ES2346884T3 - Sistema refrigerante para procesador de combustible. - Google Patents

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William S. Wheat
Curtis L. Krause
Ralph S. Worsley
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Abstract

Un aparato, que comprende: una cabina; y un procesador de combustible contenido en la cabina, el procesador de combustible que incluyen: un reactor procesador; una carga para el reactor del procesador; y un subsistema refrigerante capaz de refrigerar el reactor del procesador y el interior de la cabina.

Description

Sistema refrigerante para procesador de combustible.
Antecedentes de la invención Campo de la invención
La presente invención pertenece a plantas de energía de celdas de combustibles y, más particularmente, a un sistema refrigerante para una planta de energía de celda de combustible integrada.
Descripción de la técnica relacionada
La tecnología de celdas de combustible es una fuente de energía alterna para más fuentes de energía convencional que emplean la combustión de combustibles fósiles. Una celda de combustible produce típicamente electricidad, agua, y calor a partir de combustible y oxígeno. Más particularmente, las celdas de combustible proporcionan electricidad a partir de reacciones de oxidación - reducción química y posee ventajas significativas sobre otras formas de generación de energía en términos de limpieza y eficiencia. Típicamente, las celdas de combustible emplean hidrógeno como el combustible y oxígeno como el agente oxidante. La generación de energía es proporcional al índice de consumo de los reactivos.
Una ventaja significativa que inhibe el uso amplio de las celdas de combustible es la falta de una infraestructura de hidrógeno amplio. El hidrógeno tiene una densidad de energía volumétrica medianamente baja y es más difícil de almacenar y transportar que los combustibles de hidrocarburo utilizados actualmente en la mayoría de sistema de generación de energía. Una forma de superar esta dificulta es el uso de "procesadores de combustibles" o "reformadores" para convertir los hidrocarburos a una corriente de gas rica en nitrógeno que se puede utilizar como una alimentación para celdas de combustibles. Los combustibles basados en hidrocarburos, tal como el gas natural, LPG, gasolina y diesel, requieren la conversión para uso como combustible para la mayoría de celdas de combustibles. La técnica actual utiliza procesos multietapa que combinan un proceso de conversión inicial con varios procesos limpios. El proceso inicial es más frecuente reformado por vapor ("SR"), reformado auto térmico ("ATR"), oxidación parcial catalítica ("CPOX"), u oxidación parcial no catalítica ("POX"). Los procesos de limpieza usualmente comprenden una combinación de desulfurización, cambio de alta temperatura agua-gas, cambio de baja temperatura agua-gas, oxidación CO selectiva,
o metanación CO selectiva. Los procesos alternativos incluyen filtros y reactores de membrana selectiva de hidrógeno.
Así, se pueden utilizar muchos tipos de combustibles, algunos de ellos híbridos con combustibles fósiles, pero el combustible ideal es hidrógeno. Si el combustible es por ejemplo, hidrógeno, entonces la combustión es muy limpia y, como un asunto práctico, solo queda agua después de la disipación y/o consumo de calor y consumo de electricidad. La mayoría de combustibles fácilmente disponibles (por ejemplo, gas natural, propano y gasolina) y aún aquellos menos comunes (por ejemplo, metanol y etanol) incluyen hidrógeno en su estructura molecular. Por lo tanto algunas implementaciones de celda de combustibles emplean un "procesador de combustible" que procesan un combustible particular para producir una corriente de hidrógeno relativamente pura utilizado como combustible de la celda de combustible.
Un procesador para una celda de combustible de electrolito de polímero ("PEFC"), también conocida como células de combustibles de membrana de intercambio de protón ("PEMFC"), comprende generalmente secciones de reactor para reformar hidrocarburos, reacciones de oxidación y cambio de agua-gas. Las reacciones se llevan a cabo a temperaturas elevadas y son una combinación de la variedad de generación de calor, consumo de calor o de temperatura constante. Por lo tanto, el manejo del calor es crítico para la operación apropiada del procesador. Se pueden utilizar cargas de reacción de refrigeración para precalentar los reactivos, aunque refrigerar los productos, maneja si el calor dentro del procesador. Una dificultad con los subsistemas de refrigeración convencional es la dependencia entre la refrigeración del reactor y las temperaturas de productos y cargas de reactor. Otro problema es que la planta de energía de celda de combustible, es decir, la celda de combustible su procesador de combustible, se alojan frecuentemente en una cabina, que produce problemas de manejo de calor adicionales. Métodos convencionales para estos problemas aplican un refrigerador de cabina separado. Sin embargo, los refrigeradores de cabinas separados impactan adversamente la eficiencia en costos y en energía de la planta de energía como un todo.
La WO 02/087745 describe un procesador de combustible en una cabina con intercambiadores de calor para refrigerar el gas rico en hidrógeno cuando se utiliza a partir de varias etapas del proceso, tal como: del lecho de catalizador de cambio de gas y agua; del lecho de catalizador de desulfurización; y del lecho de reforma autotérmica.
La presente invención se dirige a resolver, o por lo menos reducir, uno o todos los problemas mencionados anteriormente.
Resumen de la invención
Se describe un subsistema refrigerante para uso en un procesador de combustible y un método para su operación. De acuerdo con la presente invención, los elementos constituyentes del procesador de combustible se alojan en una cabina, y el subsistema refrigerante es capaz de refrigerar el reactor del procesador y el interior de la cabina.
Breve descripción de los dibujos
La invención se puede entender con referencia a la siguiente descripción tomada en conjunto con los dibujos acompañantes, en los que los numerales de referencia identifican elementos similares, en los que:
La Figura 1 ilustra conceptualmente un procesador de combustible construido y operado de acuerdo con la presente invención;
La Figura 2 ilustra una realización particular del procesador de combustible en La Figura 1.
La Figura 3 describe una implementación particular del subsistema refrigerante de La Figura 2.
La Figura 4 ilustra gráficamente el proceso de reforma del reformador auto térmico del procesador de combustible mostrado en La Figura 2;
La Figura 5 ilustra conceptualmente una planta de energía de celda de combustible integrada con combustible por flujo de gas de hidrógeno producido por el procesador de combustible de La Figura 1;
La Figura 6A y la Figura 6B ilustran conceptualmente un aparato de computo que se puede utilizar en la implementación de una realización particular de la presente invención; y
La Figura 7 ilustra conceptualmente la interfaz de operación entre el procesador de combustible y la celda de combustible de la planta de energía de La Figura 5.
Aunque la invención es susceptible de varias modificaciones y formas alternas, los dibujos ilustran las realizaciones específicas descritas aquí en detalle en vía de ejemplo. Cabe entender sin embargo, que la descripción de las realizaciones específicas no está destinada a limitar la invención a las formas particulares descritas, sino por el contrario, la invención cubre todas las modificaciones, equivalentes, y alternativas que caen dentro del alcance de la invención como se define por las reivindicaciones adjuntas.
Descripción detallada de la invención
Las realizaciones ilustrativas de la invención se describen adelante. Por motivos de claridad, no se describen todas las características de una implementación actual en esta especificación. Por supuesto se apreciará que en el desarrollo de cualquiera de tales realizaciones actuales, se deben tomar numerosas decisiones específicas de la implementación para alcanzar las metas específicas de los desarrolladores, tal como la conformidad con las restricciones ocasionadas con el negocio y relacionadas con el sistema, que variarán de una aplicación a la otra. Más aún, se apreciará que tal un esfuerzo de desarrollo, aún si es complejo y consume tiempo, sería una rutina para aquellos medianamente versados en la técnica que tienen el beneficio de esta descripción.
La Figura 1 ilustra conceptualmente un procesador de combustible 100 construido de acuerdo con la presente invención. El procesador de combustible 100 comprende un subsistema refrigerante 102, una carga 104, y un reactor de procesador 106 que produce un flujo de gas de hidrógeno (o rico en hidrógeno) 108. De acuerdo con un aspecto de la invención, el subsistema refrigerante 102 se separa de la carga 104 y es capaz de hacer circular un refrigerante 110 a través del reactor del procesador 106. El refrigerante 110 puede ser cualquier refrigerante adecuado conocido en la técnica, por ejemplo, agua, un glicol, un aceite, una alcohol o similar. De acuerdo con la presente invención, los elementos constituyentes del procesador de combustible 100 se alojan en una cabina 112, y el subsistema refrigerante 102 es capaz de refrigerar el reactor del procesador 106 y el interior de la cabina 112.
La Figura 2 ilustra conceptualmente una realización particular 200 del procesador de combustible 100 en la Figura 1. En la parte pertinente, y en general, el procesador de combustible 200 bombea el refrigerante 110 almacenado en un depósito de refrigerante, o reservorio, 202 a través del subsistema refrigerante 102, que comprende un tramo de intercambiador de calor. En la realización ilustrada, el refrigerante 110 es agua. Más particularmente, la bomba 204 bombea el refrigerante 110 del reservorio 202 a través del reactor del procesador 106 y un refrigerante 206, y de nuevo al reservorio 202. El refrigerante de temperatura controlada 110, en esta realización particular, también suministrado a y regresado de uno o más usuarios externos 208 entre el reactor del procesador 106 y el refrigerante 218 en la realización ilustrada. Los "usuarios externos" 208 pueden incluir sistemas mecánicos que no se asocian de otra forma con el procesador de combustible 200 o cualquier planta de energía que esta pueda asociar. Por ejemplo, el procesador de combustible 200 puede energizar una planta de energía para un edificio, y el usuario externo 208 en esta situación puede ser el sistema mecánico de calefacción/aire acondicionado para el edificio.
El reactor del procesador 106 en la realización ilustrada comprende varias etapas, que incluyen una etapa reformadora 210a, una etapa de desulfurización 210b, una etapa de cambio 210c, una etapa inerte 210d, y una etapa de oxidación preferencial 210e. La etapa reformadora 210a es una reformadora autotérmica ("ATR"), y se puede implementar utilizando cualquier reformador adecuado conocido en la técnica. Note que las realizaciones alternas pueden emplear otras etapas en adición a o en vista de aquellas ilustradas, que depende de las restricciones de diseño impuestas por el propuesto.
En la realización ilustrada, El subsistema refrigerante 102 circula individualmente refrigerante a las etapas 210b - 210e a través de una respectiva de una pluralidad de ramificaciones 226a - 226d. Cada una de las ramificaciones 226a - 226d incluye una unidad de control de temperatura 228a - 228e. Cada unidad de temperatura de control 228a - 228d incluye un sensor de temperatura S_{i} que detecta la temperatura en una etapa respectiva 210b - 210e y un actuador 230a - 230d. Cada actuador 230a - 230d opera a la temperatura detectada con respecto a la etapa 210b - 210e para acelerar el flujo de refrigerante 110 a través la ramificación respectiva 226a - 226d.
La Figura 3 detalla una implementación particular del refrigerante 206 en el subsistema refrigerante 102 de la realización ilustrada. Con referencia ahora a la Figura 2 y Figura 3, el refrigerante 110 se retira de un suministro de agua externo 302 (mostrado en la Figura 3) en el reservorio 202 y circula por la bomba 204. La bomba 204 hace circular el refrigerante 110 a varias partes del reactor del procesador 106 y subsistemas asociados con este a través de las cargas DES, CAMBIO, INERTE, y PROX (mostrado en la Figura 3) sobre los conductos 212 - 215. El refrigerante 110 circula previamente al reactor del procesador 106 regresa al subsistema de refrigerante 102 a través la carga RETORNO (mostrado en la Figura 3) sobre el conducto 218. Note que el subsistema refrigerante 102 se separa la carga 104 y es capaz de hacer circular el refrigerante 110 a través del reactor del procesador 106.
El calor intercambiado al refrigerante 110 por los componentes del reactor del procesador 106 se descarga al ambiente a través del refrigerante 206. El refrigerante 206 en la realización ilustrada incluye dos intercambiadores de calor 304 y una pluralidad de ventiladores 306. Los ventiladores 306 facilita el intercambio de calor a través de los intercambiadores de calor 304. Note que el numero de intercambiadores de calor 304 y ventiladores 306 no es importante para la práctica de la invención y que las realizaciones alternas pueden emplear, por ejemplo, uno o tres intercambiadores de calor 304 y ventiladores 306. Los ventiladores 306 también hacen circular airee desde el interior de la cabina 112 (mostrado en la Figura 1) al exterior de la cabina 112, es decir, ellos se enfrían al interior de la cabina 112 al hacer circular el airee caliente al ambiente. Así, El subsistema refrigerante 102 es capaz de enfriar el reactor del procesador 106 y el interior de la cabina 112 al mismo tiempo.
El subsistema refrigerante 102 de la realización ilustrada también puede proporcionar calefacción y/o refrigeración a otras partes del procesador de combustible 200, o aún a los sistemas externos al procesador de combustible 200. Como se anoto previamente, el procesador de combustible 200 puede proporcionar control térmico a los usuarios externos 208, como se muestra en la Figura 2. Esta funcionalidad se proporciona a través de una conexión 220, que comprende una salida 222 y una entrada 224 a través de la cual el refrigerante 110 se puede hacer circular a y desde los usuarios externos 208. Como se muestra en la Figura 3, El subsistema refrigerante 102 puede proporcionar refrigeración a otras partes del procesador de combustible 102 a través de los conductos 308, 310 y las cargas L1, L2. Note que los conductos 308, 310 hacen circular refrigerante 110 del reservorio 211, es decir, refrigerante enfriado 110. Note que también el flujo de refrigerante 110 a través de los conductos 308, 310 se puede controlar no solo en un sentido grueso por la operación de la bomba 204, sino también en un sentido fino por las válvulas 312, 314.
En operación, el reactor del procesador 106 reformar la carga 104 en la corriente de gas de hidrógeno, o enriquecida con hidrógeno 108 y subproductos efluentes, tal como agua. la carga 104 en la realización ilustrada transporta combustible, aire, y mezcla de agua de un oxidante (no mostrado). Note que el subproducto de agua efluente (no mostrado) de la operación del reactor del procesador 106 se puede hacer recircular de nuevo en el subsistema refrigerante 102 como un refrigerante 110 o se puede drenar desde el procesador de combustible 200. La Figura 4 describe un diagrama de flujo de proceso general que ilustra las etapas de proceso incluidas en las realizaciones de ilustración de la presente invención. La siguiente descripción asociada con la Figura 4 se adapta de las Solicitudes de Patentes Estadounidenses 10/006,963, titulada "Compact El procesador de combustible para Producing a Hydrogen Rich Gas", presentada en Diciembre 5, 2001, a nombre de los inventores Curtis L. Krause, et al., y publicado en Julio 18, 2002, (Publicación No. US2002/0094310 A1).
Un experto en la técnica debe apreciar que una cierta cantidad de orden progresivo se necesita en el flujo de reactivos a través del reactor del procesador 106. La carga 104 del procesador de combustible 200 incluye una fuente de hidrocarburo, oxígeno, y mezcla de agua. El oxígeno puede estar en la forma de aire, aire enriquecido, o sustancialmente oxígeno puro. El agua se puede introducir como un líquido o vapor. Los porcentajes de las composiciones de los componentes la carga se determina mediante las condiciones de operación deseadas, como se discute adelante. El flujo de efluente de procesador de combustible de la presente invención incluye dióxido de carbono e hidrógeno y también incluye algo de agua, hidrocarburos no convertidos, monóxido de carbono, impurezas (por ejemplo, sulfuro de hidrógeno y amoniaco) y componentes inertes (por ejemplo, nitrógeno y argón, especialmente si el aire es un componente de flujo de carga).
La etapa de proceso A es un proceso de reforma autotérmica en la que, en una realización particular, dos reacciones, una oxidación parcial (fórmula I, adelante) y una reforma de vapor opcional (fórmula II, adelante), se desarrollan para convertir el flujo de carga 104 en un gas de síntesis que contiene hidrógeno y monóxido de carbono. La Fórmulas I y II son fórmulas de reacción de ejemplo en donde se considera al metano como el hidrocarburo:
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El reactor del procesador 106 recibe la carga 104 a partir de un oxidante (no mostrado). Una mayor concentración de oxígeno en el flujo de carga favorece la oxidación parcial mientras que una mayor concentración vapor de agua favorece la reforma de vapor. La relación de oxígeno a hidrocarburo y agua a hidrocarburo son por lo tanto parámetros caracterizantes que afectan la temperatura de operación y el rendimiento de hidrógeno.
La temperatura de operación de la etapa de reforma autotérmica A puede variar de aproximadamente 550ºC a aproximadamente 900ºC, dependiendo de las condiciones la carga y el catalizador. Las condiciones de relación, temperatura, y carga son todos ejemplos de parámetros controlados por el sistema de control de la presente invención. Las realizaciones ilustradas utilizan un lecho de catalizador de un catalizador de oxidación parcial en la etapa anterior 210a con o sin un catalizador que reforma vapor.
El proceso de la etapa B es una etapa de refrigeración desarrollada en una etapas de refrigeración (no mostrado) para refrigerar flujo de gas de síntesis del proceso de la etapa A a una temperatura de aproximadamente 200ºC a aproximadamente 600ºC, preferiblemente de aproximadamente 375ºC a aproximadamente 425ºC, para preparar la temperatura del efluente de gas de síntesis para la etapa de proceso C (discutida adelante). Esta refrigeración se puede lograr con disipadores de calor, tuberías de calefacción o intercambiadores de calor dependiendo de las especificaciones de diseño y la necesidad para recuperar/reciclar el contenido de calor del flujo de gas que utiliza cualquier tipo adecuado de refrigerante. Por ejemplo, el refrigerante para el proceso de la etapa B puede ser el refrigerante 110 del subsistema refrigerante 102.
La etapa de proceso C es una etapa de purificación, desarrollada en la etapa de desulfurización 210b, y emplea oxido de zinc (ZnO) como un absorbente de sulfuro de hidrógeno. Una de las principales impurezas del flujo de hidrocarburo es el azufre, que se convierte mediante la etapa de reforma autotérmica A al sulfuro de hidrógeno. El núcleo de procesamiento utilizado en la etapa de proceso C incluye preferiblemente oxido de zinc y/o otro material capaz de absorber y convertir sulfuro de hidrógeno, y pueden incluir un soporte (por ejemplo, monolith, extrudado, glóbulo, etc.). La desulfurización se logra al convertir el sulfuro de hidrógeno a agua de acuerdo con la siguiente fórmula de reacción III:
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La reacción se lleva a cabo preferiblemente a una temperatura de aproximadamente 300ºC a aproximadamente 500ºC, y más preferiblemente de aproximadamente 375ºC a aproximadamente 425ºC.
Con referencia a la Figura 4, el flujo de efluente se puede enviar luego a una etapa de mezcla D desarrollada en módulos (no mostrado), en la que se recibe agua de un subsistema de agua (no mostrado) agregado opcionalmente al flujo de gas. La adición de agua reduce la temperatura del vapor de flujo de reactivo cuando este se evaporiza y suministra más agua a la reacción de cambio de agua-gas de la etapa de proceso E (discutida adelante). El vapor de agua y otros componentes de flujo efluente se mezclan al pasar a través de un núcleo de procesamiento de materiales inertes tal como glóbulos de cerámica u otros materiales similares que mezclan efectivamente y/o ayudan en la evaporización del agua. Alternativamente, cualquier agua adicional se puede introducir en la carga, y la etapa de mezcla se puede reposicionar para suministrar mejor mezcla de gas antioxidante CO G (discutida adelante). Esta temperatura también se controla por el sistema de control de la presente invención.
La etapa de proceso E, desarrollada en la etapa de cambio 210c, es una reacción de cambio de agua gas que convierte monóxido de carbono a dióxido de carbono de acuerdo con la fórmula IV:
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La concentración de monóxido de carbón se debe reducir preferiblemente a un nivel que pueda ser tolerado por las celdas de combustible, típicamente por debajo de 50 ppm. Generalmente, la reacción de cambio de agua gas puede tener lugar a una temperatura de entre 150ºC a 600ºC dependiendo del catalizador utilizado. Bajo tales condiciones, la mayor parte del monóxido de carbono en el flujo de gas se convierte en esta etapa. Esta temperatura y concentración son más parámetros controlados por el sistema de control de la presente invención.
Con referencia de nuevo a la Figura 4, la etapa de proceso F, desarrollada en el gas inerte 210d, es una etapa de refrigeración. La etapa de proceso F reduce la temperatura del flujo de gas para producir un efluente que tiene una temperatura preferiblemente en el rango de aproximadamente 90ºC a aproximadamente 150ºC. El oxígeno del subsistema de aire (no mostrado) también se agrega al proceso en la etapa F. El oxígeno se consume por las reacciones de la etapa de proceso G descrita adelante.
La etapa de proceso G, desarrollada en la etapa de oxidación preferencial 210e, es una etapa de oxidación en donde casi todo el monóxido de carbono restante en la corriente de efluente se convierte a dióxido de carbono. El procesamiento se lleva a cabo en la presencia de un catalizador para la oxidación de monóxido de carbono. Ocurren dos reacciones en el proceso de la etapa G: la oxidación deseada de monóxido de carbono (fórmula V) y la oxidación indeseada de hidrógeno (fórmula VI) como sigue:
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La oxidación preferencial del monóxido de carbono se favorece por las bajas temperatura. Debido a que ambas reacciones producen calor puede ser ventajoso incluir opcionalmente un elemento de refrigeración tal como una bobina de refrigeración, dispuesta dentro del proceso. La temperatura de operación del proceso se mantiene preferiblemente en el rango de aproximadamente 90ºC a aproximadamente 150ºC. El proceso de la etapa G reduce el nivel de monóxido de carbono a preferiblemente menos de 50 ppm, que es un nivel adecuado para uso en celdas de combustible.
El efluente 108 que sale del procesador de combustible es un gas rico en hidrógeno que contiene dióxido de carbono y otros constituyentes que pueden estar tal como agua, componentes inertes (por ejemplo, nitrógeno, argón), hidrocarburos residuales, etc. El gas de producto se puede utilizar cuando la carga para una celda de combustible o para otras aplicaciones en donde se desea un flujo de carga rico en hidrógeno. Opcionalmente, el gas de producto se puede enviar en o a procesamiento adicional, por ejemplo, para remover el dióxido de carbono, agua u otros componentes.
Note que cada una de las etapas de proceso A - G descrita anteriormente ocurre dentro de los rangos de temperatura específico. Las temperaturas precisas en los rangos no son importantes para la práctica de la invención. De hecho, la naturaleza y orden de las etapas son implementaciones específicas que dependen la carga 104 de entrada y el flujo de gas de producto 108 para una aplicación dada. Así, las temperaturas precisas en los rangos de temperatura se controlarán mediante la implementación de restricciones de diseño específicas.
Con referencia ahora a la Figura 2 y Figura 3, se utiliza el subsistema refrigerante 102 para ayudar a alcanzar las temperaturas para las etapas de procesos A - F, cualquiera que ellas puedan ser en una realización dada. Cada una de las etapas 210b - 210e se refrigera mediante una ramificación respectiva 226a - 226d del subsistema de refrigeración 102. El sensor de temperatura S_{i} de cada unidad de temperatura de control 228a - 228d detecta la temperatura dentro de su etapa respectiva 210b - 210e. si la temperatura dentro de la etapa respectiva 210b - 210e alcanza o excede el límite superior del rango de temperatura deseado para la etapa de proceso respectiva A - G, la unidad de control de temperatura respectiva 228a - 228d abre el actuador respectivo 230a - 230d para incrementar el flujo de refrigerante 110. si la temperatura dentro de la etapa respectiva 210b - 210e alcanza o excede el límite inferior del rango de temperatura deseado para la etapa de proceso respectivo A - G, la unidad de control de temperatura respectiva 228a - 228d cierra el actuador respectivo 230a - 230d para reducir el flujo de refrigerante 110.
Como la unidades de control de temperatura 228a - 228d controlan la temperatura dentro sus etapas respectivas 210b - 210e, se hace circular el refrigerante 110 a través del refrigerante 206. El calor intercambiado de las etapas 210b - 210e se expulsa a la atmósfera Como se describió anteriormente, esto se logra por los ventiladores 306 que soplan aire a través de los intercambiadores de calor 304. Soplar aire a través de los intercambiadores de calor 304 también remueve el aire caliente de la cabina 112 al exterior de la cabina 112. Así, se enfría el interior de la cabina 112 cuando el subsistema refrigerante 102 controla la temperatura de las etapas de procesos A - F en las etapas 210a - 210e.
Como se apreciará por aquellos expertos en la técnica que tienen el beneficio de esta descripción, el procesador de combustible 100 en la Figura 1 tendrá componentes adicionales no mostrados. Como se debe apreciar, el procesador de combustible 100 se puede utilizar en una variedad de contextos diferentes. La Figura 5 ilustra conceptualmente una planta de energía de celda de combustible 500 en la que el reactor del procesador ("PR") 106 produce un vapor de gas de hidrógeno 108 para energizar una celda de combustible 502. La planta de energía 500 es una planta de energía "integrada", es decir, la operación del procesador de combustible 102 y la celda de combustible 504 son independientes. El procesador de combustible 102 y la celda de combustible 504 se alojan en una cabina 112. La celda de combustible 504 es preferiblemente una Celda de combustible Electrolito de Polímero ("PEFC"), también conocida como Celda de combustible de Membrana de Intercambio de Protón ("PEMFC"). Sin embargo, se pueden utilizar otros tipos de celdas de combustible. Note que no todos los aspectos de la invención se limitan a la aplicación en tal una planta de energía integrada. Así, algunas realizaciones se pueden emplear en una planta de energía que no está integrada.
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En las realizaciones ilustradas en la Figura 5, el procesador de combustible 200 comprende más particularmente varios subsistemas físicos modulares, a saber:
El reactor del procesador 106, que es un reformador auto térmico ("ATR"), que desarrolla una reacción de oxidación-reducción que desarrolla una entrada de combustible al procesador de combustible 100 dentro de un gas 108 para la celda de combustible 502;
Un oxidante 506, que es un oxidante de gas de cola de ánodo ("ATO") en la realización ilustrada, que precalienta agua, combustible, y aire para crear la mezcla de combustible suministrada cuando la carga 104 al reactor del procesador 106;
Un subsistema de combustible 508, que suministra una entrada de combustible (gas natural, en una realización ilustrada) al oxidante 506 para mezclar en la carga 104 suministrada al reactor del procesador 106;
Un subsistema de agua 510, que suministra agua al ATO 206 para mezclar la carga 104 suministrada al reactor del procesador 106; un subsistema de aire 512, que suministra aire al ATO 206 para mezclar la carga 104 suministrada al reactor del procesador 106; y
Un subsistema refrigerante 102, que controla la temperatura en la operación del reactor del procesador 106 en una forma descrita anteriormente.
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La planta de energía 500 también incluye el sistema de control 514 que controla la operación de la planta de energía 500 como un todo. Una tarea ejecutada por el sistema de control 514 se controla la temperatura para el proceso del reactor del procesador 106a través de las unidades de control de temperatura 228a- 228d, como se describió anteriormente.
Una implementación particular 600 del sistema de control 514, mostrado primero en la Figura 2, se ilustra en la Figura 6A y Figura 6B. Note que, en algunas realizaciones, el sistema de control se puede implementar en un sistema de cómputo que comprende un número de computadores tal como el sistema de control 514, cada uno de los cuales puede controlar algunas facetas designadas de la operación del procesador de combustible 100. Sin embargo, en la realización ilustrada, el aparato de computo 600 controla todos los aspectos de la operación del procesador de combustible 100 que no están bajo el control manual. El aparato de computo 600 se monta en estantes, pero no necesita ser montado en muelles en todas las realizaciones. De hecho, este aspecto de cualquier implementación dada no es importante para la práctica de la invención. El aparato de computo 600 se puede implementar como un computador personal de escritorio, una estación de trabajo, un computador portátil, un procesador embebido, o similares.
El aparato de computo 600 ilustrado en la Figura 6A y Figura 6B incluye un procesador 605 que comunica con el almacenamiento 610 sobre un sistema de bus 615. El almacenamiento 610 puede incluir un disco duro y/o memoria de acceso aleatorio ("RAM") y/o almacenamiento removible tal como un disco magnético 617 y un disco óptico 620. El almacenamiento 610 se codifica con una estructura de datos 625 que almacena los datos fijos adquiridos como se discutió anteriormente, un sistema de operación 630, un software de interfaz 635, y una aplicación 665. El software de interfaz de usuario 635, en conjunto con una visualización 640, implementa una interfaz 645. La interfaz de usuario 645 puede incluir dispositivos I/O periféricos tal como almohadilla para teclado o teclado 650, un ratón 655, o una palanca de mando 660. El proceso 605 corre bajo el control del sistema operativo 630, que puede ser prácticamente cualquier sistema de operación conocido en la técnica. La aplicación 665 esta invocada por el sistema de operación 630 luego de encender, resetear, o ambos, dependiendo de la implementación del sistema operativo 630.
Algunas porciones de las descripciones detalladas aquí se presentan por consiguiente en términos de un proceso implementado por software que involucra las representaciones simbólicas de operaciones sobre bits de datos dentro de una memoria en un sistema de cómputo o un dispositivo de cómputo. Estas descripciones y representaciones son los medios utilizados por aquellos expertos en la técnica para transportar mas efectivamente la sustancia de su trabajo a otros expertos en la técnica. El proceso y la operación requieren manipulaciones físicas de cantidades físicas. Usualmente, aunque no necesariamente, esas cantidades toman la forma de señales eléctricas, magnéticas, u ópticas capaces de ser almacenadas, transferidas, combinadas, comparadas, y manipuladas de otra forma. Ha resultado conveniente a veces, principalmente por razones de uso común, referirse a estas señales como bits, valores, elementos, símbolos, caracteres, términos, números, o similares.
Hay que tener en cuenta, sin embargo, que todos estos términos y términos similares se asocian con las cantidades físicas apropiadas y son únicamente marcas convenientes aplicadas a estas cantidades. a menos que se establezca específicamente o que pueda ser evidente, a través de la presente descripción, estas descripciones se refieren a la acción y procesos de un dispositivo electrónico, que manipula y transforma datos representados como cantidades físicas (electrónica, magnética, u óptica) dentro de algunos dispositivos electrónicos de almacenamiento en otros datos representados de manera similar como cantidades físicas dentro del dispositivo de almacenamiento, o en dispositivos de visualización o transmisión. Ejemplo de términos que denotan tal una descripción están, sin limitación, los términos "procesamiento", "cómputo", "cálculo", "determinación", "visualización", y similares.
Note que también que los aspectos implementados de software de la invención se codifica típicamente en alguna forma de medio de almacenamiento de programa o se implementan sobre algún tipo de medio de transmisión. El medio de transmisión de programa puede ser magnético (por ejemplo, una unidad de disco o un disco duro) u óptico (por ejemplo, un disco compacto de memoria de solo lectura, o "CD ROM"), y se puede leer solo o por acceso aleatorio. De manera similar, el medio de transmisión puede ser pares de cable trenzados, cable coaxial, fibra óptica, o algún otro medio de transmisión adecuado conocido en la técnica. La invención no se limita a estos aspectos de cualquier implementación dada.
La Figura 7 ilustra gráficamente la interferencia operacional entre el procesador de combustible 100 y la celda de combustible 504 mostrada en la Figura 5. Note que la interfaz incluye un intercambiador de calor 700 a través de la cual el refrigerante 110 se puede hacer circular desde el subsistema refrigerante 102. El intercambiador de calor se controla a través a unidad de temperatura de control 702 que acelera el flujo del refrigerante 110 a través del intercambiador de calor 700 sensible a la temperatura detectada del flujo 108. La unidad de control de temperatura 702 también se controla por el sistema de control 514 en la misma forma que la unidades de control de temperatura 228a - 228d. Así, el intercambiador de calor 700 y la unidad de control de la temperatura 702 comprenden, en esta realización particular, una porción del subsistema refrigerante 102.
Esto concluye la descripción detallada. Las realizaciones particulares descritas anteriormente son solo ilustrativas, ya que la invención se puede modificar y practicar en diferentes formas equivalentes evidentes a aquellos expertos en la técnica que tienen el beneficio de las enseñanzas mostradas aquí. Adicionalmente, las limitaciones están destinadas a los detalles de construcción o diseños mostrados aquí, como se describe en las reivindicaciones adelante. Por lo tanto es evidente que las realizaciones particulares descritas anteriormente se pueden alterar o modificar y todas tales variaciones se consideran dentro del alcance de la invención. De acuerdo con lo anterior, la protección que se busca aquí es como se establece en las reivindicaciones adelante.

Claims (32)

1. Un aparato, que comprende:
una cabina; y
un procesador de combustible contenido en la cabina, el procesador de combustible que incluyen:
un reactor procesador;
una carga para el reactor del procesador; y
un subsistema refrigerante capaz de refrigerar el reactor del procesador y el interior de la cabina.
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2. El aparato de la reivindicación 1, en donde el reactor del procesador incluye por lo menos:
una primera etapa capaz de recibir la carga y desarrollar una reacción autotérmica allí;
una segunda etapa capaz de recibir la carga de la primera etapa y remover el azufre de allí;
una tercera etapa capaz de recibir la carga de la segunda etapa y desarrollar una primera reacción de cambio allí;
una cuarta etapa capaz de recibir la carga de la tercera etapa y desarrollar una segunda reacción de cambio allí; y
una quinta etapa capaz de recibir la carga de la cuarta etapa y preferiblemente oxidar la carga recibida.
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3. El procesador de combustible de la reivindicación 1, en donde la carga para el reactor del procesador transporta una mezcla de combustible, aire, y agua.
4. El aparato de la reivindicación 1, en donde el subsistema refrigerante es capaz de recibir refrigerante que circula del reactor procesador y que intercambia calor desde allí para enfriar el reactor del procesador y capaz de hacer circular calor desde el interior de la cabina al exterior de la cabina para enfriar el interior de la cabina.
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5. El aparato de la reivindicación 4, en donde el subsistema refrigerante comprende:
un intercambiador de calor; y
un soplador de aire capaz de enfriar el intercambiador de calor y el interior de la cabina por convección.
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6. El aparato de la reivindicación 5, en donde el enfriador comprende adicionalmente:
un segundo intercambiador de calor; y
un segundo soplador de aire capaz de enfriar el intercambiador de calor y el interior de la cabina por convección.
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7. El aparato de la reivindicación 4, en donde el refrigerante comprende por lo menos uno de agua, glicol, aceite, y alcohol.
8. El aparato de la reivindicación 1, en donde el subsistema refrigerante incluye un enfriador capaz de recibir refrigerante que circula del reactor procesador y intercambiar calor de este y capaz de hacer circular calor desde el interior de la cabina al exterior de la cabina.
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9. El aparato de la reivindicación 8, en donde el subsistema refrigerante incluye adicionalmente:
Un almacenamiento de refrigerante capaz de almacenar refrigerante recibido desde el enfriador; y
Una bomba capaz de bombear el refrigerante almacenado al reactor del proceso.
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10. El aparato de la reivindicación 8, en donde el enfriador comprende:
un intercambiador de calor; y
un soplador de aire capaz de enfriar el intercambiador de calor y el interior de la cabina por convección.
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11. El aparato de la reivindicación 8, en donde el enfriador comprende adicionalmente:
un segundo intercambiador de calor; y
un segundo soplador de aire capaz de enfriar el intercambiador de calor y el interior de la cabina por convección.
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12. El aparato de la reivindicación 9, en donde el almacenamiento de refrigerante comprende un tanque.
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13. El aparato de la reivindicación 1, en donde el subsistema refrigerante incluye:
un enfriador capaz de recibir refrigerante que circula del reactor del procesador e intercambiar calor de allí;
un almacenamiento de refrigerante capaz de almacenar que almacena refrigerante recibido desde el enfriador; y
una bomba capaz de bombear el refrigerante almacenado al reactor del proceso.
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14. El aparato de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente:
un oxidante capaz de calentar combustible, agua, y aire y alimentar el reactor del proceso con la mezcla a través de la carga;
un subsistema de suministro de combustible capaz de proporcionar combustible al oxidante;
un subsistema de agua capaz de proporcionar agua al oxidante;
un subsistema de aire capaz de proporcionar aire al oxidante.
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15. El aparato de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente una conexión a por lo menos un usuario externo.
16. El aparato de la reivindicación 15, en donde la conexión comprende una salida y una entrada a través que de la cual el refrigerante puede circular.
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17. El procesador de combustible de la reivindicación 1, en donde el subsistema refrigerante comprende adicionalmente una pluralidad de unidades de control de temperatura, cada unidad de control de temperatura que incluyen:
un sensor de temperatura para detecta la temperatura del refrigerante en una porción del reactor del procesador a través del cual circula el refrigerante; y
un accionado opera sensible a la temperatura detectada en la porción para acelerar el flujo de refrigerante a través de la porción.
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18. Una planta de energía, que comprende:
un aparato como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1-17; y
una celda de combustible contenida en la cabina y energizada por el reformado generado por el reactor procesador del procesador de combustible.
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19. La planta de energía de la reivindicación 18, en donde la celda de combustible comprende una celda de combustible de Electrolito de Polímero.
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20. Un método para enfriar el procesador de combustible de un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende:
hacer circular un refrigerante a través del reactor del procesador del procesador de combustible; y
enfriar el fluido circulado a través de convección, la convección también hacer circular aire caliente desde el interior de la cabina por el procesador de combustible al exterior.
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21. El método de la reivindicación 20, en donde hacer circular el refrigerante a través del reactor del procesador incluye hacer circular el refrigerante a través de diversas diferentes porciones del reactor del procesador.
22. El método de la reivindicación 20, en donde hacer circular el refrigerante a través del reactor del procesador incluye hacer circular por lo menos uno de agua, glicol, aceite, y alcohol.
23. El método de la reivindicación 20, en donde hacer circular el refrigerante a través del reactor del procesador incluye hacer circular el refrigerante a través del reactor del procesador en forma separada de una carga al reactor procesador.
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24. El método de la reivindicación 20, en donde enfría el fluido circulante a través de convección incluye:
hacer circular el refrigerante a través un intercambiador de calor; y
soplar aire a través de los intercambiador de calor.
\vskip1.000000\baselineskip
25. El método de la reivindicación 24, en donde enfriar el fluido circulante a través convección incluye:
hacer circular el refrigerante a través un segundo intercambiador de calor; y
soplar aire a través del segundo intercambiador de calor.
\vskip1.000000\baselineskip
26. El método de la reivindicación 24, en donde soplar aire a través del intercambiador de calor hace circular el aire caliente desde el interior de la cabina al exterior.
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27. Un método para enfriar el procesador de combustible de una planta de energía de acuerdo con la reivindicación 18, que comprende:
hacer circular un refrigerante a través del reactor del procesador del procesador de combustible; y
enfriar el fluido circulante por convección, la convección también hacer circular aire caliente desde los interior de la cabina para la planta de energía al exterior.
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28. El método de la reivindicación 27, en donde hacer circular el refrigerante a través del reactor del procesador incluye hacer circular el refrigerante a través de diversas porciones diferentes del reactor del procesador.
29. El método de la reivindicación 27, en donde hacer circular el refrigerante a través del reactor del procesador incluye hacer circular por lo menos uno de agua, glicol, aceite, y alcohol.
30. El método de la reivindicación 27, en donde hacer circular el refrigerante a través del reactor del procesador incluye hacer circular el refrigerante a través del reactor del procesador en forma separada desde una carga al reactor del procesador.
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31. El método de la reivindicación 27, en donde enfriar el fluido circulante a través convección incluye:
hacer circular el refrigerante a través un intercambiador de calor; y
soplar aire a través de los intercambiador de calor.
\vskip1.000000\baselineskip
32. El método de la reivindicación 31, en donde enfriar el fluido circulante a través convección incluye:
hacer circular el refrigerante a través un segundo intercambiador de calor; y
soplar aire a través de los segunda intercambiador de calor.
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