La presente invención se refiere a un generador de hidrógeno que comprende un apilamiento (1) de al menos un elemento funcional con un ánodo (2) para la producción de oxígeno,

un cátodo (3) para la producción de hidrógeno y una membrana (4) situada entre el ánodo (2) y el cátodo (3). En dicho generador el ánodo (2) se comunica con un separador anódico (5) y el cátodo (3) con un separador catódico (6), contando dichos separadores (5, 6) con un volumen variable libre. El apilamiento (1) anterior está situado en el interior de una cámara (7) estanca en la que a través de una entrada de gas (8) se introduce un gas para presurizar el interior de la cámara (7). Por otro lado, un procesador mantiene una relación entre las presiones anódica y catódica y entre el volumen variable libre del separador catódico (6) y el volumen variable libre del separador anódico (5) superior o igual a 2:1

Generador de hidrógeno.

Campo de la invención

La presente invención pertenece al campo de los generadores de hidrógeno. Más concretamente la presente invención describe un generador capaz de producir hidrógeno a una presión mayor a la presión del medio ambiente que rodea el apilamiento y unas membranas adecuadas para trabajar sin problemas a dichas presiones.

Antecedentes de la invención

La invención se refiere a un generador de hidrógeno y oxigeno por electrólisis de agua de la clase denominada PEM, es decir, Proton Exchange Membrane. Estos dispositivos constan de un número variable de elementos funcionales, apilados en serie formando un apilamiento, o stack.

La resistencia mecánica de las membranas que actúan como electrolito y separan físicamente los circuitos anódico y catódico dentro del generador de hidrógeno permiten la existencia de presiones diferentes en ambos circuitos. Esta presión, denominada presión diferencial, está limitada no sólo por la resistencia mecánica de la membrana, sino también por la estabilidad de sus propiedades electroquímicas, especialmente por su permeabilidad de gases, o crossover en la terminología inglesa. La permeabilidad no solo es dependiente de la presión diferencial absoluta, sino que también es función de las presiones parciales de los gases presentes en el generador, hidrógeno y oxígeno.

Adicionalmente, existen límites absolutos de presión en ambos circuitos establecidos por la capacidad de confinamiento de los elementos de sellado o juntas. La presión diferencial en este caso corresponde a la diferencia de presión entre el interior de cada circuito y la presión exterior. De este modo, el generador está condicionado por cinco valores de presión diferentes: la presión de circuito anódico, la presión del circuito catódico, la presión parcial de oxígeno en el circuito anódico, la presión parcial de hidrógeno en el circuito catódico y la presión exterior.

Existen varios factores que dificultan la penetración comercial de los generadores de hidrógeno de tipo PEM.

Uno de ellos es la baja densidad energética del hidrógeno producido, que casi siempre obliga a instalar una o varias etapas posteriores de comprensión mecánica del gas, lo que disminuye drásticamente la eficiencia energética del conjunto por ser la comprensión mecánica un proceso de alto consumo energético en el que tienen lugar importantes pérdidas mecánicas y térmicas. Además, los sistemas de comprensión mecánica suelen requerir mantenimiento por lo que su coste de operación es también elevado.

Adicionalmente, las membranas conocidas en el estado de la técnica para generadores de hidrógeno no son capaces de soportar presiones muy superiores a la presión atmosféricas, no pudiendo ser empleadas en entornos en los que la presión supera estos valores, dificultando entonces el desarrollo de generadores con una mayor presión en la producción del hidrógeno.

Descripción de la invención

La invención se refiere a un generador de hidrógeno que comprende un apilamiento de al menos un elemento funcional. El apilamiento comprende un ánodo para la producción de oxigeno, un cátodo para la producción de hidrógeno y una membrana situada entre el ánodo y el cátodo. Un tipo de membrana comúnmente utilizada en los generadores de hidrógeno tipo PEM son las de tipo PFSA (ácido perfluorosulfónico). La membrana usada en el generador de hidrógeno según una realización particular y preferida de la presente invención es una membrana tipo PFSA modificada de acuerdo con un método que se describirá más adelante y que representa un aspecto adicional de la invención.

Tanto el ánodo como el cátodo están formados por la conexión en serie de los elementos funcionales, que también comprenden ánodos, cátodos y membranas. La unión de dichos ánodos constituye un circuito anódico, la unión de los cátodos un circuito catódico.

De acuerdo con la invención, el ánodo se comunica con un separador anódico y el cátodo con un separador catódico. En dichos separadores anódico y catódico se procede a separar los gases producidos por la disociación del agua de la propia humedad que haya podido arrastrar el gas. De este modo, los separadores contendrán agua y oxigeno, en el separador anódico, y agua e hidrógeno, en el separador catódico. La transferencia de agua del circuito anódico al circuito catódico, a través de las membranas que actúan como electrolito provoca que el volumen libre para ser ocupado por los gases sea variable, es decir, que según el nivel de agua en cada separador el volumen libre para el oxigeno o hidrógeno variará.

Por otro lado, el generador de hidrógeno comprende una cámara estanca con una entrada de gas conectada a una fuente de gas, situándose el apilamiento en el interior de dicha cámara.

El apilamiento se sitúa en el interior de la cámara estanca definida, por lo que la presión a la que se verá sometido no será la atmosférica, si no aquella que exista en el interior de la cámara, la cual podrá ser controlada con el fin de minimizar posibles gradientes de presión entre los circuitos anódico y catódico del apilamiento y la cámara. En el caso de que el apilamiento no se confinara en la cámara, un incremento de presión respecto a la presión atmosférica en el ánodo o en el cátodo debería ser soportado por las juntas y las paredes del apilamiento. Si el apilamiento se confina en la cámara, el incremento de presión en el interior del apilamiento puede ser compensado con un incremento de la presión en la cámara, de tal modo que la presión total ejercida sobre las paredes y juntas del apilamiento sea nula o inferior a un determinado umbral.

El incremento de presión en la cámara se podrá realizar conectando el interior de la cámara con el gas producido en el cátodo. El hidrógeno podrá ser extraído del apilamiento fuera de la cámara, para posteriormente ser introducido en la cámara por una entrada de gas. De este modo, la presión en el cátodo del apilamiento será la misma que en la cámara, salvo las posibles pérdidas que se puedan producir en el tránsito del gas desde el cátodo a la cámara. De este modo, las paredes del cátodo del apilamiento estarán sometidas a una presión total nula o prácticamente nula.

Alternativamente, se podrá conseguir el mismo objetivo mediante la inyección al interior de la cámara de un gas inerte presurizado a través de la entrada de gas de la cámara. Dicho gas inerte podrá ser, por ejemplo, nitrógeno.

El generador de hidrógeno comprende adicionalmente un procesador configurado para mantener una relación entre el volumen variable libre del separador catódico y el volumen variable libre del separador anódico superior o igual a 2:1.

La disociación del agua para la producción de hidrógeno y oxigeno produce por cada volumen de oxigeno dos volúmenes de hidrógeno. Si el volumen que puede ocupar el oxigeno en el separador anódico es menor o igual a la mitad del volumen que puede ocupar el hidrógeno en el separador catódico, los incrementos de presión que se producirán durante la producción de hidrógeno serán mayores en el separador anódico, donde se produce el oxígeno, que en el separador catódico. De este modo, la modulación o ecualización de la presión entre los circuitos anódico y catódico puede llevarse a cabo a través del control de la presión del circuito anódico, liberando selectivamente la presión del oxígeno producido y del control de los volúmenes libres en ambos separadores, donde en el caso de tener que liberar presión en ningún caso será necesario llevar acciones sobre el hidrógeno producido, evitándose así posibles accidentes debidos a su alta reactividad.

Adicionalmente, los separadores catódico y anódico podrán comprender sendos sensores de nivel. Gracias a estos sensores, que podrán ser uno o varios según las exigencias de diseño, será posible conocer el nivel de agua y con este valor obtener el volumen libre en cada separador.

El separador anódico podrá estar conectado a un depósito de agua. Este depósito de agua se empleará para la provisión de agua al generador de hidrógeno, a través de las conexiones que los separadores anódico y catódico tienen con el apilamiento. Adicionalmente, debido que un aporte de agua reduce el volumen libre para el oxígeno, la transferencia de agua podrá ser controlada por el procesador para lograr la relación de volúmenes comentada anteriormente.

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1. Generador de hidrógeno que comprende un apilamiento (1) de al menos un elemento funcional, dicho apilamiento (1) comprende un ánodo (2) para la producción de oxígeno, un cátodo (3) para la producción de hidrógeno y una membrana (4) situada entre el ánodo (2) y el cátodo (3),

caracterizado por que el ánodo (2) se comunica con un separador anódico (5) y el cátodo (3) con un separador catódico (6), contando el separador anódico (5) con un volumen variable libre y el separador catódico (6) con un volumen variable libre, y

por que el generador de hidrógeno comprende adicionalmente una cámara (7) estanca con una entrada de gas (8) conectada a una fuente de gas, situándose el apilamiento (1) en el interior de la cámara (7), y un procesador configurado para mantener una relación entre el volumen variable libre del separador catódico (6) y el volumen variable libre del separador anódico (5) superior o igual a 2:1.

2. Generador de hidrógeno según la reivindicación 1, caracterizado por que la fuente de gas es el cátodo (3).

3. Generador de hidrógeno según la reivindicación 1, caracterizado por que la fuente de gas es un depósito de gas inerte.

4. Generador de hidrógeno según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado por que el separador catódico (6) comprende al menos un sensor de nivel (9).

5. Generador de hidrógeno según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado por que el separador anódico (5) comprende al menos un sensor de nivel (10).

6. Generador de hidrógeno según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado por que el separador anódico (5) está conectado a un depósito de agua (11), estando configurado el procesador para transferir selectivamente agua desde el depósito de agua (11) al separador anódico (5).

7. Generador de hidrógeno según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado por que el separador anódico (5) está conectado a una válvula (12), estando configurado el procesador para abrir y cerrar selectivamente la válvula (12).

8. Generador de hidrógeno según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado por que el cátodo (3) comprende una válvula (13) para la retirada del hidrógeno producido.

9. Generador de hidrógeno según cualquiera de las reivindicaciones 1-7 caracterizado porque comprende una membrana (4) tipo PFSA.

10. Generador de Hidrógeno según reivindicación 9, caracterizada por que la membrana (4) tipo FPSA es una membrana (4) tipo PFSA modificada de acuerdo con un método que comprende los pasos de:

11. Generador de Hidrógeno según la reivindicación 10 caracterizado porque entre cada uno de los pasos a) a f) la membrana se somete a uno o varios lavados con agua destilada.

12. Generador de Hidrógeno según cualquiera de las reivindicaciones 9 o 10 caracterizado porque las etapas a)-f) se llevan a cabo a una temperatura de entre 40-100ºC.