Sistema de suministro de materia prima de alimentación auto-regulado y ensamble de procesamiento de combustible generador de hidrógeno que incorpora el mismo.

Un ensamble de procesamiento de combustible que produce hidrógeno,

que comprende:

una región productora de hidrógeno (19) adaptada para recibir al menos una corriente de alimentación (16) que contiene al menos una materia prima de alimentación que contiene carbono y producir una corriente de gas mezclada (20) que contiene gas de hidrógeno como un componente mayoritario de ahí; y

una materia prima de alimentación (22) adaptada para suministrar la corriente de alimentación (16) que contiene al menos una materia prima de alimentación que contiene carbono a la región productora de hidrógeno (19) del ensamble de procesamiento de combustible, en donde la materia prima de alimentación (22) está en comunicación con un suministro líquido que contiene la materia prima de alimentación que contiene carbono, en donde la materia prima de alimentación comprende:

un ensamble de bomba (100) adaptado para extraer del suministro líquido (112) una corriente de entrada líquida (110) que contiene al menos la materia prima de alimentación que contiene carbono y emitir una corriente de salida líquida (116);

un conducto de salida (132) en comunicación continua con un conducto de suministro (134) y con un conducto de reciclado (136), en donde el conducto de suministro (134) está en comunicación continua con la región productora de hidrógeno (19) del ensamble de procesamiento de combustible productor de hidrógeno, y el conducto de reciclado (136) está en comunicación continua con al menos uno del suministro líquido (112) y un conducto de entrada (130) a través del cual la corriente de entrada líquida se extrae al ensamble de bomba; el conducto de salida (132) se adapta para recibir la corriente de salida líquida y para definir un trayectoria de flujo para la corriente de salida líquida al conducto de suministro (134) y al conducto de reciclado (136);

un limitador de flujo (140) adaptado para crear contrapresión en el conducto de reciclado (136); y

una válvula accionada por presión (150) adaptada para permitir selectivamente que el líquido en el conducto de reciclado se derive al limitador de flujo (140).

Sistema de suministro de materia prima de alimentación auto-regulado y ensamble de procesamiento de combustible generador de hidrógeno que incorpora el mismo 5

Campo de la descripción

La presente descripción se relaciona generalmente con ensambles de procesamiento de combustible de producción de hidrógeno y sistemas de celda de combustible, y más particularmente con sistemas de suministro de materia prima de alimentación para los mismos. 10

Antecedentes de la descripción

El gas de hidrógeno purificado se usa en la fabricación de muchos productos que incluyen metales, grasas y aceites comestibles, y semiconductores y componentes microelectrónicos. El hidrógeno purificado es además una fuente de 15 combustible importante para muchos dispositivos de conversión de energía. Por ejemplo, muchas celdas de combustible usan hidrógeno purificado y un oxidante para producir un potencial eléctrico. Una serie de celdas de combustibles interconectadas se refieren como una apilado de celdas de combustible, y este apilado puede referirse como un sistema de celda de combustible cuando se combina con fuentes de oxidantes y gas de hidrógeno. Varios procesos y dispositivos pueden usarse para producir el gas de hidrógeno que se consume por las celdas de combustible. 20

Un ensamble de procesamiento de combustible de producción de hidrógeno es un ensamble de uno o más dispositivos o componentes que incluye un procesador de combustible con una región productora de hidrógeno que está adaptada para convertir una o más materia prima de alimentación en una corriente de producto que contiene el gas de hidrógeno como un componente mayoritario. En operación, la región productora de hidrógeno se opera típicamente a una 25 temperatura y presión elevada y contiene un catalizador adecuado para producir al menos gas de hidrógeno a partir de las materia prima de alimentación suministradas a esta. La composición, régimen de flujo, y propiedades de la (s) materia (s) prima (s) suministrada a la región que produce hidrógeno puede afectar el desempeño del ensamble de generación de hidrógeno. El gas de hidrógeno producido se puede usar en una variedad de aplicaciones. Una de tales aplicaciones es la producción de energía, tal como en celdas de combustible electroquímicas. Una celda de combustible 30 electroquímica es un dispositivo que convierte un combustible y un oxidante en electricidad, un producto de reacción, y calor. Por ejemplo, las celdas de combustible pueden convertir los gases hidrógeno y oxígeno en agua y electricidad. En tales celdas de combustible, el gas de hidrógeno es el combustible, el gas oxígeno es el oxidante, y el agua es el producto de reacción.

35 Las celdas de combustible típicamente se acoplan juntas para formar un apilado de celdas de combustible . Un sistema de celda de combustible que produce hidrógeno es un sistema que incluye un ensamble de procesamiento de producción de hidrógeno que se adapta para producir gas de hidrógeno y un apilado de celdas de combustible que se adapta para recibir gas de hidrógeno producido por el ensamble de procesamiento de combustible y para generar una corriente eléctrica de ahí. Cuando el régimen de flujo del gas de hidrógeno al apilado de celdas de combustible se afecta 40 por el régimen de flujo de la materia prima de alimentación a la región productora de hidrógeno del ensamble de generación de hidrógeno, esto puede afectar el desempeño del apilado de celdas de combustible y/o su capacidad para satisfacer una carga aplicada a ella. En consecuencia, los ensambles que procesan combustible que producen hidrógeno y los sistemas de celdas de combustible que producen hidrógeno típicamente incluirán varios controles que regulen el flujo de materia prima de alimentación a la región donde se produce hidrógeno. 45

US2003192251 describe un reformador de vapor que produce gas de hidrógeno a partir de agua y una materia prima de alimentación que contiene carbono, tal como un alcohol o un hidrocarburo. El reformador de vapor incluye una región productora de hidrógeno, en la cual una corriente de gas mezclada que contiene gas de hidrógeno y otros gases se produce a partir de agua y una materia prima de alimentación que contiene carbono. El reformador de vapor incluye una 50 región de separación, en la cual la corriente de gas mezclada se separa en una corriente rica en hidrógeno que contiene al menos gas de hidrógeno sustancialmente puro, y una corriente de subproducto que contiene al menos una porción sustancial de otros gases.

WO01/12539 describe un ensamble de procesamiento de combustible (10) para producir gas de hidrógeno (18) a partir 55 de la materia prima de alimentación volátil (14) . El ensamble de procesamiento de combustible (10) incluye un procesador de combustible (16) , tal como un reformador de vapor. El ensamble de procesamiento de combustible (10) incluye además un ensamble de alimentación (12) para suministrar una materia prima de alimentación volátil (14) , tal como propano, al procesador de combustible (16) .

60 WO03/002244 describe un aparato de mezclado de la materia prima de alimentación (10) para los sistemas de procesamiento de combustible (11) , y sistemas de procesamiento de combustible y celdas de combustible (11) que incorporan el mismo. Un sistema de procesamiento de combustible (11) de acuerdo con esta descripción incluye uno o más procesadores de combustible (12) adaptados para producir una corriente de hidrógeno producto (14) de una corriente de alimentación (16) que contiene agua (20) y una materia prima de alimentación que contiene carbono (18) . 65

El sistema de procesamiento de combustible (11) incluye además una materia prima de alimentación (26) adaptada para mezclar los componentes de la corriente de alimentación (16) en una relación de mezcla determinada y para suministrar esta corriente de alimentación (16) al procesador de combustible (s) (12) . El sistema de procesamiento de combustible (11) puede incluir además uno o más apilados de celda de combustible (22) que se adaptan para producir una corriente eléctrica a partir de la corriente de hidrógeno producto (14) producida por el sistema de procesamiento de combustible 5 (11) .

Breve descripción de los dibujos

La Fig. 1 es un diagrama esquemático de un ensamble de procesamiento de combustible con una materia prima de 10 alimentación de acuerdo con la presente descripción.

La Fig. 2 es un diagrama esquemático de un sistema de suministro de materia prima de alimentación de acuerdo con la presente descripción.

La Fig. 3 es un diagrama esquemático de otro sistema de suministro de materia prima de alimentación de acuerdo con la presente descripción. 15

La Fig. 4 es un diagrama esquemático de otro sistema de suministro de materia prima de alimentación de acuerdo con la presente descripción.

La Fig. 5 es un gráfico que representa los resultados de un experimento que se realiza mediante el uso del sistema de suministro de materia prima de alimentación de la Fig. 4.

La Fig. 6 es un diagrama esquemático de un sistema de celda de combustible con un materia prima de alimentación 20 de acuerdo con la presente descripción.

La Fig. 7 es un diagrama esquemático de otro ensamble de procesamiento de combustible con una materia prima de alimentación de acuerdo con la presente descripción.

La Fig. 8 es una vista esquemática de otro ejemplo de un ensamble de procesamiento de combustible que puede usarse con sistemas de suministro de materia prima de acuerdo con la presente descripción. 25

La Fig. 9 es una vista esquemática de un ensamble de procesamiento de combustible de acuerdo con la presente descripción en el cual la región productora de hidrógeno y la materia prima de alimentación reciben la misma materia prima de alimentación líquida que contiene carbono.

La Fig. 10 es una vista esquemática que muestra una variación del ensamble de procesamiento de combustible de la Fig. 9, donde la materia prima de alimentación que contiene carbono se suministra a la región productora de 30 hidrógeno y al ensamble del quemador desde la misma corriente de suministro.

Las Fig. 11 es una vista esquemática de un ensamble de procesamiento de combustible de acuerdo con la presente descripción en la que la región productora de hidrógeno y el ensamble del quemador reciben ambas corrientes combustible, o alimentación, que contienen agua y una materia prima de alimentación líquida que contienen carbono. 35

La Fig. 12 es una vista esquemática que muestra una variación del ensamble de procesamiento de combustible de la Fig. 11, donde la región productora de hidrógeno y el ensamble del quemador reciben... [Seguir leyendo]

1. Un ensamble de procesamiento de combustible que produce hidrógeno, que comprende:

una región productora de hidrógeno (19) adaptada para recibir al menos una corriente de alimentación (16) 5 que contiene al menos una materia prima de alimentación que contiene carbono y producir una corriente de gas mezclada (20) que contiene gas de hidrógeno como un componente mayoritario de ahí; y una materia prima de alimentación (22) adaptada para suministrar la corriente de alimentación (16) que contiene al menos una materia prima de alimentación que contiene carbono a la región productora de hidrógeno (19) del ensamble de procesamiento de combustible, en donde la materia prima de alimentación 10 (22) está en comunicación con un suministro líquido que contiene la materia prima de alimentación que contiene carbono, en donde la materia prima de alimentación comprende:

un ensamble de bomba (100) adaptado para extraer del suministro líquido (112) una corriente de entrada líquida (110) que contiene al menos la materia prima de alimentación que contiene carbono y emitir una 15 corriente de salida líquida (116) ;

un conducto de salida (132) en comunicación continua con un conducto de suministro (134) y con un conducto de reciclado (136) , en donde el conducto de suministro (134) está en comunicación continua con la región productora de hidrógeno (19) del ensamble de procesamiento de combustible productor de hidrógeno, y el conducto de reciclado (136) está en comunicación continua con al menos uno del 20 suministro líquido (112) y un conducto de entrada (130) a través del cual la corriente de entrada líquida se extrae al ensamble de bomba; el conducto de salida (132) se adapta para recibir la corriente de salida líquida y para definir un trayectoria de flujo para la corriente de salida líquida al conducto de suministro (134) y al conducto de reciclado (136) ;

un limitador de flujo (140) adaptado para crear contrapresión en el conducto de reciclado (136) ; y 25

una válvula accionada por presión (150) adaptada para permitir selectivamente que el líquido en el conducto de reciclado se derive al limitador de flujo (140) .

2. El ensamble de procesamiento de combustible que produce hidrógeno de la reivindicación 1, en donde la válvula accionada por presión (150) está en comunicación continua con un conducto de derivación (152) que se extiende 30 en comunicación continua con porciones del conducto de reciclado (136) corriente arriba y corriente abajo del limitador de flujo (140) , en donde la válvula accionada por presión (150) se adapta para ser selectivamente configurada entre una configuración cerrada, en la cual la válvula accionada por presión (150) restringe el flujo de la corriente de salida líquida a través del conducto de derivación (152) , y una configuración de accionamiento, en la cual la válvula accionada por presión permite el flujo de la corriente de salida líquida a través del conducto de 35 derivación (152) , y en donde además la válvula accionada por presión es girada hacia la configuración cerrada.

3. El ensamble de procesamiento de combustible que produce hidrógeno de la reivindicación 2, en donde la válvula accionada por presión (150) se adapta para la transición a la configuración de accionamiento cuando la presión de la corriente de salida líquida en el conducto de reciclado (136) corriente arriba del limitador de flujo (140) excede 40 una presión de reciclado umbral.

4. El ensamble de combustible que produce hidrógeno de la reivindicación 2, en donde la válvula accionada por presión (150) incluye una miembro de válvula (156) y un mecanismo de giro (158) que se adapta para desviar la válvula desde su configuración de accionamiento a su configuración cerrada, el mecanismo de giro (158) se adapta 45 para ejercer una fuerza de fuerza de giro que se corresponde con una presión de reciclado umbral a la que la presión del líquido aplicado contra el mecanismo de giro (158) es suficiente para superar la fuerza ejercida por el mecanismo de giro (158) .

5. El ensamble de combustible que produce hidrógeno de la reivindicación 2, en donde la válvula accionada por 50 presión (150) incluye un miembro de válvula (156) y un mecanismo de giro (158) que se adapta para desviar la válvula desde su configuración de accionamiento a su configuración cerrada, el mecanismo de giro (158) se adapta para ejercer una fuerza de giro que se corresponde con una presión de suministro umbral a la que la presión del líquido aplicado contra el mecanismo de giro (158) es suficiente para superar la fuerza ejercida por el mecanismo de giro (158) . 55

6. El ensamble de procesamiento de combustible que produce hidrógeno de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el limitador de flujo incluye un orificio restrictivo (142) .

7. El ensamble de procesamiento de combustible que produce hidrógeno de cualquiera de las reivindicaciones 60 precedentes, en donde la corriente de alimentación contiene agua y la materia prima de alimentación que contiene carbono, y opcionalmente en donde el suministro contiene agua y la materia prima de alimentación que contiene carbono.

8. El ensamble de procesamiento de combustible que produce hidrógeno de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la región productora de hidrógeno se adapta para recibir hasta un régimen de flujo umbral de la corriente de salida líquida a través del conducto de suministro, y en donde además, el ensamble de bomba se adapta para emitir una corriente de salida líquida que tiene un régimen de flujo mayor que el régimen de flujo umbral. 5

9. El ensamble de procesamiento de combustible que produce hidrógeno de la reivindicación 8, en donde cuando la región productora de hidrógeno recibe una porción de la corriente de salida líquida y produce gas de hidrógeno de ahí, el ensamble de bomba se adapta para emitir un régimen de flujo de la corriente de salida líquida que excede el régimen de flujo umbral. 10

10. El ensamble de procesamiento de combustible que produce hidrógeno de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el ensamble de bomba incluye una bomba de una sola velocidad.

11. El ensamble de procesamiento de combustible que produce hidrógeno de cualquiera de las reivindicaciones 15 precedentes, en donde el conducto de reciclado (136) está en comunicación continua con el suministro (112) .

12. El ensamble de procesamiento de combustible que produce hidrógeno de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la materia prima de alimentación (22) se adapta para proporcionar una corriente de alimentación (16) que tiene al menos una presión sustancialmente constante y un régimen de flujo variable. 20

13. El ensamble de procesamiento de combustible que produce hidrógeno de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el limitador de flujo es un primer limitador de flujo (140') , y en donde además la materia prima de alimentación incluye adicionalmente un segundo limitador de flujo (140") adaptado para crear contrapresión en el conducto de reciclado, en donde el primer y segundo limitadores de flujo se adaptan para crear 25 diferentes niveles de contrapresión en el conducto de reciclado.

14. El ensamble de procesamiento de combustible que produce hidrógeno de la reivindicación 13, en donde el primer limitador de flujo (140') y el segundo limitador de flujo (140") son orificios restrictivos que tienen aberturas de diferente tamaño. 30

15. El ensamble de procesamiento de combustible que produce hidrógeno de la reivindicación 13 o 14, en donde el conducto de suministro es un primer conducto de suministro (134') , en donde el conducto de salida (132) está en comunicación continua con el primer conducto de suministro (134') , el conducto de reciclado (136) , y un segundo conducto de suministro (134") , en donde el segundo conducto de suministro (134") está en comunicación continua 35 con la región productora de hidrógeno (19) del ensamble de procesamiento de combustible que produce hidrógeno, en donde el conducto de salida (132) se adapta para recibir la corriente de salida líquida y para definir una trayectoria de flujo para la corriente de salida líquida al primer conducto de suministro (134') , el segundo conducto de suministro (134") , y la corriente de reciclado, y en donde además el segundo limitador de flujo (140") se adapta para restringir el régimen de flujo de líquido a través del segundo conducto de suministro (134") , y opcionalmente 40 en donde el primer y el segundo conducto de suministro definen regímenes de flujo diferentes de la corriente de salida líquida a través de estos.

16. El ensamble de procesamiento de combustible que produce hidrógeno de la reivindicación 15, en donde la materia prima de alimentación incluye un ensamble de válvula (170) adaptado para evitar selectivamente que una porción 45 de la corriente de salida líquida fluya a través del primer conducto de suministro (134') o el segundo conducto de suministro (134") .

17. Un método para suministrar materia prima de alimentación a un sistema de celdas de combustible que produce hidrógeno que incluye al menos una región productora de hidrógeno (19) adaptada para producir una corriente (20) 50 que contiene gas de hidrógeno a partir de al menos una materia prima de alimentación, y un apilado de celdas de combustible (40) adaptado para producir una potencia de salida de un oxidante y gas de hidrógeno producido en la región productora de hidrógeno, el método comprende:

extraer una corriente de líquido (110) de un suministro (112) que contiene al menos una materia prima de 55 alimentación que contiene carbono para la región productora de hidrógeno (19) de un sistema de celdas de combustible que produce hidrógeno;

bombear un flujo de la corriente de líquido a través de un conducto de salida (132) que está en comunicación continua con un conducto de suministro (134) y una primera porción de un conducto de reciclado (136) , en donde el conducto de suministro (134) está en comunicación continua con la región productora de hidrógeno 60 (19) del sistema de celdas de combustible que produce hidrógeno, en donde el conducto de reciclado (136) se adapta para proporcionar una trayectoria de flujo para retornar la corriente de líquido a al menos uno del suministro (112) y un lugar corriente arriba de un mecanismo de suministro (102) que se adapta para impulsar la corriente de líquido al conducto de salida, y en donde además la etapa de bombeo produce un flujo de la corriente de líquido que excede la capacidad del conducto de suministro (134) , con una porción en exceso del flujo que fluye en el conducto de reciclado (136) ;

regular la distribución del flujo entre el conducto de suministro y el conducto de reciclado, en donde la regulación incluye crear contrapresión en el conducto de reciclado con un limitador de flujo (140) que separa el conducto de reciclado en al menos una primera porción que se extiende entre el conducto de salida y el 5 limitador de flujo y una segunda porción que se extiende desde el limitador de flujo, en donde la regulación incluye además permitir selectivamente que la porción en exceso de flujo se derive al limitador de flujo (140) fluyendo a través de un conducto de derivación (152) en comunicación continua con las porciones del conducto de reciclado (136) corriente arriba y corriente abajo del limitador de flujo (140) ;

recibir al menos una porción del flujo en el conducto de suministro (134) en la región productora de hidrógeno 10 y producir una corriente que contiene gas de hidrógeno de ahí; y producir una potencia de salida eléctrica de un oxidante y al menos una porción de la corriente que contiene gas de hidrógeno.

18. El método de la reivindicación 17, en donde el método incluye regular automáticamente la distribución del régimen 15 de flujo entre el conducto de suministro (134) y el conducto de reciclado (136) .

19. El método de la reivindicación 17 o 18, en donde permitir selectivamente incluye restringir que la corriente de líquido fluya a través del conducto de derivación hasta que la presión del flujo exceda una presión de reciclado umbral.

20. El método de la reivindicación 19, en donde la presión de reciclado umbral es menor que una presión de suministro umbral para la porción del flujo que se suministra a la región productora de hidrógeno.

21. El método de la reivindicación 19, en donde permitir selectivamente incluye permitir el flujo de la corriente de líquido a través del conducto de derivación al menos hasta que la presión del flujo sea menor que la presión de reciclado 25 umbral y después de eso restringir adicionalmente el flujo de la corriente de líquido a través del conducto de derivación.

22. El método de cualquiera de las reivindicaciones 17 a 21, en donde permitir selectivamente incluye utilizar una válvula accionada por presión (150) que está adaptada para configurarse selectivamente entre una configuración 30 cerrada, en la cual la válvula accionada por presión restringe el flujo a través del conducto de derivación (152) , y una configuración de accionamiento, en la que la válvula accionada por presión permite el flujo de la porción en exceso a través del conducto de derivación (152) , y en donde además la válvula accionada por presión se gira a la configuración cerrada, y opcionalmente en donde la válvula accionada por presión se adapta para transitar a la configuración de accionamiento cuando la presión del flujo excede una presión de reciclado umbral. 35

23. El método de cualquiera de las reivindicaciones 17 a 22, en donde el limitador de flujo incluye un orificio restrictivo (142) .

24. El método de cualquiera de las reivindicaciones 17 a 23, en donde la región productora de hidrógeno se adapta 40 para recibir hasta una porción umbral del flujo que es menor de 100% del flujo.

25. El método de cualquiera de las reivindicaciones 17 a 24, en donde el conducto de suministro incluye un primer conducto de suministro (134') , en donde el limitador de flujo es un primer limitador de flujo (140') , y en donde además la regulación incluye regular la distribución del flujo entre el primer conducto de suministro (134') y el 45 conducto de reciclado (136) , en donde la regulación incluye crear contrapresión en el conducto de reciclado con el primer limitador de flujo (140') , en donde el conducto de suministro incluye además un segundo conducto de suministro (134") y en donde la regulación incluye además crear contrapresión en el segundo conducto de suministro (134") con un segundo limitador de flujo (140") en el segundo conducto de suministro (134") , y en donde la regulación incluye además permitir selectivamente que la porción en exceso del flujo se derive al primer limitador 50 de flujo (140') fluyendo a través de un conducto de derivación en comunicación continua con el conducto de reciclado corriente arriba y corriente abajo del primer limitador de flujo.

26. El método de la reivindicación 25, en donde el primer limitador de flujo (140') y el segundo limitador de flujo (140') se adaptan para crear diferentes niveles de contrapresión y para definir diferentes regímenes de flujo de líquido a 55 través de este.

27. El método de cualquiera de las reivindicaciones 17 a 26, en donde el bombeo incluye bombear la corriente de líquido a un régimen de flujo prácticamente constante.

28. El método de cualquiera de las reivindicaciones 17 a 27, en donde al menos una de las corrientes de líquido contiene agua y la materia prima de alimentación que contiene carbono, la región productora de hidrógeno (19) incluye un catalizador de reformación que se adapta para producir una corriente de gas mezclada que contiene gas de hidrógeno y otros gases, y opcionalmente el método incluye además eliminar al menos una porción de otros gases de la corriente de gas mezclada. 65