Método de reformado con vapor para celdas de combustible.

Un método de reformado de combustible de hidrocarburo para el suministro enarranque a una pila de celdas de combustible de óxido sólido que comprende almenos una celda de combustible,

el método que consiste en:

suministrar un reformador de vapor (SR) que define una cámara catalitica quecontiene un catalizador, con dicho combustible de hidrocarburo y una cantidadsub-estequiométrica de oxigeno junto a un gas que contiene oxigeno, parallevar a cabo una oxidación parcial (reacción de CPOX) de dicho combustiblede hidrocarburo en dicho catalizador de SR para producir un gas que contienehidrógeno,

suministrar dicho gas que contiene hidrógeno al lado del ánodo de dicha pila deceldas de combustible donde inicialmente no reacciona en la pila de celdas decombustible frio, pero dejando parte de su calor, y de ahi a un quemador en elcual dicho gas que contiene hidrógeno se quema en un suministro de gas quecontiene oxigeno: usando el gas caliente producido para calentar dicho SRhasta temperatura de funcionamiento, con lo cualcuando dicho SR y pila de celdas de combustible está a temperatura defuncionamiento, cerrar dicho suministro de gas que contiene oxigeno a dichoSR y suministrarle agua y/o vapor de agua para producir un combustible rico enhidrógeno, y suministrándolo con agua y/o vapor para producir un combustiblerico en hidrógeno y suministrar dicho combustible al lado del ánodo de dichapila de celdas de combustible, y en el cual dicho suministro de gas quecontiene oxigeno a dicho quemador se suministra desde el lado del cátodo dedicha pila de celdas de combustible.

MÉTODO DE REFORMADO CON VAPOR PARA CELDAS DE COMBUSTIBLE Descripción [0001] La invención se refiere al reformado con vapor para celdas de combustible de óxido sólido (SOFC por sus siglas en inglés) . [0002] Se conoce el uso de combustibles de hidrocarburo como base de combustible para celdas de combustible, los combustibles tales como, por ejemplo, gas natural, GLP, butano, propano, gas ciudad, metanol, son generalmente convertidos a una mezcla gaseosa que contiene hidrógeno y dióxido de carbono, y, en algunos casos, también habrá algunos otros gases presentes. La conocida conversión se logra de una de dos formas principales.

1. Por reformado con vapor (SR por sus siglas en inglés) a temperatura elevada para producir eficientemente una mezcla de hidrógeno y dióxido de carbono. Esta reacción es altamente endotérmica, y, si se dispone de este requisito de calor, se puede suministrar de forma útil a partir del calor residual de la celda de combustible. La desventaja es que el reformador e intercambiador de calor opcional requerido es relativamente grande y complejo y tiene respuesta dinámica de funcionamiento y caracteristicas de arranque pobres.

2. Por reformado por oxidación parcial (CPOX por sus siglas en inglés) para producir un gas que contiene hidrógeno, monóxido de carbono y nitrógeno. El monóxido de carbono no es generalmente deseable en alta concentración y es tóxico para algunos catalizadores anódicos. Además, el gran porcentaje de nitrógeno del flujo de gas como resultado de la utilización de aire diluye el flujo de combustible eficaz que entra en la celda de combustible. Se sabe que añadiendo agua/vapor a la reacción para permitir que se produzca algún reformado con vapor y causando, de ese modo, la reducción de la cantidad de monóxido de carbono y el aumento de la cantidad de hidrógeno presente por medio de la reacción de desplazamiento de gas de agua. Esto tiene la ventaja de una compacidad, una potencia de salida alta y un arranque en frio rápido, pero tiene menor eficiencia energética, y, a menos que se utilicen métodos de concentración de hidrógeno/métodos de limpieza de gas caros, puede afectar al rendimiento de las celdas de combustible.

La técnica anterior pertinente incluye EP0924161, US6383468, Y US2004/0047800. EP 0924161 se dirige a celdas de combustible de baja temperatura, concretamente celdas de combustible de metanol, y está estrictamente relacionada con el reformado con vapor de combustible de entrada, y no hace ninguna revelación de cualquier interacción entre la propia celda de combustible y el proceso de reformado de combustible de entrada. US6383468 se ocupa de forma similar de celdas de combustible de baja temperatura, concretamente celdas de combustible de metanol, y enseña que durante el arranque en frío de un sistema, el combustible se mezcla con oxígeno y un quemador catalítico funciona para calentar el sistema, y en una segunda fase, se utiliza combustible, oxígeno yagua para oxidar parcialmente el combustible y reformar con vapor el combustible. Es significativo el requisito de la mezcla de oxígeno y combustible en todo momento. En cuanto a EP0924161, no se proporciona interacción entre la propia celda de combustible y el proceso de reformado de combustible de entrada. US 2005 10164051 se dirige a un método para el arranque de una pila de celdas de combustible de óxido sólido en el cual el efluente de una cámara de combustión se dirige al lado del cátodo de la pila de celdas de combustible para calentar la pila de celdas de combustible hasta temperatura de funcionamiento. [0004] Los montajes de pila de celdas de combustible y montajes de sistema de pila de celdas de combustible son bien conocidos en la técnica e incluyen las similares US 2003/0235743; EP 1434294/ US 2004/0101742; Leah, RT, Brandon, NP, Aguiar, P, Revista de fuentes de energía, 2005, 145 (2) : 336-352; WO 02/35628; WO 03/07538; GB 2394114; WO 2004/089848; GB 2400723; GB 2405028; Y WO 2005/078843. Los contenidos de cada una de las referencias tratadas en esta publicación, incluyendo las referencias citadas en la misma, se incluyen por referencia completas en esta publicación. [0005] La presente invención proporciona, en un aspecto, un método de reformado de combustible de hidrocarburo para el suministro en arranque a una pila de celdas de combustible de óxido sólido que comprende al menos una celda de combustible, el método consistiendo en:

suministrar un reformador de vapor (SR) que define una cámara catalítica que contiene un catalizador, con dicho combustible de hidrocarburo y una cantidad sub-estequiométrica de oxígeno junto a un gas que contiene oxígeno para llevar a cabo una oxidación parcial (reacción de CPOX) de dicho combustible de hidrocarburo en el catalizador de SR para producir un gas que contiene hidrógeno, suministrar dicho gas que contiene hidrógeno al lado del ánodo de dicha pila de celdas de combustible donde inicialmente no reacciona en la pila de celdas de combustible frío, pero dejando parte de su calor, y de ahí a un quemador en el cual dicho gas que contiene hidrógeno se quema en un suministro de gas que contiene oxígeno: mediante el gas caliente producido para calentar dicho SR hasta temperatura de funcionamiento,

con lo cual

cuando dicho SR y pila de celdas de combustible está a temperatura de funcionamiento, cortar el suministro de gas que contiene oxígeno a dicho SR y

proporcionarle agua y/o vapor para producir un combustible rico en hidrógeno,

y suministrar el combustible rico en hidrógeno al lado del ánodo de la pila de combustible de la pila, y donde dicho suministro de gas que contiene oxígeno a dicho quemador se suministra desde el lado del cátodo de dicha pila de celdas de combustible. [0006] Cada celda de combustible de la pila de celdas de combustible es una celda de combustible de óxido sólido. Preferiblemente, la al menos una celda de combustible (SOFC) es una celda de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (ITSOFC por sus siglas en inglés) . Más preferiblemente, la IT-SOFC tiene una temperatura de funcionamiento en el intervalo de 400-650 oC, más preferiblemente, 450-650 oC. [0007] La cantidad sub-estequiométrica de oxígeno suministrado por un gas que contiene oxígeno se suministra normalmente a partir del aire. [0008] Preferiblemente, la reacción de CPOX se lleva a cabo en un reformador de CPOX independiente, el método consistiendo en suministrar dicho reformador de CPOX con dicho combustible de hidrocarburo y una cantidad sub-estequiométrica de oxígeno suministrados a partir de dicho gas que contiene oxígeno para producir un gas que contiene hidrógeno, suministrar dicho gas que contiene hidrógeno a la pila de celdas de combustible, donde inicialmente no reacciona en la pila de celdas de combustible frío, pero dejando parte de su calor, y de ahí a un quemador en el cual dicho gas que contiene hidrógeno se quema en un suministro de gas que contiene oxígeno: mediante el gas caliente producido para calentar dicho SR hasta temperatura de funcionamiento, con lo cual cuando dicho SR y pila de celdas de combustible está a temperatura de funcionamiento, cerrar el suministro de dicho reformador de CPOX y poner en marcha dicho reformador de SR que, provisto de combustible de hidrocarburo yagua/vapor, produce un combustible rico en hidrógeno, suministrar el combustible rico en hidrógeno a la pila de celdas de combustible, y suministrar calor residual desde dicha pila de celdas de combustible. [0009] Preferiblemente, el calor residual de dicha pila de celdas de combustible se suministra a dicho SR para mantener la temperatura de funcionamiento de SR. [0010] Se puede proporcionar un medio complementario para calentar el catalizador de SR en arranque para ayudarlo a conseguir la temperatura de funcionamiento de catalizador de SR. [0011] De forma más ventajosa, antes de que dicho gas que contiene hidrógeno se suministre a dicha pila de celdas de combustible, se mezcla agua y/o vapor con él para cambiar el elemento de monóxido de carbono producido a dióxido de carbono e hidrógeno. [0012] Preferiblemente, se introduce el agua y/o vapor en dicho reformador de CPOX para proporcionar un reformado auto-térmico (ATR por sus siglas en inglés) . [0013] En una disposición de acuerdo con la invención, el reformador de CPOX está corriente arriba del reformador de vapor, y el gas que contiene hidrógeno, antes de ser suministrado a dicha pila de celdas de combustible, se pasa a través de la cámara catalítica de dicho reformador de vapor. Se puede proporcionar un reformador ATR en línea entre el reformador de vapor y la pila de celdas de combustible con un suministro de inyección de vapor entre el CPOX y el reformador de vapor. [0014] En otra disposición de acuerdo con la invención, el SR y el CPOX... [Seguir leyendo]

1. Un método de reformado de combustible de hidrocarburo para el suministro en arranque a una pila de celdas de combustible de óxido sólido que comprende al menos una celda de combustible, el método que consiste en:

suministrar un reformador de vapor (SR) que define una cámara catalitica que contiene un catalizador, con dicho combustible de hidrocarburo y una cantidad sub-estequiométrica de oxigeno junto a un gas que contiene oxigeno, para llevar a cabo una oxidación parcial (reacción de CPOX) de dicho combustible de hidrocarburo en dicho catalizador de SR para producir un gas que contiene hidrógeno, suministrar dicho gas que contiene hidrógeno al lado del ánodo de dicha pila de celdas de combustible donde inicialmente no reacciona en la pila de celdas de combustible frio, pero dejando parte de su calor, y de ahi a un quemador en el cual dicho gas que contiene hidrógeno se quema en un suministro de gas que contiene oxigeno: usando el gas caliente producido para calentar dicho SR hasta temperatura de funcionamiento, con lo cual cuando dicho SR y pila de celdas de combustible está a temperatura de funcionamiento, cerrar dicho suministro de gas que contiene oxigeno a dicho SR y suministrarle agua y/o vapor de agua para producir un combustible rico en hidrógeno, y suministrándolo con agua y/o vapor para producir un combustible rico en hidrógeno y suministrar dicho combustible al lado del ánodo de dicha pila de celdas de combustible, y en el cual dicho suministro de gas que contiene oxigeno a dicho quemador se suministra desde el lado del cátodo de dicha pila de celdas de combustible.

2. Un método de reformado de combustible de hidrocarburo para el suministro a una pila de celdas de combustible de óxido sólido como se reivindica en la reivindicación 1, en el cual el calor residual de dicha pila de celdas de combustible se suministra a dicho SR para mantener dicha temperatura de funcionamiento de SR.

3. Un método de reformado de combustible de hidrocarburo para el suministro a una pila de celdas de combustible en arranque como se reivindica en la reivindicación 1, en el cual se proporciona un medio suplementario de calentamiento de dicho catalizador de SR en arranque para ayudarlo a alcanzar la temperatura de funcionamiento del catalizador de SR.

4. Un método de reformado de hidrocarburo para el suministro a una pila de celdas de combustible en arranque como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual, antes de que dicho gas que contiene hidrógeno se suministre a

dicha pila de celdas de combustible, se mezcla agua y/o vapor con el mismo para proporcionar un reformado con vapor parcial del combustible de hidrocarburo y, de ese modo, cambiar monóxido de carbono yagua/vapor en dióxido de carbono e hidrógeno.

5. Un método de reformado de combustible de hidrocarburo para el suministro a una pila de celdas de combustible en arranque como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 2-4, en el cual dicho gas que contiene hidrógeno, antes de que se suministre a dicha pila de celdas de combustible, se pasa a través de dicha cámara catalítica de dicho reformador de vapor.

6. Un método de reformado de combustible de hidrocarburo para el suministro a una pila de celdas de combustible de óxido sólido en arranque como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el cual dicho SR define un lado de intercambio de calor, y se utiliza efluente de gas de dicho lado de intercambio de calor de dicho SR para calentar un generador de vapor para la producción de vapor suministrada a dicho SR y utilizada en el reformado con vapor.

7. Un método de reformado de combustible de hidrocarburo para el suministro a una pila de celdas de combustible de óxido sólido en arranque como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en el cual dicho quemador está integrado en dicho reformador de vapor.

Fig. 1

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Fig. 7b

Fig.8