Electrolizador de alta presión.

Un electrolizador (100) que comprende:

- un recipiente a presión (115) que tiene una envuelta y extremos cerrados opuestos;

- una pila de células electrolíticas (101) dentro de dicho recipiente a presión, que comprende una pluralidad decélulas electrolíticas bipolares apiladas entre una primera placa del extremo terminal (107a) y una segunda placa delextremo terminal (108a), estando la pila de células dispuesta para funcionar a presión interna;

- conexiones de fluido para suministrar un e 10 lectrolito a la pila de células y para recoger el producto o productos de laelectrolisis de la pila de células, y conexiones eléctricas que comprenden al menos una conexión de ánodo y decátodo,

caracterizado porque:

la primera placa del extremo terminal (107a) de la pila de células forma una pieza con uno de dichosextremos cerrados del recipiente a presión, formando de este modo un cabezal estacionario (107) de lapila de células;

dicho cabezal estacionario (107) está equipado con dichas conexiones de fluido (122) y conexioneseléctricas de ánodo y de cátodo (120, 121) con la pila de células;

la segunda placa del extremo terminal (108a) de la pila de células está dentro del recipiente a presión(115) y es libre de moverse en una dirección longitudinal con respecto a la primera placa del extremoterminal y al recipiente, en respuesta a la expansión o contracción térmica, formando de este modo uncabezal flotante (108) de la pila de células.

Electrolizador de alta presión.

Campo de la invención La invención se refiere al campo de los electrolizadores, especialmente para la electrolisis de agua. Más en detalle, la invención se refiere a un electrolizador que comprende una pila de células dentro de un recipiente a presión, para funcionamiento a alta presión.

Técnica anterior

La electrolisis es un procedimiento bien conocido para separar elementos enlazados químicamente. El procedimiento puede realizarse a presión cuando se desea obtener los productos de la electrolisis a la misma presión.

Una de las aplicaciones más comunes de la electrolisis es la producción de hidrógeno (H2) mediante electrolisis de agua y, en el resto de esta memoria descriptiva, se hará referencia a este uso preferido de la invención.

La generación de hidrógeno mediante electrolisis de agua es bien conocida a presiones hasta aproximadamente 30 bares, para servir a procedimientos químicos. En los últimos años, sin embargo, ha surgido la necesidad de producir hidrógeno a una presión mucho mayor.

El hidrógeno es un mejor candidato para almacenamiento y transporte de energía, especialmente para generación de energía distribuida a partir de fuentes renovables y para suministrar energía a vehículos que funcionan con hidrógeno o con pila de combustible. El almacenamiento de hidrógeno para su uso como combustible o portador de energía, sin embargo, requiere una presión muy alta, por ejemplo 200 bares o más. Actualmente, se consideran presiones adecuadas para el almacenamiento de hidrógeno combustible 350 bares (5000 psi) o 700 bares (10.000 psi) . La compresión de hidrógeno a estas presiones muy altas requiere costosos compresores de etapas múltiples y

consume mucha energía. Por lo tanto, existe una fuerte necesidad de una electrolisis capaz de producir directamente el hidrógeno a la presión anterior.

El documento US 4.758.322 desvela una estructura bien conocida de un electrolizador, la llamada configuración de filtro-prensa. Una serie de células bipolares se apilan en serie, y se colocan juntas entre dos placas del extremo, 35 interconectadas mediante varillas de conexión. Cada una de las células bipolares comprende un compartimento anódico, y un compartimento del cátodo, separados por un diafragma o una membrana. A su vez, cada célula está separada de la siguiente por una pared conductora, la llamada placa bipolar, que tiene polaridad opuesta en las dos caras. La pila de células se mantiene junta mediante las placas del extremo que forman las conexiones del extremo del ánodo (+) y el cátodo (-) de la pila. Las placas del extremo son empujadas una hacia la otra por las varillas de conexión que están aisladas eléctricamente para evitar un cortocircuito de las células. Un electrolito líquido se introduce en las células, y los gases producidos se recogen desde este.

Este electrolizador tiene una capacidad limitada para funcionar a presión interna, es decir con el electrolito y los gases producidos a presión. Los marcos de las células y las placas del extremo de la pila de células, de hecho,

deben soportar toda la diferencia de presión (delta-p) entre el interior y el exterior, habitualmente a presión atmosférica. A cierta delta-p, los marcos de las células no son capaces de resistir las tensiones mecánicas, ni sus juntas de impedir la fuga del electrolito o los gases y, en la práctica, este electrolizador está limitado a una presión interna de varias decenas de bares.

Para superar este problema, se ha propuesto un tipo diferente de electrolizadores presurizados. La idea básica es equilibrar la presión interna de la pila de células, accionando la misma pila de células dentro de un recipiente presurizado.

El documento US 6.153.083 desvela un electrolizador para la electrolisis de agua a presión, cuando la pila de células 55 bipolares, que responde a la ya mencionada configuración de filtro-prensa, es encapsulada en un recipiente a presión. Los dos electrodos del extremo de la pila están conectados a la fuente de electricidad mediante dos cables que conducen al interior que discurren a través del recipiente a presión, estando el interior del recipiente a presión lleno de agua presurizada que rodea a la pila de células. Son defectos de este diseño, sin embargo, dado que no se describen en detalle, aunque muy difíciles de resolver en la práctica, el pasaje de los cables a través del recipiente presurizado, y dispositivos para suministrar el electrolito alcalino dentro de la pila de células, así como para recoger el hidrógeno y el oxígeno gaseosos suministrados por la pila. En la práctica, existe la necesidad de proporcionar entradas/salidas a través del recipiente presurizado, donde la estanqueidad es crucial y cualquier fuga puede poner en peligro el funcionamiento del electrolizador. Una caída de presión en el recipiente, en particular, causaría, en la mayoría de los casos, daños irreparables al interior del electrolizador. Además, este diseño se ha usado para presiones de hasta 30 bares, insuficientes para el almacenamiento de hidrógeno tal como se ha descrito anteriormente.

Una técnica de encapsulación diferente se desvela en el documento DE 44 18 999. El bloque de células está

rodeado por un tubo de presión, cerrado en los dos extremos por dos bridas respectivas, que son también las cubiertas del extremo del bloque de células, y están provistas, por lo tanto, de las conexiones necesarias para conducir los fluidos dentro y fuera de las células electrolíticas. El espacio dentro del tubo de presión y fuera del bloque de células se coloca a presión hidráulica mediante el electrolito suministrado a las células electrolíticas. Para compensar la expansión diferencial entre el bloque de células y el recipiente, que son forzados a tener la misma longitud, los marcos de las células (de material no conductor) se alternan con juntas planas elastoméricas. Este diseño tiene un punto débil en la estanqueidad de dichas juntas y, además, el uso del electrolito conductor como fluido presurizante aumenta el riesgo de cortocircuito en caso de fuga de las células.

Otro problema de la técnica anterior es la diferente expansión térmica del recipiente o el tubo de presión, en comparación con la expansión térmica del interior de la pila de células, que puede ser la causa de tensión mecánica con el riesgo de fuga y liberación de electrolito. En un sistema presurizado con agua, incluso una pequeña fuga de electrolito es fatal, dado que el agua se vuelve conductora, con la aparición de derivaciones eléctricas y corrientes parásitas, y pérdidas de energía relacionadas o incluso cortocircuitos y daños graves de la pila de células.

Por lo tanto, las desventajas de la técnica anterior pueden resumirse de la siguiente manera. Algunos de los electrolizadores presurizados conocidos pueden funcionar a niveles de presión muy por debajo de la necesidad para una reducción razonable del volumen específico de hidrógeno con el fin del almacenamiento a granel de gas; las conexiones de fluido y eléctricas a través del recipiente a presión, en particular, son críticas para la estanqueidad del sistema; El uso generalizado de agua como medio presurizante deja el riesgo de corrientes parásitas o peligrosos cortocircuitos en caso de fuga del electrolito; el uso alternativo del electrolito para presurizar el recipiente es aún más peligroso por las razones descritas anteriormente. Estas desventajas, descritas en relación con la electrolisis de agua, también pueden generalizarse a otras aplicaciones.

Resumen de la invención El problema subyacente de la invención es proporcionar una estructura de un electrolizador de pila de células presurizadas adaptado para superar las limitaciones anteriores, y en particular para generar de forma segura y fiable hidrógeno a partir de agua, a la alta presión requerida mediante el uso de hidrógeno como combustible o portador de energía.

Este problema se resuelve con un electrolizador que comprende:

- un recipiente a presión que tiene una envuelta y extremos cerrados opuestos;

- una pila de células electrolíticas dentro de dicho recipiente a presión, que comprende una pluralidad de células electrolíticas bipolares apiladas entre una primera y una segunda placas del extremo terminales, estando la pila de células dispuesta para funcionar a presión interna;

- conexiones de fluido para suministrar un electrolito a la pila de células y para recoger el producto o productos de la

electrolisis de la pila de células, y conexiones eléctricas que comprenden al menos una conexión de ánodo y una de cátodo,

estando el electrolizador caracterizado... [Seguir leyendo]

1. Un electrolizador (100) que comprende:

- un recipiente a presión (115) que tiene una envuelta y extremos cerrados opuestos; 5

- una pila de células electrolíticas (101) dentro de dicho recipiente a presión, que comprende una pluralidad de células electrolíticas bipolares apiladas entre una primera placa del extremo terminal (107a) y una segunda placa del extremo terminal (108a) , estando la pila de células dispuesta para funcionar a presión interna;

- conexiones de fluido para suministrar un electrolito a la pila de células y para recoger el producto o productos de la electrolisis de la pila de células, y conexiones eléctricas que comprenden al menos una conexión de ánodo y de cátodo,

caracterizado porque:

la primera placa del extremo terminal (107a) de la pila de células forma una pieza con uno de dichos extremos cerrados del recipiente a presión, formando de este modo un cabezal estacionario (107) de la pila de células;

dicho cabezal estacionario (107) está equipado con dichas conexiones de fluido (122) y conexiones eléctricas de ánodo y de cátodo (120, 121) con la pila de células;

la segunda placa del extremo terminal (108a) de la pila de células está dentro del recipiente a presión (115) y es libre de moverse en una dirección longitudinal con respecto a la primera placa del extremo terminal y al recipiente, en respuesta a la expansión o contracción térmica, formando de este modo un cabezal flotante (108) de la pila de células.

2. Un electrolizador de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el recipiente (115) tiene una cubierta del extremo plana (107a) que también constituye dicha primera placa del extremo terminal de la pila de células (101) . 30

3. Un electrolizador de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que dichas conexiones eléctricas comprenden: al menos un primer conector eléctrico (120) que pasa a través de dicha primera placa del extremo terminal (107a) de la pila de células (101) , aislado de dicha placa y conectado eléctricamente a la primera célula de la pila; al menos un segundo conector eléctrico (121) asociado y conectado eléctricamente a la primera placa del

extremo terminal, estando la primera placa del extremo terminal (107a) conectada eléctricamente con la segunda placa del extremo terminal (108) de la pila (101) .

4. Un electrolizador de acuerdo con la reivindicación 3, en el que dichas primera y segunda placas del

extremo terminales de la pila de células se colocan juntas mediante varillas de conexión (109) , que proporcionan 40 conexión mecánica y eléctrica entre dichas primera y segunda placas del extremo (107a, 108a) .

5. Un electrolizador de acuerdo con la reivindicación 3 o 4, en el que dicho primer conector eléctrico (120) y/o dicho segundo conector eléctrico (120) se realizan con una varilla de conexión.

6. Un electrolizador de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en el que dicho primer conector eléctrico (120) es el positivo, que porta la corriente anódica a la primera célula de la pila de células (101) , y dicho segundo conector eléctrico (121) es el negativo, teniendo de este modo la función de terminación del cátodo para la última célula de la pila.

7. Un electrolizador de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el primer conector eléctrico (120) es una varilla de conexión que pasa a través del cabezal estacionario (107) de la pila de células (101) , y aislada de dicho cabezal estacionario mediante un casquillo tubular (119) ; la varilla de conexión (120) está fijada al primer ánodo (117) de la pila (101) ; una placa aislante (118) está provista entre dicho primer ánodo (117) y el cabezal estacionario (107) ; un casquillo aislante (125) y juntas (126) están provistas para separar dicha varilla de conexión

del espacio a presión dentro de la pila de células.

8. Un procedimiento de electrolisis, en particular para electrolisis de agua, en un electrolizador de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un recipiente a presión y una pila de células electrolíticas dentro de dicho recipiente a presión, comprendiendo la pila de células una pluralidad de células electrolíticas bipolares apiladas entre una primera y una segunda placas del extremo terminales, y dispuestas para funcionar a presión interna, caracterizado porque el recipiente, durante el funcionamiento de la pila de células, es presurizado por un medio gaseoso.

9. Un procedimiento de electrolisis de acuerdo con la reivindicación 8, en el que dicho medio gaseoso se produce a presión en dicha pila de células.

10. Un procedimiento de electrolisis de acuerdo con la reivindicación 9, en el que la presión en la pila de células es mayor que el nivel de presión en el recipiente. 10

11. Un procedimiento de electrolisis de acuerdo con la reivindicación 8 para electrolisis de agua, en el que la presión del hidrógeno suministrado por la pila de células es mayor de 30 bares y, preferentemente, está en el intervalo de 100 a 700 bares.

12. Un equipo para electrolisis, que comprende:

- un electrolizador (200) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, que comprende una pila de células (210) dentro de un recipiente a presión (220) , estando la pila de células adaptada para suministrar al menos un producto gaseoso a presión;

- al menos un recipiente (V-1) que recibe dicho producto gaseoso y adaptado para separar el producto gaseoso del electrolito arrastrado;

- un conducto de flujo (208) que suministra al menos una parte de dicho producto gaseoso como medio presurizante 25 al interior de dicho recipiente a presión (220) .

13. Un equipo de acuerdo con la reivindicación 12 para electrolisis de agua, en el que la pila de células (210) está adaptada para suministrar hidrógeno y oxígeno a presión, que comprende;

- al menos un recipiente (V-1) que recibe el hidrógeno y otro recipiente (V-2) que recibe el oxígeno producido en el electrolizador (200) ; estando dichos recipientes adaptados para separar el hidrógeno y el oxígeno, respectivamente, del electrolito arrastrado;

- un conducto de flujo (208) que suministra al menos una parte de dicho hidrógeno o una parte de dicho oxígeno 35 como medio presurizante al interior de dicho recipiente a presión (220) , desde el recipiente respectivo.

14. Uso de un electrolizador o equipo de acuerdo con las reivindicaciones 1-7 o 12-13, para la producción de hidrógeno a una presión elevada a partir de la electrolisis de agua.