ES2358214T3 - Sistema de procesado de combustible. - Google Patents

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Abstract

Un aparato integrado de reformado y combustión para su uso en un sistema de celda de combustible, comprendiendo dicho aparato una unidad de reformado en la que, durante el uso, puede tener lugar una reacción de reformado, en comunicación térmica con una unidad de combustión, en la que, durante el uso, puede tener lugar una reacción de combustión, caracterizado por que dicho aparato comprende un circuito de fluido adicional (19,29,39), en comunicación térmica tanto con dicha unidad de reformado como con dicha unidad de combustión, de manera que permite que la temperatura de dichas unidades se controle mediante la circulación de un fluido que tiene una temperatura preseleccionada y/o un caudal a través del circuito de fluido adicional.

Description

Esta invención se refiere a un aparato integrado de reformado y combustión, que es adecuado para su uso en sistemas de celdas de combustible, y a métodos para reformado de un combustible para producir hidrógeno usando dicho aparato. 5
Con el aumento del movimiento hacia el suministro de energía a coches y otros vehículos con celdas de combustible que funcionan con hidrógeno, hay una necesidad en aumento de proporcionar medios seguros, compactos y rentables para suministrar hidrógeno a las celdas de combustible. El metanol es una fuente de hidrógeno preferida, puesto que éste puede almacenarse en forma líquida. Las unidades de reformado que convierten catalíticamente el metanol y el agua en hidrógeno, para su uso en celdas de combustible, se conocen en la técnica. 10
Las reacciones de reformado catalítico son endotérmicas y, por lo tanto, requieren calentamiento externo. Se conocen sistemas de celdas de combustible que comprenden unidades integradas de reformado y combustión, en los que la unidad de reformado y la unidad de combustión están en comunicación térmica. En estos sistemas, la combustión catalítica de los gases residuales de la celda de combustible proporciona el calor necesario para mantener la reacción de reformado. Los sistemas conocidos comprenden unidades tubulares de reformado y combustión que ocupan un gran 15 volumen. Dichos sistemas conocidos, sin embargo, no transfieren el calor eficazmente de la unidad de combustión a la unidad de reformado. El documento US 6447736, sobre el que está caracterizada la reivindicación 1, describe un reactor modular de placas apiladas que contiene un reformador principal en contacto térmico con un quemador catalítico. El solicitante, sin embargo, se ha dado cuenta de que los sistemas conocidos no permiten el control cerrado de la temperatura de combustión o de reformado. Las reacciones del reformado y las reacciones de combustión son 20 ambas dependientes de la temperatura, lo que significa que se requiere el control de las temperaturas de reacción si tiene que conseguirse un reformado y combustión completos. También, si la temperatura de reacción es demasiado alta, puede producirse la degradación del catalizador o pueden producirse contaminantes tales como óxidos de nitrógeno.
El solicitante ha concebido una disposición para dar solución al problema de control de temperatura. Cuando se observa 25 desde un aspecto, la invención proporciona un aparato integrado de reformado y combustión para su uso en un sistema de celda de combustible, comprendiendo dicho aparato una unidad de reformado, en la que, durante el uso, tiene lugar una reacción de reformado, en comunicación térmica con una unidad de combustión, en la que, durante el uso, tiene lugar una reacción de combustión, caracterizada por que dicho aparato comprende un circuito hidráulico adicional, en comunicación térmica tanto con dicha unidad de reformado como con dicha unidad de combustión, para así permitir el 30 control de la temperatura de dichas unidades mediante la circulación de un fluido que tiene una temperatura y/o caudal pre-establecidos por el circuito hidráulico adicional.
De esta manera, los expertos en la materia observarán que, de acuerdo con los aspectos de la invención, se proporcionan medios para controlar la temperatura de una unidad integrada de reformado y combustión. Cuando se hace circular un fluido a través del circuito, la temperatura del sistema puede controlarse, de manera que la temperatura 35 de la reacción de combustión y/o de la reacción de reformado puede controlarse y mantenerse a un nivel relativamente constante. Esto significa que la eficiencia de la reacciones de combustión y reformado puede maximizarse, y que puede evitarse la degeneración catalítica y la generación de gases dañinos. Al hacer circular un fluido a través del circuito se mejora también la transferencia de calor entre la reacción de reformado y la reacción de combustión. El circuito adicional proporciona un medio para lograr un control aún más cerrado de la temperatura del sistema, sin embargo, puesto que 40 un fluido que tiene una temperatura pre-seleccionada puede hacerse circular por el circuito, para evitar las fluctuaciones en la temperatura que pueden ocurrir en las reacciones de combustión o de reformado debido a cambios en los caudales de gases a través del aparato. El fluido puede calentarse o enfriarse de forma externa antes de hacerlo circular por el circuito para así lograr la temperatura deseada. Como alternativa, la temperatura del sistema puede controlarse variando el caudal del fluido a través del circuito, o controlando tanto la temperatura como el caudal. 45
En realizaciones particularmente preferidas, el aparato integrado de reformado y combustión, está en la forma de al menos una placa de reformado, en la que, durante el uso, puede tener lugar una reacción de reformado, y al menos una placa de combustión, en la que, durante el uso, puede tener lugar una reacción de combustión, estando dispuestas las placas en un apilamiento, de manera que las placas de reformado y combustión están entremezcladas, disponiéndose el aparato de manera que, durante el uso, pueden tener lugar una reacción de reformado y una reacción de combustión 50 simultáneamente, proporcionando dicha reacción de combustión calor para la reacción de reformado. De acuerdo con esta realización preferida, cuando el aparato se está usando, el calor producido por la reacción de combustión que está teniendo lugar en las placas de combustión, se dispersa por toda el área donde está teniendo lugar la reacción de reformado, para proporcionar una transferencia de calor eficaz a la reacción de reformado. De esta manera, los expertos en la materia observarán que la combustión exotérmica de los gases residuales tiene lugar en las placas de combustión 55 que están entremezcladas entre las placas donde tiene lugar la reacción de reformado. Esto significa que el calor producido por la combustión se dispersa por toda el área en la que tiene lugar la reacción de reformado, para proporcionar una transferencia de calor eficaz a la reacción de reformado. Además, las placas de reformado y las placas combustión se apilan conjuntamente para proporcionar una unidad compacta que es adecuada para su uso en vehículos pequeños. 60
En realizaciones preferidas, el circuito de fluido adicional comprende al menos un tubo que se extiende a lo largo de al menos parte de la longitud de al menos una placa. En realizaciones particularmente preferidas, el circuito de fluido adicional comprende tubos que se extienden al lo largo de al menos parte de la longitud de al menos una placa de combustión y al menos una placa de reformado. Preferiblemente, cada placa comprende al menos un tubo que forma parte del circuito. De acuerdo con dichas realizaciones un fluido, que tiene una temperatura predeterminada 5 externamente, puede hacerse circular a las regiones precisas donde tienen lugar la reacción de reformado y la reacción de combustión, lo que permite un control más preciso de las temperaturas de reacción.
Preferiblemente, las placas de reformado y las placas de combustión se disponen de manera que las placas de reformado y las placas de combustión se alternan. Esto significa, que las placas de combustión están dispersadas uniformemente entre las placas de reformado, lo que permite que el calor producido por la reacción de combustión se 10 proporcione a cada una de las placas de reformado, para mantener la reacción de reformado que está teniendo lugar en cada placa de reformado.
De acuerdo con otra característica preferida de la invención, el aparato está adaptado para proporcionar una corriente de gas a través del aparato, y en contacto con las placas de reformado, y una corriente de gas a través del aparato, y en contacto con las placas de combustión, en las que las corrientes están en comunicación térmica pero no en 15 comunicación fluida. En realizaciones particularmente preferidas, el aparato está adaptado para permitir que las corrientes de gas fluyan en direcciones opuestas a través del aparato, de manera que pueda ocurrir el intercambio de calor entre la reacción de combustión y la reacción de reformado.
Preferiblemente, las placas de reformado y las placas de combustión comprenden colectores internos de manera que, cuando las placas se ensamblan en una pila de colectores, se disponen para guiar los gases sobre las placas. 20
Preferiblemente, la placa de combustión comprende un catalizador de combustión cerámico. Los catalizadores adecuados son bien conocidos por la persona experta en la materia. El catalizador podría ser Pt/-Al2O3, por ejemplo, que es un catalizador de combustión disponible en el mercado, aunque podría usarse en su lugar cualquier otro catalizador combinado adecuado. Preferiblemente, el catalizador se proporciona sobre una superficie de la placa de combustión. En realizaciones preferidas, la placa de combustión comprende múltiples fragmentos de catalizador 25 cerámico. Esto permite una mezcla mejorada de los gases de suministro cuando entran en contacto con el catalizador de combustión. Se ha encontrado también que las grandes estructuras de catalizador cerámico se agrietan durante el uso, y esto se evita usando múltiples fragmentos catalíticos más pequeños en cada placa de combustión.
La placa de reformado preferiblemente comprende un catalizador de reformado. Preferiblemente, el catalizador es adecuado para catalizar la reacción de un combustible y agua para producir hidrógeno. Preferiblemente, el catalizador 30 se proporciona sobre una superficie de la placa de reformado. Los catalizadores de reformado adecuados los conoce bien la persona experta en la materia. Los catalizadores que comprenden cobre, cinc y aluminio, particularmente catalizadores de tipo Cu/ZnO/Al2O3, son adecuados para su uso en la invención. Aunque podría usarse en su lugar cualquier otro catalizador de reformado adecuado.
Preferiblemente, el catalizador de reformado y el catalizador de combustión no están en comunicación fluida. 35
Preferiblemente, el circuito de fluido adicional comprende al menos un conducto que comprende una superficie de transferencia térmica, en comunicación térmica con la pared interna del conducto, de manera que se proporciona un área superficial interna eficaz aumentada. Preferiblemente, dicha superficie de transferencia térmica comprende una banda que se extiende a través del interior del conducto, más preferiblemente comprende una pluralidad de bandas. En una realización preferida, la superficie tiene forma de cruz. Puede estar hecha de cualquier material térmicamente 40 conductor adecuado, apropiado para la temperatura operativa del aparato, por ejemplo, aluminio para aplicaciones a menor temperatura.
Las placas de combustión de la invención comprenden, preferiblemente, medios para detener las llamas localizadas en la entrada de gas. Dichos medios para detener las llamas son convencionales y los conocen bien los expertos en la materia. 45
La invención proporciona también un sistema de celda de combustible que comprende un aparato integrado de reformado y combustión, como se ha descrito anteriormente, y una celda de combustible. De esta manera, la invención proporciona un sistema completo de celdas de combustible y un sistema de procesamiento de combustible, preferiblemente adecuado para su uso en vehículos pequeños. Preferiblemente, cuando se proporciona, el circuito de fluido adicional esta integrado térmicamente con la celda de combustible. Igualmente, en los aspectos/realizaciones de 50 la invención en los que se proporciona un circuito de fluido adicional, el circuito adicional podría tener integrada cualquier otra forma de unidad de gestión térmica.
La invención se extiende también al uso de un aparato integrado de reformado y combustión, como se ha descrito anteriormente, para preparar hidrógeno a partir de un combustible y agua.
En particular, la invención proporciona un método de preparación de hidrógeno a partir de combustible y agua usando 55 un aparato como se ha descrito anteriormente, comprendiendo dicho método: hacer pasar un suministro de reformado, que comprende combustible y agua, sobre las placas de reformado, de manera que tiene lugar una reacción de
reformado para producir una corriente de producto reformado que comprende hidrógeno y, simultáneamente, hacer pasar un suministro de combustible sobre las placas de combustión, de manera que tiene lugar la combustión para producir una corriente de producto de combustión, de manera que la reacción de combustión proporciona calor para la reacción de reformado.
Preferiblemente, la corriente de gas que comprende el suministro de reformado y la corriente de producto de reformado 5 están en comunicación térmica, pero no en comunicación fluida con la corriente de gas que comprende el suministro de combustión y la corriente de producto de combustión. En realizaciones particularmente preferidas, las corrientes de gas se mueven a través del aparato en direcciones opuestas, de manera que puede ocurrir un intercambio de calor eficaz.
La invención proporciona también un método de preparación de hidrógeno a partir de combustible y agua usando el aparato de la invención, comprendiendo dicho método: hacer pasar un suministro de reformado, que comprende 10 combustible y agua, a través de la unidad de reformado, de manera que tiene lugar una reacción de reformado para producir una corriente de producto de reformado que comprende hidrógeno y, simultáneamente, hacer pasar un suministro de combustible a través de la unidad de combustión, de manera que tiene lugar la combustión para producir una corriente de producto de combustión, y controlar la temperatura haciendo circular un fluido a través del circuito adicional. 15
En realizaciones particularmente preferidas, la invención proporciona un método de preparación de hidrógeno a partir de combustible y agua, usando un aparato integrado de reformado y combustión como se ha descrito anteriormente, comprendiendo el aparato, al menos, una placa de reformado y, al menos, un placa de combustión dispuestas en un apilamiento, de manera que las placas de reformado y las placas de combustión están entremezcladas, estando dichos circuitos de fluido en comunicación térmica con al menos una de dicha placa de reformado y dicha placa de combustión; 20 comprendiendo dicho método: hacer pasar un suministro de reformado, que comprende combustible y agua, sobre la placa de reformado, de manera que tiene lugar una reacción de reformado para producir una corriente de producto de reformado que comprende hidrógeno y, simultáneamente, hacer pasar un suministro de combustible sobre la placa de combustión, de manera que tiene lugar la combustión para producir una corriente de producto de combustión, en la que la combustión proporciona calor para la reacción de reformado; y hacer circular un fluido a través del circuito adicional, 25 de manera que la temperatura del sistema puede controlarse.
Puede usarse cualquier combustible que sea adecuado para producir hidrógeno a través de una reacción de reformado, de acuerdo con la invención. La temperatura de la reacción de reformado dependerá de la naturaleza del comestible de reformado. En un conjunto preferido de realizaciones, por ejemplo, el combustible para la reacción de reformado comprende metanol. 30
Cuando el metanol se usa como el combustible de reformado, la reacción de reformado tiene lugar, preferiblemente, a una temperatura de entre 150ºC y 250ºC, más preferiblemente 180-200ºC. La reacción de combustión, por lo tanto, preferiblemente tendrá lugar a entre 150ºC y 300ºC, más preferiblemente 200-250ºC.
La temperatura del sistema se controla, preferiblemente, haciendo circular un fluido adecuado a través del circuito de fluido adicional. Cuando se usa metanol como el combustible, la temperatura del fluido en circulación preferiblemente es 35 entre 150ºC y 250ºC, más preferiblemente 180-200ºC. Se ha encontrado que el petróleo puede ser adecuado para su uso en este intervalo.
En un conjunto alternativo de realizaciones preferidas, el combustible para la reacción de reformado comprende al menos uno de metano, gas natural o diésel. En estas realizaciones, la temperatura de la reacción de reformado es preferiblemente de 350ºC a 850ºC, más preferiblemente de 500ºC a 700ºC. En consecuencia, la temperatura de la 40 reacción de combustión debería ser preferiblemente de 400ºC a 900ºC, más preferiblemente de 550ºC a 750ºC. La temperatura del fluido en circulación debería ser preferiblemente de 500ºC a 700ºC. Se ha encontrado que el potasio es adecuado para su uso en este intervalo.
En general, la naturaleza del fluido usado en el circuito de fluido adicional, dependerá de la temperatura de la reacción de reformado, que a su vez dependerá de la naturaleza del combustible de reformado. 45
Preferiblemente, la corriente de producto de reformado comprende hidrógeno. En realizaciones particularmente preferidas, la corriente de producto de reformado se proporciona a una celda de combustible que funciona con hidrógeno.
Preferiblemente, el suministro de combustión para los métodos de la presente invención comprende subproductos de una celda de combustible que funciona con hidrógeno, preferiblemente al menos uno de hidrógeno, hidrocarburos, 50 metanol y monóxido de carbono.
Se describirá ahora una realización preferida de la presente invención, a modo de ejemplo únicamente, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 es una vista en perspectiva de un aparato integrado de reformado y combustión de acuerdo con la invención; 55
La Figura 2 es una vista en perspectiva de una placa de reformado usada en el aparato de la Figura 1;
La Figura 3 es una vista ampliada de la placa de reformado;
La Figura 4 es una vista en perspectiva de una placa de combustión usada en el aparato de la Figura 1;
La Figura 5 es una vista en perspectiva que muestra una disposición de las placas de combustión y las placas de reformado de acuerdo con la invención; 5
La Figura 6 es una vista en perspectiva de un colector de gas usado en el aparato de la Figura 1; y
La Figura 7 es una vista en perspectiva de un colector de aceite externo.
Volviendo a la Figura 1, puede verse un aparato integrado de reformado y combustión de acuerdo con la invención. El aparato generalmente comprende una pluralidad de placas de combustión 1 que comprenden un catalizador de combustión, por ejemplo, Pt/-Al2O3, sobre la superficie de una placa y una pluralidad de placas de reformado 3 que 10 comprenden un catalizador de reformado, por ejemplo Cu/ZnO/Al2O3, dispuestas sobre una superficie de la placa; las placas se disponen en un apilamiento de manera que las placas de reformado y las placas de combustión se alternan. Las placas pueden verse en mayor detalle las Figuras 2 y 4.
Las placas están provistas de colectores internos 25,33 que permiten el paso de gas a través del aparato. El aparato está provisto de numerosos colectores externos para suministrar gases a las placas. Hay una mezcladora de 15 aire/carburante combustible 5 provista de una entrada 7 para aire y una entrada 9 para carburante combustible, por ejemplo desde la salida de una celda de combustible. La mezcladora de combustible 5 está conectada a un colector de entrada de carburante combustible 11, que está en comunicación gaseosa con los colectores internos 33 de las placas de combustión (no mostradas) y, por lo tanto, es capaz de proporcionar una mezcla de aire/carburante combustible al catalizador de combustión. Se proporciona un colector de escape 13 para permitir el escape de los productos de 20 combustión del aparato.
Se proporciona un colector de entrada del reformador 15 en el lado opuesto del aparato al colector de carburante combustible 11. El colector de entrada del reformador 15 está en comunicación gaseosa con los colectores internos 25 de las placas de reformado, y es capaz de proporcionar un suministro de metanol y agua al catalizador de reformado. Un colector de salida de reformado 17 también está en comunicación gaseosa con el catalizador de reformado, para 25 permitir que salgan los gases de reformado.
Se proporcionan dos colectores de aceite 19 adicionales en lados opuestos del aparato, en los extremos de las placas de reformado y combustión 1, 3. Los colectores de aceite 19 están en comunicación fluida con los tubos 29 situados a lo largo de la longitud de las placas (véase la Figura 3). Los colectores de aceite 19 y los tubos 29, que están situados a lo largo de la longitud de las placas, forman juntos un circuito continuo desde una entrada de aceite 21 hasta una salida de 30 aceite 23.
En vista de las temperaturas implicadas cuando se usa metanol como el combustible en la reacción de reformado, el aparato mostrado podría fabricarse, por ejemplo, de aluminio con sellos de polímero. Típicamente será del orden de unos pocos cientos de milímetros de tamaño, haciéndolo adecuado para su uso en un automóvil.
En la Figura 2 se muestra una placa de reformado 3. La placa de reformado está provista de material catalítico 27 sobre 35 una superficie de la placa. El catalizador preferiblemente está en forma de gránulos.
La placa de reformado está provista de filas de colectores internos 25 a lo largo de los extremos opuestos de las placas. La Figura 3 muestra parte de la placa de reformado con más detalle. La placa de reformado está provista de dos tipos diferente de colector interno. El primer grupo de colectores 25a están en comunicación gaseosa con la mezcladora de carburante combustible 5 y los colectores de entrada y escape correspondientes 11, 13. Cuando las placas de 40 reformado y combustión 1,3 están dispuestas en un conjunto apilado, una pared 28 elevada en la placa de reformado evita que el carburante combustible y la mezcla de aire entren en contacto con la superficie de la placa de reformado, en la que se proporciona el catalizador de reformado 27.
Un segundo grupo de colectores internos 25b están en comunicación gaseosa con los colectores de reformado 15 y 17 con entrada y salida externas. El segundo grupo de colectores 25b no tienen una pared elevada, lo que significa que el 45 gas que fluye entre los colectores de entrada y salida 15, 17, pasa sobre el catalizador de reformado 27.
Las placas de reformado 3 también tienen una pluralidad de tubos de aceite 29 que se extienden a lo largo de la longitud de la placa. Cuando el aparato está montado, los tubos de aceite 29 están conectados por ambos extremos a los colectores de aceite externo 19.
En la Figura 4 se muestra una placa de combustión 1. Una pluralidad de estructuras de catalizador de combustión se 50 dispone en una superficie de la placa. La placa de combustión está provista también de filas de colectores internos en cada extremo de la placa, dispuestos en dos tipos diferentes 33a, 33b. El primer grupo de colectores 33a están en comunicación gaseosa con los colectores de entrada/salida de combustión 11, 13, lo que significa que la mezcla de carburante combustible y aire pasa sobre el catalizador de combustión en la placa de combustión 1. Los gases
producidos por la reacción de combustión pueden retirarse a través del colector de escape 13.
El segundo grupo de colectores internos 33b están en comunicación gaseosa con los colectores de entrada y salida de reformado 15, 17. Cuando las placas del quemador están dispuestas en un apilamiento, sin embargo, una pared elevada 35 evita que el flujo de suministro de reformado y la corriente de productos de reformado entren en contacto con el catalizador de combustión 31. La placa de combustión 1 comprende adicionalmente elementos de detención de 5 llama 37 adyacentes a los colectores 33a, b. La placa de combustión 1 comprende también tubos de aceite 39 que están situados a lo largo de la longitud de la placa, y que están conectados a los colectores de aceite externo 19 cuando el aparato está montado.
La Figura 5 muestra placas de combustión alternas 1 y placas de reformado 3 dispuestas en un apilamiento, mostrándose una placa de reformado 3 como la más externa. Las placas 1, 3 se apilan de manera que la superficie 10 catalítica de cada placa 27, 31 está orientada hacia la superficie no catalítica de la siguiente placa, lo que significa que el catalizador de reformado y el catalizador de combustión no están en comunicación fluida. Cuando las placas se apilan juntas, los colectores internos 25a y 33a se alinean y los colectores internos 25b y 33b se alinean para proporcionar dos rutas diferentes para el flujo de gas a través del aparato. Una ruta permite que el gas fluya desde la mezcladora de combustible, a través del colector de entrada de carburante combustible 11, sobre el catalizador de combustión 31 en la 15 superficie de las placas de combustión 1 y salga por el colector de escape 13. La otra ruta, diferente, permite que los gases de reformado viajen desde el colector de entrada 15, sobre el catalizador de reformado 27 en la superficie de las placas de reformado 3 y salga por el colector salida de reformado 17. Los gases en las dos rutas diferentes no se mezclan. Los extremos de los tubos de fluidos 29 y 39 pueden verse en el extremo del conjunto apilado en la Figura 5.
La Figura 6 muestra la estructura general de los colectores de gas externos 11, 13, 15 y 17. Cada colector está 20 conectado al apilamiento de placas, de manera que los orificios 43 están en comunicación con los colectores internos alternados en la placa.
En la Figura 7 se muestra el colector de aceite externo 19. El aceite que entra por la entrada 45 puede desplazarse por los orificios 47 y viceversa. En el aparato montado, los orificios 47 están conectados a los extremos de los tubos de aceite 29 y 39, de manera que los colectores de aceite 19 y los tubos de aceite 29 y 39 forman un circuito. 25
En la práctica, se proporciona un vaporizador (no mostrado). La unidad de vaporización puede estar en comunicación térmica con el circuito de fluido formado por los colectores externos 19 y los tubos 29 y 39.
Durante el uso, una mezcla de metanol y agua se vaporiza en la unidad de vaporización. El aparato integrado proporciona el calor necesario para vaporizar el combustible y el agua en esta unidad de vaporización. La mezcla vaporizada de agua y combustible se proporciona entonces al colector 15. 30
La mezcla de metanol y agua fluye a través de los conductos formados por el alineamiento de los colectores internos 25b y 33b. El gas fluye después sobre la superficie de las placas de reformado 3 y, por lo tanto, sobre el catalizador de reformado 27, de manera que tiene lugar una reacción de reformado:
CH3OH + H2O  3H2 + CO2
El gas fluye sobre cada una de las placas de reformado 3 en el apilamiento en paralelo. Esto minimiza la resistencia del 35 flujo.
La corriente de producto de reformado que comprende hidrógeno sale entonces del apilamiento de placas, a través de los tubos formados por los colectores internos 25b y 35b, en el lado opuesto de la placa de reformado 3 y salen del aparato a través del colector de salida externo 17. El hidrógeno producido por la reacción de reformado y que sale del aparato a través del colector externo 17, puede alimentarse a una celda de combustible que funciona con hidrógeno. 40
Al mismo tiempo que tiene lugar la reacción de reformado, se introduce un carburante rico en hidrógeno combustible desde la salida de una celda de combustible (no mostrada) a la entrada de la mezcladora 9, mientras se introduce aire a través de la entrada 7. El combustible y el aire se mezclan en la mezcladora de combustible 5 y se dirigen al colector de carburante combustible externo 11. La mezcla de combustible y aire fluye a través de los tubos formados por la alineación de los colectores internos 25a y 33a. El gas fluye entonces sobre la superficie de las placas de combustión 1, 45 y de esta manera, el catalizador de combustión 31, donde tiene lugar la combustión. El gas fluye sobre todas las placas de combustión 1 en paralelo. La corriente de producto de combustión fluye fuera del aparato a través del tubo formado por los colectores internos 25a y 33a en el lado opuesto de las placas 1 respecto a la entrada, y después hacia fuera a través del colector de escape 13.
A medida que están teniendo lugar las reacciones de combustión y reformado, el aceite se hace circular a través del 50 circuito de aceite formado por los colectores externos 19 y los tubos 29 y 39. La temperatura del aceite se elige de manera que las temperaturas de la reacción puedan controlarse.
El control cerrado de las temperaturas de reacción puede conseguirse manteniendo el fluido a una temperatura constante y variando el caudal del fluido a través del circuito, o manteniendo un caudal constante a través del circuito y variando la temperatura del fluido. 55
Aunque la realización anterior se ha descrito con referencia a una reacción de reformado, usando metanol como combustible de reformado, el aparato de la invención puede usarse también para reacciones de reformado usando combustibles alternativos, tales como metano, gas natural o diésel. En este caso, la temperatura de la reacción de reformado es mayor que la temperatura de la reacción de reformado con metanol. El aparato mostrado podría fabricarse, por lo tanto, de acero, por ejemplo, o de cualquier otro material que sea adecuado para su uso a una mayor 5 temperatura. Un fluido adecuado para su uso en el circuito adicional sería potasio, aunque podría usarse en su lugar cualquier otro fluido adecuado para su uso a mayores temperaturas.

Claims (40)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un aparato integrado de reformado y combustión para su uso en un sistema de celda de combustible, comprendiendo dicho aparato una unidad de reformado en la que, durante el uso, puede tener lugar una reacción de reformado, en comunicación térmica con una unidad de combustión, en la que, durante el uso, puede tener lugar una reacción de combustión, caracterizado por que dicho aparato comprende un circuito de fluido adicional (19,29,39), en comunicación 5 térmica tanto con dicha unidad de reformado como con dicha unidad de combustión, de manera que permite que la temperatura de dichas unidades se controle mediante la circulación de un fluido que tiene una temperatura preseleccionada y/o un caudal a través del circuito de fluido adicional.
  2. 2. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende al menos una placa de reformado (3) en la que, durante el uso, puede tener lugar una reacción de reformado y al menos una placa de combustión (1) en la que, durante el uso, 10 puede tener lugar una reacción de combustión, estando dispuestas dichas placas en un apilamiento, de manera que las placas de reformado (3) y las placas de combustión (1) están entremezcladas, en el que el aparato está dispuesto de manera que, durante el uso, una reacción de reformado y una reacción de combustión pueden tener lugar simultáneamente, proporcionando dicha reacción de combustión calor para la reacción de reformado.
  3. 3. Aparato de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el circuito de fluido adicional (19,29,39) comprende al menos un 15 tubo (29,39) que se extiende a lo largo de al menos parte de la longitud de al menos una placa (3,1).
  4. 4. Aparato de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el circuito de fluido adicional (19,29,39) comprende tubos (29,39) que se extienden a lo largo de al menos parte de la longitud de al menos una placa de combustión (1) y al menos una placa de reformado (3).
  5. 5. Aparato de acuerdo con la reivindicación 4, en el que cada placa (3,1) comprende al menos un tubo (29,39) que 20 forma parte del circuito de fluido adicional (19,29,39).
  6. 6. Aparato de acuerdo con cualquier de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el circuito de fluido adicional (19,29,39) comprende al menos un conducto que comprende una superficie de transferencia térmica, en comunicación térmica con la pared interna del conducto.
  7. 7. Aparato de acuerdo con la reivindicación 6, en el que dicha superficie de transferencia térmica comprende una o más 25 bandas que se extienden a través del interior del conducto.
  8. 8. Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende adicionalmente una unidad de gestión térmica integrada con dicho circuito de fluido adicional (19,29,39).
  9. 9. Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, en el que las placas de reformado (3) y placas de combustión (1) se alternan. 30
  10. 10. Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 9, adaptado para proporcionar una corriente de gas a través del aparato, y en contacto con las placas de reformado (3), y una corriente de gas a través del aparato y en contacto con las placas de combustión (1), en el que las corrientes están en comunicación térmica pero no en comunicación fluida.
  11. 11. Aparato de acuerdo con la reivindicación 10, en el que el aparato está adaptado para permitir que las corrientes de 35 gas fluyan en direcciones opuestas a través del aparato, de manera que puede ocurrir el intercambio de calor entre la reacción de combustión y la reacción de reformado.
  12. 12. Aparato de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, en el que las placas de reformado (3) y las placas de combustión (1) comprenden colectores internos (25,33), de manera que cuando las placas se ensamblan en una pila, los colectores se disponen para guiar los gases sobre las placas. 40
  13. 13. Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 12, en el que la placa de combustión (1) comprende un catalizador de combustión cerámico (31).
  14. 14. Aparato de acuerdo con la reivindicación 13, en el que el catalizador de combustión (31), se proporciona sobre una superficie de la placa de combustión (1).
  15. 15. Aparato de acuerdo con la reivindicación 13 o 14, en el que la placa de combustión (1) comprende múltiples 45 fragmentos de catalizador cerámico.
  16. 16. Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 15, en el que la placa de reformado (3) comprende un catalizador de reformado (27).
  17. 17. Aparato de acuerdo con la reivindicación 16, en el que dicho catalizador de reformado (27) es adecuado para catalizar la reacción de un combustible y agua para producir hidrógeno. 50
  18. 18. Aparato de acuerdo con la reivindicación 16 o 17, en el que el catalizador de reformado (27), se proporciona sobre
    una superficie de la placa de reformado (3).
  19. 19. Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 18, que comprende un catalizador de combustión (31) y un catalizador de reformado (27), no estando dichos catalizadores en comunicación fluida.
  20. 20. Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 19, en el que las placas de combustión (1) comprenden medios (37) para detener las llamas localizadas en la entrada de gas (33a,b). 5
  21. 21. Un sistema de celdas de combustible que comprende un aparato integrado de reformado y combustión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, y una celda de combustible.
  22. 22. Un sistema de celdas de combustible de acuerdo con la reivindicación 21, en el que dicho circuito de fluido adicional (19,29,39), está integrado térmicamente con dicha celda de combustible.
  23. 23. Un método para preparar hidrógeno a partir de combustible y agua usando el aparato de acuerdo con cualquiera de 10 las reivindicaciones 1 a 20, comprendiendo dicho método: hacer pasar un suministro de reformado, que comprende combustible y agua, a través de la unidad de reformado, de manera que tiene lugar una reacción de reformado para producir una corriente de producto de reformado que comprende hidrógeno y, simultáneamente, hacer pasar un suministro de combustible a través de la unidad de combustión, de manera que tiene lugar la combustión para producir una corriente de producto de combustión, de manera que la reacción de combustión proporciona calor para la reacción 15 de reformado.
  24. 24. Un método de acuerdo con la reivindicación 23, en el que la corriente de gas que comprende el suministro de reformado y la corriente de producto de reformado, están en comunicación térmica, pero no en comunicación fluida, con la corriente de gas que comprende el suministro de combustión y la corriente de producto de combustión.
  25. 25. Un método de acuerdo con la reivindicación 23 o 24, que comprende adicionalmente controlar la temperatura 20 haciendo circular un fluido a través de dicho circuito de fluido adicional (19,29,39).
  26. 26. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicación 23 a 25, en el que el aparato comprende al menos una placa de reformado (3) y al menos una placa de combustión (1), dispuestas en un apilamiento, de manera que las placas de reformado (3) y las placas de combustión (1), están entremezcladas, estando dicho circuito de fluido adicional (19,29,39) en comunicación térmica con al menos una de dicha placa de reformado y dicha placa de combustión; 25 comprendiendo adicionalmente dicho método hacer circular un fluido a través de dicho circuito de fluido adicional (19,29,39), de manera que la temperatura del sistema pueda controlarse.
  27. 27. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 23 a 26, en el que dichas corrientes de gas se mueven a través del aparato en direcciones opuestas.
  28. 28. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 23 a 27, en el que el combustible para la reacción de 30 reformado comprende metanol.
  29. 29. Un método de acuerdo con la reivindicación 28, en el que la reacción de reformado tiene lugar a una temperatura de entre 150ºC y 250ºC, más preferiblemente 180-200ºC.
  30. 30. Un método de acuerdo con la reivindicación 29, en el que la reacción de combustión tiene lugar a una temperatura de entre 150ºC y 300ºC, más preferiblemente 200-250ºC, 35
  31. 31. Un método de acuerdo con la reivindicación 28, en el que el fluido que se hace circular a través de dicho circuito de fluido adicional (19,29,39) tiene una temperatura de entre 150ºC y 250ºC, más preferiblemente 180-200ºC.
  32. 32. Un método de acuerdo con la reivindicación 31, en el que dicho combustible comprende aceite.
  33. 33. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 23 a 27, en el que el combustible para la reacción de reformado comprende al menos uno de metano, gas natural o diésel. 40
  34. 34. Un método de acuerdo con la reivindicación 33, en el que la temperatura de la reacción de reformado es entre 350ºC y 850ºC, más preferiblemente de 500ºC a 700ºC.
  35. 35. Un método de acuerdo con la reivindicación 34, en el que la temperatura de la reacción de combustión es entre 400ºC y 900ºC, más preferiblemente de 550ºC a 750ºC.
  36. 36. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 33 a 35, en el que el fluido que se hace circular a 45 través de dicho circuito de fluido adicional (19,29,39) tiene una temperatura entre 500ºC y 700ºC.
  37. 37. Un método de acuerdo con la reivindicación 36, en el que dicho fluido comprende potasio.
  38. 38. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 23 a 37, que comprende proporcionar la corriente de producto de reformado a una celda de combustible que funciona con hidrógeno.
  39. 39. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 23 a 38, que comprende proporcionar el suministro de combustión a partir del subproducto de una celda de combustible que funciona con hidrógeno.
  40. 40. Un método de acuerdo con la reivindicación 39, en el que dicho subproducto comprende al menos uno de hidrógeno, hidrocarburos, metanol y monóxido de carbono.
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