ES2882344T3 - Celda electrolítica de presión alta o diferencial - Google Patents

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Abstract

Electrolizador de presión alta o diferencial que comprende, una celda electroquímica (10) que tiene un lado de presión alta (16) y un lado de presión baja (14), donde dicha celda electroquímica comprende: unas primera y segunda placas de campo de flujo (12); una membrana (18) situada entre las placas de campo de flujo, donde la membrana tiene un primer lado en el lado de presión baja y un segundo lado en el lado de presión alta; un primer soporte poroso (24) entre el primer lado de la membrana y la primera placa de campo de flujo, donde el primer soporte poroso es relativamente incompresible en comparación con otros materiales situados entre las placas; un primer sello hermético (26) que rodea el primer soporte poroso, donde hay un espacio (E) entre el primer soporte poroso y el sello hermético en la superficie de la membrana; un segundo sello hermético (26) entre el segundo lado de la membrana y la segunda placa de campo de flujo, donde al menos una parte del segundo sello hermético está ubicado en el interior del espacio como se muestra en la vista en plano, por el que la membrana está protegida frente al hecho de que se introduzca en el espacio mediante una presión que proviene del lado de presión alta de la celda.

Description

DESCRIPCIÓN
Celda electrolítica de presión alta o diferencial
CAMPO
[0001] Esta especificación se refiere a unas celdas electroquímicas, en particular unas celdas electrolíticas para que operen a presiones altas o diferenciales.
ANTECEDENTES
[0002] Se conocen unas celdas electroquímicas que se pueden usar tanto como celdas para combustible como para electrolizadores, normalmente a presiones bajas o ambientales. Ejemplos de tales celdas se dan en la US 2014/093811, la US 2003/003342 y la US 2014/377682.
[0003] Las estaciones de servicio de hidrógeno emiten hidrógeno a presiones altas, normalmente de 350 a 700 bares. Una cantidad significativa de energía se consume en compresores en funcionamiento para alcanzar la presión de salida. En algunos casos se produce hidrógeno en la estación de combustible mediante electrólisis de agua. Produciendo hidrógeno comprimido electroquímicamente, en el electrolizador mismo, se consume energía adicional pero menos de la energía que se requiere para una compresión a la misma presión. En un dispositivo de almacenamiento de energía, la producción de hidrógeno a 60-80 bares permite que se inyecte hidrógeno en un gaseoducto de gas natural regional sin compresión adicional. Por consiguiente, en general es deseable producir hidrógeno por encima de la presión atmosférica. Sin embargo, que se incremente el coste de la unidad de electrólisis puede hacer que no sea deseable producir hidrógeno a la presión completa requerida para un dispositivo. En general, la producción de hidrógeno mediante electrólisis a una presión de aproximadamente 40-80 bares puede ser rentable aunque también se han propuesto electrólisis a presiones altas, por ejemplo a 120-350 bares.
[0004] En algunos casos, ambos lados de una celda electrolítica trabajan bajo presión. Esto crea una presión alta de oxígeno, que aumenta el riesgo de incendio. En otros casos, la unidad de electrólisis trabaja a una presión diferencial con el lado de oxígeno trabajando a una presión inferior o incluso a presión atmosférica. Esto es más eficiente eléctricamente, evita la producción de oxígeno a presión alta y permite que el balance de planta del lado de oxígeno se haga con materiales de presión baja.
[0005] Una electrólisis de presión diferencial crea tensión mecánica a través de la celda y desafía a los sistemas de sellado para evitar filtraciones. Incluso en las celdas de presión no diferencial, el lado de hidrógeno de la celda electrolítica funciona normalmente a una presión mayor que el lado de oxígeno para evitar una fuga de oxígeno en el hidrógeno. Cuando las presiones generales son grandes, por ejemplo 120 bares o más, conservar este diferencial mientras se tienen en cuenta las fluctuaciones en las presiones a ambos lados de la celda puede crear presiones diferenciales sustanciales a través de la celda, al menos temporalmente.
[0006] La patente estadounidense 7,432,008 describe una celda electroquímica con un ensamble de membrana y electrodos (MEA) situada entre unas primera y segunda placas de campo de flujo reactivo. Un sello hermético y una capa de difusión de gas (GDL) están situados entre el MEA y cada placa de campo de flujo. En diferentes formas de realización, una parte de borde de la GDL no es porosa y está solapada con el sello hermético. El solapamiento está configurado para eliminar o al menos minimizar un espacio que de otro modo existiría entre la GDL y el sello hermético y de este modo contrarresta el problema de que el MEA tenga una distorsión de presión diferencial en tal espacio.
La US 2014/093811 A1 divulga un electrolizador que comprende una membrana, un compartimento de ánodo y un compartimento de cátodo equipados con un electrodo de difusión de gas. Hay una junta de sellado en el lado del ánodo que tiene dos secciones de sellado y un cordón de sellado moldeable en el lado del cátodo, de manera que hay un espacio entre este y la capa de difusión de gas del cátodo, donde dicha junta de sellado está solapada con el espacio.
INTRODUCCIÓN
[0007] Esta especificación describe una celda electrolítica de presión alta o diferencial. La celda también puede estar adaptada a otras celdas electroquímicas que tengan una membrana en forma de lámina sólida.
[0008] Los inventores han observado que las estructuras de la patente estadounidense 7,432,008 tienen limitaciones en su capacidad para adaptarse a presiones altas. Esto es principalmente porque dependen de una parte de la capa de difusión de gas que es no porosa y también, en algunas formas de realización, de la compresión para contribuir en la formación del sellado. En celdas que pueden exponerse a presiones diferenciales altas, el lado de presión baja de la membrana debe estar soportado por un soporte poroso relativamente incompresible, por ejemplo titanio sinterizado. Tal soporte es difícil de hacer no poroso en un área determinada y no un sellado de buena calidad.
[0009] Una celda electrolítica que se describe aquí tiene una membrana, que puede tener unidas capas de electrodos/catalizadoras, ubicadas entre dos placas de campo de flujo. En el lado de presión baja de la membrana, hay un soporte poroso rodeado por un sello hermético. El soporte poroso y el sello hermético están emparedados entre la membrana y la placa de campo de flujo. En el lado de presión alta de la membrana, hay otro soporte poroso rodeado por un sello hermético. El sello hermético en el lado de presión alta ocupa un espacio entre el soporte poroso y el sello hermético en el lado de presión baja de la membrana. La estructura de la celda evita o reduce la distorsión de la membrana resultante de presiones diferenciales por el contenido de gas en el lado de presión alta (como se muestra en la vista en plano) dentro del espacio en el lado de presión baja.
[0010] En un ejemplo, una celda electrolítica tiene una membrana, que puede tener unidas capas de electrodos/catalizadoras, ubicadas entre dos placas de campo de flujo. En el lado de presión baja de la membrana, hay un soporte poroso rodeado por un sello hermético. El sello hermético está compuesto por un armazón, denominado alternativamente junta, que está generalmente en el mismo plano con el soporte poroso y un sello hermético suplementario que se encuentra comprimido entre la placa de campo de flujo y el armazón. En el lado de presión alta de la membrana, hay otro soporte poroso rodeado por un sello hermético. El sello hermético en el lado de presión alta está también compuesto por un armazón y un sello hermético suplementario. El armazón en el lado de presión baja ocupa un espacio entre el armazón y el soporte poroso en el lado de presión alta. Esta celda ejemplar está destinada a usarse en un electrolizador de presión diferencial que emita hidrógeno a 40 bares o más y oxígeno generalmente a presión atmosférica, o que funcione a presiones mayores pero con una presión diferencial similar.
El electrolizador de presión alta o diferencial según la invención se define en la reivindicación 1. Su uso según la invención se define en la reivindicación 8.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
[0011] La Figura 1 es una sección transversal esquemática de una celda electroquímica.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
[0012] La Figura 1 muestra una celda electroquímica 10. La celda 10 forma parte de una pila de celdas mayor que se configuraría repitiendo los elementos de la celda 10 y añadiendo otros elementos, tal como placas finales, generalmente de la misma manera que se montan las pilas de celdas convencionales. En el ejemplo mostrado, la celda 10 tiene placas de campo de flujo bipolares 12, que se pueden denominar solo placas 12 para abreviar. De modo alternativo, cada placa 12 se podría sustituir por una placa de campo de flujo del ánodo y una placa de campo de flujo del cátodo. Por lo tanto, se puede considerar que la celda 10 incluye solo la mitad de cada placa 12 como indica la llave en la Figura 1.
[0013] Para la finalidad de la siguiente exposición, la celda se describirá como se muestra en la Figura 1. En esta muestra, las dimensiones verticales van desde una placa 12 hacia la otra, de manera perpendicular a una placa 12. Las dimensiones horizontales, o en vista de plano, están en paralelo a las placas 12.
[0014] La celda 10 está dividida en vertical por una membrana 18 en un primer lado 14, denominado alternativamente lado de presión baja, y un segundo lado 16, denominado alternativamente lado de presión alta. Se puede hacer referencia a las partes de la celda 10 dentro de o en contacto directo con cualquiera de los lados de forma similar como primer o segundo componente, o componentes de presión alta o componentes de presión baja.
[0015] En el ejemplo mostrado, la membrana 18 es una membrana de intercambio protónico (PEM). La membrana 18 tiene unas capas catalizadoras 20 conectadas a un área central (en vista en plano) de ambos lados. Las capas catalizadoras 20 contienen también filamentos conductores u otros materiales y funcionan como parte de los electrodos de la celda 10. Se puede hacer referencia a la membrana 18 como un ensamble de membrana y electrodos (MEA). Alternativamente, se pueden incluir materiales catalizadores y conductores en capas separadas.
[0016] En el lado de presión baja 18 de la celda 10, la membrana 18 está separada de parte de la placa 12 que contiene el campo de flujo mediante un primer soporte poroso 24. El primer soporte poroso 24 es relativamente incompresible en comparación con otros materiales situados entre las placas 12. En el ejemplo mostrado, el primer soporte poroso 24 está hecho de titanio sinterizado con un nominal de 0,01" (0,25 mm) de grosor.
[0017] En el lado de presión alta 16 de la celda 10, la membrana 18 está separada de parte de la placa 12 que contiene el campo de flujo mediante un segundo soporte poroso 22. El segundo soporte poroso 22 es más compresible que el primer soporte poroso 24. En el ejemplo mostrado, el segundo soporte poroso es una tela, papel o fieltro de carbono. El segundo soporte poroso 22 es compresible a 0,01" (0,25 mm) o menos de grosor.
[0018] Los soportes porosos 22, 24 están rodeados, como puede observarse en la vista en plano, por un sello hermético, específicamente un armazón 26. Los armazones 26 funcionan como juntas de estanqueidad entre las placas 12 y la membrana 18. Los soportes porosos 22, 24 están contenidos así dentro de las cavidades selladas herméticamente en la celda 10. Los soportes porosos 22, 24 permiten a los gases comunicarse entre los campos de flujo de las placas 12 y la membrana 18 y conectan con electricidad también las placas 12 con las capas catalizadoras 20. Los armazones 26 contienen líquidos y gases en la celda 10, excepto en las entradas y salidas de la celda 10 como se conoce en el estado de la técnica. Los armazones 26 ayudan también a aislar eléctricamente las placas 12 entre sí.
[0019] Opcionalmente, se pueden incluir sellos herméticos suplementarios 28 entre las placas 12 y los armazones 26. Las placas 12 están hechas normalmente de metal y pueden tener algunas imperfecciones en la superficie. Los sellos herméticos suplementarios 28 están hechos de un material elástico, con relación a los armazones 26, y también puede estar moldeados directamente sobre las placas 12. Los sellos herméticos suplementarios 28 aseguran que el gas no se escape a través de cualquier sello hermético imperfecto entre un armazón 26 y una placa 12, por ejemplo a lo largo de un arañazo en la placa 12. Sin embargo, el sello hermético primario está formado entre la placa 12 y el armazón 26.
[0020] En la celda 10, hay un espacio E en los materiales en la superficie del lado de presión baja de la membrana 18. En el ejemplo que se muestra, hay un espacio E entre el primer soporte poroso 24 y el primer armazón 26. La membrana 18 está protegida de ser empujada en este espacio por el gas en el lado de presión alta de la celda 10 al tener el borde interno del sello hermético en el lado de presión alta de la celda 10 (producida por el segundo armazón 26) horizontalmente dentro del espacio E. Aunque solo se muestra una dimensión horizontal de la celda 10, el sello hermético del lado de presión alta estará preferiblemente dentro del espacio E en todas las dimensiones horizontales, es decir, el espacio E estará totalmente en el exterior del sello hermético del lado de presión alta en una vista en plano de la celda 10. Este posicionamiento relativo se aplica en particular al sello hermético formado contra la superficie de la membrana 18 en el lado de presión alta de la celda 10. Como se ha mencionado anteriormente, el sello hermético entre el armazón 26 y la placa 12 en el lado de presión alta puede ser imperfecto, pero la presencia de un gas de presión alta está limitado a áreas de imperfección en la superficie de la placa 12 y el armazón 26 ayuda a resistir la presión del gas en estas áreas.
[0021] También se pueden construir formas de realización alternativas diferentes. En una alternativa, la capa catalizadora 20 en el lado de presión baja se extiende hacia los bordes del primer soporte poroso 24, por ejemplo como se muestra en la A de la Figura 1. La capa catalizadora 20 no se extiende necesariamente a lo largo de todo el recorrido hacia el borde del primer soporte poroso 24, pero, en cambio, puede extenderse solo lo que sea necesario para solaparse con el armazón 26 en el lado de presión alta. Aunque la capa catalizadora 20 tiene un grosor muy pequeño, esta extensión puede ayudar a crear un sello hermético más fuerte entre la membrana 18 y el armazón 26 en el lado de presión alta de la celda 10. De forma similar, la capa catalizadora 20 en el lado de presión alta se puede extender, por ejemplo como se muestra en la B, para solaparse con el armazón 26 en el lado de presión alta, con o sin extenderse también la capa catalizadora 20 en el lado de presión baja de la celda 10.
[0022] En otras alternativas, uno o ambos de los armazones 26 pueden tener sus bordes alejados del borde de la placa correspondiente 12, por ejemplo de la línea C mostrada en la Figura 1. En este caso, el sello hermético suplementario correspondiente 28 se puede extender como se muestra en la D para resistir directamente contra la membrana 18. En otra alternativa, se omiten los sellos herméticos suplementarios 28. Sin embargo, la configuración preferida se muestra en la Figura 1. Como se ha mencionado anteriormente, en el lado de presión alta de la celda 10, el sello hermético entre el armazón 26 y la placa 12 puede verse comprometido por cualquier imperfección de superficie en la placa rígida 12. El sello hermético suplementario 28 incluye una superficie más elástica en el lado superior del armazón 26 para que resista. En el caso de que algún gas de presión alta pueda atravesar la línea C, es preferible que la membrana 18 sea soportada por una superficie completa e ininterrumpida de los armazones 26, o al menos por el armazón 26 en el lado de presión baja.
[0023] En otra alternativa, el segundo soporte poroso 22 y el armazón 26 en el lado de presión alta puede ser un componente integrado, por ejemplo un soporte poroso con un borde hermético. Sin embargo, los inventores no tienen constancia en el momento en que se escribe esta especificación de la existencia de un material adecuado para un soporte poroso integrado y un armazón que sea capaz de sellar herméticamente con presiones de 40 bares o más en el lado de presión alta de la celda 10. Por consiguiente, actualmente esta opción no es preferida ya que puede requerir, por ejemplo, reducir el armazón 26 en el lado de presión alta solo a la línea C y dependiendo del segundo sello hermético suplementario 28 para resistir la mayor parte de la presión aplicada al lado de presión alta.
[0024] En otra alternativa, el sello hermético suplementario 28 en el lado de presión alta de la celda podría estar colocado sobre el o dentro del espacio E (en vista en plano). Cualquier o más alternativas diferentes a las anteriormente descritas se pueden combinar también para producir alternativas adicionales.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Electrolizador de presión alta o diferencial que comprende,
una celda electroquímica (10) que tiene un lado de presión alta (16) y un lado de presión baja (14), donde dicha celda electroquímica comprende:
unas primera y segunda placas de campo de flujo (12);
una membrana (18) situada entre las placas de campo de flujo, donde la membrana tiene un primer lado en el lado de presión baja y un segundo lado en el lado de presión alta;
un primer soporte poroso (24) entre el primer lado de la membrana y la primera placa de campo de flujo, donde el primer soporte poroso es relativamente incompresible en comparación con otros materiales situados entre las placas;
un primer sello hermético (26) que rodea el primer soporte poroso, donde hay un espacio (E) entre el primer soporte poroso y el sello hermético en la superficie de la membrana;
un segundo sello hermético (26) entre el segundo lado de la membrana y la segunda placa de campo de flujo, donde al menos una parte del segundo sello hermético está ubicado en el interior del espacio como se muestra en la vista en plano, por el que la membrana está protegida frente al hecho de que se introduzca en el espacio mediante una presión que proviene del lado de presión alta de la celda.
2. Electrolizador según la reivindicación 1 donde el segundo sello hermético está solapado con el espacio.
3. Electrolizador según la reivindicación 1 o 2, que comprende además un segundo soporte poroso (22) entre el segundo lado de la membrana y la segunda placa, segundo soporte poroso que está ubicado en el interior del segundo sello hermético en vista en plano.
4. Electrolizador según la reivindicación 3, donde el segundo soporte poroso es más compresible que el primer soporte poroso.
5. Electrolizador según cualquiera de las reivindicaciones precedentes donde el primer soporte poroso es más rígido que el primer sello hermético o el segundo sello hermético.
6. Electrolizador según cualquiera de las reivindicaciones precedentes donde el segundo sello hermético comprende un armazón y un sello hermético suplementario (28).
7. Electrolizador según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el segundo sello hermético se produce mediante un segundo armazón (26), y
donde la celda comprende además una primera capa de catalizador (20) situada en el primer lado de la membrana, y una segunda capa de catalizador (20) situada en el segundo lado de la membrana, donde al menos una de la primera o segunda capa de catalizador se extiende para solaparse con el segundo armazón (26).
8. Uso del electrolizador según cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 7 para emitir hidrógeno y oxígeno, donde el electrolizador está accionado a una presión en el lado de presión alta de al menos 4000 kPa (40 bares) o a una presión diferencial entre el lado de presión alta y el lado de presión baja de al menos 4000 kPa (40 bares).
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