Dispositivo de electrólisis de agua a alta temperatura con funcionamiento mejorado.

Dispositivo de electrólisis de agua a alta temperatura, que comprende:

- al menos una celda de electrólisis primaria formada por un cátodo

(2), un ánodo (4) y un electrolito (6) intercalado entre el cátodo y el ánodo,

- un primer dispositivo (8.0) que forma un interconector eléctrico y de fluidos compuesto por una pieza metálica (80) delimitada por al menos un plano P1, comprendiendo interiormente dicha pieza metálica dos cámaras (81, 82), superpuestas una sobre la otra, y una pluralidad de orificios (810, 820) repartidos sobre la superficie, sensiblemente perpendiculares al plano y divididos en dos grupos, uno de cuyos grupos de orificios (810) desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y directamente en la cámara adyacente (81) y el otro grupo de orificios (820) desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y en la cámara (82) más lejana a través de canales (83), estando el plano P1 del primer interconector en contacto mecánico con el plano del cátodo (2).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/053728.

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: PERRET,CHRISTIAN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS; SUS APARATOS > PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS PARA LA... > Células o acoplamientos de células; Elementos de... > C25B9/04 (Dispositivos de alimentación eléctrica; Conexiones de electrodos; Conexiones eléctricas entre células)
  • 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... > C25B9/18 (Acoplamientos que comprenden varias células (acoplamiento de células con electrodos móviles C25B 9/12; acoplamientos de células con electrodos constituídos por partículas C25B 9/16))

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Fragmento de la descripción:

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DESCRIPCIÓN

Dispositivo de electrólisis de agua a alta temperatura con funcionamiento mejorado

Campo técnico

La invención se refiere a un dispositivo de electrólisis de agua a alta temperatura, también llamado electrolizador de agua a alta temperatura (EAT) también llamado electrolizador de vapor de agua a alta temperatura (EVAT) .

Más particularmente, se refiere a una nueva arquitectura de un electrolizador EAT que permite conseguir que su funcionamiento sea más homogéneo.

Técnica anterior

Un electrolizador de agua a alta temperatura (EAT) comprende al menos una celda electroquímica primaria formada por un electrolito, un cátodo y un ánodo, estando intercalado el electrolito entre el ánodo y el cátodo. El electrolito es hermético al gas, aislante eléctrico y conductor iónico. Los electrodos (ánodo y cátodo) están hechos de material poroso y son conductores eléctricos.

Un electrolizador EAT también comprende dispositivos de interconexión de fluidos y eléctrica que están en contacto eléctrico con uno o más electrodos. Estos dispositivos de interconexión generalmente realizan todas las funciones de suministro y recogida de corriente y delimitan uno o más compartimentos de circulación de gas.

Por lo tanto, la función de un denominado compartimento catódico es la de distribuir la corriente y el vapor de agua y 25 recuperar el hidrógeno en el cátodo en contacto.

La función de un denominado compartimiento anódico es la de distribuir la corriente y recuperar el oxígeno producido en el ánodo en contacto. Asimismo, se puede inyectar un gas de drenaje en la entrada del compartimiento anódico para evacuar el oxígeno producido. La inyección de un gas de drenaje tiene la función adicional de actuar como regulador térmico. El documento FR 2921390 da a conocer un dispositivo de electrolisis de agua a alta temperatura que comprende una placa de interconexión con canales.

Las figuras 1, 1A y 1B muestran una placa de canales 1 utilizada con frecuencia como dispositivo de interconexión. El suministro o la recogida de la corriente en el electrodo son realizados por los dientes o nervaduras 10 que están en contacto mecánico directo con el electrodo en cuestión. El suministro de vapor de agua al cátodo (o de gas de drenaje al ánodo) está representado simbólicamente por las flechas en la figura 1. La recogida del hidrógeno producido en el cátodo (o del oxígeno producido en el ánodo) se realiza a través de los canales 11, que desembocan en una conexión para el flujo de fluidos, con frecuencia denominada un colector, común al apilamiento de celdas. La estructura de este tipo de dispositivos de interconexión se realiza con el fin de lograr un compromiso entre las dos funciones de suministro y recogida (gas/corriente) .

Las principales desventajas de esta placa de canales se pueden resumir de la siguiente manera.

En primer lugar, no permite utilizar la superficie de una celda de electrólisis de manera homogénea. En efecto, la 45 reacción electroquímica tiene lugar cerca de la interfase entre el electrodo y el electrolito, y es necesario que estén presentes en el mismo lugar el gas, los electrones y los iones implicados, resultando sencillo suministrar electrones a las zonas situadas debajo de los dientes 10 del colector, si bien resulta complicado suministrarles gas. Los parámetros de restricción son la permeabilidad del electrodo en contacto, su grosor y la anchura del diente 10. Del mismo modo, es difícil alimentar electrones a la zona situada debajo del canal 11, dado que los electrodos existentes en la actualidad tienen una baja conductividad efectiva. Los parámetros de restricción son la conductividad efectiva, el grosor y la anchura del canal 11. El inventor considera que la relación R entre la superficie de suministro/recogida de corriente y la superficie de suministro de vapor de agua o de recogida del gas producido es un parámetro indicativo de la utilización real de la superficie de la celda. En el caso de una placa de interconexión de canales 1, la relación R calculada con la fórmula siguiente es a menudo menor del 50 %.

R = 1/ (1+w/L) , en la que w es la anchura del canal 11 y L es la anchura del diente 10.

Además, esta estructura de la placa 1 implica la existencia de zonas de producción diferenciadas, con ciertas zonas en las que las densidades de producción y, por consiguiente, las densidades de corriente pueden ser muy altas, aunque la densidad media es baja y, por lo tanto, la existencia de fuentes localizadas de degradación del rendimiento. Esto se ilustra de forma local (escala milimétrica) en la figura 1B, en el que se muestran líneas de corriente muy fuertes que están localizadas al nivel de las nervaduras 10. Del mismo modo, teniendo en cuenta la superficie de los electrodos, las líneas de corriente son más fuertes aguas arriba que aguas abajo, debido a la evolución del contenido de agua en el flujo de gas entre la partes de aguas arriba y aguas abajo de los canales.

Del mismo modo, esta estructura de la placa 1 implica la existencia de una falta de homogeneidad en la alimentación E11707435

de vapor de agua a los canales 11 que hace necesaria un fuerte sobrealimentación de este vapor de agua (se añade un exceso de agua correspondiente a más del 100 % del agua consumida) para obtener una alimentación estable y homogénea para todos los canales 11, por lo que es difícil lograr una alta tasa de utilización del vapor de agua. El acondicionamiento de este vapor de agua y su presurización tienen un impacto no despreciable sobre el consumo de energía asociado al electrolizador.

También existe un riesgo mecánico de que una celda sufra cargas de flexión en el caso de un gran desplazamiento geométrico entre los dientes de una placa de interconexión 1 en el lado del ánodo y los dientes de una placa de interconexión en el lado del cátodo, o en el caso de que existan defectos de planeidad, los dientes pueden perforar la celda y romperla. Con el fin de evitar este riesgo, es necesaria una precisión muy alta en el montaje relativo de las placas a cada lado de la celda y una muy alta calidad de fabricación de los dientes.

Además, en el lado del ánodo, la estructura de cada canal con una entrada y una salida solo tiene razón de ser cuando se utiliza un gas de drenaje para evacuar el oxígeno producido hacia la salida. El acondicionamiento de este gas de drenaje también conlleva un coste energético significativo.

Por último, esta estructura de las placas requiere un gran grosor del material para la zona de recogida del gas producido y una conformación (mecanizado) que pueden resultar prohibitivos. Se utilizan chapas delgadas y procedimientos de estampado, si bien limitan las posibilidades de realización en términos de la anchura unitaria de los dientes y el paso entre los dientes. El inventor también considera que, con una placa de interconexión de canales 1 de este tipo, la reducción de las faltas de homogeneidad de las corrientes suministradas a cada celda solo puede ser limitada.

Ya se ha dado a conocer otra placa de interconexión 1' [1]. Esta se muestra en la figura 2, estando representada la circulación del fluido por las flechas: su estructura es de tipo intercalada. Esta placa no resuelve el problema de la flexión mecánica mencionado para la placa 1 y puede causar la rotura hidráulica del electrodo con el que está en contacto.

El propósito de esta invención es dar a conocer una solución que permita superar todos o algunos de los inconvenientes de las placas de interconexión existentes en el cátodo de un dispositivo de electrolisis de agua a alta temperatura.

Exposición de la invención

Con ese fin, el... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

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1. Dispositivo de electrólisis de agua a alta temperatura, que comprende:

-al menos una celda de electrólisis primaria formada por un cátodo (2) , un ánodo (4) y un electrolito (6) intercalado entre el cátodo y el ánodo, -un primer dispositivo (8.0) que forma un interconector eléctrico y de fluidos compuesto por una pieza metálica (80) delimitada por al menos un plano P1, comprendiendo interiormente dicha pieza metálica dos cámaras (81, 82) , superpuestas una sobre la otra, y una pluralidad de orificios (810, 820) repartidos sobre la superficie, sensiblemente perpendiculares al plano y divididos en dos grupos, uno de cuyos grupos de orificios (810) desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y directamente en la cámara adyacente (81) y el otro grupo de orificios (820) desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y en la cámara (82) más lejana a través de canales (83) , estando el plano P1 del primer interconector en contacto mecánico con el plano del cátodo (2) .

2. Dispositivo de electrólisis de agua de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la cámara adyacente constituye la cámara a través de la cual se suministra vapor de agua y la cámara más lejana es la cámara de recogida del hidrógeno producido por la electrólisis.

3. Dispositivo de electrólisis de agua de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la cámara adyacente es la cámara de recogida del hidrógeno producido por la electrólisis y la cámara más lejana es la cámara a través de la cual se suministra vapor de agua.

4. Dispositivo de electrolisis de agua de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que los orificios

(810, 820) tienen sección circular con un diámetro comprendido entre 0, 5 y 5 mm, preferentemente comprendido entre 1, 25 y 2, 5 mm.

5. Dispositivo de electrolisis de agua de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que la distancia entre el centro de dos orificios adyacentes está comprendida entre 7 mm y 28 mm, preferentemente comprendida entre 7mm y 14mm.

6. Dispositivo de electrolisis de agua de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que los orificios están alineados según líneas paralelas entre sí y separadas regularmente.

7. Dispositivo de electrolisis de agua de acuerdo la reivindicación 6, en el cual una línea del grupo de orificios (810) que desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y directamente en la cámara adyacente se alterna con una línea del grupo de orificios (820) que desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y en la cámara más lejana.

8. Dispositivo de electrolisis de agua de acuerdo la reivindicación 7, en el cual la alternancia se realiza de tal manera que los orificios del grupo (810) que desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y directamente en la cámara adyacente están escalonados con los orificios del grupo (820) que desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y en la cámara más lejana, encontrándose cada orificio del grupo (810) que desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y directamente en la cámara adyacente en medio de cuatro orificios (820) del grupo que desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y en la cámara más lejana, y viceversa.

9. Dispositivo de electrolisis de agua de acuerdo con la reivindicación 8, en el que los cuatro orificios (810) de un grupo forman un cuadrado, estando el orificio (820) del otro grupo en el centro del cuadrado.

10. Dispositivo de electrólisis de agua de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que comprende un segundo dispositivo (8.1) que forma un interconector eléctrico y de fluidos compuesto por una pieza metálica (84) delimitada por al menos un plano P2, comprendiendo interiormente dicha pieza metálica una cámara (85) y una pluralidad de orificios (850) repartidos sobre la superficie, sensiblemente perpendiculares al plano y desembocando al mismo tiempo sobre este último plano P2 y en la cámara (85) , estando el plano P2 del segundo interconector (8.1) en contacto mecánico con el plano del ánodo (4) .

11. Dispositivo de electrolisis de agua de acuerdo con la reivindicación 10, en el que el plano P2 está en contacto mecánico directo con el plano del ánodo.

12. Dispositivo de electrolisis de agua de acuerdo con la reivindicación 10, en el que el plano P2 está en contacto mecánico directo con una rejilla de material eléctricamente conductor, estando la propia rejilla en contacto mecánico directo con el plano del ánodo.

13. Dispositivo de electrólisis de agua a alta temperatura de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 12, que comprende un apilamiento de celdas de electrólisis primarias, formada cada una de ellas por un cátodo, un ánodo y

un electrolito intercalado entre el cátodo y el ánodo, una placa de interconexión que comprende un primer (8.0) y un segundo (8.1) interconector dispuesto entre dos celdas primarias adyacentes, de tal manera que el plano P1 del 11

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primer interconector está en contacto mecánico con el cátodo de una de las dos celdas primarias y el plano P2 del segundo interconector está en contacto mecánico con el ánodo de la otra de las dos celdas primarias.

14. Conjunto de producción de hidrógeno que comprende una pluralidad de dispositivos de electrólisis de acuerdo con la reivindicación 13.