Célula que realiza la disociación del vapor de agua en sus dos componentes,

hidrógeno y oxígeno. Consiste en una placa de cristal piezoeléctrico de pequeño grosor que se encuentra situada dentro de una estructura de tres placas apiladas, envueltas en un material capaz de retener el oxígeno atómico. La célula genera la energía eléctrica necesaria para la disociación a partir de la presión que existe dentro del propio recipiente donde está el vapor de agua. La invención une las propiedades piezoeléctricas de algunos cristales a un sistema de células de disociación en un único dispositivo. Para llevar a cabo la generación de energía eléctrica dentro de la propia célula de disociación es necesario modificar la tipología de composición de la célula de combustible así como su funcionamiento típico

Célula piezoeléctrica para disociación de vapor de agua.

Campo de aplicación industrial

De los múltiples procedimientos para realizar la disociación del vapor de agua, algunos de ellos utilizan para separar sus componentes células de diversos tipos. Estas células deben conseguir que sus caras se polaricen de alguna manera, para poder separar los átomos de hidrógeno y de oxígeno. Estos procedimientos se utilizan para, entre otras muchas aplicaciones, producir hidrógeno.

Estado de la técnica anterior

Existen y se están desarrollando células de disociación del vapor de agua las cuales operan en rangos de presión y temperatura variados pero todas ellas tienen una característica común a la hora de obtener la energía eléctrica para realizar la disociación. En todas ellas la obtención de esta energía eléctrica se lleva a cabo a través de una fuente externa a la propia célula de disociación o electrolizador. En la presente invención se lleva a cabo la obtención de la energía eléctrica necesaria de manera autónoma, a partir de las propiedades de los cristales piezoeléctricos. Estos cristales permiten transformar una energía en forma de presión en una energía en forma de corriente eléctrica.

Dos patentes japonesas, la JP9312545 y la JP9221392 refieren métodos para fabricar elementos piezoeléctricos, pero la primera se fija en el procedimiento de soldado en mojado y la segunda en la combinación de dos substratos específicos. Lo cual es lógico ya que los elementos a los que se refieren están pensados para una utilización que no tiene nada que ver con nuestra invención. Por otro lado, la patente americana US6468499 trata de un método de generación de hidrógeno a base de pasar el vapor de agua a través de una membrana compuesta de dos materiales, uno conductor de protones, preferiblemente un elemento lantánido y el otro algún metal tal como cobalto, níquel, etc. También requiere que la temperatura del proceso sea alta, del orden de 600 a 1.700º. Quizá la patente que más recuerda a la constitución de nuestra invención sea la patente europea EP608827, la cual describe un elemento piezoeléctrico y su forma de empaquetado en el que se incluyen dos electrodos, aunque también la composición es completamente distinta a la nuestra.

Explicación de la invención

Consiste en una célula formada por una placa de cristal piezoeléctrico de pequeño grosor que se encuentra situada dentro de una estructura de placas apiladas. La placa de cristal piezoeléctrico está situada entre otras dos placas de distintos materiales. La secuencia de apilamiento de las placas es la siguiente: placa conductora eléctrica, placa de cristal piezoeléctrico, placa de material aislante. Las tres placas están envueltas en un material capaz de retener el oxígeno atómico.

Esta célula realiza la disociación del agua en estado vapor en sus dos componentes, hidrógeno y oxígeno. La principal novedad de la invención sobre los métodos existentes de disociación radica en que esta célula es capaz de generar la energía eléctrica para la disociación de forma autónoma. La célula piezoeléctrica para disociación del vapor de agua genera la energía eléctrica necesaria para la disociación, de una forma eficiente, a partir de la presión que existe dentro del propio recipiente donde está el vapor de agua.

La invención propone unir las propiedades piezoeléctricas de algunos cristales a un sistema de células de disociación. Esta unión se lleva a cabo en un único dispositivo. Para llevar a cabo la generación de energía eléctrica dentro de la propia célula de disociación es necesario modificar la tipología de composición de la célula de combustible así como su funcionamiento típico.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 representa la disposición de las tres capas. La figura 2 representa la cuarta capa. En la figura 3 se indica cómo la cuarta capa envuelve a las otras tres.

Exposición detallada de un modo de realización

La forma geométrica de la célula piezoeléctrica de disociación puede variar según las necesidades del lugar donde va a estar ubicada pero siempre mantiene las características de elemento físico plano de pequeño espesor y una superficie muy grande en relación a su espesor. Una célula piezoeléctrica de disociación típica puede tener una forma de hexaedro de 10 centímetros de largo y ancho por 3 milímetros de espesor.

La célula piezoeléctrica de disociación está formada por tres láminas de espesor variable y una capa envolvente que rodea el conjunto de las tres láminas. Las tres láminas, según se indica en la figura 1, se disponen siguiendo el orden siguiente. La primera lámina (1) ha de ser conductora de la electricidad. La segunda lámina (2) está compuesta por el cristal o material piezoeléctrico. La tercera lámina (3) es un material aislante eléctrico. La capa de pequeño espesor que envuelve a las otras tres láminas, (4) en la figura 2, puede ser de un material cerámico, metálico o polimérico. La característica que ha de cumplir es que sirva de contacto entre la molécula de agua y los electrones, generados por la célula piezoeléctrica de disociación, para llevar a cabo la ruptura de la molécula de agua y además ha de ser capaz de retener los iones oxígeno o hidrógeno generados durante un intervalo de tiempo.

Otra forma constructiva adecuada para su utilización es en forma de hexaedro de cinco centímetros de ancho por cinco centímetros de largo. El espesor del hexaedro es igual a la suma de los espesores de las capas internas más tas capas externas que lo conforman; ver figura 3.

En este modo de realización, las capas interiores tendrían un grosor cada una de un milímetro. La capa envolvente tendría un milímetro de espesor en cualquiera de sus secciones. La primera capa puede ser un material conductor eléctrico como el aluminio. La segunda capa estaría formada por un cristal piezoeléctrico del tipo PZT (PbZr_xTi_1-xO₃). La capa envolvente puede ser construida con una lámina de (LSM) La_{0. 8}Sr_{0. 2}MnO₃. La tercera capa podría un aislante como la mica. Como es lógico, la invención no excluye otras dimensiones, ni materiales.

La célula piezoeléctrica para disociación del vapor de agua funciona en varias fases. Es necesario que la célula sea introducida dentro de un sistema donde poder realizar su función. En una primera fase, la célula pasa de un estado de reposo, donde la presión es ambiental, a un estado donde la presión es del orden de los 30 bares, aunque puede superar estas presiones.

Durante la primera fase ocurren los siguientes hechos:

La compresión se lleva a cabo en el interior de una cámara donde la célula piezoeléctrica está completamente rodeada de vapor de agua a una temperatura del orden de los 200 grados centígrados. Al estar sometida a esta presión el cristal piezoeléctrico de la célula se comprime provocando la polarización de sus caras. La cara del cristal que está en contacto con fa lámina de conductor eléctrico queda cargada con un potencial negativo. Este potencial eléctrico negativo atrae al átomo de oxígeno ionizándolo y rompiendo la molécula de agua. El oxígeno queda atrapado en la capa envolvente. El hidrógeno de la molécula de agua que se ha disociado queda libre en forma de molécula biatómica de hidrógeno. La cara del cristal que queda cargada negativamente queda aislada gracias a la capa aislante eléctrica de mica.

Una vez que el hidrógeno queda liberado de la molécula de agua comienza la segunda fase. En esta segunda fase se ha de trasladar de forma mecánica el hidrógeno libre desde la ubicación donde ha sido producido a otra cámara que no esté en contacto con la célula piezoeléctrica. El traslado se puede realizar mediante un barrido por vapor de agua.

Este barrido ha de ser realizado bajo presión para asegurar que la célula sigue polarizada. Una vez eliminado el hidrógeno de la zona de contacto con la misma se procede a comenzar la tercera fase. En esta tercera fase se somete a la célula a una presión del orden de un bar o presión ambiental para que el cristal piezoeléctrico que hay en el interior de la célula quede en estado de reposo y desaparezca el potencial eléctrico. Al desaparecer el potencial eléctrico, el oxígeno ya no se mantiene atrapado y se libera en forma de molécula biatómica. Una vez liberado el oxígeno este ha de ser trasladado a otro lugar donde no esté en contacto con la célula. Este traslado...

1. Célula piezoeléctrica para disociación de vapor de agua constituida por varias láminas apiladas las cuales se someten a un flujo de vapor de agua, caracterizada por estar constituida por tres láminas de muy pequeño espesor en relación con su superficie, una conductora de la electricidad, otra de un material aislante de la electricidad y en medio una de un material piezoeléctrico, las tres envueltas en un material capaz de retener el oxígeno atómico.

2. Método de utilización de la célula piezoeléctrica según la reivindicación anterior, caracterizado por constar de las siguientes etapas que se repiten cíclicamente:

a) compresión con vapor de agua a alta presión lo que provoca que se polaricen la caras de la célula y se produzca una corriente eléctrica que disocia el agua en hidrógeno que queda libre y oxígeno que queda retenido en la envolvente de la célula

b) barrido del hidrógeno libre con vapor de agua a alta presión

c) disminución de la presión de vapor de agua deforma que la célula se despolariza y vuelve a la situación de reposo y se libera el oxígeno retenido en la envolvente de la célula

d) barrido del oxigeno libre mediante vapor de agua a baja presión.