ES2846149T3 - Dispositivo de generación de calor e hidrógeno - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo de generación de calor e hidrógeno que comprende una cámara (3) de combustión, un quemador (7) situado en la cámara (3) de combustión para llevar a cabo la combustión, un dispositivo de alimentación de combustible capaz de controlar una cantidad de alimentación de combustible alimentado desde el quemador (7) hacia el interior de la cámara (3) de combustión, un dispositivo de alimentación de aire capaz de controlar una temperatura y una cantidad de alimentación de aire alimentado desde el quemador (7) hacia el interior de la cámara (3) de combustión, un dispositivo (19) de ignición para provocar la ignición del combustible, un catalizador (4) de reformado al cual se alimenta gas de combustión, y una unidad (30) de control electrónico, en donde el mencionado dispositivo de alimentación de aire está dotado de una parte (13a) de intercambio de calor para calentar el aire alimentado a través de una ruta de flujo de aire a alta temperatura desde el quemador (7) hacia el interior de la cámara (3) de combustión con el gas de combustión, en donde el dispositivo de generación de calor e hidrógeno está configurado para generar calor e hidrógeno llevando a cabo la combustión en el quemador, en donde se establece de manera anticipada una temperatura de catalizador permitida que evita el deterioro por calor del mencionado catalizador (4) de reformado, y en donde la mencionada unidad (30) de control electrónico está configurada para controlar el mencionado dispositivo de alimentación de aire para hacer disminuir la temperatura del aire que se alimenta desde el mencionado quemador (7) hacia el interior de la cámara (3) de combustión para mantener la temperatura del catalizador (4) de reformado en un valor por debajo de la temperatura (TX) de catalizador permitida cuando la combustión en el quemador se está llevando a cabo y cuando la temperatura (TC) de dicho catalizador (4) de reformado supera el valor de la mencionada temperatura (TX) de catalizador permitida o si se predice que la temperatura del mencionado catalizador (4) de reformado va a superar el valor de la mencionada temperatura (TX) de catalizador permitida, en donde la temperatura del catalizador de reformado es susceptible de ser detectada por un sensor (23) de temperatura y en donde la unidad (30) de control electrónico está configurada para mantener la temperatura del catalizador de reformado por debajo del valor de la temperatura (TX) de catalizador permitida mediante la conmutación de la ruta del flujo de aire de alimentación de aire desde el mencionado quemador (7) hacia el interior de la mencionada cámara (3) de combustión, mediante un dispositivo de conmutación que conmuta entre la ruta de flujo de aire a alta temperatura y una ruta de flujo de aire a baja temperatura mediante la apertura de una válvula (17) de aire a baja temperatura y el cierre de una válvula (16) de aire a alta temperatura.
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo de generación de calor e hidrógeno
Campo técnico
La presente invención se refiere a un dispositivo de generación de calor e hidrógeno.
Antecedentes de la técnica
Es conocido en la técnica un dispositivo de generación de calor e hidrógeno dotado de un quemador y que posee una cámara de combustión y un puerto de inyección de combustible para inyectar combustible en el interior de la cámara de combustión, un dispositivo de alimentación de aire para alimentar aire en el interior de la cámara de combustión y un catalizador de reformado diseñado para alimentar gas de combustión, producido en la cámara de combustión, al catalizador de reformado para generar de ese modo calor e hidrógeno (ver, por ejemplo, "Aplicación de un Reformador de Combustible Diésel para Emisiones Tier 2 Bin 5”, Delphi, Congreso DEER 2006, 21 de agosto de 2006, Detroit, Michigan). En este dispositivo de generación de calor e hidrógeno, con el fin de provocar una reacción de reformado con oxidación parcial, se hace reaccionar el aire y el combustible en un estado en el que la razón molar O2/C del aire y el combustible se mantiene en un valor de 0,5, por lo que se genera calor y se produce hidrógeno.
El documento US 2004/081593 A1 describe un sistema reactor para la producción de hidrógeno.
Resumen de la invención
En las reivindicaciones anexas se exponen aspectos particulares de la invención.
Problema técnico
A este respecto, cuando se lleva a cabo una reacción de reformado con oxidación parcial de combustible utilizando un catalizador de reformado, la temperatura del catalizador de reformado cuando la reacción de reformado con oxidación parcial alcanza un estado de equilibrio, es decir, la temperatura de equilibrio de reacción, cambia dependiendo de la razón molar O2/C del aire y el combustible. Por ejemplo, cuando la razón molar O2/C tiene un valor de 0,5, la temperatura del catalizador de reformado, es decir, la temperatura de equilibrio de reacción, alcanza un valor de aproximadamente 830°C. Sin embargo, la temperatura de este catalizador de reformado es el valor en el caso en el que la temperatura del aire de alimentación sea de 25°C. Si la temperatura del aire de alimentación aumenta, la temperatura del catalizador de reformado aumenta junto con ella.
A este respecto, sin embargo, en el dispositivo de generación de calor e hidrógeno mencionado anteriormente, el aire de alimentación es constantemente calentado por el gas que sale del catalizador de reformado. Por lo tanto, si la acción de calentamiento del gas que sale del catalizador de reformado hace que la temperatura del aire de alimentación aumente, la temperatura del catalizador de reformado aumentará. Si la temperatura del catalizador de reformado aumenta, la temperatura del gas que sale del catalizador de reformado aumenta y temperatura del aire de alimentación aumenta, de tal manera que la temperatura del aire de alimentación continúa aumentando. Como resultado de ello, surge el problema de que la temperatura del catalizador de reformado alcanza valores más altos y el catalizador de reformado se deteriora por el calor.
Solución al problema
De acuerdo con la presente invención, con el fin de resolver este problema, se proporciona un dispositivo de generación de calor e hidrógeno que comprende una cámara (3) de combustión, un quemador (7) situado en la cámara (3) de combustión para llevar a cabo la combustión, un dispositivo de alimentación de combustible capaz de controlar una cantidad de alimentación de combustible alimentado desde el quemador (7) hacia el interior de la cámara (3) de combustión, un dispositivo de alimentación de aire capaz de controlar una temperatura y una cantidad de alimentación de aire alimentado desde el quemador (7) hacia el interior de la cámara (3) de combustión, un dispositivo (19) de ignición para provocar la ignición del combustible, un catalizador (4) de reformado al cual se alimenta gas de combustión, y una unidad (30) de control electrónico, en donde el mencionado dispositivo de alimentación de aire está dotado de una parte (13a) de intercambio de calor para calentar el aire alimentado a través de una ruta de flujo de aire a alta temperatura desde el quemador (7) hacia el interior de la cámara (3) de combustión con el gas de combustión, en donde el dispositivo de generación de calor e hidrógeno está configurado para generar calor e hidrógeno llevando a cabo la combustión en el quemador, en donde se establece de manera anticipada una temperatura de catalizador permitida que evita el deterioro por calor del mencionado catalizador (4) de reformado, y en donde la mencionada unidad (30) de control electrónico está configurada para controlar el mencionado dispositivo de alimentación de aire para hacer disminuir la temperatura del aire que se alimenta desde mencionado quemador (7) hacia el interior de la cámara (3) de combustión para mantener la temperatura del catalizador (4) de reformado en un valor por debajo de la temperatura (TX) de catalizador permitida cuando la combustión en el quemador se está llevando a cabo y cuando la temperatura (TC) de dicho catalizador (4) de reformado supera el valor de la mencionada temperatura (TX) de catalizador permitida o si se predice que la
temperatura del mencionado catalizador (4) de reformado va a superar el valor de la mencionada temperatura (TX) de catalizador permitida, en donde la temperatura del catalizador de reformado es susceptible de ser detectada por un sensor (23) de temperatura y en donde la unidad (30) de control electrónico está configurada para mantener la temperatura del catalizador de reformado por debajo del valor de la temperatura (TX) de catalizador permitida mediante la conmutación de la ruta del flujo de aire de alimentación de aire desde el mencionado quemador (7) hacia el interior de la mencionada cámara (3) de combustión, mediante un dispositivo de conmutación que conmuta entre la ruta de flujo de aire a alta temperatura y una ruta de flujo de aire a baja temperatura mediante la apertura de una válvula (17) de aire a baja temperatura y el cierre de una válvula (16) de aire a alta temperatura.
Efectos ventajosos de la invención
Haciendo que baje la temperatura del aire que se alimenta hacia el interior de la cámara de combustión cuando la temperatura del catalizador de reformado supera la temperatura de catalizador permitida, o bien cuando se predice que la temperatura del catalizador de reformado va a superar la temperatura de catalizador permitida, se evita que la temperatura del catalizador de reformado se eleve de manera excesiva y, por lo tanto, se evita que el catalizador de reformado se deteriore debido al calor.
Breve descripción de los dibujos
La FIG. 1 es una vista global de un dispositivo de generación de calor e hidrógeno.
La FIG. 2 es una vista para explicar las reacciones de reformado del combustible diésel.
La FIG. 3 es una vista que muestra una relación entre una temperatura TB de equilibrio de reacción y una razón molar O2/C.
La FIG. 4 es una vista que muestra una relación entre una razón molar O2/C y un número de moléculas generadas por átomo de carbono.
La FIG. 5 es una vista que muestra una distribución de temperatura en el interior de un catalizador de reformado. La FIG. 6 es una vista que muestra una relación entre una temperatura TB de equilibrio de reacción y una razón molar O2/C cuando cambia la temperatura TA del aire de alimentación.
La FIG. 7 es un diagrama de tiempo que muestra el control de la generación de calor e hidrógeno.
Las FIGs. 8A y 8B son vistas que muestran regiones de funcionamiento que llevan a cabo operaciones de calentamiento secundario.
La FIG. 9 es un diagrama de flujo para el control de la generación de calor e hidrógeno.
La FIG.10 es un diagrama de flujo para el control de la generación de calor e hidrógeno.
La FIG.11 es un diagrama de flujo para el control de la generación de calor e hidrógeno.
La FIG.12 es un diagrama de flujo para el control para restringir la elevación de la temperatura del catalizador. Descripción de realizaciones
La FIG. 1 es una vista global de un dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno. Este dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno tiene forma cilíndrica en su conjunto. Haciendo referencia a la FIG. 1, el número 2 de referencia indica un alojamiento cilíndrico del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno, el número 3 de referencia indica una cámara de combustión fabricada en el alojamiento 2, el número 4 de referencia indica un catalizador de reformado situado en el alojamiento 2, y el número 5 de referencia indica una cámara de descarga de gas fabricada en el alojamiento. En la realización mostrada en la FIG. 1, el catalizador 4 de reformado está situado en el centro del alojamiento 2 en la dirección longitudinal, la cámara 3 de combustión está situada en una parte terminal del alojamiento 2 en la dirección longitudinal, y cámara 5 de descarga de gas está situada en la otra parte terminal del alojamiento 2 en la dirección longitudinal. Tal como se muestra en la FIG. 1, en esta realización, la totalidad de la circunferencia externa del alojamiento 2 está cubierta por un material 6 de aislamiento térmico.
Tal como se muestra en la FIG. 1, un quemador 7 dotado de un inyector 8 de combustible está situado en una parte terminal de la cámara 3 de combustión el quemador. La punta del inyector 8 de combustible está situada en la cámara 3 de combustión, y un puerto 9 de inyección de combustible se fabrica en la punta del inyector 8 de combustible. Más aún, una cámara 10 de aire se fabrica alrededor del inyector 8 de combustible, y un puerto 11 de alimentación de aire para eyectar aire en la cámara 10 de aire hacia el interior de la cámara 3 de combustión se fabrica alrededor de la punta del inyector 8 de combustible. En la realización mostrada en la FIG. 1, el inyector 8 de combustible está conectado a un tanque 12 de combustible, y combustible situado en el interior del tanque 12 de combustible se inyecta desde el puerto 9 de inyección de combustible del inyector 8 de combustible. En la realización mostrada en la FIG. 1, este combustible está constituido por combustible diésel.
La cámara 10 de aire está conectada, por un lado, a través de un conducto 13 de flujo de aire a alta temperatura a una bomba 15 de aire capaz de controlar el régimen de descarga y está conectada, por otro lado, a través de un conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura a la bomba 15 de aire capaz de controlar el régimen de descarga. Tal como se muestra en la FIG. 1, una válvula 16 de aire a alta temperatura y una válvula 17 de aire a baja temperatura están situadas en el conducto 13 de flujo de aire a alta temperatura y en el conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura, respectivamente. Más aún, tal como se muestra en la FIG. 1, el conducto 13 de flujo de aire a alta temperatura está dotado de una parte de intercambio de calor situada en la cámara 5 de descarga de gas. Esta parte de intercambio de calor se muestra de manera diagramática en la FIG. 1 mediante la notación 13a de referencia. Debe apreciarse que esta parte de intercambio de calor también puede fabricarse aguas abajo del catalizador 4 de reformado alrededor del alojamiento 2 que define la cámara 5 de descarga de gas, es decir, es preferible que esta parte 13a de intercambio de calor esté situada o fabricada en una ubicación en la que se lleve a cabo una acción de intercambio de calor utilizando el calor del gas a alta temperatura que sale de la cámara 5 de descarga de gas. Por otro lado, el conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura no posee de este modo la parte 13a de intercambio de calor que lleva a cabo la acción de intercambio de calor utilizando el calor del gas a alta temperatura que sale de la cámara 5 de descarga de gas.
Si la válvula 16 de aire a alta temperatura se abre y la válvula 17 de aire a baja temperatura es forzada a cerrarse, el aire del exterior es alimentado a través del filtro 18 de aire, la bomba 15 de aire, el conducto 13 de flujo de aire a alta temperatura y la cámara 10 de aire hacia el interior de la cámara 3 de combustión pasando por el puerto 11 de alimentación de aire. En este instante, el aire del exterior, es decir, aire, es forzado a circular en el seno de la parte 13a de intercambio de calor. Por el contrario, si la válvula 17 de aire a baja temperatura se abre y la válvula 16 de aire a alta temperatura es forzada a cerrarse, el aire del exterior, es decir, el aire, es alimentado a través del filtro 18 de aire, la bomba 15 de aire, el conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura y la cámara 10 de aire pasando por el puerto 11 de alimentación de aire. Por lo tanto, la válvula 16 de aire a alta temperatura y la válvula 17 de aire a baja temperatura forman un dispositivo de conmutación capaz de conmutar el conducto de circulación de aire para alimentar aire a través de la cámara 10 de aire al puerto 11 de alimentación de aire entre el conducto 13 de flujo de aire a alta temperatura y el conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura.
Por otro lado, un dispositivo 19 de ignición está situado en la cámara 3 de combustión. En la realización mostrada en la FIG. 1, este dispositivo 19 de ignición está constituido por una bujía de calentamiento. Esta bujía 19 de calentamiento está conectada a través de un interruptor 20 a una fuente 21 de suministro de potencia. Por otro lado, en la realización mostrada en la FIG. 1, el catalizador 4 de reformado está constituido por una parte 4a de oxidación y una parte 4b de reformado. En el ejemplo mostrado en la FIG. 1, el sustrato del catalizador 4 de reformado está constituido por zeolita. En este sustrato, en la parte 4a de oxidación se porta principalmente paladio Pd, mientras que en la parte 4b de reformado se porta principalmente rodio Rh. Más aún, en la cámara 3 de combustión está situado un sensor 22 de temperatura para detectar la temperatura de la cara terminal en el lado aguas arriba de la parte 4a de oxidación del catalizador 4 de reformado, y en la cámara 5 de descarga de gas está situado un sensor 23 de temperatura para detectar la temperatura de la cara terminal del lado aguas abajo de la parte 4b de reformado del catalizador 4 de reformado. Más aún, un sensor 24 de temperatura para detectar la temperatura del aire que circula por el interior del conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura está situado en el conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura situado en la parte exterior de material 6 de aislamiento térmico.
Tal como se muestra en la FIG. 1, el dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno está dotado de una unidad 30 de control electrónico. Esta unidad 30 de control electrónico está constituida por un computador digital dotado, tal como se muestra en la FIG. 1, de una memoria 32 ROM (memoria de sólo lectura), una memoria 33 RAM (memoria de acceso aleatorio), una unidad 34 CPU (microprocesador), un puerto 35 de entrada y un puerto 36 de salida, que están interconectados entre sí mediante un bus 31 bidireccional. Las señales de salida de los sensores 22, 23 y 24 de temperatura son entregadas a través de convertidores 37 AD correspondientes al puerto 35 de entrada, respectivamente. Más aún, una señal de salida que muestra el valor de la resistencia de la bujía 19 de calentamiento es entregada a través de un convertidor 37 AD correspondiente al puerto 35 de entrada. Más aún, diversas instrucciones provenientes de la parte 39 de generación de instrucciones que genera varios tipos de instrucciones son entregadas al puerto 35 de entrada.
Por otro lado, el puerto 36 de salida está conectado a través de circuitos 38 de accionamiento correspondientes a los inyectores 8 de combustible, a la válvula 16 de aire a alta temperatura, a la válvula 17 de aire a baja temperatura y al interruptor 20. Más aún, el puerto 36 de salida está conectado a un circuito 40 de accionamiento de bomba que controla el régimen de descarga de la bomba 15 de aire. El régimen de descarga de la bomba 15 de aire está controlado por este circuito 40 de accionamiento de bomba con el fin de adoptar, de acuerdo con las instrucciones, el valor de régimen de descarga que es entregado al puerto 36 de salida.
En el momento de comenzar la operación del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno, el combustible inyectado en el quemador 7 es llevado a ignición por la bujía 19 de calentamiento. Debido a ello, el combustible y el aire que son alimentados desde el quemador 7 reaccionan en la cámara 3 de combustión y de ese modo se inicia la combustión en el quemador. Si se ha iniciado la combustión el quemador, la temperatura del catalizador 4 de reformado aumenta de manera gradual. En ese momento, se lleva a cabo la combustión en el quemador con una ratio aire-combustible pobre. A continuación, si la temperatura del catalizador 4 de reformado alcanza una temperatura capaz de reformar el combustible, se cambia la ratio aire-combustible desde una ratio aire-combustible
pobre a una ratio aire-combustible rica y se inicia la acción de reformado del combustible en el catalizador 4 de reformado. Si la acción de reformado del combustible se ha iniciado, se genera hidrógeno y se hace fluir un gas a alta temperatura que contiene el hidrógeno generado hacia afuera a través de un puerto 25 de descarga de gas de la cámara 5 de descarga de gas.
Es decir, en una realización de la presente invención, el dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno está dotado de una cámara 3 de combustión, de manera que el quemador 7 está situado en la cámara 3 de combustión para llevar a cabo la combustión, un dispositivo de alimentación de combustible capaz de controlar la cantidad de combustible alimentado desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión, un dispositivo de alimentación de aire capaz de controlar la temperatura y la cantidad de aire alimentado desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión, el dispositivo 19 de ignición para provocar la ignición del combustible, el catalizador 4 de reformado al que se alimenta gas de combustión, y la unidad 30 de control electrónico, y el dispositivo de alimentación de aire está dotado de la parte 13a de intercambio de calor para calentar el aire alimentado desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión con el gas de combustión.
En este caso, en la realización de la presente invención, el inyector 8 de combustible constituye el dispositivo de alimentación de combustible anteriormente mencionado. La cámara 10 de aire, el puerto 11 de alimentación de aire, el conducto 13 de flujo de aire a alta temperatura, la parte 13a de intercambio de calor, el conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura, la bomba 15 de aire, la válvula 16 de aire a alta temperatura y la válvula 17 de aire a baja temperatura constituyen el dispositivo de alimentación de aire anteriormente mencionado. Más aún, en la realización de la presente invención, se generan calor e hidrógeno llevando a cabo la combustión en el dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno.
El hidrógeno generado por el dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno se utiliza, por ejemplo, para calentar el catalizador de purificación de gases de escape de un vehículo. En este caso, el dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno está situado, por ejemplo, en el interior del compartimento de motor del vehículo. Por supuesto, el hidrógeno generado por el dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno se utiliza también para otras aplicaciones. Cualquiera que sea el caso, en el dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno, el hidrógeno se genera mediante el reformado de combustible. Por lo tanto, en primer lugar, haciendo referencia a la FIG. 2, se explicarán las reacciones de reformado en el caso de utilizar combustible diésel como combustible.
Las secciones (a) a (c) de la FIG. 2 muestran, respectivamente, una fórmula de reacción cuando se lleva a cabo una reacción de oxidación completa, una fórmula de reacción cuando se lleva a cabo una reacción de reformado con oxidación parcial, y una fórmula de reacción cuando se lleva a cabo una reacción de reformado con vapor, haciendo referencia al caso en el que se usa el combustible diésel genérico como combustible. Debe apreciarse que los valores AH° de poder calorífico que se muestran en las fórmulas de reacción corresponden al poder calorífico inferior (LHV, Lower Heating Valué). Ahora bien, tal como se comprenderá por las secciones (b) y (c) de la FIG. 2, existen dos métodos para generar hidrógeno a partir de combustible diésel: el método de llevar a cabo la reacción de reformado con oxidación parcial y el método de llevar a cabo la reacción de reformado con vapor. La reacción de reformado con vapor es el método que consiste en añadir vapor al combustible diésel y, como se comprenderá a partir de la sección (c) de la FIG. 2, esta reacción de reformado con vapor es una reacción endotérmica. Por lo tanto, para provocar la reacción de reformado con vapor, resulta necesario añadir calor desde el exterior. Usualmente, en plantas de generación de hidrógeno a gran escala, para aumentar la eficiencia en la generación de hidrógeno, además de la reacción de reformado con oxidación parcial, se utiliza la reacción de reformado con vapor de manera que el calor generado no se descarta, sino que se utiliza el calor generado para generar hidrógeno.
Contrariamente a lo anterior, en la presente invención, para generar tanto hidrógeno como calor, no se utiliza la reacción de reformado con vapor que utiliza el calor generado para generar hidrógeno. En la presente invención, solamente se utiliza la reacción de reformado con oxidación parcial para generar hidrógeno. Esta reacción de reformado con oxidación parcial, tal como se comprenderá por la sección (b) de la FIG. 2, es una reacción exotérmica. Por lo tanto, la reacción de reformado se produce con el calor generado por ella misma, incluso sin añadir calor proveniente del exterior, y se genera hidrógeno. Ahora bien, tal como se muestra en la fórmula de reacción de la reacción de reformado con oxidación parcial de la sección (b) de la FIG. 2, la reacción de reformado con oxidación parcial se lleva a cabo con una ratio aire-combustible rica en la que el valor de la razón molar O2/C, que muestra la ratio del aire y el combustible que se hacen reaccionar, es de 0,5. En ese momento, se generan CO y H2.
La FIG. 3 muestra una relación entre una temperatura TB de equilibrio de reacción cuando el aire y el combustible se hacen reaccionar en el catalizador de reformado y alcanzan el equilibrio y la razón molar O2/C del aire y el combustible. Debe apreciarse que la línea continua en la FIG. 3 muestra el valor teórico cuando la temperatura del aire es de 25°C. Tal como se muestra mediante la línea continua en la FIG. 3, cuando se lleva a cabo la reacción de reformado con oxidación parcial utilizando una ratio aire-combustible rica con una razón molar O2/C igual a 0,5, la temperatura TB de equilibrio de reacción alcanza un valor sustancialmente igual a 830°C. Debe apreciarse que la temperatura TB de equilibrio de reacción real en este instante alcanza un valor algo inferior a 830°C, pero más adelante se explicará la temperatura TB de equilibrio de reacción para una realización de acuerdo con la presente invención como el valor mostrado por la línea continua en la FIG. 3.
Por otro lado, tal como se comprenderá a partir de la fórmula de reacción de la reacción de oxidación completa de la sección (a) de la FIG. 2, cuando la razón molar O2/C tiene un valor de 1,4575, la ratio del aire y el combustible se convierte en la ratio aire-combustible estequiométrica. Tal como se muestra en la FIG. 3, la temperatura TB de equilibrio de reacción adopta el valor más alto cuando la ratio del aire y el combustible se convierte en la ratio airecombustible estequiométrica. Cuando una razón molar O2/C está comprendida en el intervalo entre 0,5 y 1,4575, se lleva a cabo parcialmente la reacción de reformado con oxidación parcial, a la vez que se lleva a cabo parcialmente la reacción de oxidación completa. En este caso, cuanto mayor sea la razón molar O2/C, mayor será la ratio con la cual se lleva a cabo la reacción de oxidación completa en comparación con la ratio con la cual se lleva a cabo la reacción de reformado con oxidación parcial, por lo que cuanto mayor sea la razón molar O2/C, mayor será la temperatura TB de equilibrio de reacción.
Por otro lado, la FIG. 4 muestra la relación entre el número de moléculas (H2 y CO) producidas por átomo de carbono y la razón molar O2/C. Tal como se explicó anteriormente, cuanto más exceda la razón molar O2/C el valor 0,5, menor será la ratio con la que se lleva a cabo la reacción de reformado con oxidación parcial. Por lo tanto, tal como se muestra en la FIG. 4, cuanto más exceda la razón molar O2/C el valor 0,5, menores serán las cantidades generadas de H2 y CO. Debe apreciarse que, aunque no se describe la FIG. 4, si la razón molar O2/C adopta un valor mayor que 0,5, debido a la reacción de oxidación completa mostrada en la sección (a) de la FIG. 2, las cantidades de CO2 y H2O aumentan. A este respecto, la FIG. 4 muestra las cantidades de generación de H2 y CO cuando se asume que no ocurre una reacción de proceso del gas de agua mostrada en la FIG. 2(d). Sin embargo, en la realidad, la reacción del proceso del gas de agua mostrada en la sección (d) de la FIG. 2 se produce debido al CO generado por la reacción de reformado con oxidación parcial y al H2O generada por la reacción de oxidación completa, y el hidrógeno se genera también por esta reacción de proceso del gas de agua.
Entonces, tal como se ha explicado anteriormente, cuanto más exceda la razón molar O2/C el valor 0,5, menores serán las cantidades generadas de H2 y CO. Por otro lado, tal como se muestra en la FIG. 4, si la razón molar O2/C adopta un valor inferior a 0,5, aumentará el exceso de carbono C con el que es imposible reaccionar. Este exceso de carbono C se deposita en el interior de los poros del sustrato del catalizador de reformado; es decir, se produce una coquización. Si se produce una coquización, la capacidad de reformado del catalizador de reformado desciende de manera apreciable. Por lo tanto, para evitar que se produzca la coquización, debe evitarse que la razón molar O2/C descienda por debajo de 0,5. Más aún, tal como se comprenderá a partir de la FIG. 4, en un intervalo en el que no se produce ningún exceso de carbono, la cantidad de hidrógeno generado adopta su mayor valor cuando la razón molar O2/C tiene un valor de 0,5. Por lo tanto, en la realización de la presente invención, cuando la reacción de reformado con oxidación parcial se lleva a cabo para generar hidrógeno, para evitar la aparición de la coquización y para permitir que se generen hidrógeno de la manera más eficiente posible, la razón molar O2/C se fija, en principio, en un valor de 0,5.
Por otro lado, incluso si la razón molar O2/C se fija en un valor mayor que la ratio aire-combustible estequiométrica de la razón molar O2/C, que es igual a 1,4575, se lleva a cabo la reacción de oxidación completa, pero cuanto mayor sea la razón molar O2/C, mayor será la cantidad de aire cuya temperatura debe ser aumentada. Por lo tanto, tal como se muestra en la FIG. 3, si la razón molar O2/C adopta un valor mayor que la razón molar O2/C, que es igual a 1,4575, mostrando la ratio aire-combustible estequiométrica, cuanto más grande sea la razón molar O2/C, mayor será el descenso de la temperatura TB de equilibrio de reacción. En este caso, por ejemplo, si la razón molar O2/C adopta el valor de una ratio aire-combustible pobre de valor 2,6, cuando la temperatura del aire es de 25°C, la temperatura TB de equilibrio de reacción adopta un valor de aproximadamente 920°C.
Entonces, tal como se explicó anteriormente, en el momento de iniciarse la operación del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno mostrado en la FIG. 1, el combustible inyectado desde el quemador 7 es llevado a ignición por la bujía 19 de calentamiento. Debido a ello, en el interior de la cámara 3 de combustión, el combustible y el aire inyectados en el quemador 7 reaccionan, por lo que comienza la combustión. Si la combustión se inicia, la temperatura del catalizador 4 de reformado aumenta de manera gradual. En ese instante, la combustión se lleva a cabo con una ratio aire-combustible pobre. A continuación, si la temperatura del catalizador 4 de reformado alcanza una temperatura capaz de reformar el combustible, la ratio aire-combustible se hace cambiar desde una ratio airecombustible pobre a una ratio aire-combustible rica y se inicia la acción de reformado del combustible en el catalizador 4 de reformado. Si se inicia la acción de reformado del combustible, se genera hidrógeno. La FIG. 5 muestra la distribución de temperatura en el interior de la parte 4a de oxidación y en la parte 4b de reformado del catalizador 4 de reformado cuando la reacción en el catalizador 4 de reformado alcanza un estado de equilibrio. Debe apreciarse que esta FIG. 5 muestra la distribución de temperatura en el caso en el que la temperatura del aire del exterior es de 25°C y este aire exterior es alimentado a través del conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura mostrado en la FIG. 1 desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión.
La línea continua de la FIG. 5 muestra la distribución de temperatura en el interior del catalizador 4 de reformado. La razón molar O2/C del aire y el combustible alimentados en el quemador 7 tiene un valor de 0,5. Tal como se muestra en la FIG. 5, en este caso, en la parte 4a de oxidación del catalizador 4 de reformado, la temperatura del catalizador 4 de reformado aumenta hacia el lado aguas abajo debido al calor de la reacción de oxidación debida al oxígeno restante. Aproximadamente cuando el gas de combustión se desplaza desde el interior de la parte 4a de oxidación del catalizador 4 de reformado al interior de la parte 4b de reformado, el oxígeno restante en el gas de combustión se consume y se lleva a cabo una acción de reformado del combustible en la parte 4b de reformado del catalizador 4
de reformado. Esta reacción de reformado es una reacción endotérmica. Por lo tanto, la temperatura en el interior del catalizador 4 de reformado disminuye mientras la acción de reformado va teniendo lugar, es decir, hacia el lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado. La temperatura de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado en este momento es de 8302C y se iguala con la temperatura TB de equilibrio de reacción cuando la razón molar O2/C tiene un valor de 0,5 mostrado en la FIG. 3.
Por otro lado, la FIG. 5 muestra, mediante una línea discontinua, la distribución de temperatura en el interior del catalizador 4 de reformado cuando la razón molar O2/C del aire y el combustible alimentados desde el quemador 7 corresponde a una ratio aire-combustible pobre con un valor de 2,6. También en este caso, la temperatura en el interior del catalizador 4 de reformado aumenta hacia el lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado debido al calor de la reacción de oxidación del combustible en el interior de la parte 4a de oxidación del catalizador 4 de reformado. Por otro lado, en este caso, no se lleva a cabo ninguna acción de reformado en el interior de la parte 4b de reformado del catalizador 4 de reformado, por lo que la temperatura del catalizador 4 de reformado se mantiene constante en la parte 4b de reformado. La temperatura de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado en este momento es de 920°C y se iguala con la temperatura TB de equilibrio de reacción cuando la razón molar O2/C tiene un valor de 2,6 mostrado en la FIG. 3. Es decir, la temperatura TB de equilibrio de reacción de la FIG. 3 muestra la temperatura de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado cuando la temperatura del aire del exterior es de 25°C y este aire del exterior es alimentado a través del conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura mostrado en la FIG. 1 desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión.
A continuación, haciendo referencia a la FIG. 6, se explicará la temperatura TB de equilibrio de reacción cuando se cambia la temperatura del aire que reacciona con el combustible en el catalizador de reformado. La FIG. 6, de la misma manera que la FIG. 3, muestra la relación entre la temperatura TB de equilibrio de reacción cuando el aire y el combustible son forzados a reaccionar en el catalizador de reformado y se alcanza un equilibrio, y la razón molar O2/C del aire y el combustible. Debe apreciarse que, en la FIG. 6, TA muestra la temperatura del aire. En esta FIG.
6, la relación entre la temperatura TB de equilibrio de reacción y la razón molar O2/C mostrada por la línea continua en la FIG. 3 se muestra de nuevo mediante una línea continua. La FIG. 6 muestra adicionalmente las relaciones entre la temperatura TB de equilibrio de reacción y la razón molar O2/C cuando cambia la temperatura TA del aire a valores de 225°C, 425°C y 625°C mediante líneas discontinuas. A partir de la FIG. 6 se comprenderá que la temperatura TB de equilibrio de reacción alcanza el valor máximo global independientemente de la razón molar O2/C si la temperatura TA del aire aumenta.
Por otro lado, se confirma que el catalizador 4 de reformado utilizado en la realización de la presente invención no se deteriora demasiado por el calor si la temperatura del catalizador tiene un valor igual o inferior a 950°C. Por lo tanto, en la realización de la presente invención, 950°C es el valor que se adopta como temperatura TX de catalizador permitida que evita el deterioro por calor del catalizador 4 de reformado. Esta temperatura TX de catalizador permitida se muestra en la FIG. 3, en la FIG. 5 y en la FIG. 6. Tal como se comprenderá a partir de la FIG. 5, cuando la temperatura TA del aire es de 25°C, tanto cuando la razón molar O2/C tiene un valor de 0,5 como cuando la razón molar O2/C tiene un valor de 2,6, la temperatura del catalizador 4 de reformado cuando la reacción en el catalizador 4 de reformado alcanza un estado de equilibrio alcanza el valor de la temperatura TX de catalizador permitida, o alcanza un valor menor, en todas las posiciones del catalizador 4 de reformado. Por lo tanto, en este caso, resulta posible continuar utilizando el catalizador 4 de reformado sin preocuparse en la práctica del deterioro por calor.
Por otro lado, tal como se comprenderá a partir de la FIG. 3, incluso cuando la temperatura TA del aire es de 25°C, si la razón molar O2/C adopta un valor ligeramente mayor que 0,5, la temperatura de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado cuando la reacción en el catalizador 4 de reformado alcanza el estado de equilibrio, es decir, la temperatura TB de equilibrio de reacción, terminará superando el valor de la temperatura TX de catalizador permitida. Si la razón molar O2/C adopta un valor ligeramente menor de 2,6, la temperatura de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado cuando la reacción en el catalizador 4 de reformado alcanza el estado de equilibrio terminará superando el valor de la temperatura TX de catalizador permitida. Por lo tanto, por ejemplo, cuando la reacción en el catalizador 4 de reformado está en un estado de equilibrio, si provoca una reacción de reformado con oxidación parcial, la razón molar O2/C puede tener un valor mayor de 0,5, pero el intervalo en el que puede aumentarse el valor de la razón molar O2/C está limitado.
Por otro lado, tal como se comprenderá a partir de la FIG. 6, si la temperatura TA del aire adopta un valor mayor, cuando la reacción en el catalizador 4 de reformado alcanza un estado de equilibrio, incluso si se ha adoptado una razón molar O2/C de 0,5, la temperatura de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado cuando la reacción en el catalizador 4 de reformado alcanza un estado de equilibrio adoptará un valor mayor que la temperatura TX de catalizador permitida y, por lo tanto, el catalizador 4 de reformado se deteriora por el calor. Por lo tanto, cuando la temperatura TA del aire adopta un valor elevado, si la reacción en el catalizador 4 de reformado alcanza un estado de equilibrio, la razón molar O2/C no puede adoptar un valor de 0,5. Por lo tanto, en la realización de la presente invención, cuando la reacción en el catalizador 4 de reformado alcanza un estado de equilibrio, la temperatura TA del aire se hace adoptar un valor bajo de aproximadamente 25°C, y la razón molar O2/C se hace adoptar un valor de 0,5 en un estado en el que se mantiene la temperatura TA del aire en un valor de aproximadamente 25°C.
A continuación, haciendo referencia a la FIG. 7, se explicará brevemente el método de generación de calor e hidrógeno por parte del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno mostrado en la FIG. 1. Debe apreciarse que la FIG. 7 muestra el estado de funcionamiento de la bujía 19 de calentamiento, la cantidad de aire alimentada desde el quemador 7, la cantidad de combustible inyectado desde el quemador 7, la razón molar O2/C del aire y el combustible que reaccionan, la temperatura del aire alimentado desde el quemador 7 y la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado. Debe apreciarse que las diversas temperaturas objetivo para la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado mostradas en la FIG. 7, etc., y las diversas temperaturas objetivo para la temperatura del catalizador 4 de reformado son valores teóricos. En la realización de acuerdo con la presente invención, tal como se explicó anteriormente, la temperatura TB de equilibrio de reacción real adopta, por ejemplo, un valor algo inferior a la temperatura objetivo de 830°C. Estas temperaturas objetivo cambian dependiendo de la estructura del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno, etc. Por lo tanto, en la realidad, resulta necesario llevar a cabo experimentos para establecer por anticipado los valores de las temperaturas objetivo óptimas correspondientes a la estructura del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno.
Si se inicia la operación del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno, la bujía 19 de calentamiento se enciende (modo ON). A continuación, el aire es alimentado a través del conducto 13 de flujo de aire a alta temperatura al interior de la cámara 3 de combustión. En este caso, tal como se muestra mediante la línea discontinua de la FIG. 7, también resulta posible encender la bujía 19 de calentamiento después de que el aire sea alimentado a través del conducto 13 de flujo de aire a alta temperatura al interior de la cámara 3 de combustión. A continuación, se inyecta el combustible en el quemador 7. Si el combustible que se inyecta en el quemador 7 es llevado a ignición por la bujía 19 de calentamiento, aumentará la cantidad de combustible, la razón molar O2/C del aire y el combustible que reaccionan se reducirá desde un valor de 4,0 hasta un valor de 3,0, y la combustión se iniciará en el interior de la cámara 3 de combustión. En el período de tiempo que transcurre desde que se inicia la alimentación de combustible hasta que se produce la ignición del combustible, la ratio aire-combustible corresponde a una ratio aire-combustible pobre con el fin de suprimir tanto como sea posible la cantidad de HC generado.
A continuación, la combustión continúa con una ratio aire-combustible pobre. Debido a ello, la temperatura en el catalizador 4 de reformado aumenta de manera gradual. Por otro lado, si se ha iniciado la combustión, la temperatura del gas que pasa a través del catalizador 4 de reformado y que fluye hacia afuera hacia el interior de la cámara 5 de descarga de gas aumenta de manera gradual. Por lo tanto, la temperatura del aire calentado en la parte 13a de intercambio de calor debido a este gas aumenta de manera gradual. Como resultado de ello, la temperatura del aire alimentado desde el conducto 13 de flujo de aire a alta temperatura hacia el interior de la cámara 3 de combustión aumenta de manera gradual. Debido a ello, se promueve el calentamiento del catalizador 4 de reformado. El calentamiento del catalizador 4 de reformado que se lleva a cabo con una ratio aire-combustible pobre de esta manera en la realización de la presente invención, tal como se muestra en la FIG. 7, es denominado “calentamiento primario”. Debe apreciarse que, en el ejemplo mostrado en la FIG. 7, durante esta operación de calentamiento primario, la cantidad de aire alimentado y cantidad de combustible alimentado aumentan.
Esta operación de calentamiento primario continúa hasta que resulta posible el reformado del combustible en el catalizador 4 de reformado. En la realización de la presente invención, si la temperatura de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado alcanza un valor de 700°C, se considera que se ha hecho posible el reformado del combustible en el catalizador 4 de reformado. Por lo tanto, tal como se muestra en la FIG. 7, en la realización de la presente invención, la operación de calentamiento primario continúa hasta que la temperatura TC en la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado alcanza un valor de 700°C. Debe apreciarse que, en la realización de la presente invención, desde el inicio de la operación del dispositivo 1 de generación de hidrógeno hasta el final de la operación de calentamiento primario del catalizador 4 de reformado, tal como se muestra en la FIG. 7, la razón molar O2/C del aire y el combustible que reaccionan adopta valores entre 3,0 y 4,0. Por supuesto, en ese momento, la temperatura del catalizador 4 de reformado es considerablemente inferior que la temperatura TX de catalizador permitida, de manera que la razón molar O2/C del aire y el combustible que reaccionan puede adoptar el valor de una razón molar O2/C cercana a la ratio aire-combustible estequiométrica tal como entre 2,0 y 3,0.
A continuación, si la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado alcanza un valor de 700°C, se considera que se ha hecho posible el reformado del combustible en el catalizador 4 de reformado y se inicia la reacción de reformado con oxidación parcial para generar hidrógeno. En la realización de la presente invención, en este momento, tal como se muestra en la FIG. 7, se lleva a cabo en primer lugar una operación de calentamiento secundario y, cuando termina la operación de calentamiento secundario, se lleva a cabo una operación normal. Esta operación de calentamiento secundario se lleva a cabo para aumentar adicionalmente la temperatura del catalizador 4 de reformado mientras se genera hidrógeno. Esta operación de calentamiento secundario continúa hasta que la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado alcanza la temperatura TB de equilibrio de reacción, y cuando la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado alcanza la temperatura TB de equilibrio de reacción, la operación cambia a una operación normal. En la FIG. 8A, la región GG de funcionamiento del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno en la que se lleva a cabo esta operación de calentamiento secundario se muestra mediante la región rayada rodeada por las líneas GL, GU y GS continuas. Debe apreciarse que en la FIG. 8A, el eje de ordenadas muestra la razón molar O2/C del aire y el combustible que reaccionan mientras que el eje de abscisas
muestra la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado.
Tal como se explicó haciendo referencia a la FIG. 4, si la razón molar O2/C del aire y el combustible que reaccionan alcanza un valor inferior a 0,5, se produce coquización. La línea GL continua en la FIG. 8A muestra la frontera de la razón molar O2/C en relación a la ocurrencia de la coquización, y la coquización se produce en la región en la que la razón molar O2/C es menor que la indicada por esta frontera GL. Debe apreciarse que, si la temperatura del catalizador 4 de reformado disminuye, incluso aunque la razón molar O2/C alcanza un valor mayor, es decir, incluso si el grado de riqueza de la ratio aire-combustible disminuye, se deposita carbono C en el interior de los poros del sustrato del catalizador de reformado sin producirse oxidación y se produce la coquización. Por lo tanto, tal como se muestra en la FIG. 8A, la frontera GL de la razón molar O2/C para la que se produce la coquización se hace mayor cuanto menor sea la temperatura del catalizador 4 de reformado. Por lo tanto, para evitar que se produzca la coquización, la reacción de reformado con oxidación parcial, es decir, la operación de calentamiento secundario y la operación normal del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno, se lleva a cabo en la frontera GL de esta razón molar O2/C o bien en el lado superior de la frontera GL.
Por otro lado, en la FIG. 8A, la línea GU continua muestra el valor límite superior de la razón molar O2/C necesaria para evitar que la temperatura del catalizador 4 de reformado supere la temperatura TX de catalizador permitida en los momentos en los que se está llevando a cabo la operación de calentamiento secundario del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno, mientras que la línea GS continua muestra el valor límite superior de la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado necesaria para evitar que la temperatura del catalizador 4 de reformado supere la temperatura TX de catalizador permitida en los momentos en los que se está llevando a cabo la operación de calentamiento secundario del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno. Después de que se haya iniciado la operación de calentamiento secundario, la razón molar O2/C se lleva a un valor de 0,5. Si la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado alcanza la temperatura TB de equilibrio de reacción para una razón molar O2/C igual a 0,5, la operación cambia a la operación normal y el hidrógeno continúa siendo generado en el estado con la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado mantenida en un valor igual a la temperatura TB de equilibrio de reacción.
La FIG. 8B muestra un ejemplo de un control del calentamiento secundario hasta que se cambia a la operación normal. En el ejemplo mostrado en la FIG. 8B, tal como muestran las flechas, si la temperatura de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado alcanza un valor de 700°C, para promover el calentamiento secundario del catalizador 4 de reformado, la reacción de reformado con oxidación parcial se inicia con una razón molar O2/C igual a 0,56. A continuación, hasta que la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado alcanza un valor de 830°C, la reacción de reformado con oxidación parcial continúa con una razón molar O2/C igual a 0,56. A continuación, si la temperatura de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado alcanza un valor de 830°C, la razón molar O2/C se reduce hasta que la razón molar O2/C alcanza un valor de 0,5. A continuación, si la razón molar O2/C alcanza un valor de 0,5, la reacción de reformado en el catalizador 4 de reformado alcanza un estado de equilibrio. A continuación, la razón molar O2/C se mantiene en un valor de 0,5 y la operación cambia a una operación normal.
Ahora, cuando de este modo la reacción de reformado en el catalizador 4 de reformado alcanza un estado de equilibrio, si la temperatura TA del aire que se hace reaccionar con el combustible es elevada, tal como se explicó haciendo referencia a la FIG. 6, la temperatura TB de equilibrio de reacción aumenta. Como resultado de ello, la temperatura del catalizador 4 de reformado aumenta incluso por encima de la temperatura TX de catalizador permitida, por lo que el catalizador 4 de reformado se deteriora por el calor. Por lo tanto, en la realización de la presente invención, cuando la razón molar O2/C se mantiene en un valor de 0,5 y la reacción de reformado en el catalizador 4 de reformado alcanza un estado de equilibrio, la alimentación de aire a alta temperatura a través del conducto 13 de flujo de aire a alta temperatura hacia el interior de la cámara 3 de combustión se detiene y se alimenta aire a baja temperatura a través del conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura hacia el interior de la cámara 3 de combustión. En este momento, la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado se mantiene en un valor de 830°C y, por lo tanto, la temperatura del catalizador 4 de reformado se mantiene en un valor igual o menor que la temperatura TX de catalizador permitida. Por lo tanto, resulta posible evitar el deterioro del catalizador 4 de reformado debido al calor a la vez que se genera hidrógeno mediante la reacción de reformado con oxidación parcial.
Debe apreciarse que, cuando se está llevando a cabo la operación de calentamiento secundario en la región GG de operación mostrada en las FIGs. 8A y 8B, puesto que la reacción de reformado en el catalizador 4 de reformado no alcanza un estado de equilibrio, incluso si la temperatura TA del aire es elevada, la temperatura del catalizador 4 de reformado no aumentará tal como se muestra en la FIG. 6. Sin embargo, esta operación de calentamiento secundario se lleva a cabo en el estado en el que la temperatura del catalizador 4 de reformado es elevada, por lo que existe el peligro de que, por una u otra razón, la temperatura del catalizador 4 de reformado termine siendo superior a la temperatura TX de catalizador permitida. Por lo tanto, en la realización de la presente invención, para evitar que la temperatura del catalizador 4 de reformado alcance valores más elevados que la temperatura TX de catalizador permitida, al mismo tiempo que comienza el calentamiento secundario, se detiene la alimentación de aire a alta presión a través del conducto 13 de flujo de aire a alta temperatura hacia el interior de la cámara 3 de combustión y se alimenta aire a baja temperatura a través del conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura hacia
el interior de la cámara 3 de combustión. Es decir, tal como se muestra en la FIG. 7, se hace disminuir la temperatura del aire de alimentación. Después de esto, continúa la alimentación de aire a baja temperatura a través del conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura hacia el interior de la cámara 3 de combustión hasta que se completa la operación normal.
Tal como se explicó anteriormente, cuando la temperatura TA del aire que reacciona con el combustible es de 25°C, la temperatura TB de equilibrio de reacción cuando la razón molar O2/C tiene un valor de 0,5 adopta un valor de 830°C. Por lo tanto, en términos generales, cuando la temperatura del aire que reacciona con el combustible tiene un valor de TA °C, la temperatura TB de equilibrio de reacción cuando la razón molar O2/C es igual a 0,5 se convierte en (TA+805°C). Por lo tanto, en la realización de la presente invención, cuando la temperatura del aire que reacciona con el combustible es TA, cuando se inicia la operación de calentamiento secundario, la reacción de reformado con oxidación parcial continúa con una razón molar O2/C igual a 0,56 hasta que la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado alcanza un valor igual a (TA+805°C). A continuación, cuando la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado alcanza un valor igual a (TA+805°C), la razón molar O2/C se hace disminuir hasta que la razón molar O2/C alcanza un valor de 0,5. A continuación, si la razón molar O2/C alcanza un valor de 0,5, la razón molar O2/C se mantiene en un valor de 0,5.
Debe apreciarse que la temperatura TA mencionada más arriba del aire que reacciona con el combustible es la temperatura del aire que se utiliza para calcular la temperatura TB de equilibrio de reacción tal como se muestra en la FIG. 3 y la temperatura del aire no afectado por el calor de reacción de la combustión en el interior de la cámara 3 de combustión. Por ejemplo, el aire alimentado desde el puerto 11 de alimentación de aire o bien el aire en el interior de la cámara 10 de aire está afectado por el calor de reacción de la combustión y su temperatura se eleva mediante la absorción de energía del calor de reacción de la combustión. Por lo tanto, la temperatura de estos aires muestra la temperatura del aire que ya está en proceso de reacción, pero no es la temperatura del aire cuando se calcula la temperatura TB de equilibrio de reacción.
A este respecto, la temperatura TB de equilibrio de reacción debe ser calculada cuando se está llevando a cabo la reacción de reformado con oxidación parcial; es decir, cuando se está alimentando aire a baja temperatura a través del conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura hacia el interior de la cámara 3 de combustión. Por lo tanto, en la realización de la presente invención, para detectar la temperatura del aire no afectado por el calor de reacción de la combustión en el interior de la cámara 3 de combustión, el sensor 24 de temperatura está situado en el conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura posicionado en el exterior de material 6 de aislamiento térmico tal como se muestra en la FIG. 1. La temperatura detectada por este sensor 24 de temperatura se utiliza como la temperatura TA del aire cuando se calcula la temperatura TB de equilibrio de reacción.
Por otro lado, si se emite una instrucción de parada, se detiene la alimentación de combustible tal como se muestra en la FIG. 7. Si se detiene la alimentación combustible en este instante, el combustible que permanece en el interior del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno es el responsable de provocar la coquización del catalizador 4 de reformado. Por lo tanto, en la realización de la presente invención, para terminar de quemar el combustible que permanece en el dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno, se continúa alimentando aire durante un tiempo después de que se haya emitido la instrucción de parada tal como se muestra en la FIG. 7.
De esta manera, en la realización de la presente invención, para evitar que la temperatura del catalizador 4 de reformado alcance un valor mayor que la temperatura TX de catalizador permitida, en el mismo instante en el que se inicia la operación de calentamiento secundario, se detiene la alimentación de aire a alta temperatura a través del conducto 13 de flujo de aire a alta temperatura hacia el interior de la cámara 3 de combustión y se alimenta aire a baja temperatura a través del conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura hacia el interior de la cámara 3 de combustión. En otras palabras, en este instante, la ruta de flujo de aire para alimentar aire en el interior de la cámara 3 de combustión se conmuta desde la ruta de flujo de aire a alta temperatura para alimentar aire a alta temperatura a la ruta de flujo de aire a baja temperatura para alimentar aire a baja temperatura. Para permitir que la ruta de flujo de aire para alimentar aire hacia el interior de la cámara 3 de combustión conmute entre la ruta de flujo de aire a alta temperatura y la ruta de flujo de aire a baja temperatura de la manera descrita, en la realización de la presente invención, se proporciona un dispositivo de conmutación que comprende una válvula 16 de aire a alta temperatura y una válvula 17 de aire a baja temperatura. En este caso, en la realización de la presente invención, la ruta de flujo de aire desde el filtro 18 de aire a través del conducto 13 de flujo de aire a alta temperatura hasta el puerto 11 de alimentación de aire corresponde a la ruta de flujo de aire a alta temperatura, mientras que la ruta de flujo de aire desde el filtro 18 de aire a través del conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura hasta el puerto 11 de alimentación de aire corresponde a la ruta de flujo de aire de baja temperatura.
A continuación, se explicará la rutina de control de generación de calor e hidrógeno mostrada en las FIGs. de la 9 a la 11. Esta rutina de control de generación de calor e hidrógeno se lleva a cabo cuando se ha emitido una instrucción de inicio de control de generación de calor e hidrógeno en la parte 39 de generación de instrucciones mostrada en la FIG. 1. En este caso, por ejemplo, esta instrucción de inicio de control de generación de calor e hidrógeno se emite cuando se enciende (se pasa al estado ON) un interruptor de inicio del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno. Más aún, cuando el dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno se utiliza para calentar un catalizador de purificación de gases de escape de un vehículo, esta instrucción de inicio de control de generación de calor e hidrógeno se emite cuando se enciende (se conmuta al estado ON) el interruptor de ignición.
Si se ejecuta la rutina de control para la generación de calor e hidrógeno, en primer lugar, en el paso 100 de la FIG.
9, sobre la base de la señal de salida del sensor 22 de temperatura, se evalúa si la temperatura TD de la cara terminal del lado aguas arriba del catalizador 4 de reformado es una temperatura a la que puede llevarse a cabo una reacción de oxidación en la cara terminal del lado aguas arriba del catalizador 4 de reformado, como, por ejemplo, 300°C o más. Si la temperatura TD de la cara terminal del lado aguas arriba del catalizador 4 de reformado tiene un valor igual o inferior a 300°C, la rutina continúa hasta el paso 101 en el que se enciende la bujía 19 de calentamiento. A continuación, en el paso 102, se evalúa si ha transcurrido un periodo de tiempo fijado desde el momento en el que se encendió la bujía 19 de calentamiento. Cuando ha transcurrido el período de tiempo fijado, la rutina continúa hasta el paso 103.
En el paso 103, se acciona la bomba 15 de aire y se alimenta aire a la cámara 3 de combustión a través del conducto 13 de flujo de aire a alta temperatura. Debe apreciarse que, cuando se detiene la operación del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno, se abre la válvula 16 de aire a alta temperatura y se cierra la válvula 17 de aire a baja temperatura. Por lo tanto, cuando se hace funcionar el dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno, se alimenta aire a la cámara 3 de combustión a través del conducto 13 de flujo de aire a alta temperatura. A continuación, en el paso 104, la temperatura TG de la bujía 19 de calentamiento se calcula a partir del valor de la resistencia de la bujía 19 de calentamiento. A continuación, en el paso 105, se evalúa si la temperatura TG de la bujía 19 de calentamiento supera el valor de 700°C. Cuando se considera que la temperatura de la bujía 19 de calentamiento no supera los 700°C, la rutina vuelve al paso 103. En caso contrario, cuando se juzga que la temperatura TG de la bujía 19 de calentamiento supera los 700°C, se juzga que la ignición resulta posible y la rutina continúa al paso 106.
En el paso 106, se inyecta combustible desde el quemador 7 en la cámara 3 de combustión. A continuación, en el paso 107, se detecta la temperatura TD de la cara terminal del lado aguas arriba del catalizador 4 de reformado sobre la base de la señal de salida del sensor 22 de temperatura. A continuación, en el paso 108, sobre la base de la señal de salida del sensor 22 de temperatura, se evalúa si el combustible está en ignición. Si el combustible está en ignición, la temperatura TD de la cara terminal del lado aguas arriba del catalizador 4 de reformado aumenta de manera instantánea. Por lo tanto, es posible evaluar si el combustible está en ignición a partir de la señal de salida del sensor 22 de temperatura. Cuando en el paso 108 se juzga que el combustible no está en ignición, la rutina vuelve al paso 106, mientras que cuando en el paso 108 se juzga que el combustible está en ignición, la rutina continúa al paso 109 en el que se apaga la bujía 19 de calentamiento. A continuación, la rutina continúa al paso 110 de la FIG. 10. Debe apreciarse que, si el combustible está en ignición, la temperatura TD de la cara terminal del lado aguas arriba del catalizador 4 de reformado se convierte inmediatamente en una temperatura en la que puede llevarse a cabo la reacción de oxidación en la cara terminal del lado aguas arriba del catalizador 4 de reformado, por ejemplo, con un valor igual o superior a 300°C. Por otro lado, incluso cuando en el paso 100 se juzga que la temperatura TD de la cara terminal del lado aguas arriba del catalizador 4 de reformado tiene un valor igual o superior a 300°C, la rutina continúa al paso 110.
En el paso 110 y en el paso 111, se lleva a cabo la operación de calentamiento primario. Es decir, el régimen de descarga de la bomba 15 de aire se controla en el paso 110 y la cantidad de inyección de combustible en el quemador 7 se controla en el paso 111 de tal manera que la razón molar O2/C toma un valor de 3,0. Debe apreciarse que, en la realización de la presente invención, cuando se lleva a cabo esta operación de calentamiento primario, la cantidad de aire alimentado y la cantidad de combustible inyectado aumentan por fases tal como se muestra en la FIG. 7. A continuación, en el paso 112, sobre la base de la señal de salida del sensor 23 de temperatura, se evalúa si la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado supera el valor de 700°C. Cuando se juzga que la temperatura TC en la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado no supera el valor de 700°C, la rutina vuelve al paso 110 donde la operación de calentamiento primario continúa llevándose a cabo. En el caso contrario, cuando se juzga que la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado supera el valor de 700°C, la rutina continúa al paso 113 en el que se inicia la reacción de reformado con oxidación parcial. Es decir, se inicia la operación de calentamiento secundario.
Si se inicia la reacción de reformado con oxidación parcial, es decir, si se inicia la operación de calentamiento secundario, en el paso 113, se abre la válvula 17 de aire a baja temperatura y se cierra la válvula 16 de aire a alta temperatura. Por lo tanto, en este instante, el aire se alimenta a través del conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura a la cámara 3 de combustión. A continuación, en el paso 115, se alcanza el valor demandado de la cantidad de calor de salida (kW). Por ejemplo, cuando el dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno se utiliza para calentar un catalizador de purificación de gases de escape de un vehículo, el valor demandado de esta cantidad de calor de salida se convierte en la cantidad de calor requerido para elevar la temperatura del catalizador de purificación de gases de escape hasta la temperatura de activación. A continuación, en el paso 116, se calcula la cantidad de inyección de combustible requerida para generar el valor demandado de la cantidad de calor de salida (kW).
A continuación, en el paso 117, se inyecta combustible en una cantidad de inyección calculada en el paso 116 y se controla el régimen de descarga de la bomba 15 de aire de tal manera que la razón molar O2/C alcanza un valor de 0,56. En este momento, se lleva a cabo la reacción de reformado con oxidación parcial y se genera hidrógeno. A continuación, en el paso 118, se evalúa si la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador
4 de reformado alcanza un valor igual a la suma (TA+8052C) de la temperatura TA del aire detectada por el sensor 24 de temperatura y 805°C. tal como se explicó anteriormente, esta temperatura (TA+805°C) muestra la temperatura TB de equilibrio de reacción cuando la temperatura del aire tiene un valor de TA °C y la reacción de reformado con oxidación parcial se lleva a cabo con una razón molar O2/C igual a 0,5. Por lo tanto, en el paso 118, se evalúa si la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado alcanza la temperatura (TA+805°C) de equilibrio de reacción.
Cuando se juzga que la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado no alcanza la temperatura (TA+805°C) de equilibrio de reacción, la rutina vuelve al paso 117 en el que el régimen de descarga de la bomba 15 de aire continúa siendo controlada para que la razón molar O2/C tenga un valor igual a 0,56. En caso contrario, cuando en el paso 118 se juzga que la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado alcanza la temperatura (TA+805°C) de equilibrio de reacción, la rutina continúa al paso 119 en el que el régimen de descarga de la bomba 15 de aire se mantiene constante y la cantidad de inyección de combustible aumenta de manera gradual. Como resultado de ello, la razón molar O2/C disminuye de manera gradual. A continuación, en el paso 120, se evalúa si la razón molar O2/C tiene un valor de 0,5. Cuando se juzga que la razón molar O2/C no tiene un valor de 0,5, la rutina vuelve al paso 119. En el caso contrario, cuando en el paso 120 se juzga que la razón molar O2/C ha alcanzado un valor de 0,5, se considera que el calentamiento secundario se ha completado. Cuando se considera que el calentamiento secundario se ha completado, la rutina continúa al paso 121 de la FIG. 11 en el que se lleva a cabo una operación normal.
En la realización de la presente invención, pueden seleccionarse como los modos de operación en los momentos en los que se está llevando a cabo la operación normal un modo de operación de generación de calor e hidrógeno y un modo de operación de generación de calor; es decir, pueden seleccionarse dos modos de funcionamiento. El modo de operación de generación de calor e hidrógeno es un modo de operación que lleva a cabo la reacción de reformado por oxidación parcial con una razón molar O2/C igual a 0,5. En este modo de operación de generación de calor e hidrógeno, se generan calor e hidrógeno. Por otro lado, el modo de operación de generación de calor es un modo de operación que lleva a cabo la reacción de oxidación completa con una razón molar O2/C, por ejemplo, igual a 2,6. En este modo de operación de generación de calor, no se genera hidrógeno. Solo se genera calor. Estos modos de operación de generación de calor e hidrógeno y de generación de calor se utilizan de manera selectiva de acuerdo con las necesidades.
Ahora, volviendo de nuevo a la FIG. 11, en el paso 121, se evalúa si el modo es el modo de operación de generación de calor e hidrógeno. Cuando en el paso 121 se juzga que el modo es el modo de operación de generación de calor e hidrógeno, la rutina continúa al paso 122 en el que se lleva a cabo la reacción de reformado con oxidación parcial con una razón molar O2/C igual a 0,5. En este momento, se generan calor e hidrógeno. A continuación, la rutina continúa al paso 124. Por otro lado, cuando en el paso 121 se juzga que el modo no es el modo de operación de generación de calor e hidrógeno, es decir, cuando se juzga que el modo es el modo de operación de generación de calor, la rutina continúa al paso 123 en el que se lleva a cabo la reacción de oxidación completa con una razón molar O2/C igual a 2,6. En este momento, sólo se genera calor. A continuación, la rutina continúa al paso 124.
En el paso 124, se evalúa si se ha enviado una instrucción para la detención de operación en el dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno. La instrucción para detener la operación en el dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno es enviada por la parte 39 de generación de instrucciones mostrada en la FIG. 1. Cuando la instrucción para detener la operación del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno no se ha enviado, la rutina vuelve al paso 121. En el caso contrario, cuando en el paso 124 se juzga que la instrucción para detener la operación del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno se ha enviado, la rutina continúa al paso 125 en el que se detiene la inyección de combustible en el quemador 7. A continuación, en el paso 126, para reemplazar el combustible restante con aire, se alimenta una pequeña cantidad de aire por parte de la bomba 15 de aire. A continuación, en el paso 127, se evalúa si ha transcurrido un período de tiempo fijado. Cuando se juzga que no ha transcurrido el periodo de tiempo fijado, la rutina vuelve al paso 126.
En el caso contrario, cuando en el paso 127 se juzga que ha transcurrido el período de tiempo fijado, la rutina continúa al paso 128 en el que se detiene la operación de la bomba 15 de aire y se detiene la alimentación de aire al interior de la cámara 3 de combustión. A continuación, en el paso 129, se cierra la válvula 17 de aire a baja temperatura y se abre la válvula 16 de aire a alta temperatura. A continuación, mientras se detiene la operación del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno, la válvula 17 de aire a baja temperatura continúa cerrada y la válvula 16 de aire a alta temperatura continúa abierta.
A continuación, haciendo referencia a la FIG. 12, se explicará una rutina de control para restringir la elevación de la temperatura del catalizador. Esta rutina se ejecuta por interrupción en cada intervalo de tiempo prefijado. Haciendo referencia a la FIG. 12, en primer lugar, en el paso 200, se lee la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado detectada por el sensor 23 de temperatura. A continuación, en el paso 201, se evalúa si la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado supera la temperatura TX de catalizador permitida. Cuando se juzga que la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado no supera el valor de la temperatura TX de catalizador permitida, termina el ciclo de procesamiento.
En el caso contrario, cuando en el paso 201 se juzga que la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado supera el valor de la temperatura TX de catalizador permitida, la rutina continúa al paso 202 en el que se abre la válvula 17 de aire a baja temperatura. A continuación, en el paso 203, se cierra la válvula 16 de aire a alta temperatura. A continuación, se termina el ciclo de procesamiento. Es decir, durante la operación del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno, cuando la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado supera el valor de la temperatura TX de catalizador permitida, la ruta del flujo de aire para alimentar aire en la cámara 3 de combustión se conmuta desde la ruta de flujo de aire a alta temperatura para alimentar aire a alta temperatura a la ruta de flujo de aire a baja temperatura para alimentar aire a baja temperatura, y se hace disminuir la temperatura del aire alimentado hacia el interior de la cámara 3 de combustión que se utiliza en la combustión.
Ahora, tal como se explicó anteriormente, en los momentos en los que se está llevando a cabo la operación de calentamiento primario, se queman el combustible alimentado desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión y el aire alimentado desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión por parte del quemador con una ratio aire-combustible pobre. A continuación, si se conmuta desde la operación de calentamiento primario a la operación de calentamiento secundario, se detiene inmediatamente la alimentación de aire a alta temperatura a través del conducto 13 de flujo de aire a alta temperatura a la cámara 3 de combustión y se alimenta aire a baja temperatura a través del conducto 14 de flujo de aire a baja temperatura a la cámara 3 de combustión. En otras palabras, si se conmuta desde la operación de calentamiento primario a la operación de calentamiento secundario, inmediatamente, la ruta de flujo de aire para alimentar aire desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión se conmuta desde la ruta de flujo de aire a alta temperatura para alimentar aire a alta temperatura a la ruta de flujo de aire a baja temperatura para alimentar aire a baja temperatura.
Es decir, cuando se conmuta desde la operación de calentamiento primario a la operación de calentamiento secundario, si se continúa alimentando aire a alta temperatura a través del conducto 13 de flujo de aire a alta temperatura hacia el interior de la cámara 3 de combustión, se predice que antes o después la temperatura del catalizador 4 de reformado va a superar el valor de la temperatura TX de catalizador permitida. Por lo tanto, en la realización de la presente invención, tal como se muestra en la FIG. 7, cuando se conmuta desde la operación de calentamiento primario a la operación de calentamiento secundario, es decir, cuando se predice que la temperatura del catalizador 4 de reformado va a superar el valor de la temperatura TX de catalizador permitida, se conmuta la ruta de flujo de aire para alimentar aire hacia el interior de la cámara 3 de combustión desde la ruta de flujo de aire a alta temperatura para alimentar aire a alta temperatura a la ruta de flujo de aire a baja temperatura para alimentar aire a baja temperatura, y se hace disminuir la temperatura del aire alimentado hacia el interior de la cámara 3 de combustión para conseguir la combustión.
Por otro lado, en la realización de la presente invención, tal como se lleva a cabo en la rutina de control para restringir la elevación de la temperatura del catalizador mostrada en la FIG. 12, cuando la temperatura TC de la cara terminal del lado aguas abajo del catalizador 4 de reformado supera realmente el valor de la temperatura TX de catalizador permitida durante la operación del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno, la ruta de flujo de aire para alimentar aire desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión se conmuta desde la ruta de flujo de aire a alta temperatura para alimentar aire a alta temperatura a la ruta de flujo de aire de baja temperatura para alimentar aire a baja temperatura, y se hace descender la temperatura del aire alimentado desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión. Por lo tanto, se evita que la temperatura del catalizador 4 de reformado se eleve de manera excesiva y, por lo tanto, se evita que el catalizador 4 de reformado se deteriore debido al calor.
Es decir, en la presente invención, se proporciona un dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno que comprende una cámara 3 de combustión, un quemador 7 situado en la cámara 3 de combustión para llevar a cabo la combustión, un dispositivo de alimentación de combustible capaz de controlar una cantidad de alimentación de combustible alimentado desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión, un dispositivo de alimentación de aire capaz de controlar la temperatura y cantidad de alimentación del aire alimentado desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión, un dispositivo 19 de ignición para provocar la ignición del combustible, un catalizador 4 de reformado al que se alimenta gas de combustión, y una unidad 30 de control electrónico. El dispositivo de alimentación de aire está dotado de una parte 13a de intercambio de calor para calentar el aire alimentado desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión con el gas de combustión, y se generan calor e hidrógeno llevando a cabo la combustión. Una temperatura TX de catalizador permitida que evita el deterioro por calor del catalizador 4 de reformado se establece de manera anticipada, y la unidad 30 de control electrónico controla el dispositivo de alimentación de aire para disminuir la temperatura del aire alimentado desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión para mantener la temperatura del catalizador 4 de reformado por debajo del valor de la temperatura TX de catalizador permitida cuando la combustión se está llevando a cabo y cuando la temperatura del catalizador 4 de reformado supera el valor de la temperatura TX de catalizador permitida o si se predice que la temperatura del catalizador 4 de reformado va a superar el valor de la temperatura TX de catalizador permitida.
En este caso, en la realización de la presente invención, la unidad 30 de control electrónico hace disminuir la temperatura del aire alimentado desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión, deteniendo la alimentación del aire calentado en la parte 13a de intercambio de calor hacia el interior de la cámara 3 de
combustión y alimentando aire a una temperatura inferior que la del aire calentado en la parte 13a de intercambio de calor desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión. Explicado con un poco más de detalle, en la realización de la presente invención, se proporciona un dispositivo de conmutación para conmutar una ruta de flujo de aire para alimentar aire desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión entre una ruta de flujo de aire a alta temperatura para alimentar aire calentado en la parte 13a de intercambio de calor y una ruta de flujo de aire a baja temperatura para alimentar aire con una temperatura más baja que la del aire calentado en la parte 13a de intercambio de calor. La unidad 30 de control electrónico conmuta la ruta de flujo de aire para alimentar aire desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión desde la ruta de flujo de aire a alta temperatura a la ruta de flujo de aire a baja temperatura para hacer disminuir la temperatura del aire alimentado desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión.
A este respecto, para evitar el deterioro por calor del catalizador 4 de reformado, resulta suficiente con proporcionar solamente la ruta de flujo de aire a baja temperatura con el fin de alimentar aire a baja temperatura desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión. Sin embargo, cuando se está calentando el catalizador 4 de reformado en la operación de calentamiento primario, para promover el calentamiento del catalizador 4 de reformado, resulta preferible alimentar aire a alta temperatura desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión. Por lo tanto, en la realización de la presente invención, la ruta de flujo de aire a alta temperatura se proporciona para alimentar aire calentado en la parte 13a de intercambio de calor desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión.
Por otro lado, en la realización de la presente invención, cuando el dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno inicia su operación, la unidad 30 de control electrónico lleva a cabo una operación de calentamiento primario en la que la temperatura del catalizador 4 de reformado se hace crecer mediante la combustión con una ratio airecombustible pobre, y a continuación se lleva a cabo una operación de calentamiento secundario en la que la temperatura del catalizador 4 de reformado se hace crecer y se genera hidrógeno en el catalizador 4 de reformado mediante la combustión con una ratio aire-combustible rica. Debe apreciarse que, en este caso, la unidad 30 de control electrónico predice que la temperatura del catalizador 4 de reformado va a superar el valor de la temperatura TX de catalizador permitida cuando la operación de calentamiento primario se conmuta a la operación de calentamiento secundario y de ese modo hace disminuir la temperatura del aire utilizado en la combustión alimentado desde el quemador 7 hacia el interior de la cámara 3 de combustión.
Más aún, en la realización de la presente invención, en los momentos en los que se está llevando a cabo la operación de calentamiento primario, la razón molar O2/C del aire y el combustible que reaccionan adopta un valor desde 2,0 hasta 4,0, mientras que en los momentos en los que se está llevando a cabo la operación de calentamiento secundario, la razón molar O2/C del aire y el combustible que reaccionan adopta un valor desde 0,5 hasta 0,56. Más aún, en la realización de la presente invención, la unidad 30 de control electrónico conmuta a la operación de calentamiento secundario si la temperatura del catalizador de reformado supera una temperatura predeterminada, como, por ejemplo, 700°C, cuando se está llevando a cabo la operación de calentamiento primario.
Por otro lado, en los momentos en los que se está llevando a cabo la operación de calentamiento primario, si la temperatura del aire que sale de la parte 13a de intercambio de calor aumenta, existe el peligro de que la temperatura del catalizador 4 de reformado supere el valor de la temperatura TX de catalizador permitida. Por lo tanto, el dispositivo de generación de calor e hidrógeno puede configurarse de tal manera que si la temperatura del aire que sale de la parte 13a de intercambio de calor supera una temperatura predeterminada cuando se está llevando a cabo la operación de calentamiento primario, la operación de calentando primario se conmuta a la operación de calentamiento secundario. En este caso, se proporciona un sensor de temperatura para detectar la temperatura del aire que sale de la parte 13a de intercambio de calor en el puerto de salida de aire de la parte 13a de intercambio de calor, y la unidad 30 de control electrónico juzga si la temperatura del aire detectada por este sensor de temperatura supera el valor de una temperatura predeterminada, y conmuta desde la operación de calentamiento primario a la operación de calentamiento secundario cuando se considera que la temperatura del aire detectada por este sensor de temperatura supera el valor de la temperatura predeterminada.
Por otro lado, cuando el dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno está siendo operado normalmente, algunas veces se demanda que el dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno genere solamente calor y algunas veces se demanda que el dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno genere calor e hidrógeno. Por lo tanto, en la realización de la presente invención, tal como se muestra en los pasos 121 a 123 de la FIG. 11, la unidad 30 de control electrónico se utiliza para conmutar el modo de operación del dispositivo 1 de generación de calor e hidrógeno bien a un modo de operación de generación de calor que genera calor mediante la reacción de oxidación completa con una ratio aire-combustible pobre, o bien a un modo de operación de generación de calor e hidrógeno que genera calor e hidrógeno mediante la reacción de reformado con oxidación parcial con una ratio airecombustible rica.
Lista de signos de referencia
I. dispositivo de generación de calor e hidrógeno 3. cámara de combustión
4. catalizador de reformado
5. cámara de descarga de gas
7. quemador
9. puerto de inyección de combustible
I I . puerto de alimentación de aire
13. conducto de flujo de aire a alta temperatura 13a. parte de intercambio de calor
14. conducto de flujo de aire a baja temperatura 15. bomba de aire
16. válvula de aire a alta temperatura
17. válvula de aire a baja temperatura
19. bujía de calentamiento
22, 23, 24. sensor de temperatura
Claims (10)
- REIVINDICACIONES1 Un dispositivo de generación de calor e hidrógeno que comprende una cámara (3) de combustión, un quemador (7) situado en la cámara (3) de combustión para llevar a cabo la combustión, un dispositivo de alimentación de combustible capaz de controlar una cantidad de alimentación de combustible alimentado desde el quemador (7) hacia el interior de la cámara (3) de combustión, un dispositivo de alimentación de aire capaz de controlar una temperatura y una cantidad de alimentación de aire alimentado desde el quemador (7) hacia el interior de la cámara (3) de combustión, un dispositivo (19) de ignición para provocar la ignición del combustible, un catalizador (4) de reformado al cual se alimenta gas de combustión, y una unidad (30) de control electrónico, en donde el mencionado dispositivo de alimentación de aire está dotado de una parte (13a) de intercambio de calor para calentar el aire alimentado a través de una ruta de flujo de aire a alta temperatura desde el quemador (7) hacia el interior de la cámara (3) de combustión con el gas de combustión, en donde el dispositivo de generación de calor e hidrógeno está configurado para generar calor e hidrógeno llevando a cabo la combustión en el quemador, en donde se establece de manera anticipada una temperatura de catalizador permitida que evita el deterioro por calor del mencionado catalizador (4) de reformado, y en donde la mencionada unidad (30) de control electrónico está configurada para controlar el mencionado dispositivo de alimentación de aire para hacer disminuir la temperatura del aire que se alimenta desde el mencionado quemador (7) hacia el interior de la cámara (3) de combustión para mantener la temperatura del catalizador (4) de reformado en un valor por debajo de la temperatura (TX) de catalizador permitida cuando la combustión en el quemador se está llevando a cabo y cuando la temperatura (TC) de dicho catalizador (4) de reformado supera el valor de la mencionada temperatura (TX) de catalizador permitida o si se predice que la temperatura del mencionado catalizador (4) de reformado va a superar el valor de la mencionada temperatura (TX) de catalizador permitida, en donde la temperatura del catalizador de reformado es susceptible de ser detectada por un sensor (23) de temperatura y en donde la unidad (30) de control electrónico está configurada para mantener la temperatura del catalizador de reformado por debajo del valor de la temperatura (TX) de catalizador permitida mediante la conmutación de la ruta del flujo de aire de alimentación de aire desde el mencionado quemador (7) hacia el interior de la mencionada cámara (3) de combustión, mediante un dispositivo de conmutación que conmuta entre la ruta de flujo de aire a alta temperatura y una ruta de flujo de aire a baja temperatura mediante la apertura de una válvula (17) de aire a baja temperatura y el cierre de una válvula (16) de aire a alta temperatura.
- 2. - El dispositivo de generación de calor e hidrógeno tal como se reivindica en la reivindicación 1, en donde la mencionada unidad (30) de control electrónico está configurada para hacer disminuir la temperatura del aire alimentado desde el mencionado quemador (7) hacia el interior de la cámara (3) de combustión deteniendo la alimentación de aire calentado en la mencionada parte (13a) de intercambio de calor hacia el interior de la cámara (3) de combustión y alimentando aire a una temperatura inferior que la del aire calentado en dicha parte (13a) de intercambio de calor desde el mencionado quemador (7) hacia el interior de la mencionada cámara (3) de combustión.
- 3. - El dispositivo de generación de calor e hidrógeno tal como se reivindica en la reivindicación 2, en donde dicho dispositivo (1) de generación de calor e hidrógeno comprende adicionalmente un dispositivo de conmutación para conmutar una ruta de flujo de aire para alimentar aire desde el mencionado quemador (7) hacia el interior de la mencionada cámara (3) de combustión entre la ruta de flujo de aire a alta temperatura para alimentar aire calentado en la mencionada parte (13a) de intercambio de calor y la ruta de flujo de aire a baja temperatura para alimentar aire con una temperatura inferior que la del aire calentado en la mencionada parte (13a) de intercambio de calor, y en donde la mencionada unidad (30) de control electrónico está configurada para conmutar la ruta de flujo de aire para alimentar aire desde el mencionado quemador (7) hacia el interior de la mencionada cámara (3) de combustión desde la mencionada ruta de flujo de aire a alta temperatura a la mencionada ruta de flujo de aire a baja temperatura cuando se hace disminuir la temperatura del aire alimentado hacia el interior de la mencionada cámara (3) de combustión.
- 4. - El dispositivo de generación de calor e hidrógeno tal como se reivindica en la reivindicación 1, en donde cuando comienza la operación del dispositivo (1) de generación de calor e hidrógeno, la mencionada unidad (30) de control electrónico está configurada para llevar a cabo una operación de calentamiento primario en la que se hace aumentar la temperatura del catalizador (4) de reformado mediante la combustión con una ratio aire-combustible pobre, y para llevar a cabo a continuación una operación de calentamiento secundario en la que se hace aumentar la temperatura del catalizador (4) de reformado y se genera hidrógeno en el catalizador (4) de reformado mediante la combustión con una ratio aire-combustible rica.
- 5. - El dispositivo de generación de calor e hidrógeno tal como se reivindica en la reivindicación 4, en donde la mencionada unidad (30) de control electrónico está configurada para predecir que la temperatura del catalizador (4) de reformado va a superar el valor de la mencionada temperatura (TX) de catalizador permitida cuando la operación de calentamiento primario se conmuta a la operación de calentamiento secundario y por lo tanto la mencionada unidad (30) de control electrónico está configurada para hacer disminuir la temperatura del aire alimentado desde el mencionado quemador (7) hacia el interior de la mencionada cámara (3) de combustión.
- 6. - El dispositivo de generación de calor e hidrógeno tal como se reivindica en la reivindicación 4, en donde en los momentos en los que se está llevando a cabo la mencionada operación de calentamiento primario la razón molar O2/C del aire y el combustible que reaccionan adopta un valor desde 2,0 hasta 4,0.
- 7.- El dispositivo de generación de calor e hidrógeno tal como se reivindica en la reivindicación 4, en donde en los momentos en los que se está llevando a cabo la mencionada operación de calentamiento secundario la razón molar O2/C del aire y el combustible que reaccionan adopta un valor desde 0,5 hasta 0,56.
- 8.- El dispositivo de generación de calor e hidrógeno tal como se reivindica en la reivindicación 4, en donde la mencionada unidad (30) de control electrónico está configurada para conmutar a la mencionada operación de calentamiento secundario si la temperatura del mencionado catalizador (4) de reformado supera el valor de una temperatura predeterminada cuando se está llevando a cabo la mencionada operación de calentamiento primario.
- 9. - El dispositivo de generación de calor e hidrógeno tal como se reivindica en la reivindicación 4, en donde la mencionada unidad (30) de control electrónico está configurada para conmutar a la mencionada operación de calentamiento secundario si la temperatura del aire que sale de la parte (13a) de intercambio de calor supera el valor de una temperatura predeterminada cuando se está llevando a cabo la mencionada operación de calentamiento primario.
- 10. - El dispositivo de generación de calor e hidrógeno tal como se reivindica en la reivindicación 1, en donde la mencionada unidad (30) de control electrónico está configurada para conmutar un modo de operación del dispositivo (1) de generación de calor e hidrógeno bien a un modo de operación de generación de calor que genera calor mediante la reacción de oxidación completa con una ratio aire-combustible pobre, o bien a un modo de operación de generación de calor e hidrógeno que genera calor e hidrógeno mediante la reacción de reformado con oxidación parcial con una ratio aire-combustible rica.
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