Célula de producción de hidrógeno que comprende una célula de electrolizador de vapor de agua a alta temperatura.

Célula de producción de hidrógeno que comprende una célula de un electrolizador de vapor de agua a alta temperatura o EVAT y una célula de una bomba electroquímica, comprendiendo la célula de un EVAT un cátodo

(404) poroso y un ánodo (402) poroso a ambos lados de un electrolito (403) conductor aniónico denso e impermeable a los gases, en la que dicha célula del electrolizador de vapor de agua a alta temperatura está acoplada directamente, en serie, a la célula de la bomba electroquímica que comprende un ánodo (406) poroso y un cátodo (408) poroso a ambos lados de un electrolito (407) conductor protónico denso e impermeable a los gases, a nivel del cátodo (404) de la célula del electrolizador de vapor de agua a alta temperatura y del ánodo (406) de la bomba electroquímica.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/073130.

Solicitante: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 25, rue Leblanc, Bâtiment "Le Ponant D" 75015 Paris FRANCIA.

Inventor/es: Delahaye,Thibaud, BAURENS,PIERRE.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS; SUS APARATOS > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS PARA LA... > Operación o servicio de las células > C25B15/08 (Suministro o eliminación de reactivos o electrolitos; Regeneración de electrolitos)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS; SUS APARATOS > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS PARA LA... > Células o acoplamientos de células; Elementos de... > C25B9/08 (con diafragmas)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS; SUS APARATOS > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS PARA LA... > Células o acoplamientos de células; Elementos de... > C25B9/10 (que incluyen una membrana de intercambio de iones en o sobre la cual está incrustado material para electrodo)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS; SUS APARATOS > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS PARA LA... > Producción electrolítica de compuestos inorgánicos... > C25B1/10 (en células de diafragma)

PDF original: ES-2542432_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Célula de producción de hidrógeno que comprende una célula de electrolizador de vapor de agua a alta temperatura 5 Campo técnico La invención se refiere a una célula de producción de hidrógeno que comprende una célula de electrolizador de vapor de agua a alta temperatura o EVAT. El campo técnico de la invención puede definirse de manera general como el de los dispositivos de electrólisis de vapor de agua a alta temperatura o EVAT.

Estado de la técnica anterior

En los electrolizadores a alta temperatura, la electrólisis del agua a alta temperatura se realiza a partir de agua vaporizada.

La función de un electrolizador a alta temperatura es transformar el vapor de agua en hidrógeno y en oxígeno según la siguiente reacción:

H2O (g) 2H2 + O2 Esta reacción se realiza por vía electroquímica en las células del electrolizador.

Cada célula elemental está constituida, tal como se muestra en la figura 1, por dos electrodos, a saber un ánodo (1) y un cátodo (2) , colocados a ambos lados de un electrolito sólido generalmente en forma de membrana (3) . Los dos electrodos (1, 2) son conductores electrónicos, y el electrolito (3) es un conductor iónico. El electrolito puede ser en particular un conductor aniónico, más precisamente un conductor aniónico de iones O2-, y el electrolizador se denomina entonces electrolizador aniónico. Las reacciones electroquímicas se realizan en la interfase entre cada uno de los conductores electrónicos y el conductor iónico.

En el cátodo (2) , la semirreacción es la siguiente: 2H2O + 4 e - 2H2 + 2O2-Y en el ánodo (1) , la semirreacción es la siguiente: 2O2- O2 + 4e -El electrolito (3) , colocado entre los dos electrodos, es el lugar de migración de los iones O2- (4) , bajo el efecto del 45 campo eléctrico creado por la diferencia de potencial impuesta entre el ánodo (1) y el cátodo (2) . Un reactor elemental, representado en la figura 2, está constituido por una célula (5) elemental tal como se describió anteriormente, con un ánodo (1) , un electrolito (3) y un cátodo (2) y por dos conectores monopolares o de manera más exacta dos semi-interconectores (6, 7) que garantizan las funciones eléctrica, hidráulica y térmica. Este reactor elemental se denomina módulo. Para aumentar los caudales de hidrógeno y de oxígeno producidos, y tal como se muestra en la figura 3, se apilan (8) varios módulos elementales, estando entonces las células (5) separadas por interconectores o placas (9) de interconexión bipolares.

El conjunto de los módulos (8) se coloca entre dos placas (10) y (11) de interconexión superior e inferior que portan alimentaciones eléctricas y alimentaciones (12) de gas. Se habla entonces de apilamiento o de "stack" (figura 3) .

Existen dos conceptos, configuraciones, arquitecturas para los apilamientos o "stacks":

- los apilamientos tubulares, en los que las células son tubos, y -los apilamientos planos, en los que las células se fabrican en forma de placas tal como en la figura 3.

La electrólisis de vapor de agua a alta temperatura en un electrolizador aniónico se enfrenta a problemas importantes que limitan su rendimiento.

En consecuencia, el desarrollo industrial de los electrolizadores de vapor de agua a alta temperatura también se encuentra limitado.

En efecto, en los electrolizadores aniónicos actuales, el vapor de agua que va a electrolizarse se inyecta directamente en el compartimento catódico de la célula electroquímica, lugar de la reducción del agua para dar hidrógeno.

Por tanto, el producto de la reacción, a saber el hidrógeno formado, se mezcla con el reactivo de partida, a saber el 10 agua inyectada, que desempeña entonces el papel de gas diluyente, y limita la cinética de la reacción de electrólisis.

Por tanto, uno de los problemas principales que se plantea con los electrolizadores aniónicos es que no es posible alcanzar rendimientos elevados de uso, es decir porcentajes elevados de electrólisis de vapor de agua.

Para solucionar este problema, pueden aumentarse las superficies de las células [1].

El aumento del tamaño del electrolizador tiene un impacto directo sobre el coste del mismo.

Otro problema que se plantea con los electrolizadores aniónicos es que, por el contrario, se encuentra vapor de 20 agua no electrolizado en el hidrógeno producido a la salida del electrolizador.

Por tanto, deben implementarse dispositivos de separación a la salida del electrolizador para purificar el hidrógeno extrayendo el agua que se encuentra contenida en el mismo [1].

Por ejemplo, el hidrógeno puede tratarse mediante condensación de vapor de agua y después haciéndolo pasar a una etapa de desecación.

La puesta en práctica de un sistema de separación, purificación, de este tipo presenta un volumen ocupado y un coste suplementarios no despreciables.

Una solución que se ha considerado para solucionar estos problemas es vaporizar en el compartimento catódico una cantidad de agua superior a la cantidad de agua necesaria para la producción de hidrógeno buscada.

No obstante, esto conlleva un consumo de energía suplementario que reduce el rendimiento energético global de la 35 unidad de electrólisis [2, 3].

Finalmente, los cátodos del electrolizador se realizan generalmente de un cermet a base de níquel metal, y por tanto, con el fin de evitar la degradación de este cermet, es necesario inyectar hidrógeno en el vapor de agua introducido en el compartimento catódico.

Por tanto, generalmente debe extraerse hidrógeno a la salida del electrolizador, después comprimirlo antes de volver a inyectarlo en el vapor de agua [1].

Esta última operación necesita por tanto la presencia de una red de hidrógeno de calidad controlada, acoplada al 45 circuito aguas arriba del vapor de agua.

En resumen, los problemas que se plantean en los electrolizadores aniónicos se resuelven:

- aumentando la superficie de las células para un caudal de producción dado; 50 -vaporizando un exceso de agua aguas arriba del electrolizador;

- separando el vapor de agua del hidrógeno fuera del electrolizador, a saber en una zona fría;

-extrayendo hidrógeno aguas abajo del electrolizador, después comprimiéndolo con el fin de inyectarlo en el circuito de vapor de agua aguas arriba del electrolizador.

No obstante, tal como se expuso anteriormente, ninguna de estas soluciones responde perfectamente al conjunto de los problemas planteados. 60 En efecto, todas estas soluciones generan costes adicionales importantes y/o nuevas dificultades.

Por tanto, existe una necesidad aún no satisfecha de un electrolizador de vapor de agua a alta temperatura o EVAT que permita aportar una solución satisfactoria al conjunto de los problemas planteados por los electrolizadores de 65 vapor de agua a alta temperatura de la técnica anterior indicados anteriormente.

Existe más particularmente una necesidad de un electrolizador de vapor de agua a alta temperatura de este tipo que, a la vez que resuelva el conjunto de estos problemas, no ocasione nuevas dificultades y/o nuevos costes adicionales, al contrario que las soluciones ya propuestas expuestas anteriormente.

El objetivo de la invención es proporcionar un electrolizador de vapor de agua a alta temperatura que responda entre otras cosas a esas necesidades.

El objetivo de la invención es además proporcionar un electrolizador de vapor de agua a alta temperatura que no presente los inconvenientes, defectos, limitaciones y desventajas de los electrolizadores de vapor de agua a alta 10 temperatura de la técnica anterior, y que resuelva el conjunto de los problemas planteados por los electrolizadores de vapor... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Célula de producción de hidrógeno que comprende una célula de un electrolizador de vapor de agua a alta temperatura o EVAT y una célula de una bomba electroquímica, comprendiendo la célula de un EVAT un cátodo (404) poroso y un ánodo (402) poroso a ambos lados de un electrolito (403) conductor aniónico denso e impermeable a los gases, en la que dicha célula del electrolizador de vapor de agua a alta temperatura está acoplada directamente, en serie, a la célula de la bomba electroquímica que comprende un ánodo (406) poroso y un cátodo (408) poroso a ambos lados de un electrolito (407) conductor protónico denso e impermeable a los gases, a nivel del cátodo (404) de la célula del electrolizador de vapor de agua a alta temperatura y del ánodo (406) de la bomba electroquímica.

2. Célula según la reivindicación 1, en la que el cátodo (404) de la célula del electrolizador de vapor de agua y el ánodo (406) de la bomba electroquímica se ensamblan por medio de una capa (405) gruesa porosa de porosidad abierta.

3. Célula según la reivindicación 2, en la que la capa (405) gruesa porosa de porosidad abierta presenta una porosidad abierta del 20% al 90% en volumen, preferiblemente del 30% al 70% en volumen.

4. Célula según la reivindicación 2 ó 3, en la que la capa gruesa porosa de porosidad abierta tiene un grosor de 0, 05 mm a 5 mm, preferiblemente de 0, 5 mm a 5 mm.

5. Célula según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en la que la capa (405) gruesa porosa de porosidad abierta está constituida por el mismo material que el cátodo (404) de la célula del electrolizador de vapor de agua; o la capa (405) gruesa porosa de porosidad abierta está constituida por un material equivalente al material del cátodo

(404) de la célula del electrolizador de vapor de agua; o la capa (405) gruesa porosa de porosidad abierta está constituida por un material químicamente compatible con el material del cátodo (404) de la célula del electrolizador de vapor de agua; o la capa (405) gruesa porosa de porosidad abierta está constituida por el mismo material conductor electrónico que el cátodo (404) de la célula del electrolizador de vapor de agua.

6. Célula según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en la que la capa (405) gruesa porosa de porosidad abierta tiene una porosidad superior a la porosidad del cátodo (404) de la célula del electrolizador de vapor de agua.

7. Célula según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el cátodo (404) de la célula del

electrolizador de vapor de agua presenta una porosidad abierta del 20% al 40% en volumen. 35

8. Célula según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, en la que la capa (405) gruesa porosa de porosidad abierta está constituida por un material diferente del material del ánodo (406) de la bomba electroquímica.

9. Célula según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, en la que la capa (405) gruesa porosa de porosidad abierta tiene una porosidad superior a la porosidad del ánodo (406) de la bomba electroquímica.

10. Célula según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el ánodo (406) de la bomba electroquímica presenta una porosidad abierta del 20% al 40% en volumen.

11. Célula según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que presenta una geometría plana.

12. Célula según la reivindicación 11, que comprende el siguiente apilamiento de capas sucesivas:

- placa bipolar o interconector interno;

- ánodo poroso de la célula del electrolizador de vapor de agua a alta temperatura;

- electrolito conductor aniónico denso, impermeable a los gases, de la célula del electrolizador de vapor de agua a alta temperatura.

55. cátodo poroso del electrolizador de vapor de agua a alta temperatura;

- capa gruesa porosa de porosidad abierta;

- ánodo poroso de la bomba electroquímica;

- electrolito conductor protónico denso, impermeable a los gases, de la bomba electroquímica;

- cátodo poroso de la bomba electroquímica.

65. placa bipolar o interconector externo.

13. Célula según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que presenta una geometría tubular.

14. Célula según la reivindicación 13, que comprende un tubo (401) metálico, y las siguientes capas dispuestas 5 sucesivamente alrededor de la superficie lateral externa de dicho tubo (401) metálico, y que forman tubos concéntricos: -ánodo (402) poroso de la célula del electrolizador de vapor de agua a alta temperatura.

10. electrolito (403) denso, impermeable a los gases, de la célula del electrolizador de vapor de agua a alta temperatura; -cátodo (404) poroso del electrolizador de vapor de agua a alta temperatura.

15. capa (405) gruesa porosa de porosidad abierta; -ánodo (406) poroso de la bomba electroquímica; -electrolito (407) denso, impermeable a los gases, de la bomba electroquímica.

20. cátodo (408, 409) poroso de la bomba electroquímica; -tubo (410) metálico externo.

15. Célula según la reivindicación 14, en la que uno de los extremos longitudinales de los tubos está cerrado y el otro de los extremos longitudinales de los tubos está dotado de medios de estanqueidad.