran 15 volumen. Dichos sistemas conocidos, sin embargo, no transfieren el calor eficazmente de la unidad de combustión a la unidad de reformado. El documento US 6447736, sobre el que está caracterizada la reivindicación 1, describe un reactor modular de placas apiladas que contiene un reformador principal en contacto térmico con un quemador catalítico. El solicitante, sin embargo, se ha dado cuenta de que los sistemas conocidos no permiten el control cerrado de la temperatura de combustión o de reformado. Las reacciones del reformado y las reacciones de combustión son 20 ambas dependientes de la temperatura, lo que significa que se requiere el control de las temperaturas de reacción si tiene que conseguirse un reformado y combustión completos. También, si la temperatura de reacción es demasiado alta, puede producirse la degradación del catalizador o pueden producirse contaminantes tales como óxidos de nitrógeno.

El solicitante ha concebido una disposición para dar solución al problema de control de temperatura. Cuando se observa 25 desde un aspecto, la invención proporciona un aparato integrado de reformado y combustión para su uso en un sistema de celda de combustible, comprendiendo dicho aparato una unidad de reformado, en la que, durante el uso, tiene lugar una reacción de reformado, en comunicación térmica con una unidad de combustión, en la que, durante el uso, tiene lugar una reacción de combustión, caracterizada por que dicho aparato comprende un circuito hidráulico adicional, en comunicación térmica tanto con dicha unidad de reformado como con dicha unidad de combustión, para así permitir el 30 control de la temperatura de dichas unidades mediante la circulación de un fluido que tiene una temperatura y/o caudal pre-establecidos por el circuito hidráulico adicional.

De esta manera, los expertos en la materia observarán que, de acuerdo con los aspectos de la invención, se proporcionan medios para controlar la temperatura de una unidad integrada de reformado y combustión. Cuando se hace circular un fluido a través del circuito, la temperatura del sistema puede controlarse, de manera que la temperatura 35 de la reacción de combustión y/o de la reacción de reformado puede controlarse y mantenerse a un nivel relativamente constante. Esto significa que la eficiencia de la reacciones de combustión y reformado puede maximizarse, y que puede evitarse la degeneración catalítica y la generación de gases dañinos. Al hacer circular un fluido a través del circuito se mejora también la transferencia de calor entre la reacción de reformado y la reacción de combustión. El circuito adicional proporciona un medio para lograr un control aún más cerrado de la temperatura del sistema, sin embargo, puesto que 40 un fluido que tiene una temperatura pre-seleccionada puede hacerse circular por el circuito, para evitar las fluctuaciones en la temperatura que pueden ocurrir en las reacciones de combustión o de reformado debido a cambios en los caudales de gases a través del aparato. El fluido puede calentarse o enfriarse de forma externa antes de hacerlo circular por el circuito para así lograr la temperatura deseada. Como alternativa, la temperatura del sistema puede controlarse variando el caudal del fluido a través del circuito, o controlando tanto la temperatura como el caudal. 45

En realizaciones particularmente preferidas, el aparato integrado de reformado y combustión, está en la forma de al menos una placa de reformado, en la que, durante el uso, puede tener lugar una reacción de reformado, y al menos una placa de combustión, en la que, durante el uso, puede tener lugar una reacción de combustión, estando dispuestas las placas en un apilamiento, de manera que las placas de reformado y combustión están entremezcladas, disponiéndose el aparato de manera que, durante el uso, pueden tener lugar una reacción de reformado y una reacción de combustión 50 simultáneamente, proporcionando dicha reacción de combustión calor para la reacción de reformado. De acuerdo con esta realización preferida, cuando el aparato se está usando, el calor producido por la reacción de combustión que está teniendo lugar en las placas de combustión, se dispersa por toda el área donde está teniendo lugar la reacción de reformado, para proporcionar una transferencia de calor eficaz a la reacción de reformado. De esta manera, los expertos en la materia observarán que la combustión exotérmica de los gases residuales tiene lugar en las placas de combustión 55 que están entremezcladas entre las placas donde tiene lugar la reacción de reformado. Esto significa que el calor producido por la combustión se dispersa por toda el área en la que tiene lugar la reacción de reformado, para proporcionar una transferencia de calor eficaz a la reacción de reformado. Además, las placas de reformado y las placas combustión se apilan conjuntamente para proporcionar una unidad compacta que es adecuada para su uso en vehículos pequeños. 60

En realizaciones preferidas, el circuito de fluido adicional comprende al menos un tubo que se extiende a lo largo de al menos parte de la longitud de al menos una placa. En realizaciones particularmente preferidas, el circuito de fluido adicional comprende tubos que se extienden al lo largo de al menos parte de la longitud de al menos una placa de combustión y al menos una placa de reformado. Preferiblemente, cada placa comprende al menos un tubo que forma parte del circuito. De acuerdo con dichas realizaciones un fluido, que tiene una temperatura predeterminada 5 externamente, puede hacerse circular a las regiones precisas donde tienen lugar la reacción de reformado y la reacción de combustión, lo que permite un control más preciso de las temperaturas de reacción.

Preferiblemente, las placas de reformado y las placas de combustión se disponen de manera que las placas de reformado y las placas de combustión se alternan. Esto significa, que las placas de combustión están dispersadas uniformemente entre las placas de reformado, lo que permite que el calor producido por la reacción de combustión se 10 proporcione a cada una de las placas de reformado, para mantener la reacción de reformado que está teniendo lugar en cada placa de reformado.

De acuerdo con otra característica preferida de la invención, el aparato está adaptado para proporcionar una corriente de gas a través del aparato, y en contacto con las placas de reformado, y una corriente de gas a través del aparato, y en contacto con las placas de combustión, en las que las corrientes están en comunicación térmica pero no en 15 comunicación fluida. En realizaciones particularmente preferidas, el aparato está adaptado para permitir que las corrientes de gas fluyan en direcciones opuestas a través del aparato, de manera que pueda ocurrir el intercambio de calor entre la reacción de combustión y la reacción de reformado.

Preferiblemente, las placas de reformado y las placas de combustión comprenden colectores internos de manera que, cuando las placas se ensamblan en una pila de colectores, se disponen para guiar los gases sobre las placas. 20

Preferiblemente, la placa de combustión comprende un catalizador de combustión cerámico. Los catalizadores adecuados son bien conocidos por la persona experta en la materia. El catalizador podría... [Seguir leyendo]

1. Un aparato integrado de reformado y combustión para su uso en un sistema de celda de combustible, comprendiendo dicho aparato una unidad de reformado en la que, durante el uso, puede tener lugar una reacción de reformado, en comunicación térmica con una unidad de combustión, en la que, durante el uso, puede tener lugar una reacción de combustión, caracterizado por que dicho aparato comprende un circuito de fluido adicional (19,29,39), en comunicación 5 térmica tanto con dicha unidad de reformado como con dicha unidad de combustión, de manera que permite que la temperatura de dichas unidades se controle mediante la circulación de un fluido que tiene una temperatura preseleccionada y/o un caudal a través del circuito de fluido adicional.

2. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende al menos una placa de reformado (3) en la que, durante el uso, puede tener lugar una reacción de reformado y al menos una placa de combustión (1) en la que, durante el uso, 10 puede tener lugar una reacción de combustión, estando dispuestas dichas placas en un apilamiento, de manera que las placas de reformado (3) y las placas de combustión (1) están entremezcladas, en el que el aparato está dispuesto de manera que, durante el uso, una reacción de reformado y una reacción de combustión pueden tener lugar simultáneamente, proporcionando dicha reacción de combustión calor para la reacción de reformado.

3. Aparato de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el circuito de fluido adicional (19,29,39) comprende al menos un 15 tubo (29,39) que se extiende a lo largo de al menos parte de la longitud de al menos una placa (3,1).

4. Aparato de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el circuito de fluido adicional (19,29,39) comprende tubos (29,39) que se extienden a lo largo de al menos parte de la longitud de al menos una placa de combustión (1) y al menos una placa de reformado (3).

5. Aparato de acuerdo con la reivindicación 4, en el que cada placa (3,1) comprende al menos un tubo (29,39) que 20 forma parte del circuito de fluido adicional (19,29,39).

6. Aparato de acuerdo con cualquier de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el circuito de fluido adicional (19,29,39) comprende al menos un conducto que comprende una superficie de transferencia térmica, en comunicación térmica con la pared interna del conducto.

7. Aparato de acuerdo con la reivindicación 6, en el que dicha superficie de transferencia térmica comprende una o más 25 bandas que se extienden a través del interior del conducto.

8. Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende adicionalmente una unidad de gestión térmica integrada con dicho circuito de fluido adicional (19,29,39).

9. Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, en el que las placas de reformado (3) y placas de combustión (1) se alternan. 30

10. Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 9, adaptado para proporcionar una corriente de gas a través del aparato, y en contacto con las placas de reformado (3), y una corriente de gas a través del aparato y en contacto con las placas de combustión (1), en el que las corrientes están en comunicación térmica pero no en comunicación fluida.

11. Aparato de acuerdo con la reivindicación 10, en el que el aparato está adaptado para permitir que las corrientes de 35 gas fluyan en direcciones opuestas a través del aparato, de manera que puede ocurrir el intercambio de calor entre la reacción de combustión y la reacción de reformado.

12. Aparato de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, en el que las placas de reformado (3) y las placas de combustión (1) comprenden colectores internos (25,33), de manera que cuando las placas se ensamblan en una pila, los colectores se disponen para guiar los gases sobre las placas. 40

13. Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 12, en el que la placa de combustión (1) comprende un catalizador de combustión cerámico (31).

14. Aparato de acuerdo con la reivindicación 13, en el que el catalizador de combustión (31), se proporciona sobre una superficie de la placa de combustión (1).

15. Aparato de acuerdo con la reivindicación 13 o 14, en el que la placa de combustión (1) comprende múltiples 45 fragmentos de catalizador cerámico.

16. Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 15, en el que la placa de reformado (3) comprende un catalizador de reformado (27).

17. Aparato de acuerdo con la reivindicación 16, en el que dicho catalizador de reformado (27) es adecuado para catalizar la reacción de un combustible y agua para producir hidrógeno. 50

18. Aparato de acuerdo con la reivindicación 16 o 17, en el que el catalizador de reformado (27), se proporciona sobre

una superficie de la placa de reformado (3).

19. Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 18, que comprende un catalizador de combustión (31) y un catalizador de reformado (27), no estando dichos catalizadores en comunicación fluida.

20. Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 19, en el que las placas de combustión (1) comprenden medios (37) para detener las llamas localizadas en la entrada de gas (33a,b). 5

21. Un sistema de celdas de combustible que comprende un aparato integrado de reformado y combustión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, y una celda de combustible.

22. Un sistema de celdas de combustible de acuerdo con la reivindicación 21, en el que dicho circuito de fluido adicional (19,29,39), está integrado térmicamente con dicha celda de combustible.

23. Un método para preparar hidrógeno a partir de combustible y agua usando el aparato de acuerdo con cualquiera de 10 las reivindicaciones 1 a 20, comprendiendo dicho método: hacer pasar un suministro de reformado, que comprende combustible y agua, a través de la unidad de reformado, de manera que tiene lugar una reacción de reformado para producir una corriente de producto de reformado que comprende hidrógeno y, simultáneamente, hacer pasar un suministro de combustible a través de la unidad de combustión, de manera que tiene lugar la combustión para producir una corriente de producto de combustión, de manera que la reacción de combustión proporciona calor para la reacción 15 de reformado.

24. Un método de acuerdo con la reivindicación 23, en el que la corriente de gas que comprende el suministro de reformado y la corriente de producto de reformado, están en comunicación térmica, pero no en comunicación fluida, con la corriente de gas que comprende el suministro de combustión y la corriente de producto de combustión.

25. Un método de acuerdo con la reivindicación 23 o 24, que comprende adicionalmente controlar la temperatura 20 haciendo circular un fluido a través de dicho circuito de fluido adicional (19,29,39).

26. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicación 23 a 25, en el que el aparato comprende al menos una placa de reformado (3) y al menos una placa de combustión (1), dispuestas en un apilamiento, de manera que las placas de reformado (3) y las placas de combustión (1), están entremezcladas, estando dicho circuito de fluido adicional (19,29,39) en comunicación térmica con al menos una de dicha placa de reformado y dicha placa de combustión; 25 comprendiendo adicionalmente dicho método hacer circular un fluido a través de dicho circuito de fluido adicional (19,29,39), de manera que la temperatura del sistema pueda controlarse.

27. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 23 a 26, en el que dichas corrientes de gas se mueven a través del aparato en direcciones opuestas.

28. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 23 a 27, en el que el combustible para la reacción de 30 reformado comprende metanol.

29. Un método de acuerdo con la reivindicación 28, en el que la reacción de reformado tiene lugar a una temperatura de entre 150ºC y 250ºC, más preferiblemente 180-200ºC.

30. Un método de acuerdo con la reivindicación 29, en el que la reacción de combustión tiene lugar a una temperatura de entre 150ºC y 300ºC, más preferiblemente 200-250ºC, 35

31. Un método de acuerdo con la reivindicación 28, en el que el fluido que se hace circular a través de dicho circuito de fluido adicional (19,29,39) tiene una temperatura de entre 150ºC y 250ºC, más preferiblemente 180-200ºC.

32. Un método de acuerdo con la reivindicación 31, en el que dicho combustible comprende aceite.

33. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 23 a 27, en el que el combustible para la reacción de reformado comprende al menos uno de metano, gas natural o diésel. 40

34. Un método de acuerdo con la reivindicación 33, en el que la temperatura de la reacción de reformado es entre 350ºC y 850ºC, más preferiblemente de 500ºC a 700ºC.

35. Un método de acuerdo con la reivindicación 34, en el que la temperatura de la reacción de combustión es entre 400ºC y 900ºC, más preferiblemente de 550ºC a 750ºC.

36. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 33 a 35, en el que el fluido que se hace circular a 45 través de dicho circuito de fluido adicional (19,29,39) tiene una temperatura entre 500ºC y 700ºC.

37. Un método de acuerdo con la reivindicación 36, en el que dicho fluido comprende potasio.

38. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 23 a 37, que comprende proporcionar la corriente de producto de reformado a una celda de combustible que funciona con hidrógeno.

39. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 23 a 38, que comprende proporcionar el suministro de combustión a partir del subproducto de una celda de combustible que funciona con hidrógeno.

40. Un método de acuerdo con la reivindicación 39, en el que dicho subproducto comprende al menos uno de hidrógeno, hidrocarburos, metanol y monóxido de carbono.