Un sistema para generar combustible de hidrógeno para una célula de combustible,

que comprende un dispositivo para poner en práctica un proceso de reforma que convierte el combustible primario en hidrógeno y también una membrana (10) que presenta permeabilidad selectiva para CO2, que se caracteriza en que la membrana (10) está compuesta esencialmente de material cerámico que presenta una estructura microporosa

Sistema para la generación de combustible de hidrógeno para una célula de combustible

Campo técnico

La presente invención está relacionada con un sistema para generar combustible de hidrógeno para una célula de combustible, dicho sistema comprende un proceso para reformar un combustible primario para poder formar hidrógeno. La invención está destinada, en particular, para su aplicación en dispositivos móviles en que la célula de combustible constituye una fuente de energía para conducir y/o una fuente de energía adicional (denominada normalmente APU – unidad auxiliar de energía) en algún tipo de medio de transporte, como un automóvil particular, camioneta, autobús, maquinaria industrial, camión de carga, barco, avión, helicóptero, o vehículo espacial.

Antecedentes Las células de combustibles son una fuente de energía muy interesante debido a sus muy bajas descargas de sustitutos ambientalmente peligrosos. No obstante, para poder utilizar la técnica de forma seriamente competitiva si se compara con otras fuentes de energía más tradicionales como los motores de combustión, existe una necesidad para otras mejoras como un aumento en la eficiencia y en la disminución de costes. En particular para las aplicaciones móviles, existe también una gran necesidad de sistemas de células de combustible ligeras y que requieran menos espacio.

Las células de combustible que en la actualidad se consideran de mayor interés para las aplicaciones vehiculares son las que se denominan células de combustible PEM (membrana de intercambio de protones) , que utilizan hidrógeno como combustible. En la célula de combustible, el hidrógeno reacciona con oxígeno, de la que es posible extraer energía eléctrica (corriente eléctrica) mientras se forma agua.

Debido a que existen problemas relacionados en la distribución y almacenamiento de hidrógeno, es más recomendable, particularmente para las aplicaciones móviles, utilizar otro combustible, es decir, un combustible primario, que mediante lo que se denomina reforma, se convierte en hidrógeno en un sistema conectado a la célula de combustible. El combustible primario puede consistir de un compuesto de hidrocarburo como metanol, etanol, gasolina, combustible diesel, combustible de propulsión de jet, biogás o gas natural. Para poder hacer funcionar de forma satisfactoria este tipo de sistema de células de combustible, es importante que la generación de combustible primario, es decir, la reforma junto con cualquier posible paso de purificación, tenga lugar de forma eficiente. De forma general, mientras los anteriores desarrollos han resultado en la actual célula de combustible de un tamaño más pequeño, los sistemas periféricos, como el sistema para generar el combustible, no se han desarrollado tan rápidamente.

La reforma del combustible primario para producir hidrógeno tiene lugar por medio de varias reacciones químicas diferentes, en parte dependiendo del tipo de combustible primario. El proceso puede también constituirse en varias formas ligeramente diferentes. De forma general, la reforma resulta en la conversión principal del hidrocarburo en hidrógeno (H2) , monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2) .

En la reforma, los compuestos hidrocarburo, aire y agua (H2O) se mezclan con un catalizador de reforma en una cámara de reacción, con los compuestos hidrocarburo principales en convertirse, mediante una reforma por vapor, y/o oxidación parcial a elevadas temperaturas, en hidrógeno y CO. Dependiendo de la temperatura, por ejemplo, ciertos hidrocarburos, como el metanol, puede formar entonces principalmente hidrógeno y CO2. Durante esta reforma de combustible, también tiene lugar otra reacción importante, es decir, la que se denomina reacción WGS (reacción de desplazamiento con vapor de agua) :

H2O + CO (<) ºC02 + H2 (1)

Tal como se indica en la reacción 1, la reacción WGS es lo que se denomina una reacción de equilibrio, lo que significa que la reacción también se desplaza hacia la izquierda. Si la reacción neta se desplaza hacia la derecha o la izquierda depende de condiciones operacionales, como la temperatura, y las concentraciones de las sustancias participantes. Por ejemplo, la reacción neta se desplazará hacia la derecha si el agua o el CO se suministra a la mezcla de reacción que está en equilibrio. Lo mismo ocurre si el CO2 o el hidrógeno se eliminan de la mezcla de reacción. Mientras que lo principalmente deseable, en este sentido, es conducir la reacción lo más lejos posible de la derecha para poder formar la mayor cantidad posible de hidrógeno, otros parámetros, como la tasa de reacción, también deben tenerse en consideración. A las temperaturas relativamente altas que son apropiadas para la reforma por vapor y la oxidación parcial, el equilibrio de la reacción 1 está desplazado hacia la izquierda, que es hacia la formación de agua y CO. Para poder aumentar la formación de hidrógeno, y para disminuir la cantidad de CO, que normalmente no se requiere en una célula de combustible, los sistemas convencionales normalmente incluyen un segundo paso de reforma en que se permite la reacción WGS, después de enfriarse el gas del proceso formado en el primer paso, para proceder a una temperatura inferior para que el equilibrio se desplace hacia la derecha.

Tras la reforma (que incluye un segundo paso de WGS) , la mezcla de gas que se forma en los procesos de reforma convencional normalmente contiene aprox. 2% de CO. No obstante, esta concentración debe disminuirse en al menos por debajo de aprox. 0, 1% ya que el CO desactiva el catalizador de la célula de combustible; por esta razón, otro paso adicional, frecuentemente denominado como limpieza de CO, es necesario normalmente para la limpieza del combustible de hidrógeno de CO.

La razón predominante para la necesidad del paso de limpieza para separar el CO del flujo de combustible de hidrógeno es que la reacción de WGS (reacción 1) está limitada por su equilibrio. La temperatura es en este caso un parámetro importante en que, mientras un aumento en la temperatura conduce al aumento de la tasa de reacción, también conduce al desplazamiento del equilibrio hacia la izquierda por lo que se produce menos hidrógeno. Si la reacción se deja evolucionar a una temperatura inferior para disminuir la cantidad de hidrógeno, el dispositivo de reforma que es entonces necesario es demasiado grande por lo que no es adecuado para las aplicaciones móviles. A la temperatura que es necesaria para obtener una tasa de reacción suficientemente alta en un sistema móvil relativamente pequeño, la formación de hidrógeno está lejos de estar completa y, como resultado, la concentración de CO no es despreciable.

Tradicionalmente, la concentración de CO se ha disminuido en el paso de limpieza de lo que se denomina oxidación selectiva de CO. Una desventaja de este método es que no ha sido posible aumentar la selectividad más allá de la etapa en la que aproximadamente el 5% del hidrógeno también se ha oxidado. En otras palabras, aproximadamente el 5% del combustible se consume aún antes de que haya alcanzado la célula de combustible. Además, este método requiere un control complicado de la temperatura para poder asegurar que incluso una cantidad aún más grande de hidrógeno no se consuma.

Como alternativa a la oxidación selectiva para limpiar el combustible, en la PE 1065741 se propone, por ejemplo, utilizar una membrana que es selectivamente permeable para el hidrógeno. Esta técnica de separación normalmente explota el hecho de que las moléculas de hidrógeno y los átomos de hidrógeno son más pequeños que los de otras sustancias. En general, no obstante, dichas membranas de hidrógeno presentan una permeabilidad relativamente baja, lo que resulta en que las membranas dan lugar a una gran caída en la presión, que para superarlo requiere una cantidad sustancial de energía. Alternativamente, una mayor área de membrana es necesaria, algo que a su vez proporciona un sistema relativamente extensivo, pesado y demandante de espacio.

La WO99/06138 describe el uso de una membrana no porosa selectiva de CO2, compuesta de un polímero y una sal de haluro de amonio, para separar el CO2 de una mezcla de gas con el propósito de limpiar el hidrógeno y/o conducir la reacción 1 más hacia la derecha. Además de esto, en un caso especial que utiliza metanol como combustible primario, los sistemas que se proponen se dividen, en la forma convencional, en varios pasos de proceso, en el que un paso para convertir el combustible primario en CO e hidrógeno, entre otros,... [Seguir leyendo]

1. Un sistema para generar combustible de hidrógeno para una célula de combustible, que comprende un dispositivo para poner en práctica un proceso de reforma que convierte el combustible primario en hidrógeno y también una membrana (10) que presenta permeabilidad selectiva para CO2, que se caracteriza en que la membrana (10) está compuesta esencialmente de material cerámico que presenta una estructura microporosa.

2. El sistema tal como se reivindica en la reivindicación 1, que se caracteriza en que la cara primaria de la membrana

(10) está enfrentada a la primera cámara (8a) , dicha primera cámara (8a) funciona como cámara de reacción para al menos una parte del proceso de reforma.

3. El sistema tal como se reivindica en la reivindicación 2, que se caracteriza en que la primera cámara (8a) funciona como cámara de reacción para un proceso de reforma que comprende convertir el combustible primario en hidrógeno y CO/CO2, entre otros.

4. El sistema tal como se reivindica en la reivindicación 2 o 3, que se caracteriza en que la cara primaria de la membrana (10) está al menos parcialmente cubierto con una capa de catalizador de reforma (9) .

5. El sistema tal como se reivindica en la reivindicación 3 o 4, que se caracteriza en que el sistema está dispuesto para proporcionar principalmente combustible primario, agua y aire a la primera cámara (8a) , y en que el suministro de aire esta dispuesto de forma separada de forma que la proporción de aire en la primera cámara (8a) puede variar.

6. El sistema tal como se reivindica en una de las reivindicaciones 2 a 5, que se caracteriza en que la cara secundaria de la membrana (10) está enfrentada a la segunda cámara (8b) , a través de dicha segunda cámara se dispone para que pase un flujo de gas insuflado, preferiblemente aire.

7. El sistema tal como se reivindica en la reivindicación 6, que se caracteriza en que el gas insuflado posee un contenido de agua que corresponde aproximadamente con el contenido de agua de la primera cámara (8a) .

8. El sistema tal como se reivindica en la reivindicación 6 o 7, que se caracteriza en que el flujo de gas insuflado está dispuesto para pasar a lo largo de la membrana (10) en esencialmente la dirección opuesta a la dirección principal del flujo en la primera cámara (8a) .

9. El sistema tal como se reivindica en una de las reivindicaciones 2 a 8, que se caracteriza en que el sistema comprende al menos un intercambiador de calor (5) que está dispuesto para transferir calor entre al menos un flujo (2, 4) que abandona una cámara (8 a, 8b) y al menos un flujo (1, 3) que está entrando en una cámara (8a, 8b) .

10. El sistema tal como se reivindica en una de las reivindicaciones 2 a 9, que se caracteriza en que el sistema comprende una segunda membrana (22) que presenta permeabilidad selectiva para el CO, dicha segunda membrana (22) está dispuesta para separar el CO de un flujo de combustible de hidrógeno (2) que está abandonando el dispositivo de proceso de reforma.

11. El sistema tal como se reivindica en la reivindicación 10, que se caracteriza en que la segunda membrana (22) está compuesta esencialmente de material cerámico.

12. El sistema tal como se reivindica en la reivindicación 10 o 11, que se caracteriza en que la cara primaria de la segunda membrana (22) está enfrentada a un primer canal (21) , a través de dicho primer canal el flujo de combustible de hidrógeno (2) está dispuesto para pasar, y en que la cara secundaria (25) de la segunda membrana

(22) está al menos parcialmente recubierto con una capa de catalizador de oxidación (23) .

13. El sistema tal como se reivindica en la reivindicación 12, que se caracteriza en que la cara secundaria (25) de la segunda membrana (22) está enfrentada a un segundo canal (24) , a través de dicho segundo canal (24) un flujo de un gas insuflador que contiene oxígeno, preferiblemente aire, está dispuesto para pasar en una dirección que es esencialmente opuesta a la dirección principal del flujo en el primer canal (21) .

14. El sistema tal como se reivindica en las reivindicaciones 6 y 13, que se caracteriza en que el flujo de gas en el segundo canal (24) consiste de un flujo (3) que está entrando en la segunda cámara (8b) .

15. El sistema tal como se reivindica en una de las reivindicaciones 10 a 14, que se caracteriza en que la segunda membrana (22) también presenta permeabilidad selectiva para CO2

16. El sistema tal como se reivindica en una de las reivindicaciones 10 a 15, que se caracteriza en que la segunda membrana (22) presenta una estructura microporosa.

17. El sistema tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza en que al menos una de la primera y/o segunda membrana (10, 22) presenta una estructura de zeolita o similar a la zeolita.

18. El sistema tal como se reivindica en una de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza en que el sistema está dispuesto en una aplicación móvil.