ES2344149T3 - Aparato calefactor con pila de combustible asi como procedimiento para hacer funcionar un aparato calefactor con pila de combustible. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para hacer funcionar un aparato calefactor con pila de combustible, que comprende lo siguiente: durante el arranque y la parada de una unidad de tratamiento de gas circula una cantidad de gas por la unidad de tratamiento de gas, y el gas se alimenta desde el conducto de salida (36) de la unidad de tratamiento de gas al conducto de entrada (14) de la unidad de tratamiento de gas y la cantidad de gas circulante en la unidad de tratamiento de gas atraviesa un depurador fino de gas que está conectado a través de la válvula (28) con el conducto de salida (36) y una pila de combustible (32), caracterizado porque durante el arranque de la instalación de tratamiento de gas circula por la instalación de tratamiento de gas, bajo suministro de calor, un gas inerte obtenido por reacción del reformato circulante.
Description
Aparato calefactor con pila de combustible así
como procedimiento para hacer funcionar un aparato calefactor con
pila de combustible.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para hacer funcionar un aparato calefactor con pila de
combustible, en particular, a un procedimiento para arrancar y
parar una unidad de tratamiento de gas en el aparato calefactor con
pila de combustible.
Las pilas de combustible, como, por ejemplo, las
pilas de combustible con membrana polimérica son ampliamente
conocidas. Los aparatos calefactores con pila de combustible para el
suministro descentralizado de energía son abastecidos con gas
natural a través de una conexión de gas, reformándose el hidrógeno a
partir de compuestos con contenido en hidrógeno presentes en el gas
natural. En una unidad de tratamiento de gas que contiene un
reformador se reforman endotérmicamente los hidrocarburos
(C_{n}H_{m}) del gas natural en presencia de un catalizador y
con la adición de vapor de agua, generándose dióxido de carbono
(CO_{2}) e hidrógeno (H_{2}). El reformato contiene también
restos de monóxido de carbono (CO), que se oxidan selectiva y
exotérmicamente en un depurador fino de gas posterior mediante la
adición de oxigeno. Se genera dióxido de carbono (CO_{2}) y agua
(H_{2}O). Para la reformación endotérmica de vapor se usa un
quemador de gas.
Por el documento DE 20000857 U1 se conoce un
sistema de pilas de combustible que en el conducto de alimentación
de una pila de combustible está equipado con una válvula de tres
vías de accionamiento eléctrico. El conducto de alimentación está
provisto, además, de un sensor que determina la concentración de
monóxido de carbono en el conducto de alimentación de la pila de
combustible. Si se sobrepasa un valor umbral predeterminado para el
monóxido de carbono, su entrada en la pila de combustible es
impedida por un direccionamiento correspondiente de la válvula de
tres vías. El gas es desviado de la pila de combustible mediante un
tubo de derivación. El gas desviado se quema en un quemador para el
reformador y el evaporador. De forma alternativa, también es
posible hacer pasar el gas una segunda vez por la disposición para
reducir adicionalmente la concentración de monóxido de carbono. El
segundo tratamiento del gas sirve para reducir adicionalmente el
contenido en monóxido de carbono.
Por el documento DE 10252075 A1 se conoce una
combustión pobre escalonada para un arranque rápido de un sistema
que procesa combustible. Para ello se conocen dos sistemas de
combustión independientes. La corriente inicial del segundo sistema
de combustión se alimenta en el intercambiador de calor de un
reactor de desplazamiento de gas de agua/intercambiador de calor
(WGS/IC). El gas se elimina del intercambiador de calor como gas de
desecho. En este caso, el gas del segundo quemador siempre está
separado del gas que se conduce a la etapa PrOx a través del
reactor de desplazamiento.
La reformación se lleva a cabo típicamente a
temperaturas de 500ºC a 800ºC. El catalizador del reformador no
debe entrar en contacto con oxigeno, pues de lo contrario se daña u
oxida con tal fuerza que ya no se obtiene el efecto catalítico
deseado. Además de ser dañado por oxigeno, el reformador también se
puede dañar o envejecer prematuramente mediante agua
condensada.
Por lo tanto, es necesario que el catalizador no
se exponga a una atmósfera indefinida en el reformador y se evite
la condensación de vapor de agua.
Para ello se conoce el lavado del aparato
calefactor con pila de combustible con un gas inerte, especialmente
cuando se para y arranca el aparato calefactor con pila de
combustible. En la actualidad se usa para ello preferentemente
nitrógeno, que se bombea desde uno o varios depósitos separados a la
instalación o se bombea hacia el exterior de la instalación.
Por el documento US 2003/0138680 se conoce un
aparato calefactor con pila de combustible que está dimensionado
para hacer circular, durante el arranque y la parada, un gas del
sistema, como, por ejemplo, el reformato, gases de desecho anódicos
y/o gases de combustión, a través de la unidad de tratamiento de
gas. Para ello está previsto un quemador catalítico separado, a
través del cual se conduce la corriente de gas circulante. Durante
el funcionamiento regular, la corriente de gas no pasa por el
quemador catalítico separado, sino que la pila de combustión es
abastecida por una etapa PrOx regular.
El procedimiento según la reivindicación 1
difiere del aparato calefactor con pila de combustible conocido en
que no se prevén componentes adicionales para las fases de arranque
y de parada.
La invención se basa en el objetivo técnico de
proporcionar un procedimiento para hacer funcionar un aparato
calefactor con pila de combustible, que accione con medios lo más
sencillos posible una unidad de tratamiento de gas de manera segura
y no perjudicial para sus elementos.
El aparato calefactor con pila de combustible de
acuerdo con la invención posee una unidad de tratamiento de gas que
presenta un conducto de entrada para el gas y un conducto de salida
para el reformato con contenido en hidrógeno. En la unidad de
tratamiento de gas se convierten hidrocarburos (C_{n}H_{m}) en
dióxido de carbono (CO_{2}) e hidrógeno (H_{2}) bajo la adición
de vapor de agua. En el aparato calefactor con pila de combustible
se prevé de acuerdo con la invención un conducto de circulación que
conecta el conducto de entrada y el conducto de salida. El conducto
de circulación permite volver a alimentar en la unidad de
tratamiento de gas los productos de salida de ésta, de forma que en
la unidad de tratamiento de gas circula una cantidad definida de
gas. La unidad de tratamiento de gas presenta un reformador y un
depurador fino de gas dispuesto a continuación. El depurador fino
de gas está previsto preferentemente en el conducto de salida de la
unidad de tratamiento de gas, entre el reformador y la válvula. Por
lo tanto, el gas conducido de vuelta a través del conducto de
circulación ha atravesado toda la unidad de tratamiento de gas. Al
conducir la cantidad de gas de vuelta a la unidad de tratamiento de
gas se puede preparar un gas inerte a partir del reformato por
alimentación de aire y separación de agua. De acuerdo con la
invención, el conducto de circulación está unido con el conducto de
salida a través de al menos una válvula que une el conducto de
circulación con el conducto de salida de la unidad de tratamiento
de gas. El uso de la válvula permite hacer circular una cantidad de
gas a través del conducto de circulación e impedir la alimentación
de gas en la pila de combustible. En el conducto se puede disponer
una válvula de tres vías, una pareja de válvulas o cualquier otra
disposición de válvulas. De acuerdo con la invención, el depurador
fino de gas se usa tanto en la fase de calentamiento, en la que
circula el reformato, como también en la fase de funcionamiento
regular, en la que el reformato se alimenta en la pila de
combustible.
La unidad de tratamiento de gas posee como
depurador fino de gas preferentemente una unidad de oxidación. En
el depurador fino de gas se convierte monóxido de carbono en dióxido
de carbono y agua mediante el suministro de aire. En el proceso de
tratamiento de gas también se alimenta aire en la unidad de
tratamiento de gas.
El objetivo técnico de la invención se alcanza
mediante un procedimiento para hacer funcionar un aparato calefactor
con pila de combustible con las características de la
reivindicación 1. Las configuraciones ventajosas del procedimiento
son objeto de las reivindicaciones secundarias.
El procedimiento de acuerdo con la invención
interviene durante el arranque o la parada de una unidad de
suministro de gas. Durante estas fases, el gas del conducto de
salida de la unidad de tratamiento de gas se vuelve a alimentar en
su conducto de entrada, desconectándose, en especial, también la
alimentación de los eductos. Al parar o reducir el funcionamiento
de la unidad de tratamiento de gas, el gas circula a través de la
unidad de tratamiento de gas hasta que se haya formado un gas
inerte. Bajo el suministro de aire circula una cantidad de gas por
la unidad de tratamiento de gas hasta que en la unidad de
tratamiento de gas se haya formado el gas inerte. La generación de
gas inerte se realiza bajo suministro de aire. El gas inerte se
compone básicamente de dióxido de carbono y nitrógeno.
Al arrancar el aparato calefactor con pila de
combustible, el gas inerte se hace circular en la instalación de
tratamiento de gas bajo suministro de calor. De este modo se logra
un calentamiento uniforme del reformador, pudiéndose evitar así la
condensación de vapor de agua y el daño del catalizador en la
instalación de tratamiento de gas. Cuando se alcanza una
temperatura predeterminada en la instalación de tratamiento de gas,
se alimenta agua. En una variante preferida del procedimiento, el
conducto de salida da paso, tras la alimentación de agua, a un
conducto de entrada de un quemador reformador. Así, el gas inerte se
alimenta en el quemador. De forma alternativa, el conducto de
salida de la unidad de tratamiento de gas también se puede dirigir a
la pila de combustible.
A continuación se explica con más detalle una
configuración preferida de un aparato calefactor con pila de
combustible.
El aparato calefactor con pila de combustible 10
se alimenta con gas de proceso a través de un conducto de
alimentación. El gas de proceso se alimenta en un reformador 16 a
través del conducto 14. El reformato procedente del reformador 16
se alimenta en una etapa PrOx 20 a través del conducto 18. En la
etapa PrOx 20 se alimenta aire 22, y el agua formada se evacúa a
través de un separador de agua 24. El gas formado en la etapa PrOx
20 se alimenta en la pila de combustible 32 a través del conducto
26, la válvula de tres vías 28 ajustada de forma correspondiente y
el conducto 30.
El gas que sale de la pila de combustible 32 se
conduce al conducto 36 a través del conducto 34. El conducto 36
desemboca en un quemador 38, que proporciona el calor de proceso
para el reformador 16. Del conducto 36, que forma el conducto de
salida de la unidad de tratamiento de gas, se desvía un conducto de
circulación 40 que conecta el conducto 36 con el conducto de
entrada 16 del reformador. El conducto de circulación 40 está
conectado con el conducto 36 a través de una válvula de tres vías
37. La válvula de tres vías 37 permite la circulación de una
cantidad de gas incluyendo la pila de combustible 32.
En el conducto de circulación 40 puede estar
prevista adicionalmente una bomba de circulación 42 que transporta
una corriente de gas a través del circuito. El circuito lo forma el
conducto 40, que conduce al reformador 16 a través del conducto 14
y a la unidad PrOx 20 a través del conducto 18 y se reúne con el
conducto 36 y la válvula de tres vías 37 a través del conducto 26 y
la válvula de tres vías 28.
La reformación se lleva a cabo típicamente a
temperaturas de 500ºC a 800ºC. El catalizador del reformador en
general no debe entrar en contacto con oxigeno, puesto que el
oxígeno daña el catalizador o lo oxida fuertemente. Mientras se
produce reformato, el reformador está relleno con el gas de proceso,
de manera que reina una atmósfera no crítica. También se forma una
atmósfera no crítica cuando en el reformador 16 se alimenta agua 44
en forma de vapor de agua. Debe asegurarse que el agua no se
condensa, puesto que ello también provoca daños o un envejecimiento
prematuro del catalizador.
\newpage
El catalizador no debe exponerse durante el
funcionamiento del aparato calefactor con pila de combustible a una
atmósfera indefinida, y deben eliminarse de la instalación el agua y
el reformato combustible residual. En el estado de funcionamiento
normal, la instalación es abastecida con calor de proceso a través
del quemador 38. Además se alimentan en el reformador 16 los
eductos agua 44 e hidrocarburo (C_{n}H_{m}), por ejemplo del
gas natural. El gas natural se reforma a temperaturas de 500ºC a
800ºC, formándose fundamentalmente H_{2} y CO_{2}. El reformato
contiene asimismo un pequeño porcentaje de metano residual, puesto
que no se produce una reacción completa del gas natural. El
reformato está humedecido, puesto que en total se añade más agua a
la instalación de lo que se necesita para el proceso de
reformación.
Como producto secundario no deseado también está
contenido en el reformato CO, que puede influir negativamente en el
funcionamiento de la pila de combustible. Para eliminar el CO, el
reformato se conduce a la denominada etapa PrOx. En ella, el CO se
transforma preferentemente en CO_{2} y agua bajo el suministro de
oxigeno del aire y en presencia de un catalizador. Este proceso
también se denomina oxidación preferente. En una reacción
secundaria también se transforma H_{2} en O_{2}. Después de la
PrOx, el contenido en CO está reducido típicamente a unas pocas
ppm, de manera que el gas se puede alimentar en la pila de
combustible.
Cuando la instalación se para, es decir, cuando
la instalación se desconecta o se mantiene a disposición, se
detiene la alimentación de los eductos agua y gas natural en el
reformador y se deja de alimentar calor de proceso. Al mismo
tiempo, el flujo de gas se desvía delante de la pila de combustible,
en la válvula de tres vías 28, y se dirige al conducto de
circulación 40. Desde allí se conduce al conducto de alimentación
14 del reformador. Para la circulación del gas se puede usar la
bomba de educto 43 o también una bomba de circulación 42 separada,
integrada en el conducto 40. De forma alternativa también pueden
estar previstas ambas bombas.
El reformato residual se hace circular por el
conducto de circulación 40 a través de la unidad de tratamiento de
gas formada por el reformador 16 y la etapa PrOx 20. En la etapa
PrOx 20 se alimenta aire. El oxigeno del aire reacciona con el
H_{2} del gas de circulación para dar agua. Este agua se evacúa de
la etapa PrOx mediante un separador de agua. El gas de circulación
no puede escaparse a través del separador de agua.
El metano residual presente en el reformato se
hace reaccionar en el reformador con agua residual para dar H_{2}
y CO_{2}, hasta que se ajuste un equilibrio y no reaccione más
metano residual. El suministro del calor de proceso necesario está
garantizado durante suficiente tiempo por el efecto acumulador del
reformador.
Por la circulación permanente en la unidad de
tratamiento de gas y la alimentación de aire procedente de la etapa
PrOx, el H2 del reformato se convierte casi por completo en
H_{2}O. Además, el nitrógeno residual se enriquece en el gas de
circulación. Al cabo de unos minutos, el gas de circulación ya sólo
se compone básicamente de dióxido de carbono (CO_{2}) y nitrógeno
(N_{2}), así como de pequeñas cantidades de metano (CH_{4}) e
hidrógeno (H_{2}).
Esta atmósfera garantiza el efecto protector
necesario para el catalizador del reformador. Al mismo tiempo
también se elimina con este procedimiento el exceso de agua de la
instalación, lo que prolonga la vida útil del catalizador.
Cuando se arranca la unidad de tratamiento de
gas, reina una atmósfera de gas inerte formada por dióxido de
carbono (CO_{2}) y nitrógeno (N_{2}) que proviene del último
ciclo de parada, descrito anteriormente. Durante el calentamiento,
ésta protege el catalizador del reformador 16 de una oxidación no
deseada.
Al arrancar el sistema se hace circular el gas
inerte por la instalación del mismo modo que al pararlo. Es decir,
el gas inerte fluye de vuelta al reformador a través del conducto de
circulación 40. El suministro de aire 22 de la etapa PrOx 20 está
bloqueado durante el arranque.
Un efecto positivo de la circulación durante el
arranque reside en que se logra una mejor distribución del calor de
proceso en la unidad de tratamiento de gas y en el reformador. Una
vez superado el punto de condensación del agua en el reformador, se
puede alimentar el educto agua en el reformador. Al mismo tiempo se
puede abrir el circuito en dirección del reformador/quemador. El
vapor de agua generado desplaza ahora el gas inerte de la unidad de
tratamiento de gas y lo conduce al quemador. También es posible no
abrir el circuito directamente hacia el quemador, sino conducir el
gas inerte al quemador a través de la pila de combustible.
El quemador es abastecido durante el arranque
con gas combustible, que típicamente es gas natural. Si el gas
inerte desplazado se introduce en el quemador, se produce una
dilución del aire de combustión necesario. Esto se contrarresta
haciendo funcionar el quemador a una razón de aire superior a la que
es necesaria para una combustión limpia.
Claims (8)
1. Procedimiento para hacer funcionar un aparato
calefactor con pila de combustible, que comprende lo siguiente:
durante el arranque y la parada de una unidad de
tratamiento de gas circula una cantidad de gas por la unidad de
tratamiento de gas, y el gas se alimenta desde el conducto de salida
(36) de la unidad de tratamiento de gas al conducto de entrada (14)
de la unidad de tratamiento de gas y la cantidad de gas circulante
en la unidad de tratamiento de gas atraviesa un depurador fino de
gas que está conectado a través de la válvula (28) con el conducto
de salida (36) y una pila de combustible (32), caracterizado
porque durante el arranque de la instalación de tratamiento de gas
circula por la instalación de tratamiento de gas, bajo suministro de
calor, un gas inerte obtenido por reacción del reformato
circulante.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque durante la parada de la instalación de
tratamiento de gas circula reformato por la unidad de tratamiento
de gas bajo el suministro de aire hasta que se haya formado un gas
inerte en la unidad de tratamiento de gas.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque se evacúa el agua formada durante el
suministro de aire.
4. Procedimiento según la reivindicación 2 ó 3,
caracterizado porque durante la parada se lleva a cabo una
reacción del reformato circulante hasta que se haya ajustado un
equilibrio en la composición del gas.
5. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque el gas inerte contiene básicamente
dióxido de carbono y nitrógeno.
6. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se alimenta agua cuando se alcanza un
valor de temperatura predeterminado en la instalación de
tratamiento de gas.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque el conducto de salida de la unidad de
tratamiento de gas da paso, tras el suministro de agua, a un
conducto de alimentación del quemador.
8. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque el conducto de salida de la unidad de
tratamiento de gas da paso, tras el suministro de agua, a un
conducto de alimentación de una pila de combustible.
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