REACTOR CON GRADIENTE TÉRMICO CONTROLADO PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO PURO.

Reactor con gradiente térmico controlado para la producción de hidrógeno puro [0001] El hidrógeno es el vector energético del futuro, y se están realizando muchos desarrollos en el campo de pilas de combustible, motores de combustión de hidrógeno y otras tecnologías relacionadas. Sin embargo, los costes económicos y ecológicos de fabricación, transporte y almacenamiento del hidrógeno representan obstáculos para un cambio rápido de una economía basada en combustibles fósiles hacia una economía basada en hidrógeno. La producción de hidrógeno por disociación térmica del agua en un reactor de membrana, en la etapa final utilizando energía solar, no sólo resulta neutra para el medio ambiente, sino que también puede proporcionar una eficiencia potencialmente elevada. 10 [0002] El dispositivo propuesto se basa en la disociación térmica del agua en un reactor de membrana. Se ha optimizado, a la luz de las transferencias de calor y masa, para una extracción simultánea y estequiométrica del oxígeno e hidrógeno [1]. Autónomo, con un tamaño pequeño o mediano para la producción de hidrógeno, el dispositivo ayudará a reducir la necesidad de transporte y almacenamiento de hidrógeno. En consecuencia, facilita la introducción del hidrógeno como vector energético, generando importantes beneficios económicos. 15 [0003] El hidrógeno producido por el dispositivo es puro, siendo el agua el único contaminante. Puede conducirse directamente a una pila de combustible, y por lo tanto utilizarse para la coproducción de calor y electricidad para usos domésticos o en pequeñas unidades de producción descentralizadas. El uso del dispositivo para aplicaciones móviles también es concebible en versiones integradas muy compactas en vehículos equipados con pilas de combustible. 20 [0004] La reciente tendencia en el sector de los materiales, y en particular el desarrollo de nuevos tipos de membranas, ha permitido la fabricación de dispositivos que resultan económicamente viables y duraderos, tal como este dispositivo. [0005] Los principios de los dispositivos de producción de hidrógeno basados en la disociación del agua a altas temperaturas y en la separación de gases por membranas se proponen en varias publicaciones y patentes, tal como las de FaIIy [2] y [3], Kogan [4], Seitzer [5] y [6], y Lee y otros [7]. [0006] Los principales problemas hallados en los generadores de hidrógeno basados en la disociación térmica del agua residen en el hecho de que, sin ajustes adicionales, el hidrógeno se encuentra presente sólo en la zona de alta temperatura donde el agua está disociada por lo menos parcialmente. El hidrógeno se extrae colocando las membranas en las zonas calientes, o bien absorbiendo el vapor disociado para evitar la recombinación. Las membranas selectivas al hidrógeno actualmente disponibles no soportan temperaturas muy elevadas en la zona de disociación, y el proceso de absorción consume una gran cantidad de energía. En ambos casos, estos dispositivos tienen una vida muy limitada, o una eficacia limitada. [0007] Estos problemas pueden evitarse separando el oxígeno de la mezcla de gas en la zona caliente, extrayendo después el resto de vapor de la misma, el cual está enriquecido con hidrógeno y puede separarse de varias maneras. Sin embargo, la mezcla de gas extraída lleva parte de la energía del reactor y hace que el proceso sea contraproducente. Extraer el hidrógeno más cerca de la zona caliente y no extraer el vapor de lastre sería más eficaz. FaIIy [3] apuntó en esta dirección colocando las membranas selectivas al hidrógeno saliendo de la cámara de reacción. [0008] Las membranas selectivas al hidrógeno que funcionan de manera eficiente lo hacen a temperaturas que se 40 encuentran por debajo de la temperatura de disociación del agua. En estos rangos de temperatura, las membranas que se han desarrollado presentan incluso un efecto catalizador, acelerando de este modo la transferencia de hidrógeno [8].   [0009] Esta invención, según se caracteriza de acuerdo con la reivindicación 1, describe un planteamiento global hacia la disociación térmica del agua y la separación de hidrógeno, teniendo en cuenta tanto las limitaciones materiales como la necesidad de una alta eficiencia. Se implementa de este modo un perfil de temperaturas, optimizado respecto a las características de los distintos materiales de los componentes, en la selección de una geometría específica, por las dimensiones del dispositivo, y por el posicionamiento de sus componentes. [0010] Esta invención se refiere a una cámara de reacción llena de agua (o vapor; en lo sucesivo, "agua" también representa el estado de agregación de vapor) en cuyo interior se disponen todos los componentes funcionales de acuerdo con la reivindicación 1. [0011] La(s) fuente(s) de calor se disponen en el agua en el interior de la cámara de reacción, con una potencia suficiente para calentar el agua en su proximidad a temperaturas en las que ésta está por lo menos parcialmente disociada. Una disociación significativa del agua comienza a temperaturas de unos 2000 K para aproximadamente un uno por ciento de las moléculas existentes. Las paredes de la cámara de reacción están refrigeradas. Existe un 2 gradiente de temperaturas entre las fuentes de calor calientes y las paredes de la cámara de reacción, que permanecen frías. [0012] Cerca de las fuentes de calor se colocan unas membranas selectivas al oxígeno, en la zona donde el agua se disocia. Éstas se utilizan para extraer el oxígeno en esta zona de disociación inicial. Además, actúan de protección para proteger a los demás componentes de la radiación térmica directa procedente de las fuentes de calor. [0013] Las membranas selectivas al hidrógeno se colocan en las zonas más frías cerca de las paredes de la cámara de reacción. La refrigeración controla la temperatura de estas paredes. La distancia entre las membranas selectivas al hidrógeno y la zona de disociación es en función de los materiales utilizados en las membranas, de acuerdo con las condiciones específicas de operatividad del conjunto. [0014] Las membranas se fabrican de manera que los gases extraídos puedan bombearse o lavarse utilizando un gas portador neutro. Opciones posibles son unos componentes tubulares cuyas membranas formen parte por lo menos de las paredes en las que van integradas. El hidrógeno y el oxígeno se extraen en la misma proporción que en la molécula de agua. La extracción es controlada mediante la potencia de la bomba o mediante la velocidad de lavado. Para mantener unas condiciones de funcionamiento constantes se inyecta una cantidad correspondiente de agua por las paredes del reactor. [0015] Con esta disposición, la zona de mayor temperatura se enriquece con hidrógeno, y se desarrolla un intercambio de este hidrógeno con la zona de temperatura más baja para compensar la diferencia de concentración. La principal ventaja de esta disposición es el flujo libre de los gases, a la vez que ofrece la posibilidad de un concepto geométrico simple, lo que facilita la fabricación de los componentes. [0016] La eficacia del dispositivo viene determinada por la cantidad de gases extraídos respecto a la potencia implementada para calentar el agua y para refrigerar el dispositivo. La cantidad de gases extraídos depende de la cantidad de hidrógeno y oxígeno disponible y, por lo tanto, del grado de disociación del agua. [0017] Para mejorar la eficiencia del dispositivo, las membranas selectivas al oxígeno se disponen alrededor de 25 la(s) fuente(s) de calor de manera que se reduce el flujo de calor desde la(s) fuente(s) de calor hacia la zona más allá de las altas temperaturas. El resultado de tal disposición es un equilibrio de la temperatura en la región entre una zona de calentamiento y las membranas selectivas al oxígeno que se encuentran cerca. La fuente de calor puede trabajar con una menor potencia y la zona de disociación del agua es más amplia. [0018] Se disponen protecciones adicionales a la radiación, que son permeables al hidrógeno, entre las zonas de 30 mayor temperatura y las zonas de menor temperatura para aumentar el efecto creado por las membranas selectivas al oxígeno.   La figura 1 es una vista en sección longitudinal que muestra esquemáticamente un dispositivo de acuerdo con la técnica anterior. La figura 2 es una vista en sección transversal detallando la disposición de membranas de tubo de oxígeno alrededor de un tubo calefactor. La figura 3a es una vista en sección transversal detallando la disposición de membranas de tubo de oxígeno alrededor de un tubo calefactor y entre este último y las membranas de tubo de hidrógeno en un dispositivo de acuerdo con la técnica anterior. La figura 3b es una vista en sección longitudinal que muestra de manera esquemática tubos de membrana de oxígeno rodeando tubos... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de separación térmica de agua en hidrógeno y oxígeno que comprende una cámara de reacción cerrada (1) que contiene agua y, en el interior de dicha cámara de reacción: - un sistema de calefacción que comprende uno o más elementos de fuente de calor (4, 11) - una o más membranas sustancialmente estancas al gas (3) para el paso selectivo de oxígeno, - una o más membranas sustancialmente estancas al gas (2) para el paso selectivo de hidrógeno, y - un mecanismo (5) para el paso de agua hacia dicha cámara de reacción, caracterizado por el hecho de que - dicha(s) fuente(s) de calor (4, 11) está(n) colocada(s) en el agua dentro de la cámara de reacción (1), - la distribución de temperaturas está predeterminado por - la presencia de zonas en las que la temperatura es elevada de manera que el agua en dichas zonas está por lo menos parcialmente disociada y que presentan un tamaño para contener dichas membranas selectivas al oxígeno, y - la presencia de zonas de temperaturas inferiores que presentan un tamaño para contener dichas membranas selectivas al hidrógeno y en la que las temperaturas inferiores corresponden a las condiciones funcionales de los materiales de las membranas, y por el hecho de que la distribución de temperaturas se obtiene y se regula por la energía térmica, un enfriamiento de las paredes de la cámara de reacción, la disposición de las membranas y la distancia entre la(s) fuente(s) de calor y las paredes de la cámara de reacción, - dichas membranas selectivas al oxígeno (3) están dispuestas en dichas zonas de temperatura elevada, - dichas membranas selectivas al hidrógeno (2) están dispuestas en dichas zonas temperatura inferior, y - una o más capas de protecciones de la radiación (7) están dispuestas en la zona formada entre las temperaturas elevadas y la formada por las temperaturas inferiores de manera que el flujo de calor se reduce y el gradiente térmico aumenta mientras se deja pasar el hidrógeno. 25 2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que las membranas selectivas al oxígeno (3) están dispuestas alrededor de la(s) fuente(s) de calor para reducir el flujo de calor desde la(s) fuente(s) de calor hacia las zonas fuera de las temperaturas elevadas y formar una protección para los otros componentes contra una radiación térmica directa proveniente de la(s) fuente(s) de calor. 3. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por el hecho de que dicho sistema de calefacción consiste en uno o más quemadores de gas porosos. 4. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por el hecho de que dicho sistema de calefacción consiste en uno o más quemadores de gas turbulentos. 5. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por el hecho de que dicho sistema de calefacción consiste en uno o más concentradores (8, 9) de radiación solar que concentran los rayos hacia el interior del reactor (1). 6. Dispositivo según una o más de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la distribución de presión y temperatura se mantienen estables regulando la potencia de dicha(s) fuente(s) de calor, la cantidad de agua inyectada a la cámara de reacción y el enfriamiento de sus paredes. 7. Dispositivo según una o más de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que las paredes de 40 la cámara de reacción (1), dichas membranas selectivas al oxígeno (3), dichas membranas selectivas al hidrógeno (2), ambas de dichas membranas o cualquier otro componente de la cámara de reacción (1) pueden contener uno o más reactivos o catalizadores que favorezcan la disociación del agua en hidrógeno y oxígeno a temperaturas inferiores.   8. Dispositivo según una o más de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la alimentación de agua se utiliza para enfriar los componentes termosensibles del reactor. 9. Dispositivo según una o más de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que conjuntamente con un consumidor de hidrógeno, el agua producida por dicho consumidor se recicla en el dispositivo, optimizando de este modo su grado de eficiencia energética. 6   7   8   9