ES2962359T3 - Proceso y aparato para la producción de hidrógeno comprimido - Google Patents

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Abstract

La presente invención proporciona un proceso y un aparato para la producción de gas hidrógeno comprimido a partir de una corriente de entrada que comprende metano gaseoso. El aparato comprende una pila de combustible de óxido sólido (1) y un dispositivo electroquímico (2) capaz de extraer hidrógeno gaseoso y comprimirlo. La pila de combustible de óxido sólido es capaz de reformar la corriente de entrada que comprende metano gaseoso (6) para producir una mezcla de productos que comprende hidrógeno. Al menos una porción de la mezcla de productos que comprende hidrógeno se suministra (10) al dispositivo electroquímico para producir una corriente de hidrógeno comprimido (11). Al menos una porción de la mezcla de productos que comprende hidrógeno es consumida por la celda de combustible de óxido sólido para producir electricidad de corriente continua para alimentar al menos parcialmente el dispositivo electroquímico y, opcionalmente, un aparato de electrólisis (12), para la producción adicional de hidrógeno. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Proceso y aparato para la producción de hidrógeno comprimido
Campo de la invención
Esta invención se refiere a un proceso y a un aparato para la producción de hidrógeno comprimido.
Antecedentes de la invención
En los últimos años, el interés en el desarrollo y uso de vehículos alimentados con hidrógeno como medio para reducir, en su punto de uso, contaminantes y gases de efecto invernadero ha ganado un impulso.
Los vehículos alimentados con hidrógeno utilizan celdas de combustible de hidrógeno, que convierten la energía química almacenada en el enlace H-H del gas hidrógeno en energía eléctrica. A continuación, la energía eléctrica se suministra a un motor eléctrico, que impulsa el vehículo.
Aunque la tecnología que sustenta las células de combustible de hidrógeno ha tenido un número de décadas de desarrollo de manera que los modelos operativos se producen e instalan en vehículos alimentados con hidrógeno, el crecimiento en el uso de tales vehículos se mantiene de nuevo por la falta de una infraestructura de suministro de hidrógeno y/o la falta de redes de distribución de hidrógeno.
Por ejemplo, en 2015, solo había 18 estaciones de repostaje de hidrógeno públicas en Alemania. Aunque se espera que esta cifra aumente hasta aproximadamente 400 en los próximos 5 a 10 años como resultado del “ proyecto de movilidad con hidrógeno” que se está desarrollando actualmente, todavía quedan desafíos sustanciales, especialmente con respecto a, por ejemplo, (i) la disponibilidad de los medios de mover hidrógeno desde su sitio de producción hasta los sitios de usuario final (por ejemplo, estaciones de repostaje), (ii) la demanda de energía asociada con la compresión del gas hidrógeno, (iii) el comportamiento del gas hidrógeno comprimido durante el repostaje, así como (iv) la precisión de dosificación durante el suministro de gas hidrógeno.
La causa raíz de muchos de estos desafíos es las propiedades físicas inherentes del hidrógeno, el elemento más ligero. Con respecto a estos, con fines ilustrativos y sin estar ligado a ninguna teoría en particular, el bajo contenido de energía del hidrógeno por unidad de masa (en comparación con la gasolina, por ejemplo) requiere que se suministre a los vehículos a alta presión, sin embargo, los cambios de presión resultantes que luego se observan durante el repostaje del vehículo provocan que el hidrógeno y, finalmente, el tanque de combustible del vehículo receptor, se caliente hasta temperaturas inaceptables. Esto se debe al efecto de las propiedades termodinámicas del hidrógeno, en primer lugar, durante los fenómenos de “ estrangulación” (es decir, la expansión del gas hidrógeno a alta presión a medida que entra, a través de una abertura, en el entorno de baja presión del depósito de combustible); y en segundo lugar debido a la compresión del hidrógeno suministrado durante su acumulación en el depósito de combustible.
Además, a diferencia de la electricidad o el gas natural, no existe una red de distribución y suministro a gran escala en todos los sitios del mundo para transportar hidrógeno desde un sitio de producción de alta capacidad a las estaciones de repostaje, o a otros usuarios finales. Además, debido a su baja densidad, incluso a presiones elevadas, la distribución de hidrógeno en camiones es costosa y consume mucha energía. Una forma de abordar este problema de distribución es producir el hidrógeno requerido en el sitio en cada estación de repostaje. Dicha producción de hidrógeno en el sitio puede llevarse a cabo, por ejemplo, mediante electrólisis de agua usando electricidad, o mediante reformado con vapor de metano u otros hidrocarburos.
La ventaja principal de la electrólisis es su capacidad para producir gas hidrógeno de alta pureza. Tiene las ventajas adicionales de que el hardware necesario y el suministro de agua y electricidad están fácilmente disponibles. Sin embargo, el proceso puede ser más lento que otros métodos de producción de hidrógeno, y requiere mucha energía, requiriendo aproximadamente 52 kWh/kg de H<2>de electricidad.
Además, para el repostaje de los vehículos, se requiere que el hidrógeno esté a una presión de alrededor de 70 MPa para vehículos ligeros y alrededor de 35 MPa para autobuses. Esto se establece, por ejemplo, en el protocolo J2601 2014 de la Sociedad de Ingenieros de Automoción (SAE). Esto significa que el hidrógeno producido por la electrólisis necesita comprimirse mecánicamente. Debido al bajo peso molecular y a las propiedades físicas inherentes, la compresión mecánica es una parte adicional que requiere energía del proceso general.
Por lo tanto, a menos que la producción de hidrógeno mediante electrólisis pueda llevarse a cabo de manera más eficiente desde el punto de vista energético, la electrólisis puede ser una forma costosa de producir hidrógeno por unidad de masa.
El reformado con vapor de metano, gas natural u otros hidrocarburos es otro método disponible para la producción de hidrógeno. Puede tener un alto coste de capital, pero puede producir volúmenes más altos de hidrógeno relativamente rápido, y la producción de hidrógeno puede ser más económica que por electrólisis debido a un menor coste de materia prima. Mientras que los grandes reformadores de vapor central funcionan a presión elevada, los reformadores de vapor en el sitio más pequeños típicamente producen hidrógeno por debajo de 0,8 MPa, por lo que nuevamente se necesita la compresión mecánica, y esto es una parte que requiere energía del proceso.
El coste total de la energía de la producción de hidrógeno para la propulsión vehicular debe considerarse cuidadosamente, ya que no tendría sentido producir el hidrógeno requerido a un coste de energía que exceda el estado de coste de energía de uso de, por ejemplo, la gasolina para propulsión vehicular. Si bien se puede ahorrar algo de energía a través de plantas de producción de hidrógeno de alto volumen (en el caso del reformado con vapor industrial), si es necesario la producción de hidrógeno en el sitio, en ausencia de redes de distribución y suministro de hidrógeno, la producción de hidrógeno a menor escala también necesita beneficiarse del ahorro de energía.
Un componente que se ha introducido para lograr cierto ahorro de energía en la producción de hidrógeno a menor escala es la celda de combustible. Un tipo de celda de combustible utiliza hidrógeno para producir electricidad. Combinar un componente que consume hidrógeno con un proceso de producción de hidrógeno puede parecer contrario a la intuición, pero la electricidad y/o el calor producido por la celda de combustible se pueden suministrar a un aparato de electrólisis o a un aparato de compresión.
Por ejemplo, el documento US20060068248 describe un sistema electroquímico para la conversión directa de combustible carbonoso en energía eléctrica y/o hidrógeno puro, que comprende al menos dos conjuntos de celdas de combustible de óxido sólido en comunicación entre sí, y con un compresor, que a su vez comprime el hidrógeno producido por el sistema. Aunque el documento US20060068248 establece que dicho compresor puede ser “ cualquier compresor estándar en la técnica” , los ejemplos que allí se dan limitan esto a unidades electromecánicas de múltiples etapas y sistemas termoquímicos de hidruro.
El documento US20080057359A1 describe un sistema de celda de combustible flexible que está configurado para manejar múltiples combustibles.
El documento US20100266923A1 describe el funcionamiento de los sistemas de celdas de combustible que incluyen bombas de hidrógeno electroquímicas.
El documento US20080292921A1 describe un método para inhibir la degradación inicio-parada y humidificar un combustible de hidrógeno en un conjunto de celda de combustible.
El documento US20040013923A1 describe sistemas de celdas electroquímicas y el almacenamiento y recuperación de energía de una fuente de energía renovable.
Además, el documento US7482078 describe un sistema electroquímico a alta temperatura, tal como un sistema de celda de combustible de óxido sólido, que genera hidrógeno y opcionalmente electricidad en un modo de celda de combustible. Al menos una parte del hidrógeno generado se separa y almacena o proporciona a un dispositivo de hidrógeno. Un sistema de celda de combustible regenerativo de óxido sólido almacena dióxido de carbono en un modo de celda de combustible. El sistema genera un combustible de metano en un modo de electrólisis a partir del dióxido de carbono almacenado y agua mediante el uso de un subsistema Sabatier. Como alternativa, el sistema genera un combustible de hidrógeno en un modo de electrólisis a partir de agua sola. El sistema de la primera realización preferida descrita en el documento genera una corriente de escape rica en hidrógeno usando reacciones de reformado que se producen dentro del apilamiento de celdas de combustible y/o en una unidad de reformado en integración térmica con la pila de celdas de combustible. La patente describe además que, si se desea, se puede generar una pequeña cantidad de energía y usarse internamente dentro del sistema, tal como para mantener el sistema a la temperatura de funcionamiento y a los componentes del sistema de alimentación además de otras cargas parásitas en el sistema.
En el proceso o los sistemas del documento US7482078, aunque la electricidad producida por la celda de combustible se usa para la etapa de electrólisis, o el calor de la celda de combustible se usa para la etapa de reformado, no se ha intentado abordar la etapa de compresión de hidrógeno que consume mucha energía, lo que sería necesario si dichos sistemas se van a utilizar como sistemas de producción de hidrógeno en el sitio en las estaciones de repostaje de hidrógeno.
Por lo tanto, los inventores han tratado de abordar la integración energética en el proceso para la producción de hidrógeno comprimido, de modo que se pueda producir hidrógeno de alta pureza y alta presión adecuado para repostar vehículos que utilizan hidrógeno con una mayor eficiencia energética.
Resumen de la invención
Por consiguiente, la presente invención proporciona un proceso para la producción de gas hidrógeno comprimido a partir de una corriente de alimentación que comprende metano según la reivindicación 1.
La presente invención también proporciona un aparato para la producción de hidrógeno comprimido según la reivindicación 2.
El inventor de la presente invención ha descubierto sorprendentemente que las pérdidas de energía e ineficiencias observadas durante la producción de hidrógeno a alta presión por reformado y/o por electrólisis pueden minimizarse en primer lugar mediante la integración de la reacción de reformado dentro de la celda de combustible, en segundo lugar integrando en el sistema un dispositivo electroquímico que combina la purificación de hidrógeno y la compresión de hidrógeno, y en tercer lugar mediante el uso directo de al menos una parte de la electricidad producida por la celda de combustible para alimentar al menos parcialmente el dispositivo electroquímico, de manera que se eliminan las pérdidas de energía observadas durante la conversión de corriente continua (CC) a corriente alterna (CA), y de nuevo a CC (que de otro modo sería necesaria) para su uso por el dispositivo electroquímico.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 muestra un diagrama esquemático simplificado del aparato según la invención.
La Figura 2 muestra un diagrama esquemático simplificado de una realización del aparato según la invención, que lleva a cabo una realización del proceso según la invención.
Descripción detallada de la invención
En la presente invención, se usa una celda de combustible de óxido sólido para producir hidrógeno a partir de una corriente de alimentación que comprende metano, así como para producir electricidad para alimentar al menos parcialmente un dispositivo electroquímico, y opcionalmente un aparato de electrólisis.
De manera adecuada, la celda de combustible de óxido sólido comprende un electrolito, intercalado entre un ánodo (electrodo positivo) y un cátodo (electrodo negativo), de manera que una superficie del electrolito está unida/en contacto estrecho con una superficie del ánodo, y la superficie del electrolito que está opuesta a la superficie de contacto con el ánodo está en contacto estrecho con una superficie del cátodo. Dichos conjuntos pueden disponerse en forma de estructura tubular, o como placas planas. Típicamente, las celdas de combustible de óxido sólido comprenden múltiples conjuntos, para permitir que tengan la capacidad de procesamiento requerida.
La celda de combustible de óxido sólido también comprende una cámara anódica y una cámara catódica. La superficie del ánodo que no mira hacia el electrolito está expuesta a la cámara anódica, y la superficie del cátodo que no mira hacia el electrolito está expuesta a la cámara catódica. La función tanto de la cámara anódica como de la cámara catódica es permitir que los gases introducidos desde el exterior de la celda de combustible de óxido sólido accedan a la superficie que no mira hacia el electrolito de cada electrodo respectivo, y pueden adoptar cualquier forma adecuada, tal como canales o ranura (como dos ejemplos no limitativos) o cualquier otra cavidad adecuada, dependiendo de si los conjuntos de ánodo-electrolito-cátodo son estructuras tubulares o placas planas.
Además, la cámara anódica y la cámara catódica son compartimentos distintos porque la celda de combustible de óxido sólido está sellada durante su construcción de manera que ninguna sustancia puede pasar desde la cámara anódica a la cámara catódica, y viceversa (al contrario que los iones de oxígeno que pasan a través del electrolito; véase a continuación).
El electrolito forma una parte integral de este sello, sin embargo, el electrolito tiene la propiedad especial de que es permeable a los iones de oxígeno, que son producidos por el cátodo a partir de una corriente de entrada que contiene oxígeno.
De manera adecuada, el electrolito es una capa sólida y puede comprender un óxido metálico (de calcio o circonio) estabilizado con óxido de itrio para formar un compuesto de tipo cerámico duro. Dichos compuestos se denominan en la técnica circonio estabilizado con itria, o abreviado como “YSZ” . Como alternativa, el electrolito puede comprender cualquier otro material y/o compuestos conocidos en la técnica.
Al menos una entrada de la celda de combustible de óxido sólido permite que el suministro de la corriente de entrada que contiene oxígeno entre en la cámara catódica, ya sea de forma continua o intermitente. De manera adecuada, la velocidad de dicho suministro puede ser ajustada por los operadores del proceso de la presente invención, según sea necesario en las circunstancias para regular la producción de electricidad por la celda de combustible de óxido sólido. La corriente de entrada que contiene oxígeno puede ser cualquier corriente de gas que contenga oxígeno. Convenientemente, la corriente de entrada que contiene oxígeno es aire. En el cátodo, el oxígeno de dicha corriente se difunde a través del cátodo permeable a los gases, y se absorben electrones (es decir, se reducen) para formar iones de oxígeno (O2').
Al menos una entrada de la celda de combustible de óxido sólido permite que el suministro de una corriente de alimentación que comprende metano entre en la cámara anódica desde el exterior. Al menos otra entrada también permite el suministro de una corriente de vapor en la cámara anódica. Convenientemente, la corriente de alimentación que comprende metano y la corriente de vapor pueden suministrarse juntas en la cámara anódica a través de la misma entrada.
De manera adecuada, en el proceso de la presente invención, la celda de combustible de óxido sólido tiene al menos dos funciones, una función es convertir la corriente de alimentación que comprende metano en una mezcla de producto que comprende hidrógeno, y la otra función es generar electricidad a partir de la al menos una parte de la mezcla de producto que comprende hidrógeno.
En la presente invención, adecuadamente, una de las funciones de la celda de combustible de óxido sólido es convertir la corriente de alimentación que comprende metano en una mezcla de producto que comprende hidrógeno.
Preferiblemente, el contenido de metano de la corriente de alimentación que comprende metano es al menos 95 % en vol. de metano, más preferiblemente al menos 98 % en vol. de metano, incluso más preferiblemente al menos 99,9 % en vol. de metano, y lo más preferiblemente al menos 100 % en vol. de metano.
De manera adecuada, la corriente de alimentación que comprende metano puede suministrarse a la celda de combustible de óxido sólido desde un recipiente de almacenamiento que almacena y dispensa metano.
Como alternativa, o además, adecuadamente, la corriente de alimentación que comprende metano puede generarse a partir de la descomposición de la biomasa, de cualquier manera conocida por el experto, y luego suministrarse a la celda de combustible de óxido sólido, ya sea directamente o a través de un recipiente de almacenamiento.
Como alternativa, o además, la corriente de alimentación que comprende metano puede derivarse de gas natural, lo que en la mayoría de las localizaciones tiene la ventaja de su disponibilidad a partir de la red de suministro de gas natural.
La composición de gas natural es, en primer lugar, dependiente de dónde se produce, y en segundo lugar depende de las regulaciones locales donde se suministra al consumidor. Sin embargo, en general, el componente principal del gas natural es metano. El gas natural también comprende cantidades menores de hidrocarburos superiores en proporciones variables, tales como etano, propano, butano y pentano.
De manera adecuada, en el proceso de la presente invención, es preferible eliminar tales hidrocarburos superiores del gas natural, en particular, ya que tales hidrocarburos son más susceptibles a “ coquización” (formación de residuos de carbono) a temperaturas elevadas, tal como en el intervalo de la temperatura de funcionamiento de las celdas de combustible de óxido sólido.
La presencia de tales hidrocarburos superiores puede reducirse sometiendo el gas natural a una etapa previa de reformado parcial en ausencia de oxígeno. Tal reformado se lleva a cabo de una manera conocida en la técnica, y sus condiciones pueden ajustarse de modo que los hidrocarburos superiores se convierten en metano, así como algunas cantidades de monóxido de carbono e hidrógeno. Convenientemente, dicha corriente de producto puede ser la corriente de alimentación que comprende metano.
La celda de combustible de óxido sólido tiene al menos una entrada a través de la cual se suministra la corriente de alimentación que comprende metano y la corriente de vapor, ya sea de forma continua o intermitente, en la cámara anódica de la celda de combustible de óxido sólido. De manera adecuada, la velocidad de dicho suministro puede ser ajustada por los operadores del proceso de la presente invención, según sea necesario en las circunstancias para regular la producción de hidrógeno y/o electricidad por la celda de combustible de óxido sólido.
En la cámara anódica, la corriente de alimentación que comprende metano y la corriente de vapor interactúan con el ánodo para formar una mezcla de producto que comprende hidrógeno.
De manera adecuada, el ánodo de la celda de combustible de óxido sólido comprende circonia estabilizada con níquel/itria (“ Ni/YST” ), una mezcla de cerámica-metal (“ cermet” ). La circonia estabilizada con itria tiene una estructura similar a una malla, que es porosa a los gases. De manera adecuada, la estructura tipo malla de la circonia estabilizada con itria soporta al menos un elemento de los grupos 8, 9, 10 y 11 de la tabla periódica. De manera adecuada, el al menos un elemento soportado puede seleccionarse de un grupo que consiste en níquel, cobalto o rutenio. Más adecuadamente, el al menos un elemento soportado es níquel.
De manera adecuada, el al menos un elemento soportado puede ser una composición de catalizador para reformado. De manera adecuada, la composición de catalizador para reformado comprende al menos un elemento de los grupos 8, 9, 10 y 11 de la tabla periódica.
De manera adecuada, dicho al menos un elemento puede seleccionarse de un grupo que consiste en níquel, platino, paladio, rodio, iridio, oro, osmio y rutenio, o combinaciones de los mismos. De manera adecuada, dicho al menos un elemento puede estar en un estado metálico, o en forma de un complejo, aleación o un compuesto.
De manera adecuada, la celda de combustible de óxido sólido funciona a una temperatura entre aproximadamente 750 °C y 1100 °C. Más preferiblemente, la celda de combustible de óxido sólido funciona al menos a una temperatura de 800 °C, incluso más preferiblemente al menos a 850 °C, lo más preferiblemente al menos a 900 °C. Más preferiblemente, la celda de combustible de óxido sólido funciona como máximo a una temperatura de 1000 °C, incluso más preferiblemente como máximo a 975 °C, lo más preferiblemente como máximo a 950 °C.
A una temperatura dentro de dicho intervalo de temperatura operativa, en ausencia de oxígeno, y en presencia de una composición de catalizador para reformado en el ánodo, la corriente de alimentación que comprende metano y la corriente de vapor sufren una reacción de reformado con vapor en la cámara anódica, para producir monóxido de carbono e hidrógeno.
De manera adecuada, la corriente de vapor se suministra en una cantidad que supera la cantidad requerida para el reformado con vapor para impulsar al monóxido de carbono a sufrir una reacción de desplazamiento agua-gas en la cámara anódica para formar una mezcla de producto que comprende hidrógeno. La mezcla de producto que comprende hidrógeno comprende dióxido de carbono gaseoso e hidrógeno gaseoso.
De manera adecuada, los procesos mencionados anteriormente se llevan a cabo a presión ambiente o a presión casi ambiental.
El proceso de la presente invención proporciona la ventaja de la integración de calor. Tanto la reacción de reformado como las reacciones de desplazamiento agua-gas son endotérmicas, y dado que esta reacción tiene lugar en/dentro de la cámara anódica de la celda de combustible de óxido sólido, se benefician de la temperatura operativa de la celda de combustible de óxido sólido. Por lo tanto, convenientemente, no es necesario usar ningún dispositivo de calentamiento externo en el proceso de la presente invención.
La celda de combustible de óxido sólido tiene al menos una salida para permitir la evacuación de al menos una parte de la mezcla de producto que comprende hidrógeno de la cámara anódica.
En el proceso de la presente invención, al menos una parte de la mezcla de producto que comprende hidrógeno se evacua de la cámara anódica y se suministra a través de una primera línea a un dispositivo electroquímico.
El dispositivo electroquímico usa electricidad para separar el componente de hidrógeno gaseoso de al menos una parte de la mezcla de producto que comprende hidrógeno suministrado al mismo, y acumula gas hidrógeno gaseoso a presión.
Esto es posible, en primer lugar, porque el dispositivo electroquímico comprende electrodos que tienen incrustados en los mismos, metal(es) de transición, tales como platino y/o rutenio, para catalizar la disociación del hidrógeno en protones y electrones, y viceversa; y en segundo lugar porque el dispositivo electroquímico comprende una membrana de intercambio de protones como electrolito, que es permeable solo a protones, y no es permeable a ningún otro componente gaseoso.
Un ejemplo de un grupo de materiales que pueden funcionar como una membrana de intercambio de protones son los fluoropolímeros. Ejemplos de dichos fluoropolímeros son los diversos tetrafluoroetilenos sulfonados, que son comercializados por DuPont con la marca “ Nafion®” .
Para que la membrana de intercambio de protones actúe como tal, debe intercalarse entre dos electrodos (el ánodo y el cátodo). Dichas intercalaciones son conocidas en la técnica como conjuntos de electrodos de membrana, o abreviado como “ MEA” . El dispositivo electroquímico puede tener múltiples m Ea en serie para aumentar su capacidad para purificar hidrógeno y para generar suficiente potencia de compresión para comprimir hidrógeno gaseoso a la presión requerida.
El dispositivo electroquímico requiere electricidad en forma de corriente continua para separar hidrógeno gaseoso y comprimirlo. Al menos una parte de la electricidad necesaria para alimentar el dispositivo electroquímico es suministrada por la celda de combustible de óxido sólido. Para producir electricidad, al menos una parte de la mezcla de producto que comprende hidrógeno se consume dentro del ánodo de la celda de combustible de óxido sólido, en las proximidades del límite del ánodo-electrolito. El componente de hidrógeno gaseoso de la mezcla de producto que comprende hidrógeno es catalizado por el al menos un elemento de los grupos 8, 9, 10 y 11 de la tabla periódica del ánodo para disociarlo en protones. Dichos protones reaccionan con los iones de oxígeno que fluyen desde el cátodo, para formar agua y electrones.
En el cátodo de la celda de combustible de óxido sólido, la reducción de moléculas de oxígeno a iones de oxígeno requiere electrones. En el ánodo de la celda de combustible de óxido sólido se generan electrones. En consecuencia, si el ánodo está conectado eléctricamente al cátodo, la diferencia de potencial a través de los electrodos impulsará los electrones a lo largo de la conexión eléctrica y, por lo tanto, se crea una corriente continua.
En el proceso de la presente invención, la celda de combustible de óxido sólido está conectada al dispositivo electroquímico mediante una primera conexión eléctrica. Al menos una parte de la electricidad (corriente continua) generada por la celda de combustible de óxido sólido se suministra al dispositivo electroquímico para alimentarlo al menos parcialmente.
El suministro de electricidad (corriente continua) directamente desde la celda de combustible de óxido sólido al dispositivo electroquímico, que usa corriente continua, evita las pérdidas de energía observadas por la conversión de CC a CA y de nuevo a c C que de otro modo es necesaria si, por ejemplo, se suministra energía al dispositivo electroquímico desde la red eléctrica.
En el proceso de la presente invención, adecuadamente, el dispositivo electroquímico convierte al menos una parte de la mezcla de producto que comprende hidrógeno en una corriente de hidrógeno comprimido. Preferiblemente, la corriente de hidrógeno comprimido comprende al menos 95 % en vol. de gas hidrógeno, más preferiblemente al menos 98 % en vol. de gas hidrógeno, incluso más preferiblemente al menos 99 % en vol. de gas hidrógeno, y lo más preferiblemente al menos 99,99 % en vol. de gas hidrógeno. Preferiblemente, la corriente de hidrógeno comprimido comprende como máximo el 100 % en volumen de gas hidrógeno.
Preferiblemente, la presión de la corriente de hidrógeno comprimido es de al menos 3 MPa, más preferiblemente de al menos 15 MPa, incluso más preferiblemente de al menos 40 MPa y, lo más preferiblemente, de al menos 70 MPa.
En el proceso de la presente invención, adecuadamente, al menos una parte de la corriente de hidrógeno comprimido se suministra, de forma continua o intermitente, a un usuario final de hidrógeno o a una unidad de almacenamiento. De manera adecuada, el usuario final de hidrógeno puede ser cualquier entidad que reciba la corriente de hidrógeno comprimido a medida que se produce por su consumo inmediato o posterior.
De manera adecuada, la corriente de hidrógeno comprimido puede suministrarse, de forma continua o intermitente, a una unidad de almacenamiento. La unidad de almacenamiento puede ser una o más unidades inmóviles (tales como tanque(s) de almacenamiento de una estación de repostaje, para ser dispensado en un momento posterior), o uno o más tanques de combustible de vehículos (para alimentar su propulsión), o uno o más cilindros de almacenamiento de gas comprimido (para otros usos).
La presente invención también proporciona un aparato para la producción de una corriente de hidrógeno comprimido que comprende una celda de combustible de óxido sólido y un dispositivo electroquímico.
La celda de combustible de óxido sólido comprende un ánodo, uno de cuyos lados está expuesto a una cámara anódica de la celda de combustible de óxido sólido y cuyo otro lado está unido a un electrolito; y un cátodo, uno de cuyos lados está unido a una cámara catódica de la celda de combustible de óxido sólido y cuyo otro lado está expuesto al electrolito.
La cámara anódica tiene al menos una entrada para recibir una corriente de alimentación que comprende metano y al menos otra entrada para recibir una corriente de vapor, aunque pueden suministrarse juntos a través de una única entrada.
La celda de combustible de óxido sólido es capaz de volver a formar en su ánodo la corriente de alimentación que comprende metano para producir una mezcla de producto que comprende hidrógeno. La celda de combustible de óxido sólido es susceptible de reformado porque su ánodo comprende una composición de catalizador para reformado.
Al menos una parte de la mezcla de producto que comprende hidrógeno se suministra al dispositivo electroquímico mediante una primera línea.
El dispositivo electroquímico es capaz de separar hidrógeno gaseoso de al menos una parte de la mezcla de producto que comprende hidrógeno, y comprimirlo para producir una corriente de hidrógeno comprimido. A través de una segunda línea, ya sea temporal o continuamente, la corriente de hidrógeno comprimido se suministra a al menos un usuario final de hidrógeno y/o a al menos una unidad de almacenamiento.
La al menos una unidad de almacenamiento puede ser una o más unidades inmóviles, o uno o más tanques de combustible de vehículos, o uno o más cilindros de almacenamiento de gas comprimido.
La celda de combustible de óxido sólido también es capaz de generar electricidad a partir de al menos una parte de la mezcla de producto que comprende hidrógeno. Para generar electricidad, la celda de combustible de óxido sólido es capaz de absorber en la cámara catódica una corriente de entrada que contiene oxígeno a través de al menos una entrada, y es capaz de usar al menos una parte de la mezcla de producto que comprende hidrógeno.
La capacidad de reformado de la celda de combustible de óxido sólido está separada de la capacidad de producción de electricidad de la celda de combustible de óxido sólido, ya que la primera se basa principalmente en la actividad de la composición de catalizador para reformado de la celda de combustible de óxido sólido, y la última se basa en factores tales como la capacidad del ánodo para disociar moléculas de hidrógeno en protones, la capacidad del cátodo para reducir las moléculas de oxígeno en iones de oxígeno, etc. Esto permite que el aparato de la presente invención sea alimentado con la corriente de alimentación que comprende metano en cantidades superiores a la cantidad que se necesita justo para la capacidad de generación de electricidad máxima de la celda de combustible de óxido sólido, porque de este modo, la cantidad de la mezcla de producto que comprende hidrógeno puede maximizarse, ya que una función importante del aparato de la presente invención es la producción de gas hidrógeno para el repostaje de vehículos que utilizan hidrógeno.
Una primera conexión eléctrica conecta la celda de combustible de óxido sólido al dispositivo electroquímico, para permitir que al menos una parte de la electricidad producida por la celda de combustible de óxido sólido se suministre al dispositivo electroquímico para alimentarlo al menos parcialmente.
En una realización del aparato de la presente invención, la celda de combustible de óxido sólido está conectada a un aparato de electrólisis mediante una segunda conexión eléctrica para alimentar al menos parcialmente un aparato de electrólisis con al menos una parte de la electricidad que produce.
Usando dicha electricidad, y de una entrada de agua, el aparato de electrólisis es capaz de producir una corriente de salida que comprende hidrógeno y una corriente de salida que comprende oxígeno.
El aparato de electrólisis es capaz de suministrar la corriente de salida a través de una tercera línea al dispositivo electroquímico, para producir la corriente de hidrógeno comprimido.
En el proceso de la presente invención, el operador del proceso es capaz de ajustar el aparato de la presente invención de manera que el proceso pueda favorecer la producción de hidrógeno, o favorecer la generación de electricidad. De manera adecuada, esto puede lograrse, por ejemplo, reduciendo el suministro de la corriente de entrada que contiene oxígeno. Cuando dicha corriente es ilimitada, se puede producir una cantidad máxima de electricidad, que siempre está sujeta a la cantidad de hidrógeno gaseoso disponible en el ánodo. Si la corriente de entrada que contiene oxígeno es limitada, entonces la producción de electricidad disminuirá.
La ventaja del aparato de la presente invención se deriva, en parte, del uso interno de la electricidad de CC, para alimentar al menos parcialmente el dispositivo electroquímico y para alimentar al menos parcialmente el aparato de electrólisis, así como la integración de la celda de combustible de óxido sólido con el dispositivo electroquímico y el aparato de electrólisis como una única unidad operativa. Estas dos características proporcionan ahorros de energía, de manera que la demanda/requisito de energía de la etapa de compresión de hidrógeno (es decir, la producción de la corriente de hidrógeno comprimido) es compensada, en primer lugar, por la ausencia de etapas de conversión de CC-CA-CC y en segundo lugar, por la integración de la etapa de compresión de hidrógeno con la etapa de separación de hidrógeno mediante el uso de un dispositivo electroquímico. La integración eléctrica del aparato de electrólisis con la combinación de celda de combustible de óxido sólido/dispositivo electroquímico implica que se puede usar cualquier exceso de electricidad para alimentar al menos parcialmente el aparato de electrólisis para producir hidrógeno adicional. Además, la integración de la reacción de reformado dentro de la celda de combustible integra el uso de calor. De este modo, la presente invención proporciona un proceso ventajoso para producir gas hidrógeno para el suministro de vehículos que utilizan hidrógeno en lugares minoristas.
Ejemplo
Se suministra alrededor de 130 kW por hora de gas de alimentación (es decir, la corriente de alimentación que comprende metano) a una celda de combustible de óxido sólido capaz de reformado de la corriente de alimentación que comprende metano.
Usando dicha cantidad de la corriente de alimentación que comprende metano, la celda de combustible de óxido sólido produce aproximadamente 2,1 kg de hidrógeno gaseoso por hora dentro de una mezcla de producto que comprende hidrógeno, a 1 bar, y genera aproximadamente 42 kW de electricidad de CC.
Dicha cantidad de hidrógeno, y alrededor del 10% de la electricidad de CC, se suministra a un dispositivo electroquímico, que usa la electricidad de CC para separar el hidrógeno de la mezcla de producto que comprende hidrógeno, y comprimirla a aproximadamente 30 bar, para producir una corriente de hidrógeno comprimido.
El aproximadamente 90 % restante de la electricidad de CC generada por la celda de combustible de óxido sólido se suministra para alimentar un aparato de electrólisis para producir a partir de agua una corriente de salida que comprende hidrógeno que contiene aproximadamente 0,7 kg de hidrógeno por hora. La corriente de salida que comprende hidrógeno se suministra al dispositivo electroquímico para producir corriente de hidrógeno comprimido adicional.
La corriente de hidrógeno comprimido combinada se almacena en una unidad de almacenamiento antes de usarse para el repostaje de vehículos que utilizan hidrógeno.
Descripción detallada de los dibujos
La Figura 1 muestra un diagrama esquemático simplificado del aparato según la invención, que lleva a cabo el proceso según la invención. El aparato comprende una celda de combustible de óxido sólido (1) y un dispositivo electroquímico (2).
La celda de combustible de óxido sólido comprende un electrolito (3), intercalado entre un electrodo de ánodo (+) y un electrodo de cátodo (-).
Una superficie del cátodo está en contacto con el electrolito, y su superficie opuesta está expuesta a una cámara catódica (4) de la celda de combustible de óxido sólido.
Una superficie del ánodo está en contacto con el electrolito, y su superficie opuesta está expuesta a una cámara anódica (5) de la celda de combustible de óxido sólido.
La celda de combustible de óxido sólido tiene al menos una entrada a través de la cual una corriente de alimentación que comprende metano (6) y una corriente de vapor (7) se suministran a la cámara anódica de la celda de combustible de óxido sólido.
La celda de combustible de óxido sólido tiene al menos otra entrada a través de la cual se suministra una corriente (8) de entrada que contiene oxígeno a la cámara catódica de la celda de combustible de óxido sólido.
En el ánodo, la corriente de alimentación que comprende metano y la corriente de vapor reaccionan juntas en presencia de una composición de catalizador para reformado, y se convierten en una mezcla de producto que comprende hidrógeno.
Al menos una parte de la mezcla de producto que comprende hidrógeno se evacua de la cámara anódica de la celda de combustible de óxido sólido, y se suministra a través de una primera línea (10) al dispositivo electroquímico (2).
En el cátodo, la corriente de entrada que contiene oxígeno se convierte en iones de oxígeno, que fluyen hacia el ánodo a través del electrolito. Ninguna otra sustancia puede fluir a través del electrolito.
En el ánodo, al menos una parte de la mezcla de producto que comprende hidrógeno se convierte en protones, que luego se combinan con los iones de oxígeno que fluyen desde el cátodo, para formar agua y electricidad (9).
Simultáneamente, al menos una parte de la electricidad (9) se suministra desde la celda de combustible de óxido sólido (1) al dispositivo electroquímico (2) para alimentar al menos parcialmente el dispositivo electroquímico.
Usando al menos una parte de la electricidad para alimentarlo al menos parcialmente, el dispositivo electroquímico extrae hidrógeno de la mezcla de producto y la comprime para producir una corriente de hidrógeno comprimido (11).
O bien de forma continua, o intermitente, al menos una parte de la corriente de hidrógeno comprimido se suministra a través de una segunda línea a al menos un usuario final de hidrógeno y/o a al menos una unidad de almacenamiento (12).
La Figura 2 muestra un diagrama esquemático simplificado de una realización del aparato según la invención, que lleva a cabo una realización del proceso según la invención. La Figura se basa en el aparato representado en la Figura 1, y las características numeradas del 1 al 12 en la Figura 2 representan las mismas características que en la Figura 1.
En esta realización representada, al menos una parte de la electricidad (11) producida por la celda de combustible de óxido sólido (1) se suministra a un aparato de electrólisis (12) para al menos alimentarlo parcialmente.
Usando una corriente de entrada de agua (13) y al menos una parte de la electricidad suministrada desde la celda de combustible de óxido sólido, el aparato de electrólisis produce una corriente de salida que comprende hidrógeno (14) y una corriente de salida que comprende oxígeno (15).
Al menos una parte de la corriente de salida que comprende hidrógeno (14) se transporta, ya sea de forma continua o intermitente, a través de una tercera línea al dispositivo electroquímico (2).
O bien de forma continua, o intermitente, al menos una parte de la corriente de hidrógeno comprimido se suministra a al menos un usuario final de hidrógeno y/o a al menos una unidad de almacenamiento (12).

Claims (3)

REIVINDICACIONES
1. Un proceso para la producción de gas hidrógeno comprimido a partir de una corriente de alimentación que comprende metano, que comprende las etapas de:
(a) suministrar la corriente de alimentación que comprende metano y una corriente de vapor a una celda de combustible de óxido sólido en donde una composición de catalizador para reformado en el ánodo de la celda de combustible de óxido sólido cataliza la generación de una mezcla de producto que comprende hidrógeno;
(b) generar electricidad mediante el uso de la celda de combustible de óxido sólido a partir de al menos una parte de la mezcla de producto que comprende hidrógeno;
(c) suministrar al menos una parte de la electricidad generada por la celda de combustible de óxido sólido para alimentar al menos parcialmente un dispositivo electroquímico capaz de extraer hidrógeno gaseoso y comprimirlo;
(d) suministrar al menos una parte de la mezcla de producto que comprende hidrógeno al dispositivo electroquímico, para que produzca una corriente de hidrógeno comprimido; y
(e) suministrar, ya sea de forma continua o intermitente, al menos una parte de la corriente de hidrógeno comprimido a al menos un usuario final de hidrógeno y/o a al menos una unidad de almacenamiento,
en donde al menos otra parte de la electricidad generada por la celda de combustible de óxido sólido se suministra a un aparato de electrólisis para alimentar al menos parcialmente el aparato de electrólisis,
en donde el aparato de electrólisis produce una corriente de salida que comprende hidrógeno a partir de una entrada de agua y al menos una parte de la electricidad producida por la celda de combustible de óxido sólido.
2. Un aparato para la producción de hidrógeno comprimido, que comprende:
(a) una celda de combustible de óxido sólido que tiene: (i) un ánodo, uno de cuyos lados está expuesto a una cámara anódica de la celda de combustible de óxido sólido y cuyo otro lado está unido a un electrolito; y (ii) un cátodo, uno de cuyos lados está unido a una cámara catódica de la celda de combustible de óxido sólido y cuyo otro lado está unido al electrolito; y
(b) un dispositivo electroquímico capaz de extraer hidrógeno gaseoso y comprimirlo para producir una corriente de hidrógeno comprimido;
en donde el ánodo comprende una composición de catalizador para reformado que comprende al menos un elemento de los grupos 8, 9, 10 y 11 de la tabla periódica;
en donde la celda de combustible de óxido sólido tiene al menos una entrada para aceptar una corriente de alimentación que comprende metano y una corriente de vapor en la cámara anódica y al menos otra entrada para aceptar una corriente de entrada que contiene oxígeno en la cámara catódica;
en donde el ánodo es capaz de generar una mezcla de producto que comprende hidrógeno a partir de la corriente de alimentación que comprende metano y la corriente de vapor;
en donde la celda de combustible de óxido sólido es capaz de generar electricidad a partir de al menos una parte de la mezcla de producto que comprende hidrógeno;
en donde la celda de combustible de óxido sólido está conectada al dispositivo electroquímico mediante una primera conexión eléctrica para alimentar al menos parcialmente el dispositivo electroquímico con al menos una parte de la electricidad que produce;
en donde una primera línea suministra al menos una parte de la mezcla de producto que comprende hidrógeno de la celda de combustible de óxido sólido al dispositivo electroquímico;
en donde el dispositivo electroquímico tiene una salida conectada a una segunda línea para descargar la corriente de hidrógeno comprimido, ya sea de forma temporal o continua, a al menos un usuario final de hidrógeno y/o a al menos una unidad de almacenamiento, en donde la celda de combustible de óxido sólido está conectada a un aparato de electrólisis mediante una segunda conexión eléctrica para alimentar al menos parcialmente el aparato de electrólisis con al menos una parte de la electricidad que produce, en donde el aparato de electrólisis es capaz de producir una corriente de salida que comprende hidrógeno a partir de una entrada de agua y al menos una parte de la electricidad producida por la celda de combustible de óxido sólido.
3. Un aparato según la reivindicación 2, en donde el aparato de electrólisis tiene una salida conectada por una tercera línea al dispositivo electroquímico, siendo dicha línea capaz de suministrar, ya sea de forma continua o intermitente, al menos una parte de la corriente de salida que comprende hidrógeno al dispositivo electroquímico para producir una corriente de hidrógeno comprimido.
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