ES2326171T3 - Dispositivo integrado de tratamiento de combustible y carcasa y metodos de empleo asociados. - Google Patents

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Abstract

Dispositivo integrado de tratamiento de combustible, comprendiendo el dispositivo integrado (10, 110): un reformador de combustible para producir un reformado rico en hidrógeno comprendiendo agua y un componente gaseoso combustible; una carcasa impermeable al gas (5, 105) para contener el reformador de combustible; y un recipiente colector (40, 140) dentro de la carcasa para recibir el agua, teniendo el recipiente colector un drenaje (36, 136) para dirigir el agua fuera de la carcasa (5, 105) y estando el recipiente colector (40, 140) abierto hacia el interior (55, 155) de la carcasa (5, 105) de forma que cualquier componente gaseoso combustible arrastrado en el agua pueda evaporarse hacia el interior (55, 155) de la carcasa (5, 105).

Description

Dispositivo integrado de tratamiento de combustible y carcasa y métodos de empleo asociados.
Ámbito de la invención
La presente invención hace referencia a un dispositivo de procesamiento de combustible para convertir combustibles a base de hidrocarburos en un reformado enriquecido en hidrógeno, para su empleo por parte de las células de combustible u otros dispositivos que requieran estas corrientes de alimentación de hidrógeno. Los dispositivos y métodos de la presente invención proporcionan la operación segura de la unidad de tratamiento de combustible y la eliminación segura de corrientes residuales del reformador de combustible o de un apilamiento de células de combustible integrado del reformador de combustible.
Antecedentes de la invención
Las células de combustible proporcionan electricidad a partir de reacciones químicas de oxidación-reducción y poseen ventajas significativas frente a otras formas de producción de energía en términos de limpieza y eficacia. Típicamente, células de combustible emplean hidrógeno como combustible y oxígeno como agente reductor. La generación de energía es proporcional a la velocidad de consumo de los reactivos.
Una desventaja significativa, que inhibe un empleo más amplio de las células de combustible, es la carencia de una extensa infraestructura de hidrógeno. El hidrógeno tiene una densidad energética volumétrica relativamente baja y es más difícil de almacenar y transportar que los combustibles de hidrocarburos utilizados, actualmente, en la mayoría de los sistemas de producción de energía. Una forma de superar esta dificultad es el uso de reformadores para convertir los hidrocarburos en una corriente gaseosa rica en hidrógeno que pueda emplearse como alimentación para las células de combustible.
Los combustibles a base de hidrocarburos, tales como el gas natural, LPG, gasolina, y diesel, requieren el empleo de procesos de conversión como fuentes de combustible para la mayoría de las células de combustible. El estado actual de la técnica utiliza procesos multipaso que combinan un proceso de conversión inicial con varios procesos de purificación. El proceso inicial es, en la mayoría de las ocasiones, reformado con vapor (SR), reformado adiabático (ATR), oxidación parcial catalítica (CPOX), u oxidación parcial no-catalítica (POX). Los procesos de purificación están compuestos, generalmente, por una combinación de desulfurización, reacción de ajuste de agua y gas a alta temperatura, reacción de ajuste de agua y gas a baja temperatura, oxidación selectiva del CO, o metanación selectiva del CO. Los procesos alternativos incluyen los reactores de membrana selectivos de hidrógeno y los filtros.
El reformado rico en hidrógeno producido en esta conversión o reformado procesado, típicamente contiene niveles de medios a altos de agua en forma de vapor. Aunque la mayoría de los tipos de células de combustible requieren un cierto nivel de humedad para operar eficientemente, la presencia de agua en exceso puede inundar la célula de combustible e inhibir seriamente la reacción electroquímica. Además, el agua extraída del reformado de hidrógeno-gas, puede contener niveles inaceptables de gases combustibles. Así, el agua separada de una corriente de reformado rico en hidrógeno no puede dirigirse simplemente a un sistema doméstico de drenaje o de aguas residuales.
Además, hay una necesidad de asegurar la operación segura de los sistemas de procesamiento de un combustible, de forma que el fallo de cualquiera de los subsistemas de procesamiento de combustible no origine una liberación inmediata de gases combustibles u otros materiales potencialmente peligrosos al ambiente local. Así, sigue existiendo una necesidad de una unidad simple para convertir un combustible a base de hidrocarburos en un reformado gaseoso rico en hidrógeno, para su empleo conjuntamente con una célula de combustible que sea capaz de extraer y eliminar de manera segura el agua separada de un reformado rico en hidrógeno, así como otros materiales que puedan estar presentes en un sistema integrado de células de combustible de procesamiento de combustible.
La US-A-2003/044670 muestra un método y dispositivo para la recogida de condensado de las corrientes de proceso de gas combustible en un sistema integrado de células de combustible. En un aspecto, un subsistema de gestión del agua para un sistema de células de combustible tiene un primer conducto conteniendo un primer gas a una primera presión. Se proporciona una primera trampa de agua que se configura para recibir condensado del primer conducto. Se proporciona un segundo conducto que contenga un segundo gas a una segunda presión. Se proporciona una segunda trampa de agua que se configura para recibir condensado del segundo conducto y la primera trampa de agua.
La EP-A-0977293 muestra un reformador de metanol en dos etapas termalmente integrado incluyendo un intercambiador de calor y un primer y un segundo reactor colocados en una carcasa común en la que circula un medio gaseoso de transferencia de calor para llevar el calor del intercambiador de calor a los reactores.
La EP-A-0959512 muestra un sistema portátil de generación de energía que puede operarse empleando una cámara portátil de presión conteniendo un gas combustible de butano licuado. En el sistema de generación de energía, una parte del gas butano contenido en la cámara de presión se emplea como gas combustible, y el resto del gas butano se emplea para preparar un gas reformado conteniendo gas hidrógeno mediante reacción con agua. El gas hidrógeno en el gas reformado y gas oxígeno en el aire, se emplean en una célula de combustible para generar energía eléctrica. El sistema de generación de energía se caracteriza por un sistema portátil compacto, que consta además de un dispositivo para regular la cantidad de gas butano descargada de dicha cámara de presión, y un dispositivo para controlar una velocidad de flujo del gas butano, instalado en líneas de alimentación de suministro del gas butano desde dicha cámara de presión a dicho dispositivo de reformado.
La WO-A-01/59861 muestra un sistema de células de combustible que incluye un apilamiento de células de combustible, una carcasa que aloja al apilamiento de células de combustible y un soplante. El soplante se localiza dentro de la carcasa y está adaptado para extraer aire de dentro de la carcasa para producir un flujo de aire a través del apilamiento de células de combustible y establece una presión negativa dentro de la carcasa con respecto a una región fuera de la carcasa.
Resumen de la invención
La presente revelación se dirige, en general, a un dispositivo integrado de tratamiento de combustible y carcasa para convertir combustible de hidrocarburos en un gas rico en hidrógeno. En un modo de ejecución ilustrado, el dispositivo integrado incluye un reformador de combustible para producir un reformado rico en hidrógeno que contenga agua y un componente gaseoso combustible. El reformador de combustible está encerrado en una carcasa impermeable al gas. Dentro de la carcasa, hay también un recipiente colector para recibir el agua. El recipiente colector tiene un drenaje para dirigir el agua fuera de la carcasa y está abierto hacia el interior de la carcasa, de forma que cualquier componente gaseoso combustible que sea arrastrado en el agua pueda evaporarse hacia el interior de la carcasa. La carcasa tiene, opcionalmente, un ventilador para evacuar el componente gaseoso combustible del interior de la carcasa. Opcionalmente, el ventilador puede configurarse para dirigir los componentes gaseosos combustibles evacuados a una cámara de combustión, para su eliminación por combustión. Un sensor de detección de gases se incluye en la carcasa para supervisar la presencia de cualquier gas combustible en el interior de la carcasa. Puede proporcionarse un procesador para recibir datos del sensor y generar una señal cuando se detecten gases combustibles. El dispositivo puede, adicionalmente, incluir un separador para separar el agua del reformado rico en hidrógeno, dirigiéndose el agua separada hacia el recipiente colector. El reformador de combustible puede comprender, opcionalmente, una cámara de combustión para recibir y quemar el reformado empobrecido en agua. El dispositivo integrado puede tener opcionalmente, pero de manera altamente preferente, una conexión para recibir una mezcla de escape de la célula de combustible comprendiendo un gas de escape y agua producto de un apilamiento de células de combustible. Cuando haya una conexión de este tipo, se prefiere que los dispositivos incluyan un separador en comunicación fluida con la conexión para separar el agua producto del gas de escape. Una vez más, el agua separada producto se dirige hacia el recipiente colector mientras que el gas de escape separado se conduce a una cámara de combustión y se quema en ella. El dispositivo integrado puede incluir opcionalmente un tanque de agua del proceso con una salida para extraer el agua del proceso del tanque. Esta salida está conectada preferentemente con el recipiente colector para dirigir el agua de proceso eliminada hacia el recipiente colector.
La presente revelación abarca también un método para separar agua de una corriente de reformado para su eliminación segura. El método comprende los pasos de operación de un reformador de combustible dentro de una carcasa impermeable al gas para producir un reformado rico en hidrógeno incluyendo agua y al menos un componente gaseoso combustible, separación del agua del reformado rico en hidrógeno y direccionamiento del agua hacia un recipiente colector abierto dentro de la carcasa, y evaporación de un componente gaseoso combustible arrastrado por el agua hacia el interior de la carcasa. Este método incluye opcionalmente, pero de manera altamente preferente, adicionalmente, el paso del direccionamiento del agua fuera del recipiente colector hacia un drenaje. El método puede incluir también el paso de combustión del reformado rico en hidrógeno empobrecido en agua. El método puede incluir, adicionalmente, un paso de detección de la presencia de un componente gaseoso combustible en el interior de la carcasa y generación de una señal cuando se detecte un componente gaseoso combustible. El método puede incluir, adicionalmente, el paso de la evacuación de un componente gaseoso combustible desde el interior de la carcasa y, preferentemente, la combustión del componente gaseoso combustible evacuado. El método puede incluir adicionalmente los pasos de recepción, desde una célula de combustible, de una mezcla de escape de la célula de combustible que contenga un gas de escape y agua producto. Este método incluiría preferentemente los pasos de separación del agua producto del gas de escape, direccionamiento del agua producto hacia el recipiente colector abierto y combustión del gas de escape separado. El presente método puede incluir además el paso de eliminación del agua procesada desde un tanque de procesamiento del agua, y el direccionamiento del agua procesada eliminada hacia el recipiente colector abierto para su eliminación.
Otro método ilustrativo de la presente invención es un método de fabricación de un dispositivo para separar agua de una corriente de reformado para su eliminación segura. El método comprende los pasos de inclusión de un reformador de combustible, que se empleará para producir un reformado rico en hidrógeno que consta de agua y al menos un componente gaseoso combustible, en una carcasa impermeable al gas, proporcionando un separador para separar el agua del reformado rico en hidrógeno, proporcionando un recipiente colector abierto dentro de la carcasa impermeable al gas para recibir el agua separada del separador, y suministrando al recipiente colector con una conexión de drenaje. El método incluirá también opcionalmente, pero preferentemente, el paso de suministrar un sensor de detección de gases en la carcasa para detectar la presencia de un componente gaseoso combustible en el interior de la carcasa. El método puede incluir adicionalmente el paso de proporcionar una conexión a una célula de combustible para recibir el escape de la célula de combustible conteniendo agua, y una célula de gas combustible de escape de una célula de combustible.
Breve descripción de los dibujos
La presente invención puede entenderse haciendo referencia a la siguiente descripción tomada conjuntamente con los dibujos adjuntos.
Figura 1 es un diagrama de bloques de un dispositivo integrado de tratamiento de combustible y carcasa de la presente invención.
Figura 2 es un diagrama de bloques de un dispositivo integrado de tratamiento de combustible y carcasa de la presente invención, ilustrando particularmente la integración del dispositivo integrado con un apilamiento de células de combustible.
Mientras que la invención es susceptible de varias modificaciones y formas alternativas, sus modos de ejecución específicos se han mostrado a modo de ejemplo en los dibujos y se describen aquí detalladamente. Debe entenderse, sin embargo, que la descripción adjunta de los modos de ejecución preferentes no está dirigida a limitar la invención a las formas particulares mostradas, sino que, por el contrario, la intención es cubrir todas las modificaciones, equivalentes y alternativas que caigan bajo el espíritu y alcance de la invención, según lo definido por las reivindicaciones adjuntas.
Descripción detallada de los modos de ejecución preferentes
Los modos de ejecución ilustrativos de la invención se describen más adelante. Para una mayor claridad, en esta especificación no se describen todas las características de un modo de ejecución real. Se apreciará, por supuesto, que en el desarrollo de cualquier modo de ejecución real, deben tomarse numerosas decisiones específicas de la implementación para alcanzar las metas específicas de los inventores, tales como la conformidad con las restricciones relacionadas con el sistema y relacionadas con el negocio, que variarán de una implementación a otra. Por otra parte, se apreciará que este esfuerzo de desarrollo puede ser complejo y que requiere mucho tiempo, aunque sería sin embargo una tarea de enrutamiento para aquellos con experiencia habitual en el estado de la técnica, teniendo la ventaja de este descubrimiento.
La presente invención utiliza un recipiente colector central abierto hacia el interior de la carcasa y un sensor de detección de gases para supervisar esa carcasa. La función del recipiente colector es prevenir que cualquier gas combustible que pueda haber sido arrastrado en el líquido recogido en el proceso de separación del agua pase a través del drenaje primario del sistema de reformado. La función del sensor de detección de gases es supervisar la presencia de gases combustibles en el interior de la cabina. El sistema incluye un diseño de ventilación que prevenga cualquier acumulación de gases combustibles. Por tanto, la presente invención proporciona (1) un dispositivo integrado de tratamiento de combustible y carcasa, (2) un método para separar agua de una corriente de reformado para su eliminación segura, y (3) un método de fabricación de un dispositivo para separar agua de una corriente de reformado para su eliminación segura.
(1) Un Dispositivo Integrado de Tratamiento de Combustible y Carcasa
El dispositivo integrado de la presente invención incluye un reformador de combustible para producir un reformado rico en hidrógeno comprendiendo agua y un componente gaseoso combustible, una carcasa para contener el reformador de combustible, y un recipiente colector dentro de la carcasa para recibir el agua, teniendo el recipiente colector un drenaje para dirigir el agua fuera de la carcasa.
Unidad de Tratamiento del Combustible
Los reformadores o procesadores de combustible son conocidos en el estado actual de la técnica para su empleo en el reformado o conversión de una corriente a base de hidrocarburos en una corriente gaseosa rica en hidrógeno. En el proceso de reformado se efectúan típicamente dos reacciones diferentes. Las Fórmulas I y II son fórmulas ejemplares de reacción en las que el metano se considera como el hidrocarburo:
1
La reacción de oxidación parcial (Fórmula I) ocurre muy rápidamente para la conversión total del oxígeno añadido y es exotérmica (es decir, produce calor). Una mayor concentración de oxígeno en la corriente de alimentación favorece la reacción de oxidación parcial.
La reacción de reformado con vapor (Fórmula II), ocurre más lentamente y es endotérmica (es decir, consume calor). Una mayor concentración de vapor de agua favorece el reformado con vapor.
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Un experto en la materia debe entender y apreciar que la oxidación parcial y el reformado con vapor pueden combinarse para convertir los reactivos precalentados del reformador en un gas de síntesis conteniendo hidrógeno y monóxido de carbono. En estos casos, las razones de oxígeno a hidrocarburo y agua a hidrocarburo se vuelven parámetros característicos. Estas razones afectan a la temperatura de operación y a la producción de hidrógeno. La temperatura de operación del paso de reformado puede valer de en torno a los 550ºC a aprox. 900ºC, dependiendo de las condiciones de alimentación y del catalizador.
El reformador utiliza un lecho de catalizador que puede encontrarse en cualquier forma, incluyendo pellets, esferas, extrudados, monolitos, y similares o se recubre por inmersión sobre la superficie de las aletas o "tubos de calor" (heat pipes). Los catalizadores de oxidación parcial deberían ser conocidos por los expertos en la materia y están compuestos con frecuencia por metales nobles como el platino, paladio, rodio, y/o rutenio sobre un recubrimiento por inmersión de alúmina sobre un monolito, extrudado, pellet u otro soporte. Se han utilizado metales no-nobles como el níquel o cobalto. Otros recubrimientos por inmersión, tales como titania, zirconia, sílice, y magnesia, se han citado en la literatura. Muchos materiales adicionales, tales como el lantano, cerio, y potasio, se han citado en la literatura como "promotores" que mejoran el funcionamiento del catalizador de oxidación parcial. Los catalizadores de reformado con vapor deberían ser conocidos por los expertos en la materia y pueden incluir níquel con cantidades de cobalto o un metal noble como el platino, paladio, rodio, rutenio, y/o iridio. El catalizador puede soportarse, por ejemplo, sobre magnesia, alúmina, sílice, zirconia, o aluminato de magnesio, solo o en combinación. El catalizador de reformado con vapor puede incluir alternativamente níquel, preferentemente soportado sobre magnesia, alúmina, sílice, zirconia, o aluminato de magnesio, solo o en combinación, promovido por un metal alcalino como el potasio.
Cuando el proceso de reformado sea primordialmente un proceso adiabático de reformado, se emplea un paso de enfriamiento para refrigerar la corriente de reformado a una temperatura de aprox. 600ºC a aprox. 200ºC, preferentemente de aprox. 500ºC a aprox. 300ºC, y más preferentemente de aprox. 425ºC a aprox. 375ºC, en preparación de varios procesos de purificación. Este enfriamiento puede lograrse con disipadores de calor, heat pipes o intercambiadores de calor dependiendo de las especificaciones de diseño y la necesidad de recuperar/reciclar el contenido en calor de la corriente gaseosa. El enfriamiento puede efectuarse, alternativa o adicionalmente, inyectando componentes adicionales de alimentación, tales como combustible, aire o agua. Se prefiere el agua debido a su capacidad de absorción de una gran cantidad de calor al vaporizarla a vapor. Las cantidades de componentes añadidos dependen del grado de enfriamiento deseado y son determinadas fácilmente por los expertos en la materia. Cuando se pretenda que el proceso de reformado sea primordialmente un proceso de reformado con vapor, el enfriamiento del gas de síntesis será opcional debido a la naturaleza endotérmica del proceso de reformado con vapor.
Una impureza común en la corriente cruda de reformado es el sulfuro, que se convierte en sulfuro de hidrógeno por el proceso de reformado. El reformador o un módulo aguas abajo del reformador puede incluir preferentemente óxido de cinc y/u otros materiales capaces de absorber y de convertir el sulfuro de hidrógeno, y puede incluir un soporte (por ejemplo, monolito, extrudado, pellet, etc.). La desulfuración se efectúa convirtiendo el sulfuro de hidrógeno en agua de acuerdo con la siguiente Fórmula de reacción III:
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Se prefiere el óxido de zinc pues es un absorbente eficaz del sulfuro de hidrógeno a lo largo de un amplio rango de temperaturas de aprox. 25ºC a aprox. 700ºC y produce una gran flexibilidad para optimizar la secuencia de pasos de procesamiento por medio de la selección apropiada de la temperatura de operación. También pueden eliminarse otras impurezas como los cloruros.
La corriente de reformado purificada puede enviarse entonces a un paso opcional de mezclado, en el que se añade agua a la corriente gaseosa. La adición de agua reduce la temperatura de la corriente de reactivos, ya que vaporiza y proporciona más agua para la reacción de ajuste de agua y gas. El vapor de agua y otros componentes de la corriente de reformado pueden mezclarse haciéndose pasar a través de un núcleo de procesamiento de materiales inertes, como por ejemplo, lechos cerámicos u otros materiales similares que mezclen y/o ayuden efectivamente en la vaporización del agua. Una reacción de ajuste de agua y gas típica convierte monóxido de carbono en dióxido de carbono conforme a la Fórmula IV:
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En este paso del proceso se extrae sustancialmente el monóxido de carbono, un veneno para las células de combustible, de la corriente gaseosa y se convierte en dióxido de carbono, considerado generalmente como gas inerte en las células de combustible. La concentración de monóxido de carbono debería reducirse preferentemente hasta un nivel que pueda ser tolerado por las células de combustible, típicamente inferior a aprox. 50 ppm. La reacción de ajuste de agua y gas puede tener lugar generalmente a temperaturas de 150ºC a 600ºC dependiendo del catalizador empleado. En estas condiciones, la mayor parte del monóxido de carbono en la corriente gaseosa se oxida a dióxido de carbono.
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Los catalizadores de ajuste a baja temperatura operan en un rango de aprox. 150ºC a aprox. 300ºC e incluyen, por ejemplo, cobre óxido, o cobre soportado sobre otros óxidos de metal de transición, como por ejemplo, zirconia, zinc soportado sobre óxidos de metal de transición o soportes refractarios, como por ejemplo, sílice, alúmina, zirconia, etc., o un metal noble, como por ejemplo, platino, renio, paladio, rodio u oro sobre un soporte apropiado, como por ejemplo, sílice, alúmina, zirconia, y similares. Los catalizadores de ajuste a alta temperatura operan preferentemente a temperaturas en el rango de aprox. 300ºC a aprox. 600ºC y pueden incluir óxidos de metal de transición, como por ejemplo, óxido férrico u óxido crómico, e incluir opcionalmente un promotor, como por ejemplo, siliciuro de cobre o de hierro. Otros catalizadores de ajuste a alta temperatura apropiados son los metales nobles soportados como por ejemplo, platino soportado, paladio soportado y/o otros miembros del grupo del platino soportados. El catalizador de ajuste puede incluir también a lecho compacto de catalizador de ajuste a alta o baja temperatura, tal y como se ha descrito anteriormente, o una combinación de catalizadores de ajuste a alta temperatura y a baja temperatura. Un elemento, como por ejemplo, una heat pipe, puede disponerse opcionalmente en el núcleo de procesamiento del reactor de ajuste para controlar la temperatura de reacción dentro del lecho compacto de catalizador, pues las temperaturas más bajas son favorables para la conversión de monóxido de carbono a dióxido de carbono.
Adicionalmente, puede efectuarse opcionalmente una oxidación selectiva en el reformado rico en hidrógeno para convertir el monóxido de carbono restante en dióxido de carbono. Estas reacciones incluyen: la oxidación deseada del monóxido de carbono (Fórmula V) y la oxidación indeseada del hidrógeno (Fórmula VI), como sigue:
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El proceso se efectúa en presencia de un catalizador para la oxidación del monóxido de carbono y puede encontrarse en cualquier forma apropiada, como por ejemplo, pellets, esferas, monolitos, etc. Los catalizadores de oxidación para el monóxido de carbono son conocidos e incluyen típicamente metales nobles (por ejemplo, platino, paladio) y/o metales de transición (por ejemplo, hierro, cromo, manganeso), y/o compuestos, particularmente óxidos, de metales nobles o de transición. Un catalizador de oxidación preferente es el platino sobre un recubrimiento por inmersión de alúmina. El recubrimiento por inmersión puede aplicarse a un monolito, extrudado, pellet u otro soporte. Otros materiales, como por ejemplo, cerio o lantano pueden añadirse para mejorar la función. Muchas otras formulaciones se han citado en la literatura con algunos practicantes reivindicando una actuación superior del rodio sobre catalizadores de alúmina. El rutenio, paladio, oro, y otros materiales se han citado en la literatura como activos también para este empleo.
La oxidación preferente del monóxido de carbono es favorecida por las bajas temperaturas. Como ambas reacciones producen calor, puede disponerse un heat pipe u otros medios dentro del reactor reactor para extraer el calor generado en el proceso. La temperatura de operación del proceso se mantiene preferentemente en el rango de aprox. 90ºC a aprox. 150ºC. De nuevo, un proceso de oxidación de este tipo puede utilizarse para reducir el nivel de monóxido de carbono a menos de 50 ppm, un nivel apropiado para su uso en células de combustible.
El reformado rico en hidrógeno que abandona el reformador de combustible es un gas rico en hidrógeno conteniendo dióxido de carbono y otros constituyentes, como por ejemplo, agua, componentes inertes (por ejemplo, nitrógeno, argón), hidrocarburo residual, etc. Este reformado puede emplearse como alimentación para una célula de combustible o para otras aplicaciones en las que se desee una corriente de alimentación rica en hidrógeno. El reformado rico en hidrógeno puede enviarse opcionalmente a un procesamiento adicional, por ejemplo, extraer el dióxido de carbono, agua u otros componentes. Más adelante se trata la separación del agua de la corriente de reformado antes del paso al apilamiento de células de combustible.
Los reformadores apropiados incluyen, aunque no se limitan a ellos, aquellos descritos en la Publicación de Solicitud de Patente U.S. Nº: US 2002/0083646 A1 a Deshpande, et al., publicada el 4 de julio de 2002; US 2002/0090326 A1 a Deshpande, publicada el 11 de julio de 2002; US 2002/0090328 A1 a Deshpande, publicada el 11 de julio de 2002; US 2002/0090327 A1 a Deshpande, publicada el 11 de julio de 2002; US 2002/0088740 A1 a Krause, et al., publicada el 11 de julio de 2002; US 2002/0094310 A1, a Krause, et al., publicada el 18 de julio de 2002; US 2002/0155329 A1 a Stevens, publicada el 24 de octubre de 2002; US 2003/00211741 A1 a Childress, et al., publicada el 30 de enero de 2003; y US 2003/0021742 a Krause, et al., publicada el 30 de enero de 2003. Estas publicaciones muestran un número de reformadores de combustible diferentemente configurados que pueden emplearse favorablemente dentro del dispositivo integrado de la presente invención.
Carcasa del Reformador de Combustible
Las carcasas apropiadas para su empleo en los métodos y en el dispositivo de la presente invención pueden ser cualquier carcasa que tenga un tamaño, material y construcción que aloje el reformador de combustible y sus subsistemas asociados y proporcionen un sello impermeable al gas que evite que los gases escapen al ambiente externo. Las carcasas preferentes son carcasas rígidas con bastidor y con paneles fijos al bastidor. Los panels pueden estar hechos de una variedad de materiales, como por ejemplo, metales, plásticos y compuestos con o sin aislamiento térmico. Los paneles pueden ser opcionalmente extraíbles para facilitar el acceso al contenido de la carcasa cuando el reformador de combustible no esté en operación. Independientemente de los materiales o método de construcción, la carcasa totalmente ensamblada debe proporcionar una barrera impermeable al gas, o una barrera que inhiba sustancialmente el paso de los gases desde el interior de la carcasa.
La carcasa tiene conexiones o entradas para conectar con fuentes de agua y combustible y para introducir aire en la carcasa para su empleo en la operación de procesamiento del combustible. El combustible será preferentemente gas natural, debido a sus costes y disponibilidad inmediata. La entrada de aire puede estar conectada a un sistema externo de manipulación del aire, pero es preferentemente una fuente de aire dirigida a un sistema de manipulación del aire alojado dentro de la carcasa. En un modo de ejecución preferente, la entrada del aire es simplemente una toma de aire para un sistema interno de manipulación del aire. Las conexiones de combustible y agua son preferentemente convencionales y normalizadas para fuentes de agua y combustible típicamente disponibles en edificios residenciales y comerciales. Otras conexiones, entradas y/o salidas en la carcasa pueden incluir una conexión de drenaje para conectar el recipiente colector con un drenaje doméstico y una conexión a una fuente externa de energía.
Opcionalmente, la carcasa tiene conexiones para conectar con un apilamiento de células de combustible. Estas conexiones del apilamiento de células de combustible prevén preferentemente la entrega de un reformado rico en hidrógeno y el retorno de las corrientes de escape de ánodo y cátodo a la carcasa. Cuando la carcasa aloje un sistema de manipulación del aire, se prevé que la carcasa tenga una conexión para la entrega de una corriente de aire al apilamiento de células de combustible. De manera similar, cuando la carcasa tenga un sistema de refrigeración que contenga un medio refrigerante, como por ejemplo, agua o similares, se prevé adicionalmente que la carcasa tenga conexiones para la entrega del medio refrigerante al apilamiento de células de combustible para ayudar en la regulación de la temperatura dentro del apilamiento. Cualquier conexión con el apilamiento de células de combustible es preferentemente convencional y normalizado en la naturaleza para simplificar el empleo del reformador de combustible y su carcasa con cualquier apilamiento de células de combustible. Se prefiere adicionalmente que todas las conexiones, entradas y salidas de la carcasa, sean "quick-connect" (de conexión rápida) en la naturaleza para simplificar adicionalmente la instalación del reformador de combustible.
Los expertos en la materia deben poder seleccionar el tamaño y la forma de la carcasa apropiada para el reformador del combustible y los subsistemas deseados. Sin embargo, se prefiere que la carcasa sea una cabina que no sea tan grande que no pueda transportarse fácilmente de un sitio a otro. Asimismo, los materiales empleados deben proporcionar la barrera impermeable al gas descrita anteriormente, pero no deben ser tan voluminosos que inhiban el transporte. Así, se prefiere que la carcasa tenga ruedas u otros medios para mover la carcasa.
Recipiente Colector
Un recipiente colector se emplea en los métodos y dispositivo de la presente invención para proporcionar un contenedor común para recibir una multitud de corrientes de aguas residuales y proporcionar un volumen en el que los gases combustibles, que pueden disolverse o arrastrarse en el agua recogida, puedan evaporarse antes de que el agua se elimine. Como la mayoría de las corrientes de aguas residuales que entran en el recipiente colector se encuentran a altas temperaturas, se prevé que no sea necesario calor adicional para facilitar la evaporación de los gases del agua recogida. Adicionalmente, la separación de los gases arrastrados en el agua residual ocurrirá naturalmente en función de la física. Los gases son típicamente menos densos que los líquidos y se separarán naturalmente del agua de mayor densidad. Las aguas residuales desgasificadas en el recipiente colector pasarán a través de la salida del recipiente colector y a través de una línea de drenaje al drenaje/alcantarilla domésticos.
Los recipientes colectores apropiados para su empleo en los métodos y el dispositivo de la presente invención son aquellos recipientes que pueden emplearse para recibir y recoger el agua originada de un número de fuentes diversas, tanto dentro de la carcasa como sin ella. El recipiente colector tendrá una pluralidad de entradas para recibir agua de estas fuentes y una salida conectada con una línea de drenaje que lleve a un sistema doméstico de drenaje. En un modo de ejecución preferente, el recipiente colector tiene una abertura alargada en su parte superior, a través de la cual puede recibir las corrientes de aguas residuales de una pluralidad de fuentes. Este recipiente colector no difiere de una bandeja de drenaje, y se refiere a veces aquí como "recipiente abierto".
Según lo observado, el recipiente colector debe ser capaz de recibir el agua de una pluralidad de fuentes diferentes. Según lo aquí descrito, estas fuentes incluirán fuentes internas al sistema de reformado del combustible, como por ejemplo, el condensado separado de la corriente de reformado rico en hidrógeno y el desbordamiento de un tanque de agua del proceso, y fuentes externas a la carcasa, como por ejemplo, las corrientes de escape de un apilamiento de células de combustible. Todas estas diferentes fuentes tienen el potencial para contener los gases combustibles arrastrados o disueltos en la corriente. Por tanto, antes de que el agua pueda eliminarse de manera segura, han de eliminarse los gases combustibles o reducirlos a un nivel seguro. El recipiente colector es un recipiente abierto hacia el interior de la carcasa de forma que los gases combustibles se evaporen en el interior de la carcasa. En este modo de ejecución, se emplea preferentemente un sistema de detección (descrito más adelante) para supervisar la presencia de gases combustibles en el interior de la carcasa.
El tamaño del recipiente colector dependerá del volumen de aguas residuales a tratar de este modo, así como de la cantidad de gases combustibles a extraer. El recipiente colector está situado en la porción más baja de la carcasa y preferentemente fijo al suelo de la carcasa.
Separador
Según lo observado anteriormente, una fuente común de aguas residuales dentro del procesador de combustible es el condensado que se haya extraido directamente de la corriente de reformado rico en hidrógeno. El agua se añade típicamente durante un número de etapas diferente en el proceso de reformado del combustible, por ejemplo, antes o durante la reacción de reformado del combustible, como un medio para refrigerar el reformado, y antes o durante una reacción de ajuste, entre otros. Generalmente, al menos una porción de esta agua necesita ser eliminada de forma que no interfiera en la operación del apilamiento de células de combustible. Asimismo, el escape de la célula de combustible contiene típicamente agua producto en vapor, y agua producto líquida que necesita separarse antes de que puedan quemarse los gases de escape. Por tanto, dependiendo de la fuente de agua que se disponga, puede emplearse un separador en los métodos y dispositivo de la presente invención para separar las aguas residuales de una corriente de procesamiento del combustible y/o de una corriente de escape de la célula de combustible.
Los separadores apropiados incluyen aquellos conocidos en el estado actual de la técnica para separar líquidos de una corriente gaseosa, como por ejemplo, aquellos mostrados en la Publicación de Solicitud de Patente Norteamericana nº 2003/0044670, "Método y Dispositivo para la Recogida de Condensado de las Corrientes de Gas Combustible en un Sistema Integrado de Células de Combustible", publicada el 6 de marzo de 2003; Patente Norteamericana nº 5,643,470, "Método Separador de Flujo Centrífugo", publicada el 1 de julio de 1997; y Patente Norteamericana nº 6,485,854, "Separador Gas-Líquido para Sistemas de Células de Combustible", publicada el 26 de noviembre de 2002. Otros dispositivos conocidos en el estado actual de la técnica para separar líquidos de gases pueden emplearse también para separar el agua de estas corrientes gaseosas.
Se prefiere que el separador sea un separador de agua de tipo centrífugo, tal y como se muestra, por ejemplo, en la Solicitud de Patente Norteamericana nº 10/408,035, "Separador Centrífugo de Agua", Wheat, et al., archivado el 4 de abril de 2003 (nº de sumario del procurador X-0129).
Ventilador
La operación típica del reformador de combustible y carcasa no espera que haya combustibles en la bandeja de drenaje, porque estos gases deberían separarse del agua dentro de la unidad separadora del agua. Sin embargo, en caso de fallo dentro del separador de agua, los gases disueltos o arrastrados dentro del agua pasan a través del separador y al recipiente colector. Un pico de alta presión podría empujar potencialmente toda el agua fuera del separador creando una trayectoria para que los gases escapen del separador a la carcasa. Por lo tanto, en un modo de ejecución opcional, pero altamente preferente de la actual invención, el dispositivo incluirá un ventilador para evacuar los gases de la carcasa.
El ventilador puede ser un simple ventilador orientado a expulsar los gases de dentro de la carcasa y ventilarlos fuera de la carcasa. Esta operación es segura y efectiva cuando se detecten pocos o ningún gas combustible dentro de la carcasa. En el caso de que los gases combustibles se detecten de este modo, el ventilador debería tener la capacidad de redirigir los gases combustibles a una cámara de combustión dentro de la carcasa para la combustión antes de que pueda ocurrir la ventilación.
Adicionalmente, en un sistema integrado, se prefiere que el ventilador sea un elemento dentro del sistema refrigerante del reformador de combustible. Este sistema comprenderá uno o varios intercambiadores de calor y uno o varios ventiladores para la provisión de un medio refrigerante a un número de funciones del reformador de combustible y potencialmente del apilamiento de células de combustible. Este sistema refrigerante y su empleo en la ventilación de la carcasa del reformador de combustible se describen con mayor detalle en la Solicitud de Patente Norteamericana nº 10/407,401, "Sistema Refrigerante para Reformadores de combustible", Wheat, et al., archivado el 4 de abril de 2003 (nº de sumario del procurador X-0125).
Cámara de Combustión
Los procesadores y reformadores del combustible tienen típicamente una cámara de combustión asociada, que está separada del reactor de reformado o integrada con el mismo y que se emplea para calentar los reactivos, generar vapor, calentar los reactores, y eliminar los subproductos indeseables que se generan durante la operación del reformador de combustible y/o de la célula de combustible. Por ejemplo, estas cámaras de combustión se refieren con frecuencia como oxidantes del gas de cola del ánodo, puesto que se emplean habitualmente para quemar el gas de cola del ánodo de apilamiento de células de combustible, además de su papel en la operación de procesamiento del combustible.
En los métodos y dispositivo de la presente invención se prefiere que haya una cámara de combustión para ayudar en la operación de procesamiento del combustible y para quemar los gases separados del reformado y las corrientes de escape de la célula de combustible. En la operación típica, los gases que se han evaporado del agua dentro del recipiente colector hacia el interior de la carcasa contendrán niveles muy bajos de combustibles y se podrán ventilar de manera segura de la carcasa sin procesamiento o tratamiento adicional. Sin embargo, e el caso de que se detecten altos niveles de gases combustibles en la carcasa, como por ejemplo, después del fallo de un separador de agua, se prevé que la cámara de combustión del reformador de combustible pueda emplearse para la combustión de los gases combustibles y, de este modo, los elimine. Después de la combustión, los gases de escape de la combustión pueden ventilarse típicamente de manera segura de la carcasa.
Las cámaras de combustión apropiadas pueden incluir aquellas mostradas en la patente norteamericana nº
6,077,620, publicada el 20 de junio de 2000 a Pettit (cámara de combustión catalítica encendida por efluente y/o combustible del ánodo a partir de un suministro de combustible líquido que se haya vaporizado); patente norteamericana nº 6,232,005, publicada el 15 de mayo de 2001 a Pettit (una sección tubular en el extremo de la entrada a la cámara de combustión mezcla íntimamente los efluentes del ánodo y del cátodo antes de que entren en contacto con el lecho de catalizador primario de la cámara de combustión; la sección tubular comprende al menos un lecho poroso de medio de mezclado que proporcione una trayectoria tortuosa para la creación de un flujo turbulento y mezclado íntimo de los efluentes del ánodo y del cátodo en él); y patente norteamericana nº 6.342,197, publicada el 29 de enero de 2002 a Senetar, et al. (descripción y comparación de cámaras de combustión con una variedad de características y configuraciones).
Otras cámaras de combustión apropiadas incluyen aquellas descritas en la Solicitud de Patente Norteamericana nº 10/408,080 "Método y Dispositivo de Calentamiento Rápido de Reactivos de Reformado del Combustible" de Nguyen, archivada el 4 de abril de 2003 (nº de sumario del procurador X-0076), y en la Solicitud de Patente Norteamericana nº 10/407,290 "Oxidante del Gas de Cola del Ánodo" de Deshpande, et al., archivada el 4 de abril de 2003 (nº de sumario del procurador X-0075).
Sistema de Detección de Gases
Los métodos y dispositivo de la presente invención incluyen opcionalmente, pero preferentemente, un sistema de detección de gases para supervisar la presencia de gases combustibles en el interior de la carcasa. Este sistema de detección tiene al menos un sensor de gases para supervisar el ambiente dentro de la carcasa y comunicar datos a un procesador o controlador del proceso. El sensor es preferentemente un sensor tipo límite de bajo umbral explosivo. El sensor debería seleccionarse en base a un número de factores incluyendo la naturaleza y peligros asociados de los gases que puedan estar presentes dentro de la carcasa, así como los códigos y estándares aplicables para el local donde ha de instalarse y operar el reformador de combustible. Los sensores apropiados se encuentran comercialmente disponibles por parte de una multitud de vendedores y se comercializan típicamente como sensores de monóxido de carbono, gas natural e hidrógeno. Además, no se requieren sensores independientes para cada gas. Debido a la naturaleza del monóxido de carbono y del gas natural, un sensor de detección de gases diseñado para detectar el gas natural o monóxido de carbono se accionará también por la presencia de hidrógeno a niveles de 1/10 del límite inferior de explosión del sensor.
El controlador del proceso recibe datos del sensor de gases. Se prevé que el controlador del proceso se emplee también para controlar la operación del reformador del combustible y de sus subsistemas. Dependiendo de los datos recibidos del sensor, el controlador del proceso puede activar una alarma para alertar a un operador, iniciar una secuencia de parada para el reformador del combustible y/o activar un evacuador que elimine los gases del interior de la carcasa, entre otras posibles rutinas.
Conexiones de la Célula de Combustible
Los métodos y dispositivo de la presente invención tienen preferentemente conexiones para recibir las corrientes de escape del ánodo y cátodo de la célula de combustible o de los colectores del ánodo y cátodo de un apilamiento de células de combustible. La carcasa debería tener además una conexión o salida para conectar con la célula de combustible para la entrega un reformado rico en hidrógeno. Esta entrega y retorno del gas de una célula de combustible son típicamente ricos en agua líquida. Uno de los subproductos principales de la producción de electricidad dentro de la célula de combustible es el agua producto líquida. Con las técnicas de separación del agua citadas anteriormente, es deseable descargar parte del agua producto al drenaje doméstico mientras se conserva otra para su empleo en la operación de sistema.
Además, las células de combustible y los apilamientos de células de combustible pueden hacer circular un medio refrigerante a través del apilamiento para controlar la temperatura del apilamiento. El dispositivo de la presente invención puede incluir como tal una conexión para conectar un sistema refrigerante dentro de la carcasa con el apilamiento de células de combustible para la entrega y retorno de un medio refrigerante circulante.
Tanque de Agua del Proceso
Se prefiere que el dispositivo de procesamiento de combustible de la presente invención y los métodos relacionados tengan adicionalmente un tanque de agua del proceso o depósito. Según lo aquí descrito, se requiere una fuente de agua del proceso en un número de etapas diferentes a través de la operación de procesamiento del combustible. Adicionalmente, el escape del cátodo de la célula de combustible contiene agua líquida y vapor de agua que pueden condensarse y reciclarse para su empleo en el reformador de combustible. Una salida o desbordamiento puede emplearse en el tanque de agua del proceso para prevenir que el nivel supere un nivel deseado. Como este agua del proceso puede contener gases volátiles y/o combustibles, cualquier desbordamiento o agua eliminada del tanque de agua del proceso se dirige hacia el recipiente colector para desgasificarse allí.
Los contenedores y recipientes para su empleo como tanque de agua del proceso son conocidos en el estado actual de la técnica. Sin embargo, los métodos y sistemas para la manipulación del agua dentro del reformador de combustible y/o reformador de combustible y sistema de células de combustible integrados se describen en la Solicitud de Patente Norteamericana nº 10/407,617, "Método y Dispositivo para Separar Agua de una Corriente de Escape de la Célula de Combustible", Deshpande, et al., archivada el 4 de abril de 2003 (nº de sumario del procurador X-0124), y en la Solicitud de Patente Norteamericana nº 10/408,006, "Método y Dispositivo para el Control del Nivel en un Tanque de Agua de un Reformador de la Célula de Combustible", Wheat, et al., archivada el 4 de abril de 2003 (nº de sumario del procurador X-0128).
(2) Un Método para Separar Agua de una Corriente de Reformado para su Eliminación Segura
El presente descubrimiento comprende también un método para separar el agua de una corriente de reformado para su eliminación segura. El método comprende los pasos de operación del reformador de combustible dentro de una carcasa impermeable al gas para producir un reformado rico en hidrógeno incluyendo agua y al menos un componente gaseoso combustible, separación del agua del reformado rico en hidrógeno y direccionamiento del agua hacia un recipiente colector abierto dentro de la carcasa, y evaporación de un componente gaseoso combustible arrastrado por el agua hacia el interior de la carcasa. Este método incluye además opcionalmente, pero de manera altamente preferente, el paso de direccionamiento del agua fuera del recipiente colector hacia un drenaje. El método puede incluir también el paso de combustión del reformado rico en hidrógeno empobrecido en agua. El método puede incluir adicionalmente un paso de detección de la presencia de un componente gaseoso combustible en el interior de la carcasa y generación de una señal cuando se detecte un componente gaseoso combustible. El método puede incluir además el paso de evacuación de un componente gaseoso combustible desde el interior de la carcasa. El método puede incluir adicionalmente los pasos de recepción de una mezcla de escape de la célula de combustible conteniendo un gas de escape y agua producto de una célula de combustible. Este método podría incluir preferentemente los pasos de separación del agua producto del gas de escape, direccionamiento del agua producto hacia el recipiente colector abierto y combustión del gas de escape separado. El presente método puede incluir adicionalmente el paso de eliminación de agua del proceso de un tanque de agua del proceso y direccionamiento del agua de proceso eliminada hacia el recipiente colector abierto para su eliminación.
(3) Un Método de Fabricación de un Dispositivo para Separar Agua de una Corriente de Reformado para su Eliminación Segura
Otro método ilustrativo de la presente invención es un método de fabricación de un dispositivo para separar agua de una corriente de reformado para su eliminación segura. El método comprende los pasos de inclusión del reformador de combustible, que se empleará para producir un reformado rico en hidrógeno comprendiendo agua y al menos un componente gaseoso combustible, en una carcasa impermeable al gas, provisión de un separador para separar el agua del reformado rico en hidrógeno, provisión de un recipiente colector abierto dentro de la carcasa impermeable al gas para recibir el agua separada del separador, y provisión del recipiente colector con una conexión de drenaje. El método incluirá también opcionalmente, pero preferentemente, el paso de provisión de un sensor de detección de gases en la carcasa para detectar la presencia de un componente gaseoso combustible en el interior de la carcasa. El método puede incluir adicionalmente el paso de provisión de una conexión a una célula de combustible para recibir el escape de la célula de combustible conteniendo agua y un escape de una célula de combustible.
Descripción Detallada de las Figuras
La Figura 1 es un diagrama de bloques simplificado de un dispositivo integrado y carcasa de la presente invención. El dispositivo integrado se indica generalmente con el número de referencia 10. El dispositivo integrado y carcasa tienen un reformador 15 alojado dentro de la carcasa impermeable al gas 5. La carcasa 5 encierra un número de subsistemas de reformado de combustible incluyendo reformador, separador 20, cámara de combustión 25 y recipiente colector 40, así como el interior 55 que constituye el volumen abierto o el espacio abierto dentro de la carcasa 5.
La carcasa 5 tiene un número de conexiones o entradas y salidas para conectar el reformador y otros subsistemas de procesamiento del combustible con elementos externos. Se prevé la conexión 24 en la carcasa 5 para conectar el reformador con la fuente externa de combustible de hidrocarburos 4. La conexión 22 se prevé para conectar el reformador o un tanque interno de agua del proceso (no representado en la Figura 1) con la fuente externa de agua del proceso 2. La conexión 28 se prevé para conectar con una célula de combustible o apilamiento de células de combustible externos y para dirigir el reformado rico en hidrógeno a la célula de combustible a su través. La conexión 34 se prevé para dirigir los productos de combustión de la cámara de combustión 25 fuera de la carcasa 5. La conexión 36 se prevé para conectar la salida del recipiente colector a una línea externa de drenaje. La conexión 36 puede ser simplemente una salida para dirigir el agua desgasificada recogida fuera de la carcasa 5, de forma que pueda drenar en un drenaje de suelo simple.
El reformador 15 recibe agua y un combustible a base de hidrocarburos de fuentes externas y convierte el combustible en un reformado rico en hidrógeno. El reformado 8 se dirige hacia una o varias etapas ilustradas colectivamente como purificación/ajuste 45. El reformado ajustado purificado 3 se dirige entonces al separador 20 para separar y extraer al menos una porción del agua presente en la corriente gaseosa de reformado. El reformado se enfriará preferentemente para condensar el agua del reformado antes de separarla de la corriente gaseosa de reformado. Si el reformado empobrecido en agua es de calidad para célula de combustible, el gas reformado se dirige a través de la línea 12 fuera de la conexión 28 y hacia el apilamiento de células de combustible 30, donde será consumido, al menos parcialmente, por la célula de combustible. Si el reformado empobrecido en agua no es de calidad de célula de combustible, el gas reformado se dirige a través de la línea 14 hacia la cámara de combustión 25 para su combustión. Los gases producto de la combustión pueden dirigirse entonces fuera de la carcasa 5 a través de la línea 16. La conexión 34 se prevé y puede emplearse para conectar la línea de escape de la cámara de combustión con el ventilador externo 35.
El agua separada del reformado gas en separador 20 se dirige a través de la línea 18 al recipiente colector 40. El agua separada contendrá habitualmente componentes del gas combustible arrastrados o disueltos que puedan evaporarse del agua mientras se encuentren en el recipiente colector 40. Según lo ilustrado, el recipiente colector 40 es un recipiente abierto tal que los gases vaporizados que escapan del agua recogida difundan en el espacio interior 55 dentro de la carcasa. Después de que el agua recogida haya pasado tiempo suficiente para su desgasificación en el recipiente colector 40, el agua sale a través de la salida 32 a la línea 26 y fuera de la carcasa a través de la conexión 36. El agua puede mantenerse en el recipiente colector 40 para el drenaje periódico o puede utilizarse una restricción en la salida 32 para mantener un flujo gradual de agua saliendo del recipiente. La conexión 36 está conectada con el drenaje doméstico 50 para la eliminación segura del agua desgasificada a la red local de alcantarillado.
La Figura 2 es también un diagrama de bloques simplificado de un dispositivo integrado y carcasa de la presente invención. El dispositivo integrado se indica generalmente con el número de referencia 110. El dispositivo integrado y carcasa tiene una combinación de cámara de combustión/reformador 115 que se aloja dentro de la carcasa impermeable al gas 105. La carcasa 105 encierra un número de elementos de reformado del combustible incluyendo la cámara de combustión/reformador 115, separador 120, separador 146, recipiente colector 140, tanque de agua del proceso 165 y ventilador 160, así como el interior 155 que constituye el volumen abierto o espacio abierto dentro de la carcasa 105. El dispositivo integrado ilustrado en la Figura 2 opera esencialmente del mismo modo que el ilustrado en la Figura 1, con la excepción de que el reformador y la cámara de combustión están combinados o integrados. El reformador de combustible y carcasa de la Figura 2 está integrado adicionalmente con un apilamiento externo de células de combustible 130.
Más específicamente, el agua del proceso de la fuente 102 entra en la carcasa a través del conector o entrada 122 y pasa al tanque de agua del proceso 165. El tanque de agua del proceso se ilustra también teniendo una entrada de la línea de retorno 172 que dirige la corriente de escape del cátodo al interior de la carcasa 105 a través de la conexión 174. La corriente de escape del cátodo se dirige a la carcasa y al interior del tanque de agua del proceso 165 de forma que el agua producto líquida y el agua producto en forma de vapor procedente del apilamiento de células de combustible pueda separarse por condensación de la corriente de escape y reutilizarse en el reformador de combustible. El agua del proceso para su empleo en la operación de procesamiento del combustible se dirige hacia la cámara de combustión/reformador a través de la línea 152. Los sensores de nivel dentro del tanque de agua del proceso (no representados) se emplean para controlar el nivel de agua del proceso. Si el nivel de agua del proceso tuviera que elevarse por encima de un nivel deseado, podría eliminarse agua del tanque 165 a través de la línea 148 y depositarse en el recipiente colector 140. Como la corriente de escape del cátodo se encamina a través del tanque de agua del proceso 165, es posible que el agua eliminada a través de la línea 148 contenga gases combustibles.
El combustible a base de hidrocarburos procedente de una fuente externa 104 entra en la carcasa a través de la conexión 124 y se dirige hacia la cámara de combustión/reformador 115. El combustible y el agua (convertida en vapor dentro de la cámara de combustión/reformador) se reforman catalíticamente dentro de la cámara de combustión/reformador, tal y como se ha descrito anteriormente. Otros materiales que entran a la cámara de combustión/reformador 115 para su combustión incluyen el reformado fuera de especificación que se dirige a través de la línea 114 y los gases de escape del ánodo que se dirigen a través de la línea 106. Los gases producto de la combustión a ventilar de la cámara de combustión/reformador y de la carcasa 105 se dirigen hacia fuera a través de la línea 116 y de la conexión 134. La conexión 134 está conectada con el ventilador externa 135 para ventilar los gases de combustión fuera del edificio que contiene la carcasa 105.
La corriente de reformado rico en gas hidrógeno producida por la cámara de combustión/reformador se dirige a través de la línea 108 a través de uno o varios módulos o etapas ilustradas colectivamente como purificación/ajuste 145. El reformado ajustado purificado se dirige entonces a través de la línea 156 al separador 120, donde se separa el agua del reformado rico en gas hidrógeno. El agua y cualquier combustible arrastrado o disuelto se dirigen al recipiente colector 140 a través de la línea 118. El reformado empobrecido en agua, que se ha determinado que tiene una calidad menor que la de célula de combustible, se retornará a la cámara de combustión/reformador para su combustión a través de la línea 114. El reformado empobrecido en agua de calidad de célula de combustible se dirige hacia un apilamiento externo de células de combustible 130 a través de la línea 112 y de la conexión 128.
El apilamiento de células de combustible consume el reformado rico en hidrógeno y en gas conteniendo oxígeno en la reacción electroquímica que produce electricidad. El reformado gastado, el hidrógeno sin reaccionar y gas conteniendo oxígeno gastado, oxígeno sin reaccionar, y agua producto en fases líquida y vapor están presentes en las corrientes de escape de la célula de gas combustible. Según lo ilustrado, la corriente de gases de escape del ánodo se dirige a través de la conexión 138 y línea 142 al separador 146. Dentro del separador 146, se separa el agua líquida de los componentes gaseosos y se dirige a través de la línea 144 al recipiente colector 140. Los gases que se separan de la corriente de gases de escape del ánodo se dirigen a través de la línea 106 a la cámara de combustión/reformador 115 para la combustión. Según lo observado anteriormente, la corriente de escape del cátodo se dirige hacia el tanque de agua del proceso 165, donde se condensarán el agua líquida y el vapor de agua de la corriente gaseosa y se retirarán de la corriente. Aunque no se representen, los gases de escape del cátodo se pueden dirigir desde una porción superior del tanque de agua del proceso a la cámara de combustión/reformador 115 para la combustión.
El agua separada depositada en recipiente colector 140 contendrá habitualmente componentes del gas combustible arrastrados o disueltos que puedan evaporarse del agua mientras se encuentran en el recipiente colector 140. Según lo ilustrado, el recipiente colector 140 es un recipiente abierto tal que los gases vaporizados que escapan del agua recogida se difundan en el espacio interior 155 dentro de la carcasa. Después de que el agua recogida haya pasado tiempo suficiente para su desgasificación en el recipiente colector 140, el agua sale a través de la salida 132 y la línea 126 y fuera de la carcasa a través de la conexión 136. El agua puede mantenerse en el recipiente colector 140 para el drenaje periódico o puede utilizarse una restricción en la salida 132 para mantener un flujo gradual de agua saliendo del recipiente 140. La conexión 136 está conectada con el drenaje doméstico 150 para la eliminación segura del agua desgasificada a la red local de alcantarillado.
Los gases combustibles que se evaporan del agua recogida se difunden fuera del recipiente colector abierto hacia el interior 155 de la carcasa 105. El ventilador 160 ventila constantemente los gases del interior de la carcasa a través de la línea 185. Los gases dentro de la carcasa son supervisados por el sensor de gases 180 que comunica datos con el medio de procesamiento 175. El medio de procesamiento 175 supervisa los datos recibidos del sensor 180 y determina cuándo hay un nivel significativo de gases combustibles en la carcasa 105. Como respuesta a la detección de un nivel significativo o alto de estos gases, el procesador puede generar una señal para activar una alarma, para activar una rutina de parada para el reformador de combustible, o para dar instrucciones al ventilador 160 de dirigir los gases de la carcasa a una entrada a la cámara de combustión/reformador 115 para la combustión. Alternativamente, en un modo de ejecución no ilustrado en la Figura 2, los gases combustibles pueden dirigirse fuera de la carcasa 115 para su almacenamiento o manipulación en un módulo independiente.
Los modos de ejecución particulares mostrados anteriormente son solo ilustrativos, pues la invención se puede modificar y practicar de maneras diversas pero equivalentes evidentes para los expertos en la materia, teniendo la ventaja de las enseñanzas adjuntas. Además, no se prevén otras limitaciones para los detalles de construcción o diseño aquí mostrados, que las descritas en las siguientes reivindicaciones. Por consiguiente, la protección aquí buscada será según lo dispuesto en las siguientes reivindicaciones.

Claims (27)

1. Dispositivo integrado de tratamiento de combustible, comprendiendo el dispositivo integrado (10, 110):
un reformador de combustible para producir un reformado rico en hidrógeno comprendiendo agua y un componente gaseoso combustible;
una carcasa impermeable al gas (5, 105) para contener el reformador de combustible; y
un recipiente colector (40, 140) dentro de la carcasa para recibir el agua, teniendo el recipiente colector un drenaje (36, 136) para dirigir el agua fuera de la carcasa (5, 105)
y estando el recipiente colector (40, 140) abierto hacia el interior (55, 155) de la carcasa (5, 105) de forma que cualquier componente gaseoso combustible arrastrado en el agua pueda evaporarse hacia el interior (55, 155) de la carcasa (5, 105).
2. El dispositivo integrado de la Reivindicación 1, comprendiendo adicionalmente un ventilador (185) para evacuar el componente gaseoso combustible de dentro de la carcasa (105).
3. El dispositivo integrado de la Reivindicación 2, comprendiendo el reformador de combustible una cámara de combustión (115) conectada al ventilador (185) para recibir y quemar el componente gaseoso combustible.
4. El dispositivo integrado de la Reivindicación 1, comprendiendo adicionalmente un dispositivo detector de gases (180) para detectar la presencia de un gas combustible dentro de la carcasa (105).
5. El dispositivo integrado de la Reivindicación 4, teniendo el dispositivo detector de gases (180) medios de procesamiento (175) para generar una señal cuando se detecten gases combustibles.
6. El dispositivo integrado de la Reivindicación 1, comprendiendo adicionalmente un separador (20, 120) para separar el agua del reformado rico en hidrógeno.
7. El dispositivo integrado de la Reivindicación 6, dirigiéndose el agua hacia el recipiente colector (40, 140).
8. El dispositivo integrado de la Reivindicación 6, comprendiendo el reformador de combustible una cámara de combustión (25, 125) para recibir y quemar el reformado empobrecido en agua.
9. El dispositivo integrado de la Reivindicación 1, teniendo la carcasa (105) una conexión (138) para recibir una mezcla de escape de la célula de combustible comprendiendo un gas de escape y agua producto.
10. El dispositivo integrado de la Reivindicación 9, comprendiendo adicionalmente al menos un separador (146) en comunicación fluida con la conexión (138) para separar el agua producto del gas de escape.
11. El dispositivo integrado de la Reivindicación 10, dirigiéndose el agua producto hacia el recipiente colector (140).
12. El dispositivo integrado de la Reivindicación 9, comprendiendo el reformador de combustible una cámara de combustión (115) para recibir y quemar el gas de escape separado.
13. El dispositivo integrado de la Reivindicación 1, comprendiendo el reformador de combustible un tanque de agua del proceso (165) teniendo una salida para extraer agua del proceso del tanque de agua del proceso (165) y estando la salida conectada al recipiente colector (140).
14. Un método para separar agua de una corriente de reformado para su eliminación segura, comprendiendo el método los pasos de:
operación de un reformador de combustible dentro de una carcasa impermeable al gas (5, 105) para producir un reformado rico en hidrógeno comprendiendo agua y al menos un componente gaseoso combustible;
separación del agua del reformado rico en hidrógeno y direccionamiento del agua hacia un recipiente colector abierto dentro de la carcasa (5, 105) y
evaporación de un componente gaseoso combustible arrastrado del agua hacia el interior (55, 155) de la carcasa (5, 105).
15. El método de la Reivindicación 14, comprendiendo adicionalmente el paso de direccionamiento del agua fuera del recipiente colector (40, 140) a un drenaje (36, 136).
16. El método de la Reivindicación 14, comprendiendo adicionalmente el paso de detección de la presencia de un componente gaseoso combustible en el interior (55, 155) de la carcasa (5, 105).
17. El método de la Reivindicación 16, comprendiendo adicionalmente el paso de generación de una señal cuando se detecte un componente gaseoso combustible.
18. El método de la Reivindicación 14, comprendiendo adicionalmente el paso de evacuación de un componente gaseoso combustible del interior de la carcasa.
19. El método de la Reivindicación 18, comprendiendo adicionalmente el paso de combustión del componente gaseoso combustible evacuado.
20. El método de la Reivindicación 14, comprendiendo adicionalmente el paso de combustión del reformado rico en hidrógeno empobrecido en agua.
21. El método de la Reivindicación 14, comprendiendo adicionalmente los pasos de recepción de una mezcla de escape de la célula de combustible comprendiendo un gas de escape y agua producto, separación del agua producto del gas de escape y direccionamiento del agua producto hacia el recipiente colector abierto (40, 140).
22. El método de la Reivindicación 21, comprendiendo adicionalmente el paso de combustión del gas de escape separado.
23. El método de la Reivindicación 14, comprendiendo adicionalmente el paso de eliminación de agua del proceso de un tanque de agua del proceso (165) y direccionamiento del agua de proceso eliminada hacia el recipiente colector abierto (140).
24. Un método de fabricación de un dispositivo para separar el agua de una corriente de reformado para su eliminación segura, comprendiendo el método los pasos de:
inclusión de un reformador de combustible en una carcasa impermeable al gas (5,105), produciendo el reformador de combustible un reformado rico en hidrógeno, comprendiendo agua y al menos un componente gaseoso combustible;
provisión de un separador (20, 120) para separar el agua del reformado rico en hidrógeno; y
provisión de un recipiente colector abierto (40, 140) dentro de la carcasa para recibir agua separada del separador (20, 120).
25. El método de la Reivindicación 24, comprendiendo adicionalmente el paso de provisión de un sensor de detección de gases (180) en la carcasa (105) para detectar la presencia de un componente gaseoso combustible en el interior (55, 155) de la carcasa (5, 105).
26. El método de la Reivindicación 24, comprendiendo adicionalmente el paso de provisión de una conexión (138) a una célula de combustible para recibir el escape de la célula de combustible.
27. El método de la Reivindicación 24, comprendiendo adicionalmente el paso de provisión del recipiente colector (140) con una conexión de drenaje (136).
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