Modelado y métodos para la síntesis y diseño óptimos. Aplicaciones a procesos basados en energías alternativas

Abstract

Las celdas de combustible han generado gran interés debido a las buenas eficiencias obtenidas para producir energía. Al evaluar su eficiencia, es necesario considerar todos los componentes que conforman el proceso que integra la celda. Los combustibles líquidos que se analizan son glicerina y etanol (biocombustibles). Los sistemas a estudiar están basados en celdas de membrana de intercambio protónico (PEM) que requieren hidrógeno de alta pureza, y en celdas de óxido sólido (SOFC) que utilizan mezclas de hidrógeno, metano y monóxido de carbono. La mayoría de los trabajos publicados sobre reformado in-situ de compuestos líquidos para producir hidrógeno puro o gas de síntesis para su empleo en celdas de combustible estudian y analizan la eficiencia de los diferentes componentes del proceso (reformador, sistema de purificación de gases, celda de combustible y dispositivos auxiliares) en forma parcial o individual. Aquí, uno de los objetivos es analizar la eficiencia energética global de este tipo de sistemas, incluyendo todas sus partes constitutivas, (bombas, intercambiadores de calor, turbocompresores) según criterios de óptimo. Para ello se ha recurrido a técnicas de integración energética óptima, proponiendo modificaciones a las existentes. Se optimizan las variables operativas relevantes de cada componente conjuntamente con la integración energética del proceso. Dada su importancia en procesadores basados en celdas tipo PEM, se trata el diseño y optimización del reactor de purificación de oxidación preferencial de monóxido de carbono. Los aspectos metodológicos, de modelado y optimización presentados son suficientemente generales y flexibles para su aplicación a otros combustibles o tipo de celdas.

The fuel cell systems have generated great interest due to the good efficiency values achieved to produce energy. When evaluating the system efficiency, it is necessary to consider all the process components involved. The liquid fuels investigated are glycerin and ethanol (biofuels). Systems based on proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) and solid oxide fuel cell (SOFC) are studied. The former ones require high-purity hydrogen, while the latter ones use mixtures of hydrogen, methane and carbon monoxide. Most published works on in-situ reforming of liquid compounds to produce pure hydrogen or synthesis gas for their use in fuel cells study and analyze the efficiency of the individual components of the process (reformer, gas clean-up system, fuel cell itself, and auxiliary devices) or just in a partial way. Here, a main objective is to analyze the global energy efficiency of this type of systems, including all components (pumps, heat exchangers, compressors) based on optimal criteria. In doing that, optimal energy integration techniques have been considered, proposing modifications to the existing ones. The relevant operation variables of each component are optimized simultaneously with the energy integration of the whole process. As it is a critical component in fuel processors based on PEM fuel cells, the design and optimization of the carbon monoxide preferential oxidation (COPrOx) reactor for hydrogen purification are addressed.