Sistema de producción de hidrógeno para un dispositivo embarcado,

que comprende un sistema de regeneración del material consumido por la producción de hidrógeno, siendo dicho material un óxido poroso, ventajosamente mesoporoso.

Sistema autónomo de producción de hidrógeno para un sistema embarcado ÁMBITO DE LA PRESENTE INVENCIÓN

La presente invención se refiere a sistemas embarcados cuya propulsión está asegurada gracias al hidrógeno.

De modo más concreto propone un sistema autónomo de producción de hidrógeno in situ, empleando un material M regenerable.

ESTADO TÉCNICO ANTERIOR

El hidrógeno (H2) está considerado hoy en día como el vector energético del futuro, especialmente idóneo para propulsar sistemas embarcados (transporte, maquinaria de construcción, …) , en sustitución de los carburantes fósiles.

Por tanto debería permitir:

• hacer frente a la escasez de combustibles fósiles;

• no emitir CO2 al usarlo para propulsar sistemas embarcados, y reducir así el impacto de las actividades humanas sobre el cambio climático;

• no emitir contaminantes al usarlo para propulsar sistemas embarcados mediante una batería de combustible y reducir así el impacto en la salud, particularmente en las zonas de gran concentración humana;

• disminuir fuertemente las molestias sonoras, gracias a su utilización para propulsar sistemas embarcados mediante una batería de combustible.

No obstante, y en particular para los sistemas embarcados, el recurso a este vector energético choca contra cierto número de dificultades de distinta naturaleza:

Aunque el hidrógeno es muy abundante, no es un recurso directamente disponible: está unido a otros elementos químicos formando diversas moléculas, en general muy estables, como el agua, el gas natural, …Por consiguiente hay que producirlo a partir de estas moléculas, siguiendo diversos procedimientos. Los procesos más empleados son la reformación de combustibles fósiles y la electrolisis del agua.

Por otro lado, en el marco de su utilización como vector de propulsión de sistemas embarcados, las estrategias aplicadas o contempladas actualmente consisten en producir el hidrógeno ex situ, transportarlo, distribuirlo mediante infraestructuras dedicadas, almacenarlo en depósitos embarcados y convertirlo en energía eléctrica mediante una batería de combustible o directamente en energía mecánica por combustión interna. Estas diferentes operaciones tienen las siguientes restricciones: - la producción realizada básicamente por reformación de combustibles fósiles con emisión de CO2 no obvia el problema de emisión de gases de efecto invernadero (GEI) ; - el transporte y la distribución requieren la puesta en marcha de infraestructuras que representan una inversión muy importante. Asimismo se plantea el problema de la reglamentación, todavía no resuelta, y de la seguridad relativa al hidrógeno; - el almacenamiento embarcado, teniendo en cuenta la baja densidad volumétrica del hidrógeno, también es muy estricto. Las soluciones contempladas plantean problemas de seguridad (alta presión) o complejidad (hidruros) .

Por tanto hay una necesidad evidente de desarrollar soluciones simplificadas que permitan usar el hidrógeno como vector de propulsión de sistemas embarcados.

En el estado técnico anterior ya se han propuesto, desde luego, distintos sistemas de producción embarcada de hidrógeno:

Así el documento US 2005/0089735 describe un depósito de almacenamiento de hidruros acoplado a una batería de combustible (BDC) y a una bomba de calor (BDC) . Sin embargo este depósito, una vez agotado el hidrógeno almacenado en forma de hidruros, debe rellenarse con hidrógeno, lo cual implica disponer de infraestructuras pesadas de producción, de distribución y de almacenamiento del hidrógeno.

También se ha propuesto explotar la reacción química con una sal de la familia de los borohidruros o sus derivados. Por desgracia esta reacción es irreversible o muy difícilmente reversible y requiere el cambio de reactivo después del consumo.

En ambos casos el depósito consume su combustible y hay que reabastecerlo regularmente.

También se ha contemplado la electrolisis del agua, en particular mediante el electrolizador PEM ("membrana de intercambio protónico") . En este caso puede funcionarse efectivamente sin aporte de materia externa, compensando el agua utilizada por el electrolizador con la producida por la batería de combustible. Sin embargo el balance energético es desfavorable.

Por otro lado existen electrolizadores alimentados por paneles solares o turbinas eólicas. Sin embargo la energía producida es intermitente e insuficiente para propulsar un sistema embarcado.

También se ha propuesto la reformación interna de combustibles fósiles o de biocarburantes, pero este proceso da lugar a impurezas y contaminantes.

Cambiando de orientación, para disponer de una fuente de producción de hidrógeno que no consuma ninguna materia aparte del agua y que no arroje contaminantes, las investigaciones se han concentrado en los ciclos termoquímicos del agua, cuya reacción global se representa así:

H2O ⇔H2 + ½ O2

Esta reacción es energéticamente muy deficitaria, es decir endotérmica, y para la disociación directa necesita unas temperaturas muy elevadas, superiores a 2000ºC.

Los ciclos termoquímicos del agua, donde intervienen varias reacciones químicas, pretenden bajar esta temperatura a un nivel compatible con el de las fuentes de calor disponibles.

Así el DOE ("Departamento de energía") americano ha publicado una base de referencia de más de 200 ciclos termoquímicos, a partir de la cual se ha iniciado la mayoría de investigaciones. Las fuentes de calor contempladas para estos ciclos son de tipo nuclear, solar de alta temperatura o geotérmico. También se ha descrito otros ciclos que funcionan a temperaturas tan bajas como 500ºC, tales como los ciclos Cu-Cl, RbI, KBi. Sin embargo se trata de ciclos complejos cuya realización es poco compatible con una aplicación embarcada.

La patente WO 2006/108769 divulga un reactor para la producción casi continua de hidrógeno, poniendo en contacto vapor de agua con un óxido metálico y regenerando luego este óxido.

Entre el conjunto de soluciones técnicas expuestas la presente invención se inspira en el sistema descrito en el documento US 2005/089735, superando las dificultades relacionadas con la tecnología descrita en este documento.

EXPOSICIÓN DE LA PRESENTE INVENCIÓN

Así pues, la presente invención propone una producción embarcada de hidrógeno, adaptada al perfil de carga según necesidad y al acoplamiento de esta producción con su conversión en energía eléctrica y/o mecánica mediante una batería de combustible o un motor de combustión.

Según ciertas formas de ejecución el conjunto se encuentra en un sistema que no necesita ningún aporte externo de materia ni de electricidad. En este caso la presente invención se refiere a un sistema embarcado que funciona sin otro aporte de materia y energía que las extraídas del entorno circundante mediante una bomba de calor.

De modo más general y según su principio la presente invención se refiere a un sistema de producción de hidrógeno a partir de un material, que comprende un compartimento destinado a regenerar el material usado, gracias a un aporte de energía.

Así, conforme a un primer aspecto, la presente invención se refiere a un sistema de producción o generación de hidrógeno a partir de un material M que sirve de reactivo. Dicho sistema comprende un sistema de regeneración del material M consumido por la producción de hidrógeno en un dispositivo embarcado.

El material M es un óxido que forma un compuesto al menos binario con el oxígeno.

De manera característica el óxido se presenta en forma de material poroso.

Por definición, un material poroso se caracteriza por una porosidad abierta que permite la difusión de fluidos a través de él y por una gran superficie específica total o BET. Según la presente invención, para incrementar la cinética de producción de H2 y de O2 se emplean materiales de óxidos porosos de gran superficie específica, ventajosamente superior o igual a 50 m2/g, que puede llegar incluso a 1500 m2/g.

De manera ventajosa el óxido empleado en el marco de la presente invención es un material mesoporoso, definido como aquél que posee una porosidad comprendida entre 2 y 50 nanómetros según la norma IUPAC.

Las... [Seguir leyendo]

1. Sistema de producción de hidrógeno para un dispositivo embarcado, que comprende un sistema de regeneración del material consumido por la producción de hidrógeno, siendo dicho material un óxido poroso, ventajosamente mesoporoso.

2. Sistema de producción de hidrógeno según la reivindicación 1, caracterizado porque el material presenta dos formas de óxidos de valencia distinta.

3. Sistema de producción de hidrógeno según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el material se escoge del grupo constituido por los óxidos de vanadio (V) , de cerio (Ce) , de titanio (Ti) , de manganeso (Mn) , de cobalto (Co) , de antimonio (Sb) , de molibdeno (Mo) y de estaño (Sn) .

4. Sistema de producción de hidrógeno según la reivindicación 3, caracterizado porque el material es la pareja V2O3/V2O4.

5. Sistema de producción de hidrógeno según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la superficie del material de óxido está recubierta de nanopartículas de un metal noble como el rodio (Rh) .

6. Sistema de producción de hidrógeno según una de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque la pareja de óxidos está dopada con cationes de valencia inferior.

7. Sistema de producción de hidrógeno según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el material de óxido presenta una superficie específica superior o igual a 50 m2/g.

8. Sistema de producción de hidrógeno según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende medios para extraer el hidrógeno producido y reintroducirlo en el sistema de regeneración.

9. Sistema de producción de hidrógeno según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sistema de regeneración es un intercambiador térmico.

10. Sistema de producción de hidrógeno según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende medios para mantener la presión en el sistema de regeneración a un valor inferior o igual a 0, 01 mbar.

11. Dispositivo embarcado que comprende un sistema de producción de hidrógeno según una de las reivindicaciones 1 a 10.

12. Dispositivo embarcado según la reivindicación 11, caracterizado porque comprende un depósito adecuado para almacenar todo o parte del hidrógeno producido.

13. Dispositivo embarcado según la reivindicación 11 o 12, caracterizado porque comprende además un sistema de conversión de hidrógeno, ventajosamente una batería de combustible o un motor de combustión acoplado ventajosamente a un generador eléctrico alimentado por el sistema de producción de hidrógeno.

14. Dispositivo embarcado según la reivindicación 13, caracterizado porque el motor de combustión está alimentado por un segundo carburante.

15. Dispositivo embarcado según una de las reivindicaciones 13 a 14, caracterizado porque el sistema de producción de hidrógeno y el sistema de conversión están unidos por un circuito termoportador en el cual circula un fluido termoportador.

16. Dispositivo embarcado según una de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado porque comprende además un dispositivo de aporte de energía a la regeneración.

17. Dispositivo embarcado según la reivindicación 16, caracterizado porque el dispositivo de aporte de energía sirve para aportar energía térmica, ventajosamente una bomba de calor.

18. Dispositivo embarcado según la reivindicación 16, caracterizado porque el dispositivo de aporte de energía sirve para aportar energía química, ventajosamente un depósito de hidrógeno.

19. Dispositivo embarcado según la reivindicación 16, caracterizado porque el dispositivo de aporte de energía sirve para aportar energía eléctrica, ventajosamente el sistema de conversión.

20. Dispositivo embarcado según una de las reivindicaciones 13 a 19, caracterizado porque el sistema de conversión alimenta una carga eléctrica y/o mecánica.

Circulación de fluido Agua Carga eléctrica o mecánica Conversión de H2 (BDC, combustión)

Producción de H2 M1 -M2

Regeneración M2 -M1 Producción de O2

Depósito de H2

Conexión eléctrica Bomba de calor o depósito de H2

Intercambio de calor

Figura 1

Carga mecánica carburante Conversión (motor térmico)

Figura 2