Los módulos de celdas electroquímicas constituidos por pares de electrodos porosos multicapa catalíticos que forman los ánodos y los cátodos y que delimitan áreas gaseosas externas y áreas internas que contienen el electrolito y conectados por un circuito eléctrico externo caracterizados porque el módulo de celdas comprende:

- moduladores de presión que generan en uso dos ciclos de presión sincronizados independientemente pero de fase opuesta que actúan como la entrada y la salida del electrolito circulante,

- electrodos porosos multicapa que rezuman en el lado del gas, y

- medios para intercambiar calor en los electrodos porosos de los módulos de celdas a través del electrolito que fluye en la celda electroquímica

Termodinamo electroquímica.

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general al campo de la celda electroquímica. Más en particular, la presente invención se refiere a una celda electroquímica para electrolisis en agua y/o para la producción de electricidad usando tecnologías tradicionales: la mejora aumenta los rendimientos energéticos.

Antecedentes de la invención

El agotamiento de las reservas de combustibles fósiles junto con los cambios ambientales y climáticos unidos a su uso ha desarrollado nuevas tecnologías que usarán el hidrógeno como fuente de energía. Las ventajas son fácilmente previsibles usando como fuente de energía el sol, la energía solar renovable se usará para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno, el hidrógeno se quema en motores convencionales o en celdas de combustible sin emisión de contaminantes para generar energía eléctrica. Aún han de resolverse muchos aspectos tecnológicos con el fin de implementar este proyecto, en caso particular los referidos a la transformación de energía solar en energía eléctrica y su uso posterior para producción de hidrógeno por hidrólisis con agua.

En la actualidad, sólo el 2% del hidrógeno producido procede de procedimientos electrolíticos, la mayoría del hidrógeno producido industrialmente procede de la hidro-reformación de combustibles fósiles o como subproducto industrial de procedimientos industriales como refinado del petróleo y PVC.

El hidrógeno electrolítico producido tiene alta pureza, pero un alto coste debido tanto al alto coste de la energía eléctrica como al bajo rendimiento, es decir, la baja eficacia en la conversión de energía desde energía eléctrica en la energía química.

Los incentivos para mejorar la eficacia de la producción electrolítica de hidrógeno son en la actualidad pequeños: aunque el valor añadido de alta pureza de hidrógeno electrolítico haría que el coste superior fuera poco importante, dichas aplicaciones son raras y el uso de hidrógeno para la producción de energía es antieconómico para producción de hidrógeno electrolítico con altos rendimientos.

Se espera una mejora a partir de la continua solicitud elevada de energía limpia que prevé el uso de hidrógeno tanto para producción de energía eléctrica como para su uso en la industria de los automóviles. En la siguiente década la solicitud de hidrógeno puro aumentará drásticamente, y entonces será evidente la necesidad de procedimientos más rentables de producción de hidrógeno, es decir, no sólo los mayores rendimientos energéticos sino las condiciones de ejecución seguras intrínsecamente y la simple red de distribución de hidrógeno.

Con el fin de contribuir al desarrollo de sistemas que evitan el uso de combustibles fósiles como carbono o gases naturales, la elección de sistemas que produzcan hidrógeno a partir de electrolisis de agua es inevitable. La energía eléctrica respetuosa con el medio ambiente sólo puede producirse usando sistemas eólicos, sistemas hidroeléctricos y finalmente usando sistemas fotovoltaicos.

Las fuentes de energía de los dos primeros sistemas están normalmente lo suficientemente cerca del lugar de uso posterior de la energía eléctrica mientras que la eficacia y la cantidad de electricidad producida usando los sistemas fotovoltaicos es más elevada en partes aisladas del hemisferio como zonas tropicales y desérticas.

El sistema fotovoltaico concentra la energía solar y puede alcanzar hasta el 30% de eficacia de conversión eléctrica a través del uso de un convertidor dual, dos semiconductores con diferentes intervalos de banda, que reciben diferente fracción de radiación. La energía eléctrica fotovoltaica producida puede usarse cómodamente para la producción de hidrógeno y oxígeno de alta pureza por electrolisis en agua. El H₂ almacenado como un híbrido metálico se transporta cómodamente al lugar de uso y producción de energía eléctrica.

Un objetivo principal en la electroconversión de energía solar es el uso de electricidad para producir H₂ y O₂ de alta pureza usando electrolisis en agua, transportando el H₂ y O₂ producido al lugar de uso y recombinándolos en una celda de combustible para la producción de energía eléctrica.

En consecuencia con el fin de minimizar las pérdidas de energía existe la necesidad de desarrollar electrolizadores y celdas de combustible de geometría simple y alta eficacia, que pueden adaptarse simplemente como electrolizador o como celda de combustible.

Además del sistema descrito anteriormente, en el que se prevén electrolizadores y celdas de combustible de gran tamaño, existe la necesidad de desarrollar tecnologías adecuadas para su uso en sistema eléctrico residencial.

El electrolizador alcalino y la celda alcalina basados en la tecnología de las celdas de combustible alcalinas (CCA) fueron los más prometedores. Estas celdas se han usado con éxito en el proyecto Apollo y tienen la tensión de salida más alta entre las celdas de combustible; además, pueden accionarse en intervalos amplios de presión y temperatura. La tecnología subyacente a los electrodos se ha refinado en la década de 1980 y usa materiales de bajo coste, malla de C y Ni. La CCA necesita gases puros en entrada que limitaron su aplicación y el posterior desarrollo de esta tecnología.

Las CCA hacen competencia a las celdas de combustible de electrolitos poliméricos (CCEP). Ventajosamente, la CCA no necesita la presencia de costosos diafragmas o membranas de separación, lo que evita los problemas conocidos que surgen de su degradación, y de electrodos primarios catalizados por metales nobles.

Las celdas de combustible alcalinas usan ventajosamente electrodos porosos de malla de carbono/níquel de bajo coste que pueden emplearse eficazmente en una celda modificada que actúa como electrolizador.

Las celdas de combustible alcalinas se contaminan fácilmente con el dióxido de carbono contenido en el hidrógeno producido a partir de la hidro-reformación de los combustibles fósiles. Dicho problema no existe cuando el hidrógeno se produce a partir de hidrólisis con agua. El hidrógeno puede usarse a continuación en una celda de combustible que produce energía eléctrica y cierra el ciclo de energía de transformación de energía de energía eléctrica en energía química y de energía química en energía eléctrica con un rendimiento total de energía superior al 50%.

El documento FR-A-1.452.701 desvela un módulo de celdas de combustible electroquímicas constituido por pares de electrodos porosos que forman los ánodos y los cátodos y que delimitan las áreas gaseosas externas y las áreas internas que contienen el electrolito y conectado por un circuito eléctrico externo, un modulador de presión que genera en uso un ciclo de presión que actúa en la salida del electrolito.

Los documentos US-A-3.338.747 y US-A-3.391.028 desvelan ambos la aplicación de pulsos de presión a través del circuito de suministro de gas al lado del gas de electrodos porosos de la celda de combustible.

Las celdas de combustible alcalinas son el tipo de celdas de combustible con más alto rendimiento, de hasta el 65%, y aptas para funcionar desde temperatura ambiente hasta 200ºC y a presión de hasta 200 bar; esta alta flexibilidad permite la elección de las condiciones operativas más adecuadas bien para optimizar los rendimientos totales o bien para reducir la complejidad y el coste de las plantas.

Descripción de la intención

El ámbito de la presente invención es la mejora del rendimiento de una celda electroquímica con electrodos porosos apta para ser usada como electrolizador o como celda de combustible.

Inesperadamente, se ha encontrado que aplicando una modulación de presión al electrolito el rendimiento mejora hasta el 30% usando la celda convencional con electrodos porosos de malla de carbono/níquel.

Según un primer aspecto de la presente invención, se proporcionan módulos de celdas electroquímicas constituidos por pares de electrodos porosos multicapa catalíticos que forman los ánodos y los cátodos y que delimitan áreas gaseosas externas y áreas internas que contienen el electrolito y conectados por un circuito eléctrico externo. El módulo de celdas comprende moduladores de presión que generan en uso dos ciclos de presión sincronizados independientemente pero de fase opuesta que actúan en la entrada y en la salida del electrolito circulante,...

1. Los módulos de celdas electroquímicas constituidos por pares de electrodos porosos multicapa catalíticos que forman los ánodos y los cátodos y que delimitan áreas gaseosas externas y áreas internas que contienen el electrolito y conectados por un circuito eléctrico externo caracterizados porque el módulo de celdas comprende:

- moduladores de presión que generan en uso dos ciclos de presión sincronizados independientemente pero de fase opuesta que actúan como la entrada y la salida del electrolito circulante,

- electrodos porosos multicapa que rezuman en el lado del gas, y

- medios para intercambiar calor en los electrodos porosos de los módulos de celdas a través del electrolito que fluye en la celda electroquímica.

2. La celda electroquímica según la reivindicación 1 en la que:

- los electrodos porosos multicapa son conductores e hidrófobos en el lado del gas,

- las capas medias conductoras y catalíticas son hidrófobas e hidrófilas, y

- una capa no conductora, no catalítica y preferentemente hidrófila está en el lado del electrolito.

3. La celda electroquímica según las reivindicaciones 1 y 2 en la que los moduladores de presión están unidos a dos tanques que contienen en uso el electrolito en dos presiones diferentes y cada uno conectado respectivamente en la entrada y en la salida de la celda mediante una válvula.

4. La celda electroquímica según las reivindicaciones 3 en la que las secciones de apertura de la válvula de salida S y de la válvula de entrada s son tales que S > s.

5. La celda electroquímica según las reivindicaciones 1 a 4 en la que los moduladores de presión modulan en uso a una frecuencia en el intervalo de 1 a 60 Hz, preferentemente en el intervalo de 1 a 50 Hz.

6. La celda electroquímica según las reivindicaciones 1 a 5 en la que

- en uso una fuente de energía proporciona una corriente continua externa a los electrodos porosos de manera que en el cátodo existe formación de H₂ y en el ánodo existe formación de O₂, y

- en uso el electrolito es una solución acuosa de KOH.

7. La celda electroquímica según la reivindicación 6, en la que la celda es un electrolizador.

8. La celda electroquímica según las reivindicaciones 1 a 5 en la que

- el electrolito es una solución acuosa de KOH, y

- se extrae energía eléctrica de los electrodos porosos alimentando los lados del gas de los electrodos respectivamente con H₂ y O₂.

9. La celda electroquímica según la reivindicación 8, en la que la celda es una celda de combustible.

10. Procedimiento electroquímico que usa las celdas electroquímicas de las reivindicaciones 1 a 9 que comprende las etapas siguientes:

- mantenimiento en el lado del gas de una presión P de hasta 200 bar;

- variación en el lado interno de la presión del electrolito de forma discontinua en el intervalo P + dP y P + dp

- generación en el electrolito de ondas de presión positivas de amplitud dP y dp con la frecuencia f: cuando se abre una válvula se cierra la otra y viceversa,

- intercambio de calor en los electrodos porosos de los módulos de celdas a través del electrolito que fluye en la celda electroquímica.

11. Procedimiento electroquímico según la reivindicación 10 en el que las sobrepresiones son tales que dP > dp, preferentemente las dos sobrepresiones se aplican para ciclos de longitud t_dP y t_dp en los que t_dP < t_dp en la frecuencia f = 1/T en la que T = t_dP + t_dp; más preferentemente las dos sobrepresiones se aplican a una frecuencia en el intervalo de 1 a 60 Hz, preferentemente en el intervalo de 1 a 50 Hz.

12. Procedimiento electroquímico según las reivindicaciones 10 a 11 en el que:

- se suministra calor externo,

- una fuente de energía proporciona una corriente continua externa a los electrodos porosos de manera que en el electrodo negativo existe formación de H₂ y en el electrodo positivo existe formación de O₂, y

- el electrolito es una solución acuosa de KOH.

13. Procedimiento electroquímico según las reivindicaciones 10 a 11 en el que:

- el electrolito es una solución acuosa de KOH, y

- se extrae energía eléctrica de los electrodos porosos alimentando los lados del gas de los electrodos respectivamente con H₂ y O₂.