BR112019013872B1 - Processo e dispositivo para a geração de energia elétrica - Google Patents
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Abstract
um processo para a geração de energia elétrica por meio de um sistema de célula de combustível operado por gás reformado, com as seguintes etapas: preparação de um sistema de célula de combustível com um primeiro reator (r1) para a conversão de um combustível (b) em um primeiro gás de combustão (bg1) e com um segundo reator (r2) conectado depois do primeiro reator (r1) corrente abaixo, abrangendo uma célula de combustível envolvida por uma caixa de proteção (5) para a geração de energia elétrica, mediante a formação de um gás de exaustão de catodo (ka) e de um gás de exaustão de anodo (aa);preparação de um dispositivo de separação de gás (1),por meio do qual pelo menos um dos gases co2,n2 e/ou uma mistura parcial de gás contendo co2 e n2 pode ser separado do primeiro gás de combustão (bg1) ou de uma outra mistura gasosa formada por eles; fornecimento de pelo menos uma parte do primeiro gás de combustão (bg1) ou da outra mistura gasosa daí formada ao dispositivo de separação de gás (1);separação dos gases n2 ou co2 ou da mistura parcial de gás do primeiro gás de combustão (bg1) ou da outra mistura gasosa; fornecimento dos gases separados n2 ou co2 ou da mistura parcial de gás separada, sob a forma de gás inerte, à caixa de proteção (5) e fornecimento de um gás residual, enriquecido com h2,como segundo gás de combustão (bg2) para a operação da célula de combustível ou de uma outra célula de combustível.
Description
[0001] A presente invenção refere-se a um processo e a um dispositivo para a geração de energia elétrica, especialmente para a geração de energia elétrica para uma aeronave.
[0002] O DE 10 2004 026 226 A1 revela uma aeronave com um sistema de abastecimento eletroquímico integrado. Nesse caso, é previsto um reator eletroquímico que dissocia a água de descarga, formada na aeronave depois da limpeza ou da dessalinização, nos componentes hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio e o oxigênio podem ser conduzidos a um segundo reator, o qual é, por exemplo, uma célula de combustível. Por meio da célula de combustível produz-se energia elétrica e água a partir do hidrogênio e do oxigênio, bem como dos portadores de energia contendo hidrocarbonetos, como, por exemplo, querosene. Os primeiro e segundo reatores estão envolvidos por uma caixa de proteção vedada a gás, a qual se encontra cheia com um gás inerte.
[0003] O DE 10 2005 053 692 B3 revela uma célula de combustível para o emprego em uma aeronave. Para a proteção contra incêndio, a célula de combustível fica alojada em uma caixa de proteção, a qual se encontra cheia com gás inerte. Como gás inerte emprega-se gás de exaustão de catodo, enriquecido com nitrogênio, da célula de combustível. O gás inerte formado a partir do gás de exaustão de catodo apresenta, desvantajosamente, um teor relativamente elevado de oxigênio residual.
[0004] O US 2009/0155642 A1 revela um sistema de célula de combustível operado por gás reformado. Nesse caso, em um primeiro reator configurado como reformador produz-se hidrogênio a partir de um combustível líquido, como o metanol, por exemplo, hidrogênio este que é, então, conduzido a uma célula de combustível conectada em seguida a jusante, para a geração de energia elétrica. O primeiro reator pode incluir um estágio de purificação, por meio do qual se reduz uma porcentagem de gases estranhos no hidrogênio.
[0005] Pelo DE 10 2012 023 531 A1 conhece-se um processo para a geração de um combustível a bordo de uma aeronave. Nesse caso, uma unidade de célula de combustível com pelo menos uma célula de combustível encontra-se alojada em um primeiro carro de rolamento. Em um segundo carro de rolamento acha-se alojada uma unidade de armazenamento para a admissão de combustível para a operação da célula de combustível. Os primeiro e segundo carros de rolamento podem ser acoplados um com o outro de tal modo que seja possível fornecer combustível à célula de combustível. A célula de combustível no primeiro carro de rolamento está alojada em uma caixa de proteção, a qual está cheia com um gás inerte. Para a produção do gás inerte usa- se gás de exaustão de catodo e/ou gás de exaustão de anodo.
[0006] Gás de catodo contém um teor relativamente elevado de oxigênio residual de cerca de 9 %. Dependendo da composição, o gás de exaustão de anodo também pode ser usado como gás inerte. Devido a isso, mediante o emprego de gás de exaustão de catodo e/ou gás de exaustão de anodo como gás inerte não é possível excluir totalmente um risco de explosão no caso de uma saída de hidrogênio da célula de combustível.
[0007] Constitui objetivo da invenção eliminar as desvantagens do estado da técnica. Pretende-se, especialmente, apresentar um processo aperfeiçoado tecnicamente quanto à segurança para a geração de energia elétrica por meio de um sistema de célula de combustível operado com um gás reformado. Segundo outro objetivo da invenção, pretende-se melhorar a eficiência do processo. Outro objetivo da invenção consiste na apresentação de um sistema de célula de combustível aperfeiçoado do ponto de vista técnico de segurança. Além disso, o sistema de célula de combustível deve apresentar uma melhor eficiência quanto à geração de energia elétrica.
[0008] Esse objetivo é alcançado através das características das reivindicações 1 e 17. Configurações convenientes da invenção resultam das características das reivindicações 2 a 16 e 18 a 26.
[0009] De acordo com a invenção, é proposto um processo para a geração de energia elétrica por meio de um sistema de célula de combustível operado com um gás reformado, com as seguintes etapas: - preparação de um sistema de célula de combustível com um primeiro reator para a conversão de um combustível em um primeiro gás de combustão e com um segundo reator conectado depois do primeiro reator a jusante, sendo que o segundo reator forma uma célula de combustível para a geração de energia elétrica, mediante a formação de um gás de exaustão de catodo e de um gás de exaustão de anodo e sendo que pelo menos o segundo reator está envolvido por uma caixa de proteção; - preparação de um dispositivo de separação de gás, por meio do qual pelo menos um dos gases CO2, N2 e/ou uma mistura parcial de gás contendo CO2e N2 pode ser separado do primeiro gás de combustão ou de uma outra mistura gasosa formada por eles; - fornecimento de pelo menos uma parte do primeiro gás de combustão ou da outra mistura gasosa daí formada ao dispositivo de separação de gás; - separação dos gases N2 ou CO2 ou da mistura parcial de gás do primeiro gás de combustão ou da outra mistura gasosa; - fornecimento dos gases separados N2 ou CO2 ou da mistura parcial de gás separada, sob a forma de gás inerte, à caixa de proteção e - fornecimento de um gás residual, enriquecido com H2 e formado no dispositivo de separação de gás, como segundo gás de combustão para a operação da célula de combustível ou de uma outra célula de combustível.
[0010] No sentido da presente invenção, no caso de um “combustível” trata-se de um hidrocarboneto qualquer da fórmula CxHyOz ou de uma mistura de diferentes hidrocarbonetos. No caso dos hidrocarbonetos, pode se tratar, por exemplo, de querosene, gás natural, álcool, especialmente metanol, ou similares.
[0011] Por um “reator” no sentido da presente invenção entende-se um dispositivo com o qual, mediante a ação de temperatura e/ou pressão e/ou matérias auxiliares, tais como catalisadores, as substâncias fornecidas, como, por exemplo, hidrocarbonetos, são convertidas em uma outra substância. No caso da substância pode se tratar de uma mistura de substâncias, especialmente uma mistura líquida ou gasosa. Para a conversão da substância no reator é preciso empregar energia de modo típico.
[0012] Por um “gás de combustão” entende-se um gás ou mistura gasosa, que seja apropriado para a operação de uma célula de combustível.
[0013] Por uma “outra mistura gasosa” entende-se um outro gás de combustão apropriado para a operação de uma célula de combustível, um gás de exaustão de catodo ou gás de exaustão de anodo formado pela célula de combustível ou um gás de exaustão que seja formado por um estágio de purificação de gás de exaustão conectado em seguida à célula de combustível.
[0014] O processo de acordo com a invenção refere-se a um sistema de célula de combustível operado com um gás reformado. Nesse caso, um combustível é conduzido a um primeiro reator, no qual o combustível é convertido em um primeiro gás de combustão. Para isso, o primeiro reator pode incluir um reformador tradicional. No caso do sistema de célula de combustível, em seguida, no sentido de uma direção de corrente principal do primeiro gás de combustão ou de outras misturas gasosas produzidas a partir daí, acha-se disposto um segundo reator que inclui uma célula de combustível envolvida por uma caixa de proteção. O segundo reator pode incluir também várias células de combustível. Além disso, é previsto um dispositivo de separação de gás, por meio do qual a partir do primeiro gás de combustão ou de uma outra mistura gasosa daí formada se pode separar, especialmente, os gases CO2, N2 e/ou uma mistura gasosa parcial contendo CO2 e N2. Segundo o processo de acordo com a invenção, pelo menos uma parte do primeiro gás de combustão ou da outra mistura gasosa daí formada é fornecida ao dispositivo de separação de gás. Os gases separados separadamente N2 ou CO2 ou a mistura gasosa parcial separada separadamente são, então, empregados como gás inerte para o enchimento da caixa de proteção. Principalmente o CO2, embora também o N2, é apropriado de modo excelente como gás inerte. Especialmente em comparação com o ar reduzido em oxigênio (ODA) que é empregado tradicionalmente, eles se distinguem por um melhor efeito de inertização. Com isso torna-se possível reduzir de modo particularmente eficaz o risco de uma explosão no caso de um vazamento da célula de combustível. Através da separação dos gases N2, CO2 torna-se possível influenciar positivamente uma reação subsequente e/ou reduzir a corrente de gás quanto à massa. Devido a isso, os reatores previstos a jusante podem ser dimensionados menores ou é possível reduzir as quedas de pressão em reatores a jusante. Devido a isso, é possível reduzir uma potência a ser empregada para o transporte de gás.
[0015] O resto que permanece no dispositivo de separação de gás ou uma parte do resto do gás de combustão, respectivamente da outra mistura gasosa, a ser conduzido ao dispositivo de separação de gás depois da separação de um dos gases, CO2, N2, e/ou uma mistura gasosa parcial contendo CO2 e N2, é chamado de gás residual.
[0016] O gás residual forma um segundo gás de combustão, que é conduzido à célula de combustível ou a uma outra célula de combustível para a operação. O gás residual, respectivamente o segundo gás de combustão se diferencia do primeiro gás de combustão quanto à sua composição. O segundo gás de combustão acha-se enriquecido com H2 ou é formado por H2.
[0017] No dispositivo de separação de gás forma-se, portanto, um gás residual que apresenta um teor reduzido de N2 e/ou de CO2, respectivamente se acha enriquecido com H2 ou é formado por H2.
[0018] Por um “dispositivo de separação de gás” entende-se, convenientemente, um dispositivo com o qual é possível separar uma mistura gasosa sem o fornecimento de energia térmica e/ou aumento de pressão. Uma separação de N2 pode ser efetuada, por exemplo, através do processo de Linde, bem como uma separação de H2 pode ser efetuada através do emprego de plaquetas de paládio. Além disso, conhece-se uma separação de H2, N2 ou CO2 através de películas ou através de absorção. Além disso, CO2 pode ser separado através de absorção, isto é, através de união a uma substância sólida. No caso de aplicações móveis, para a execução da separação dos gases mencionados anteriormente emprega-se especialmente um processo com diafragma. Nesse caso, um diafragma permeável separa a corrente de gás em seus componentes.
[0019] Pelo conceito de “direção de corrente principal” entende-se o caminho direto, isto é, sem desvios e/ou redirecionamentos, da corrente de gás através dos reatores conectados um atrás do outro.
[0020] Segundo o processo proposto é possível fornecer apenas uma parte do primeiro gás de combustão ao dispositivo de separação de gás. Nesse caso, a outra parte do primeiro gás de combustão que resta na corrente principal permanece inalterada em sua composição. No entanto, também é possível fornecer o primeiro gás de combustão em sua totalidade ao dispositivo de separação de gás. Nesse caso, por meio do dispositivo de separação de gás gera-se um outro gás de combustão, respectivamente um segundo gás de combustão, o qual se diferencia em sua composição em relação ao primeiro gás de combustão. O outro gás de combustão, respectivamente o segundo gás de combustão, apresenta especialmente um teor reduzido de N2 e/ou CO2. Uma diminuição especialmente do teor de CO2 na corrente de gás principal pode ter como consequência uma influência positiva nos equilíbrios de reação nas reações seguintes, como, por exemplo, na reação de Water-Gas Shift.
[0021] Com o dispositivo de separação de gás, como gás pode-se separar também o H2 separadamente e empregá-lo como segundo gás de combustão para a operação da célula de combustível ou de uma outra célula de combustível. Isso aumenta a eficiência do processo.
[0022] Com o H2, no caso de uma divisão em duas subcorrentes de gás H2, também podem ser operados diferentes tipos de célula de combustível. Isso possibilita um funcionamento redundante dissimilar, o qual é particularmente vantajoso no emprego em aeronaves. Por exemplo, na operação redundante é possível operar uma célula de combustível de membrana de eletrólito polimérico de baixa temperatura (NTPEM) e uma célula de combustível de óxido sólido (SOFC).
[0023] Também a separação de H2 a partir da corrente de gás principal pode produzir um deslocamento positivo do equilíbrio de reação no caso da reação de Water-Gas Shift. Com isso é possível melhorar a eficiência do processo, respectivamente o desempenho da geração de energia elétrica.
[0024] Segundo uma configuração vantajosa do processo, uma porcentagem de CO no primeiro gás de combustão é reduzida por meio de um terceiro reator configurado como Water-Gas Shift e conectado em seguida ao primeiro reator a jusante e/ou por meio de um quarto reator configurado como estágio PrOx. A abreviação “PrOx” refere-se a “Preferential Oxidation”. Nesse caso, trata-se de uma oxidação preferida de uma substância, em sua maioria gasosa, em um catalisador. No contexto da presente invenção, nesse caso se trata especialmente da oxidação de CO em um catalisador para CO2. O emprego do terceiro e/ou do quarto reator proposto é, então, particularmente vantajoso quando se empregar tipos de célula de combustível cuja eficiência seja diminuída devido a um alto teor de CO no gás de combustão. A previsão do terceiro e/ou do quarto reator é, então, especialmente vantajosa quando como célula de combustível for empregada uma célula de combustível de membrana de eletrólito polimérico de baixa temperatura (NTPEM) ou uma célula de combustível de membrana de eletrólito polimérico de alta temperatura (HTPEM).
[0025] Segundo uma outra configuração do processo, também o gás de exaustão de catodo e/ou o gás de combustão de anodo pode ser conduzido ao menos parcialmente como outra mistura gasosa ao dispositivo de separação de gás. Como isso, a partir do gás de exaustão de anodo pode-se separar um resto de H2 e empregá-lo renovadamente como segundo gás de combustão para a operação da célula de combustível ou de uma outra célula de combustível. Além disso, a partir do gás de exaustão de catodo e/ou do gás de exaustão de anodo podem ser obtidos especialmente os gases N2 e/ou CO2 ou uma mistura gasosa parcial contendo CO2 e N2, os quais podem ser empregados como gás inerte. Um tal gás inerte é particularmente pobre em oxigênio residual.
[0026] Segundo outra configuração da invenção, em seguida ao segundo reator acha-se conectado, a jusante, um quinto reator para a conversão do gás de exaustão de catodo e/ou do gás de exaustão de anodo, sendo que um gás de exaustão formado no quinto reator pode ser conduzido ao menos parcialmente como outra mistura gasosa ao dispositivo de separação de gás. Especialmente o CO2 também pode ser separado do gás de exaustão como gás e pode ser empregado como gás inerte.
[0027] O primeiro gás de combustão ou a outra mistura gasosa pode conter H2O gasoso. O H2O gasoso pode ser separado por meio do dispositivo de separação de gás e pode ser empregado como gás inerte ou para a produção de ar úmido, reduzido em oxigênio (ODA). O gás inerte produzido com H2O gasoso atua contra a propagação de chamas. Ar úmido reduzido em oxigênio pode ser empregado para a inertização em compartimentos de carga de aeronaves, por exemplo.
[0028] Segundo outra configuração do processo, o H2O gasoso pode ser convertido em H2O líquido e pode ser extraído para o uso externo. Por “extração para uso externo” entende-se que uma substância correspondente é retirada do processo e é empregada em outro local. Por exemplo, a água produzida pode ser conduzida a um reservatório de água em uma aeronave.
[0029] O primeiro gás de combustão ou a outra mistura gasosa pode conter H2O gasoso. O H2O gasoso pode ser convertido em H2O líquido por meio de um condensador e ser extraído para o uso externo e/ou ser conduzido a um uso interno. A separação do H2O líquido também pode ocorrer corrente acima do dispositivo de separação de gás.
[0030] O calor liberado na conversão de H2O gasoso em H2O líquido pode ser extraído para o uso externo. Por exemplo, através de um permutador de calor, o calor pode ser usado para o aquecimento de água potável ou do ar de cabine em uma aeronave.
[0031] O primeiro gás de combustão e/ou o outro gás de combustão são separados nos gases individuais no dispositivo de separação de gás, de preferência mediante o emprego de membranas. Para a separação de CO2 são apropriadas especialmente as membranas de polietilenoglicol, poliamida, poli-imida e similares. Para a separação de N2 são apropriadas as membranas de fibras ocas. O H2 pode ser separado, por exemplo, por meio de membranas produzidas a partir de películas de metal. Tais películas de metal podem ser produzidas de paládio, ligas de paládio, metais refratários como o vanádio, nióbio ou tântalo ou ligas deles.
[0032] No processo de acordo com a invenção, como combustível pode-se empregar especialmente um hidrocarboneto da fórmula geral CxHyOz ou uma mistura de diferentes hidrocarbonetos, especialmente querosene, gás natural, álcool, de preferência metanol. Evidentemente também é possível o emprego de outros hidrocarbonetos líquidos ou gasosos.
[0033] Segundo uma configuração vantajosa do processo, o CO2 e/ou N2 separado por meio do dispositivo de separação de gás pode ser extraído para o uso externo, especialmente para a inertização de um compartimento de carga e/ou de um compartimento de tanque em uma aeronave. Além disso, é possível usar CO2 e N2, separado por meio do dispositivo de separação de gás, misturado com H2O gasoso como agente extintor para um compartimento de carga em uma aeronave.
[0034] Segundo outra configuração, uma parte do primeiro gás de combustão pode ser desviada e extraída para o uso externo, especialmente para a operação de outra célula de combustível. Também é possível extrair gás de exaustão de anodo para o emprego como outro gás de combustão para o uso externo.
[0035] Segundo uma configuração vantajosa, não apenas o segundo reator, mas sim vários reatores, preferencialmente todos os reatores, estão envolvidos pela caixa de proteção. Além disso, também podem estar envolvidos pela caixa de proteção o dispositivo de separação de gás, um ou mais dutos, que conectam os reatores entre si, dutos de alimentação conectados com o dispositivo de separação de gás e/ou válvulas de regulagem instaladas nos dutos e nos dutos de alimentação.
[0036] Segundo outra determinação da invenção, propõe-se um sistema de célula de combustível com:
[0037] - um primeiro reator para a conversão de um combustível em um primeiro gás de combustão,
[0038] - um segundo reator conectado a jusante depois do primeiro reator, sendo que o segundo reator forma uma célula de combustível para a geração de energia elétrica mediante a formação de um gás de exaustão de catodo, bem como de um gás de anodo, e sendo que pelo menos o segundo reator está envolvido por uma caixa de proteção,
[0039] - um dispositivo de separação de gás, por meio do qual ao menos um dos gases CO2, N2 e/ou uma mistura parcial de gás contendo um CO2 e N2 pode ser separado do primeiro gás de combustão ou de uma outra mistura gasosa daí formada,
[0040] - um primeiro dispositivo de alimentação para o fornecimento de uma parte do primeiro gás de combustão ou da outra mistura gasosa daí formada ao dispositivo de separação de gás,
[0041] - um segundo dispositivo de alimentação para o fornecimento dos gases N2 ou CO2 ou da mistura parcial de gás separada separados por meio do dispositivo de separação de gás à caixa de proteção e
[0042] - um terceiro dispositivo de alimentação para o fornecimento de um gás residual enriquecido com H2 como segundo gás de combustão ao segundo reator ou a um sexto reator que envolve uma outra célula de combustível.
[0043] No sentido da invenção, por um “dispositivo de alimentação” entende-se um duto que está conectado com o dispositivo de separação de gás. O dispositivo de alimentação pode incluir uma ou mais válvulas, com as quais um fluxo através do duto pode ser viabilizado, interrompido ou controlado em sua quantidade. O dispositivo de alimentação também pode incluir pelo menos um dos seguintes sensores: sensor de temperatura, sensor de pressão, sensor de fluxo de massa e similares. Por meio de parâmetros detectados pelos sensores é possível controlar uma quantidade do primeiro gás de combustão ou da outra mistura gasosa conduzida através do duto do dispositivo de separação de gás. Do mesmo modo pode ser controlada ou regulada uma quantidade de gases separados e produzidos pelo dispositivo de separação de gás ou uma quantidade de uma mistura gasosa parcial.
[0044] No âmbito da invenção, podem ser previstos vários primeiros dispositivos de alimentação para o fornecimento do primeiro gás de combustão ou da outra mistura gasosa daí formada ao dispositivo de separação de gás. Nesse caso, os primeiros dispositivos de alimentação se bifurcam respectivamente em diferentes pontos na corrente de gás principal. Por exemplo, a jusante de cada reator pode ser previsto um primeiro dispositivo de alimentação. De modo semelhante, também podem ser previstos vários terceiros dispositivos de alimentação, para enriquecer com hidrogênio a corrente de gás principal de reatores previstos corrente acima. Pode ser previsto um controle com o qual os dispositivos de alimentação sejam controláveis de tal modo que um gás inerte o mais pobre possível em oxigênio seja produzido e conduzido à caixa de proteção. O controle é configurado convenientemente de tal modo que também a eficiência da produção de energia elétrica seja melhorada por meio da pelo menos uma célula de combustível.
[0045] Além disso, segundo uma configuração vantajosa, o dispositivo de separação de gás está configurado de tal forma que por meio dele é possível separar separadamente também o H2 do primeiro gás de combustão ou da outra mistura gasosa daí formada. O H2 pode ser conduzido como combustível à célula de combustível e/ou a outra célula de combustível.
[0046] Em seguida ao primeiro reator pode ser conectado, a jusante, um terceiro reator configurado como estágio de Water-Gas Shift e/ou um quarto reator configurado como estágio de PrOx. Segundo outra configuração, é previsto um quarto dispositivo de alimentação para o fornecimento de pelo menos uma parte do gás de exaustão de catodo e/ou do gás de exaustão de anodo como outra mistura gasosa ao dispositivo de separação de gás. Além disso, em seguida ao segundo reator pode ser conectado, a jusante, um quinto reator para a conversão do gás de exaustão de catodo e/ou do gás de exaustão de anodo. A previsão do quarto dispositivo de alimentação assegura que ao dispositivo de separação de gás seja fornecido a qualquer momento uma quantidade suficiente de misturas gasosas, de tal modo que uma quantidade suficiente de gás inerte possa ser sempre produzida e conduzida à caixa de proteção. Além disso, com isso é possível conseguir que o hidrogênio não usado no processo seja empregado como segundo combustível e, consequentemente, seja possível obter uma geração particularmente eficiente de energia elétrica.
[0047] Além disso, pode ser previsto um dispositivo para a conversão de H2O gasoso, separado por meio do dispositivo de separação de gás, em H2O líquido. Nesse caso, pode se tratar de um condensador. O H2O líquido pode ser extraído para o uso externo. Para isso pode ser previsto um duto separado.
[0048] Segundo outra configuração, é previsto um condensador para a separação de H2O gasoso contido no primeiro gás de combustão ou na outra mistura gasosa. Tal condensador pode ser conectado antes ou mesmo depois do dispositivo de separação de gás.
[0049] Além disso, pode ser previsto um dispositivo para a extração de calor liberado na conversão de H2O gasoso em H2O líquido. Nesse caso pode se tratar, por exemplo, de um permutador de calor.
[0050] De preferência, no caso do dispositivo de separação de gás trata-se de um dispositivo de separação de gás provido de membranas específicas, por meio das quais os respectivos gases podem ser separados do primeiro gás de combustão ou da outra mistura gasosa.
[0051] Vantajosamente, não apenas o segundo reator, mas sim vários reatores, de preferência todos os reatores, estão envolvidos pela caixa de proteção. Além disso, também podem estar envolvidos pela caixa de proteção o dispositivo de separação de gás, um ou mais dutos que conectam os reatores entre si, dutos de alimentação conectados com o dispositivo de separação de gás e/ou válvulas de regulagem instaladas nos dutos e nos dutos de alimentação.
[0052] A seguir, configurações da invenção serão explicadas detalhadamente com base nos desenhos. Mostra-se:
[0053] Figura 1A: um primeiro sistema de célula de combustível;
[0054] Figura 1B: uma variação do primeiro sistema de célula de combustível da figura 1A;
[0055] Figura 2: um segundo sistema de célula de combustível;
[0056] Figura 3: um terceiro sistema de célula de combustível;
[0057] Figura 4: um quarto sistema de célula de combustível e
[0058] Figura 5: um quinto sistema de célula de combustível.
[0059] A figura 1A mostra esquematicamente um primeiro sistema de célula de combustível. Um primeiro duto L1 para o fornecimento de um combustível B desemboca em um primeiro reator R1. No caso do combustível B pode se tratar, por exemplo, de metanol, querosene ou similar. O primeiro reator R1 inclui um reformador. Ele está conectado, pelo lado de saída, através de um segundo duto L2, com um segundo reator R2 conectado em seguida a jusante. O segundo reator R2 inclui pelo menos uma célula de combustível, como, por exemplo, uma célula de combustível de óxido sólido, NTPEM, HTPEM ou similar. A partir do segundo duto L2 se bifurca um primeiro duto de alimentação Z1, o qual está conectado com um dispositivo de separação de gás 1. O número de referência 2 refere-se a uma primeira válvula de bloqueio, respectivamente válvula de regulagem, por meio da qual um fluxo de um primeiro gás de combustão BG1 que sai do primeiro reator R1 pode ser regulado de tal modo que o fluxo possa ser conduzido parcialmente ou mesmo totalmente ao primeiro duto de alimentação Z1.
[0060] A partir do dispositivo de separação de gás 1 estende-se, pelo lado de saída, um segundo duto de alimentação Z2 para descarregar N2 e/ou CO2 e/ou H2O. O segundo duto de alimentação Z2 pode ser bloqueado por meio de uma segunda válvula de bloqueio, respectivamente válvula de regulagem 3. Um terceiro duto de alimentação Z3, que se estende pelo lado de saída a partir do dispositivo de separação de gás 1, desemboca no segundo duto L2. O terceiro duto de alimentação Z3 pode ser bloqueado por meio de uma terceira válvula de bloqueio, respectivamente válvula de regulagem 4. O número de referência 5 refere-se a uma caixa de proteção que, neste caso, envolve ao menos seccionalmente o primeiro reator R1, o segundo reator R2, o dispositivo de separação de gás 1, bem como os dutos L1, L2, L3 e os dutos de alimentação Z1, Z2, Z3. Evidentemente também é possível que a caixa de proteção 5 envolva apenas o segundo reator R2. Nesse caso, o segundo duto de alimentação Z2 desemboca, então, na caixa de proteção 5.
[0061] A partir de um terceiro duto L3, respectivamente dutos (não mostrados aqui), que se estende pelo lado de saída a partir do segundo reator R2, saem gás de exaustão de catodo KA e gás de exaustão de anodo AA.
[0062] O número de referência L4 refere-se a um quarto duto, que desemboca no segundo duto L2, corrente acima do segundo reator R2. No quarto duto L4 está instalada uma quarta válvula de bloqueio, respectivamente válvula de regulagem 6, por meio da qual é possível controlar ou regular um fluxo de massa de um gás conduzido através do quarto duto L4. Caso através do quarto duto L4 seja conduzido ar ou oxigênio, por exemplo, então o quarto duto L4 também poderá estar conectado diretamente ao respectivo reator. Dependendo do tipo do gás conduzido através do quarto duto L4, o gás poderá ser conduzido diretamente ao reator de acordo com a reação desejada ou, também, pode ser conduzido em um duto de alimentação para o reator.
[0063] O número de referência 8 refere-se a um duto de descarga que atravessa a caixa de proteção 5. O duto de descarga 8 pode ser provido de uma válvula para a abertura ou fechamento, facultativamente. A válvula prevista na descarga também pode ser controlada por meio do controle.
[0064] O funcionamento do primeiro sistema de célula de combustível é o seguinte:
[0065] A um primeiro reator R1, que aqui está configurado como reformador, é fornecido um combustível B, por exemplo metanol, através do primeiro duto L1. No primeiro reator R1, o combustível B é convertido em um primeiro gás de combustão gasoso BG1 e é descarregado, pelo lado de saída, através do segundo duto L2.
[0066] Pelo menos uma parte do primeiro gás de escapamento BG1 é desviada por meio da primeira válvula de regulagem 2 e é conduzida ao dispositivo de separação de gás 1 através do primeiro duto de alimentação Z1. O primeiro gás de combustão BG1 contém especialmente N2, CO2, H2 e outros gases. Por meio do dispositivo de separação de gás 1, separa-se do primeiro gás de combustão BG1 pelo menos N2 e/ou CO2 e/ou H2O. Os gases separados ou uma mistura gasosa parcial de N2, CO2 e H2O são, então, guiados para dentro da caixa de proteção 5 por meio do segundo duto de alimentação Z2. Com isso, a caixa de proteção 5 é inundada com uma atmosfera de gás inerte. O gás residual formado, respectivamente restante, no dispositivo de separação de gás 1, gás residual este que é formado de H2 ou está enriquecido com H2, forma um segundo gás de combustão BG2, o qual é conduzido, pelo lado de entrada, ao segundo reator R2 através do terceiro duto de alimentação Z3. No caso do segundo reator R2 trata-se de uma ou mais células de combustível.
[0067] O segundo gás de combustão BG2 ou uma mistura formada pelo primeiro BG1 e pelo segundo gás de combustão BG2 é convertido em corrente elétrica no segundo reator R2. Nesse caso, formam-se um gás de exaustão de catodo KA e um gás de exaustão de anodo AA, os quais são descarregados através do terceiro duto L3, respectivamente através de terceiros dutos L3 (não mostrados aqui).
[0068] A figura 1B mostra uma configuração modificada simplificada do primeiro sistema de célula de combustível conforme a figura 1A. Aqui foi suprimido o primeiro duto de alimentação Z1. O segundo duto L2 desemboca no dispositivo de separação de gás 1. Pelo lado de saída, a partir do dispositivo de separação de gás 1 estende-se o terceiro duto de alimentação Z3 diretamente até a entrada do segundo reator R2. O segundo duto de alimentação Z2, que se estende pelo lado de saída a partir do dispositivo de separação de gás 1, pode ser bloqueado por meio da segunda válvula de bloqueio, respectivamente válvula de regulagem 3.
[0069] Na configuração modificada segundo a figura 1B, o primeiro gás de combustão BG1, gerado pelo primeiro reator R1, é conduzido ao dispositivo de separação de gás 1 através do segundo duto L2. Por meio do dispositivo de separação de gás 1 separa-se do primeiro gás de combustão BG1 pelo menos N2 e/ou CO2 e/ou H2O. Os gases separados - assim como no primeiro sistema de célula de combustível na figura 1A - são guiados, então, para dentro da caixa de proteção 5. O gás residual formado, respectivamente restante, no dispositivo de separação de gás 1 e que está enriquecido com H2, forma o segundo gás de combustão BG2, o qual é conduzido, pelo lado de entrada, ao segundo reator R2 através do terceiro duto de alimentação Z3.
[0070] A figura 2 mostra uma segunda configuração de um sistema de célula de combustível de acordo com a invenção. Nesse caso, a jusante do primeiro reator R1 está previsto um terceiro reator R3 e a jusante do terceiro reator R3 está previsto um quarto reator R4, em seguida ao qual está disposto o segundo reator R2.
[0071] No caso do terceiro reator R3 trata-se de um estágio Water Gas Shift e no caso do quarto reator R4 trata-se de um estágio PrOx. Tanto por meio do terceiro R3, como por meio do quarto reator R4 extraise CO do primeiro gás de combustão BG1, respectivamente de uma outra mistura gasosa daí formada. Entre os reatores, quartos dutos L4 podem desembocar no segundo duto L2, dutos L4 estes através dos quais ao fluxo do primeiro gás de combustão BG1, respectivamente da outra mistura gasosa, podem ser fornecidos, facultativamente, outros hidrocarbonetos, ar ou outras substâncias, de tal modo que seja possível influenciar facultativamente as frações molares entre os reatores. Na medida em que através do quarto duto L4 seja conduzido exclusivamente o ar, então ele poderá ser conectado também diretamente ao reator que se segue a jusante. Isso significa que nesse caso o quarto duto L4 não precisa desembocar necessariamente no duto de alimentação para o reator a jusante.
[0072] Na entrada do quarto reator R4 pode ser conduzido ar, por exemplo. Na entrada do segundo reator R2 também poder ser conduzido ar. A jusante do terceiro reator R3 é previsto um outro primeiro duto de alimentação Z1, com o qual uma outra mistura gasosa proveniente do terceiro reator R3 pode ser conduzida ao dispositivo de separação de gás 1. O número de referência 7 refere-se a uma quinta válvula de bloqueio, respectivamente válvula de regulagem, por meio da qual é possível viabilizar, bloquear ou controlar quantitativamente um fluxo de gás através do outro primeiro duto de alimentação Z1.
[0073] No terceiro sistema de célula de combustível, mostrado na figura 3, em seguida ao segundo reator R2 está conectado, a jusante, um quinto reator R5. O gás de exaustão do quinto reator R5 - no caso de um fornecimento adequado de gás através do quarto duto L4 conectado diretamente antes do quinto reator R5 - pode ser um gás inerte ou pode se tornar um gás inerte, o qual pode ser introduzido na caixa de proteção 5 ou pode ser extraído do processo e ser empregado em outro local. O quinto reator R5 pode incluir um condensador. Com isso, um vapor de água pode ser separado do gás de exaustão e ser disponibilizado como água líquida para uso interno do processo, por exemplo no reator R1. A água também pode ser extraída do processo e ser usada em outro local. Também o quarto reator R4 pode incluir um condensador para a separação de água, para se separar água corrente acima do segundo reator R2.
[0074] A figura 4 mostra um quarto sistema de célula de combustível. Nesse caso, no segundo reator R2 é previsto, pelo lado de saída, um quarto duto de alimentação Z4, por meio do qual um gás de exaustão de catodo KA e/ou um gás de exaustão de anodo AA proveniente do segundo reator R2 é conduzido ao dispositivo de separação de gás 1. Com isso, torna-se possível separar hidrogênio residual a partir do gás de exaustão de catodo KA e/ou do gás de exaustão de anodo AA e conduzi-lo renovadamente ao segundo reator R2 através do terceiro duto de alimentação Z3.
[0075] No quinto sistema de célula de combustível, mostrado na figura 5, o segundo gás de combustão BG2, nesse caso o hidrogênio, separado por meio do dispositivo de separação de gás 1, é conduzido a um sexto reator R6 através do terceiro duto de alimentação Z3. Nesse caso, pode se tratar de uma outra célula de combustível, como, por exemplo, uma NTPEM. Nesse caso, o segundo reator R2 inclui como célula de combustível uma HTPEM, de preferência.
[0076] O dispositivo de separação de gás 1 está conectado adicionalmente por meio de outros primeiros dutos de alimentação Z1, os quais bifurcam a jusante do terceiro reator R3 e do segundo reator R2. Com isso é possível desviar um primeiro gás de combustão BG1 e/ou uma outra mistura gasosa em quaisquer pontos a partir do segundo duto L2, respectivamente a partir do fluxo principal, e conduzi-lo ao dispositivo de separação de gás 1.
[0077] No terceiro duto de alimentação Z3 acha-se instalado um sexto reator R6. O sexto reator R6 pode incluir como célula de combustível uma NTPEM. Pelo lado de saída, o sexto reator R6 apresenta um quarto duto L4 com uma quarta válvula de bloqueio, respectivamente de regulagem 6, por meio da qual é possível controlar ou regular um gás conduzido através do quarto duto L4.
[0078] Outro quarto duto L4 pode se bifurcar do terceiro duto de alimentação Z3, um outro quarto duto L4 com uma válvula de bloqueio, respectivamente de regulagem 6.
[0079] Em uma modificação do quinto sistema de célula de combustível, também se pode suprimir o terceiro reator R3. Nesse caso, o segundo reator R2 inclui como célula de combustível uma SOFC. O sexto reator R6 inclui como célula de combustível uma NTPEM.
[0080] Uma parte do hidrogênio que forma o segundo gás de combustão BG2 também pode ser extraído do processo e ser empregado em outro local. Com o dispositivo de separação de gás 1 também é possível alimentar unidades consumidoras externas, fora do sistema de célula de combustível.
[0081] Apesar de não ser mostrado nas figuras, também é possível que a caixa de proteção 5 envolva apenas aqueles reatores que incluem células de combustível.
[0082] O sistema de célula de combustível proposto é apropriado especialmente para o uso em um veículo, particularmente em uma aeronave. A invenção também refere-se a uma aeronave que inclua o sistema de célula de combustível descrito acima. Lista de Números de Referência 1 dispositivo de separação de gás 2 primeira válvula de regulagem 3 segunda válvula de regulagem 4 terceira válvula de regulagem 5 caixa de proteção 6 quarta válvula de regulagem 7 quinta válvula de regulagem AA gás de exaustão de anodo B combustível BG1 primeiro gás de combustão BG2 segundo gás de combustão KA gás de exaustão de catodo L1 primeiro duto L2 segundo duto L3 terceiro duto L4 quarto duto R1 primeiro reator R2 segundo reator R3 terceiro reator R4 quarto reator R5 quinto reator R6 sexto reator Z1 primeiro duto de alimentação Z2 segundo duto de alimentação Z3 terceiro duto de alimentação Z4 quarto duto de alimentação
Claims (25)
1. Processo para a geração de energia elétrica por meio de um sistema de célula de combustível operado por gás reformado, caracterizado pelo fato de possuir as seguintes etapas: preparação de um sistema de célula de combustível com um primeiro reator (R1) para a conversão de um combustível (B) em um primeiro gás de combustão (BG1) e com um segundo reator (R2) conectado a jusante do primeiro reator (R1) , sendo que o segundo reator (R2) forma uma ou mais células de combustível para a geração de energia elétrica, mediante a formação de um gás de exaustão de catodo (KA) e de um gás de exaustão de anodo (AA) e sendo que pelo menos o segundo reator (R2) está envolvido por uma caixa de proteção (5); preparação de um dispositivo de separação de gás (1), por meio do qual pelo menos um dos gases CO2, N2 e/ou uma mistura parcial de gás contendo CO2e N2 pode ser separado do primeiro gás de combustão (BG1) ou de uma outra mistura gasosa formada por eles; fornecimento de pelo menos uma parte do primeiro gás de combustão (BG1) ou da outra mistura gasosa daí formada ao dispositivo de separação de gás (1); separação dos gases N2 ou CO2 ou da mistura parcial de gás do primeiro gás de combustão (BG1) ou da outra mistura gasosa; fornecimento dos gases separados N2 ou CO2 ou da mistura parcial de gás separada, sob a forma de gás inerte, à caixa de proteção (5); e fornecimento de uma mistura do primeiro gás de combustão (BG1) com um gás residual, enriquecido com H2 e formado no dispositivo de separação de gás, como segundo gás de combustão (BG2) para a operação das células de combustível.
2. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que uma porcentagem de CO no primeiro gás de combustão (BG1) é reduzida por meio de um terceiro reator (R3) configurado como estágio de WaterGas Shift e conectado a jusante do primeiro reator (R1) e/ou por meio de um quarto reator (R4) configurado como estágio PrOx.
3. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o gás de exaustão de catodo (KA) e/ou o gás de exaustão de anodo (AA) é conduzido ao menos parcialmente como outra mistura gasosa ao dispositivo de separação de gás (1).
4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que um quinto reator (R5) para a conversão do gás de exaustão de catodo (KA) e/ou do gás de exaustão de anodo (AA) está conectado a jusante do segundo reator (R2), e sendo que um gás de exaustão formado no quinto reator (R5) é empregado como gás inerte e/ou é conduzido ao dispositivo de separação de gás (1) como outra mistura gasosa.
5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o primeiro gás de combustão (BG1) ou a outra mistura gasosa contém H2O gasoso e sendo que, por meio do dispositivo de separação de gás (1), emprega- se H2O separado em forma gasosa como gás inerte.
6. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o H2O gasoso é convertido em H2O líquido e é extraído para o emprego externo e/ou interno.
7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o primeiro gás de combustão (BG1) ou a outra mistura gasosa contém H2O gasoso e sendo que o H2O gasoso é convertido em H2O líquido por meio de um condensador e é extraído para o emprego externo e/ou interno.
8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que na conversão de H2O gasoso em H2O líquido extrai-se calor liberado para o emprego externo.
9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o primeiro gás de combustão (BG1) ou a outra mistura gasosa é separado nos gases no dispositivo de separação de gás (1) mediante o uso de diafragmas.
10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que como combustível (B) emprega-se um hidrocarboneto da fórmula geral CxHyOz ou uma mistura de diferentes hidrocarbonetos, especialmente querosene, gás natural, álcool, sendo de preferência o metanol.
11. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o CO2 e/ou o N2 separado por meio do dispositivo de separação de gás (1) é extraído para o emprego externo, especialmente para a inertização de um compartimento de carga e/ou de um compartimento de tanque em uma aeronave.
12. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o CO2 e/ou N2 separado por meio do dispositivo de separação de gás (1) é empregado misturado com H2O gasoso como agente extintor para um compartimento de carga em uma aeronave.
13. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que uma parte do primeiro gás de combustão (BG1) é desviada e extraída para o emprego externo, especialmente para a operação de outra célula de combustível.
14. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o gás de exaustão de anodo é extraído para o emprego como outro gás de combustão para emprego externo.
15. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que todos os reatores (R1, R2, R3, R4, R5, R6), o dispositivo de separação de gás (1), um ou mais dutos (L2, L4) que conectam os reatores (R1, R2, R3, R4, R5, R6) entre si, dutos de alimentação (Z1, Z2, Z3, Z4) conectados com o dispositivo de separação de gás (1) e/ou válvulas de regulagem (2, 3, 4) instaladas nos dutos (L2, L4), bem como nos dutos de alimentação (Z1, Z2, Z3, Z4) estão envolvidos pela caixa de proteção (5).
16. Sistema de célula de combustível caracterizado pelo fato de possuir um primeiro reator (R1) para a conversão de um combustível (B) em um primeiro gás de combustão (BG1), um segundo reator (R2) conectado a jusante depois do primeiro reator (R1), sendo que o segundo reator (R2) forma uma ou mais células de combustível para a geração de energia elétrica mediante a formação de um gás de exaustão de catodo (KA), bem como de um gás de anodo (AA), e sendo que pelo menos o segundo reator (R2) está envolvido por uma caixa de proteção (5), em que o primeiro reator (R1) está conectado ao segundo reator (R2), pelo lado de saída, através de um segundo duto (L2), um dispositivo de separação de gás (1), por meio do qual ao menos um dos gases CO2, N2 e/ou uma mistura parcial de gás contendo um CO2 e N2 pode ser separado do primeiro gás de combustão (BG1) ou de uma outra mistura gasosa daí formada, um primeiro dispositivo de alimentação (Z1) para o fornecimento de uma parte do primeiro gás de combustão (BG1) ou da outra mistura gasosa daí formada ao dispositivo de separação de gás (1), um segundo dispositivo de alimentação (Z2) para o fornecimento dos gases N2 ou CO2 separados por meio do dispositivo de separação de gás (1) ou da mistura parcial de gás separada por meio do dispositivo de separação de gás (1) à caixa de proteção (5), e um terceiro dispositivo de alimentação (Z3) para o fornecimento de um gás residual enriquecido com H2 e formado no dispositivo de separação de gás (1) como segundo gás de combustão (BG2) ao segundo reator (R2), em que é fornecido ao segundo reator (R2), quando em operação, uma mistura do primeiro gás de combustão (BG1) e do segundo gás de combustão (BG2).
17. Sistema de célula de combustível de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que por meio do dispositivo de separação de gás (1) pode-se separar H2 do primeiro gás de combustão (BG1) ou da outra mistura gasosa daí formada.
18. Sistema de célula de combustível de acordo com a reivindicação 16 ou 17, caracterizado pelo fato de que um terceiro reator (R3) configurado como estágio de Water-Gas Shift e/ou um quarto reator (R4) configurado como estágio de PrOx está conectado a jusante do primeiro reator (R1).
19. Sistema de célula de combustível de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 18, caracterizado pelo fato de que é previsto um quarto dispositivo de alimentação (Z4) para o fornecimento de pelo menos uma parte do gás de exaustão de catodo (KA) e/ou do gás de exaustão de anodo (AA), como outra mistura gasosa, ao dispositivo de separação de gás (1).
20. Sistema de célula de combustível de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 19, caracterizado pelo fato de que um quinto reator (R5) para a conversão do gás de exaustão de catodo (KA) e/ou do gás de exaustão de anodo (AA) está conectado a jusante do segundo reator (R2).
21. Sistema de célula de combustível de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 20, caracterizado pelo fato de que é previsto um dispositivo para a conversão de H2O gasoso, separado por meio do dispositivo de separação de gás (1), em H2O líquido.
22. Sistema de célula de combustível de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 21, caracterizado pelo fato de que é previsto um condensador para a separação de H2O gasoso contido no primeiro gás de combustão (BG1) ou na outra mistura gasosa.
23. Sistema de célula de combustível de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 22, caracterizado pelo fato de que é previsto um dispositivo para a extração de calor liberado na conversão de H2O gasoso em H2O líquido.
24. Sistema de célula de combustível de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 23, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de separação de gás (1) abrange pelo menos um diafragma para a separação dos gases contidos no primeiro gás de combustão (BG1) ou na outra mistura gasosa.
25. Sistema de célula de combustível de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 24, caracterizado pelo fato de que todos os reatores (R1, R2, R3, R4, R5, R6), o dispositivo de separação de gás (1), um ou mais dutos (L2, L4), que conectam os reatores (R1, R2, R3, R4, R5, R6) entre si, os dutos de alimentação (Z1, Z2, Z3, Z4) conectados com o dispositivo de separação de gás (1) e/ou as válvulas de regulagem (2, 3, 4) instaladas nos dutos (L2, L4) e nos dutos de alimentação (Z1, Z2, Z3, Z4) estão envolvidos pela caixa de proteção (5).
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