Integracièon energetica dle procesador de etanol con celdas PEM de alta y baja temperatura

FRANCESCONI JAVIER ANDRÉS; OLIVA DIEGO GABRIEL; MUSSATI MIGUEL CEFERINO; AGUIRRE PÍO ANTONIO

Pabellón de Industrias - Ciudad Universitaria - Buenos Aires - Argentina

Taller; Producción, Purificación y Aplicaciones del Hidrógeno como Combustible y Vector de Energía; 2010

PAE 36985 ANPCyT

Durante las últimas décadas los sistemas de generación de potencia y calor basados en celdas de combustibles han recibiendo especial atención debido principalmente a su alta eficiencia energética aún en sistemas de pequeña escala. Existen diferentes tecnologías de pilas de combustible ya en el mercado. De ellas las que parecen más aptas para el uso en transporte y en sistemas de generación de baja y mediana potencia son las denominadas de intercambio protónico (PEM) debido a su alta densidad de potencia y a su reducida temperatura de trabajo. El límite de 80ºC de temperatura del que se habla habitualmente al referirse a pilas PEM viene impuesto por el material de membrana que se usa actualmente, el Nafion®. Este material presenta el problema de que a partir de los 80ºC el agua, imprescindible para permitir la conductividad de protones a través de la membrana, empieza a desaparecer de la membrana ya que pasa a fase gaseosa y la estructura del Nafion se empieza a degradar, con lo que se observan pérdidas significativas en el rendimiento de la pila. El desarrollo de nuevos materiales poliméricos ha permitido desarrollar celdas PEM que operan por encima de los 100ºC. Desde el punto de vista de la integración energética entre el sistema generador de hidrógeno y la celda, un aumento en la temperatura de trabajo de la pila permitiría: a) un aumento de la tolerancia a la entrada de CO en la pila (eliminando unidades de purificación), b) simplificar la gestión del agua y del calor aprovechando en mayor medida la energía generada en la celda en el proceso de producción de hidrógeno. El objetivo del presente trabajo es analizar la integración energética de un sistema constituido por un procesador de combustible que produce hidrógeno mediante reformado de bioetanol acoplado a una celda de combustible tipo polimérica de alta temperatura (HTPEM) basada en Polibenzimidazol (PBI). El desarrollo de un modelo del sistema integrado energéticamente permitió resolver los balances de masa y energía determinando las condiciones operativas de las unidades presentes. El modelo se implementó en el simulador de procesos HYSYS. El núcleo del procesador de etanol está constituido por reactores catalíticos de lecho fijo; en una primera etapa el reactor de reformado y posteriormente los reactores water-gas-shift que acondicionan la corriente gaseosa para adecuarla a la tolerancia de la celda HTPEM. La utilización de una celda de alta temperatura permite eliminar del proceso al reactor PrOx. Se realizó, además,  un estudio paramétrico variando las condiciones operativas con el objeto de mejorar la integración energética del proceso. El principal consumo de energía está vinculado al reactor de reformado, que opera al mayor nivel térmico. Se necesita precalentar, evaporar y recalentar la alimentación y suministrar el calor absorbido por la reacción. A los efectos de lograr una eficiente integración térmica entre corrientes se debe maximizar el intercambio de calor entre las corrientes de mayor nivel térmico que salen del reformador (gas reformado y gases de combustión) y la alimentación que ingresa. La integración energética con la celda se realiza principalmente a través de: (a) la corriente de salida del ánodo que tiene un importante contenido residual de hidrógeno y aporta energía mediante combustión en el reformador, (b) la corriente que refrigera la celda aportando energía al procesador a la temperatura de la pila, (c) la corriente de salida del cátodo que tiene una fracción de oxígeno. Los resultados se comparan con los obtenidos previamente para un procesador de etanol integrado con una celda PEM de baja temperatura.