Sistema de pilas de combustible de un reformador.

Sistema de pilas de combustible de un reformador, con

- un reformador con un reactor de reformación (2) para transformar un fluido hidrocarbonado en un gas concontenido en hidrógeno;

y con

- al menos una pila de combustible (4) de PEM a alta temperatura con un recinto (5) de reacción del ánodopara transformar el hidrógeno contenido en el gas con contenido en hidrógeno, junto con oxígeno, en energíaeléctrica, calor y agua de producto, y con un recinto (6) de reacción del cátodo;en donde

- al recinto (6) de reacción del cátodo se puede aportar aire del entorno como aire de reacción;

- aguas arriba del recinto (5) de reacción del ánodo de la pila de combustible (4) de PEM a alta temperaturaestá previsto un dispositivo de refrigeración;

- el dispositivo de refrigeración presenta un intercambiador de calor (8); y en donde

- el gas con contenido en hidrógeno que sale del reactor de reformación (2) puede ser conducido al recinto(5) de reacción del ánodo a través del intercambiador de calor (8), y en donde

- el fluido hidrocarbonado presenta propano y/o butano, caracterizado por que

- la pila de combustible (4) puede ser atemperada mediante un medio de atemperación;

- el medio de atemperación de la pila de combustible (4) puede ser aprovechado también como agenterefrigerante para el intercambiador de calor (8), en donde el agente refrigerante aguas abajo del intercambiador decalor (8) puede ser aportado a la pila de combustible (4) como medio de atemperación, con el fin de atemperar lapila de combustible (4); y por que

- el medio de atemperación es un material portador de calor líquido o aire de refrigeración.

Sistema de pilas de combustible de un reformador

La invención se refiere a un sistema de pilas de combustible de un reformador según el preámbulo de la reivindicación 1.

Las pilas de combustible requieren para la generación de energía eléctrica y térmica como reaccionantes, hidrógeno y oxígeno (del aire) . Para la habilitación del hidrógeno o bien de un gas con contenido en hidrógeno se conocen diversos procedimientos de reformación tales como, p. ej., reformación con vapor, reformación autotérmica, oxidación parcial o craqueo, en los que el gas con contenido en hidrógeno puede ser generado mediante la transformación de hidrocarburos gaseosos y líquidos o bien alcoholes. Portadores de energía conocidos son, p. ej., metanol, etanol, Diesel, queroseno, JP-8, gas natural (metano) , propano o butano. Los procedimientos de reformación mencionados son la mayoría de las veces muy complejos y requieren de una complejidad elevada de aparatos y de técnicas de regulación. Por norma general, presentan una pluralidad de componentes individuales tales como reactores de reformación, etapas de conversión, etapas de purificación fina del gas (oxidación selectiva, metanización) , intercambiadores de calor y evaporadores.

En calidad de pilas de combustible se adecuan las así denominadas pilas de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEM – siglas en alemán) que, en función de la temperatura de trabajo, requieren una purificación más o menos compleja del gas con contenido en hidrógeno antes de su entrada en un recinto de reacción del ánodo de la pila de combustible. Mientras que en el caso de pilas de combustible de PEM a baja temperatura habituales (temperatura de trabajo 50 a 100ºC) en el gas de reformado con contenido en hidrógeno sólo se pueden tolerar porciones muy bajas de CO en el intervalo de dos cifras de ppm, las pilas de combustible de PEM a alta temperatura habituales (temperatura de trabajo 140 a 180ºC) están en condiciones de elaborar gas de reformado con contenido en hidrógeno con porciones de CO en un orden de magnitud de hasta 20.000 ppm.

A partir del documento US 2002/0182458 se conoce un sistema de reformador que está acoplado con una pila de combustible de PEM a alta temperatura. El gas con contenido en hidrógeno procedente del reformador recorre subsiguientemente una o varias etapas de purificación del gas (conversión a alta temperatura y a baja temperatura) antes de penetrar con una elevada porción de CO de 10.000 a 20.000 ppm en la pila de combustible de PEM a alta temperatura. En la pila de combustible, un catalizador especial que se diferencia del catalizador del ánodo habitual de la pila de combustible, procura una reducción catalítica adicional de la porción de CO a valores menores que 5.000 ppm.

Asimismo, se conocen pilas de combustible de óxido sólido a alta temperatura (SOFC – siglas en inglés) y pilas de combustible de carbonatos fundidos (MCFC – siglas en inglés) en las que hidrocarburos gaseosos y líquidos son utilizados para producir electricidad directamente o bien bajo previa conexión de una así denominada etapa de prereformación a temperaturas de 600 a 1000ºC y con la adición de oxígeno (del aire) . El inconveniente de estos sistemas son una escasa capacidad de ciclación térmica, elevados tiempos de calentamiento y refrigeración, así como elevados requisitos establecidos a los materiales empleados (juntas y placas dipolares) .

A partir del documento US 2007/0264543 A1 se conoce un sistema de pilas de combustible para reformadores, en el que un reformador genera a partir de un combustible líquido un gas con contenido en hidrógeno. El gas es conducido directamente a una pila de combustible sin ser previamente elaborado en un reactor de conversión.

En el documento EP 1 523 053 A2 se describe la estructura de una membrana de electrolito polimérico para pilas de combustible. Una membrana de este tipo ha de presentar una elevada tolerancia con respecto a impurezas por parte de monóxido de carbono.

A partir del documento DE 103 60 458 A1 se conoce un sistema de pilas de combustible con una pila de combustible y un reformador. Entre el reformador y la pila de combustible están dispuestos dos intercambiadores de calor que son calentados por el gas de reformado que circula desde el reformador hacia la pila de combustible. Los intercambiadores de calor son recorridos en contracorriente por el aire, el cual es calentado por el respectivo intercambiador de calor (y en este sentido sirve como agente refrigerante para el intercambiador de calor) y subsiguientemente es aportado al reformador o a la pila de combustible como aire de reacción para el abastecimiento de los procesos de reacción en el reformador o en la pila de combustible.

La invención se propone indicar un sistema y un procedimiento con el que se pueda reducir la complejidad de aparatos, ante todo en el caso del sistema del reformador y de la purificación del gas allí habitual.

El problema se resuelve de acuerdo con la invención mediante un sistema de pilas de combustible de un reformador con las características de la reivindicación 1, y un procedimiento según la reivindicación 6. Ejecuciones ventajosas están indicadas en las reivindicaciones dependientes.

Un sistema de pilas de combustible de un reformador presenta un reformador con un reactor de reformación para la transformación de un fluido hidrocarbonado (corriente de líquido o gas) en un gas con contenido en hidrógeno, así como al menos una pila de combustible de PEM a alta temperatura con un recinto de reacción en el ánodo para la transformación del hidrógeno contenido en el gas con contenido en hidrógeno, junto con oxígeno, en energía eléctrica, calor y agua del producto. Entre el reactor de reformación y el recinto de reacción del ánodo no está previsto, a diferencia del estado conocido de la técnica, dispositivo alguno para la purificación del gas, de modo que el gas con contenido en hidrógeno en el reactor de reformación puede ser conducido directamente, sin un dispositivo de purificación del gas intercalado, al recinto de reacción del ánodo.

De manera conocida, en este caso a partir de un depósito de reserva de combustible se puede generar con hidrocarburos gaseosos o líquidos o bien alcoholes -en función del proceso de reformación - bajo la aportación de vapor de agua y/o aire, un gas de reformado con contenido en hidrógeno que, como componentes esenciales, contiene hidrógeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono, vapor de agua y, eventualmente, nitrógeno (en caso de una reformación autotérmica u oxidación parcial) . En sistemas de pilas de combustible de reformador habituales, el gas de reformado con contenido en hidrógeno es conducido a través de una o varias etapas de purificación del gas tales como, p. ej., a través de etapas de conversión a alta temperatura o a baja temperatura, así como a través de etapas para la oxidación selectiva o metanización. La misión de esas etapas de purificación del gas es reducir el contenido en CO en el gas de reformado a un nivel adecuado para el tipo de pila de combustible respectiva, con el fin de alcanzar valores de comportamiento aceptables. En el caso de pilas de combustible de PEM a baja temperatura, la porción de CO debe reducirse a valores menores que 100 ppm. En el caso de pilas de combustible de PEM a alta temperatura, conforme al estado conocido de la técnica, los valores deben encontrarse por debajo de 20.000 ppm.

De acuerdo con la invención, ahora ya no se adapta el sistema del reformador con sus etapas de purificación del gas a la pila de combustible, sino que la pila de combustible, especialmente una pila de combustible de PEM a alta temperatura, se adapta al gas con contenido en hidrógeno generado por el reactor de reformación. Con ello se puede reducir claramente la complejidad de aparatos, de técnica del procedimiento y de técnica de regulación en el sistema del reformador. Para este fin, el gas de reformado con contenido en hidrógeno procedente del reactor de reformación es introducido directamente, es decir, sin la hasta ahora habitual purificación del gas – en todo caso sólo a través de un intercambiador de calor intercalado para reducir la temperatura del gas de reformado - en el recinto de reacción del ánodo de la pila de combustible de PEM a alta temperatura.

La porción de CO en el gas de reformado se encuentra, en función del procedimiento de reformación, después de abandonar el reactor de reformación, entre 3 y 25% en vol. Con el fin de alcanzar un funcionamiento reglamentario de la pila de combustible con valores de rendimiento aceptables, existen diferentes posibilidades de adaptar la pila de combustible de PEM a alta temperatura... [Seguir leyendo]

1. Sistema de pilas de combustible de un reformador, con -un reformador con un reactor de reformación (2) para transformar un fluido hidrocarbonado en un gas con contenido en hidrógeno; y con -al menos una pila de combustible (4) de PEM a alta temperatura con un recinto (5) de reacción del ánodo para transformar el hidrógeno contenido en el gas con contenido en hidrógeno, junto con oxígeno, en energía eléctrica, calor y agua de producto, y con un recinto (6) de reacción del cátodo; en donde -al recinto (6) de reacción del cátodo se puede aportar aire del entorno como aire de reacción; -aguas arriba del recinto (5) de reacción del ánodo de la pila de combustible (4) de PEM a alta temperatura está previsto un dispositivo de refrigeración; -el dispositivo de refrigeración presenta un intercambiador de calor (8) ; y en donde -el gas con contenido en hidrógeno que sale del reactor de reformación (2) puede ser conducido al recinto (5) de reacción del ánodo a través del intercambiador de calor (8) , y en donde -el fluido hidrocarbonado presenta propano y/o butano, caracterizado por que -la pila de combustible (4) puede ser atemperada mediante un medio de atemperación; -el medio de atemperación de la pila de combustible (4) puede ser aprovechado también como agente refrigerante para el intercambiador de calor (8) , en donde el agente refrigerante aguas abajo del intercambiador de calor (8) puede ser aportado a la pila de combustible (4) como medio de atemperación, con el fin de atemperar la pila de combustible (4) ; y por que -el medio de atemperación es un material portador de calor líquido o aire de refrigeración.

2. Sistema de pilas de combustible de un reformador según la reivindicación 1, caracterizado por que mediante el dispositivo de refrigeración (8) la pila de combustible (4) puede ser hecha funcionar en un intervalo de temperaturas entre 150 y 250ºC, en particular entre 190 y 250ºC.

3. Sistema de pilas de combustible de un reformador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que el intercambiador de calor (8) presenta un canal de guía de flujo para el gas con contenido en hidrógeno que fluye del reformador y, en isocorriente o en contracorriente con el anterior, un canal de guía de flujo para un agente refrigerante.

4. Sistema de pilas de combustible de un reformador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la pila de combustible (4) de PEM a alta temperatura presenta un dispositivo de aislamiento de modo que se puede alcanzar un funcionamiento casi isotérmico de la pila de combustible (4) con un gradiente de temperaturas de a lo sumo 10 K dentro de un apilamiento.

5. Sistema de pilas de combustible de un reformador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que -el reformador puede ser hecho funcionar con una mezcla a base de vapor de agua y propano y/o butano; y por que -el vapor de agua y propano y/o butano se pueden introducir en el reformador con una relación (relación S/C) mayor que 3.

6. Procedimiento para hacer funcionar un sistema de pilas de combustible de un reformador según una de las reivindicaciones precedentes, con las etapas: -transformar propano y/o butano en un gas con contenido en hidrógeno en un reactor de reformación (2) de un reformador; -guiado directo del gas con contenido en hidrógeno a un recinto (5) de reacción del ánodo de una pila de combustible (4) de PEM a alta temperatura sin someter al gas con contenido en hidrógeno a una purificación del gas; -producción de electricidad del gas con contenido en hidrógeno en la pila de combustible (4) junto con oxígeno aportado adicionalmente a la pila de combustible (4) que está contenido en un aire de reacción aportado a la pila de combustible; -refrigeración de un intercambiador de calor dispuesto aguas arriba del recinto (5) de reacción del ánodo con ayuda de un medio de atemperación que sirve para regular atemperar la pila de combustible (4) , siendo el medio de atemperación aire de refrigeración.