ES2323512T3 - Placa bipolar para electrolizador con una unica pared. - Google Patents
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Abstract
Placa bipolar para células electroquímicas conteniendo un primer y un segundo compartimento dividido por un separador y conteniendo, respectivamente, un primer y un segundo electrodo o distribuidor de corriente, conteniendo esta placa bipolar una única pared, rebordes perimetrales y medios de alimentación de reactivos y extracción de productos, conteniendo estos rebordes perimetrales un bastidor preensamblado provisto de una superficie plana de apoyo para la soldadura con esta única pared, estando esta única pared provista de salientes por sólo una cara y de soportes en la cara opuesta a la de los salientes.
Description
Placa bipolar para electrolizador con una única
pared.
La tecnología electroquímica tiene relevancia
industrial en la base de varios procesos, tales como la producción
de aluminio a partir de sales fundidas, de cobre, cinc, níquel,
cobalto y plomo a partir de las disoluciones acuosas obtenidas
lixiviando minerales, de clorina y sosa cáustica a partir de
disoluciones de cloruro sódico, de clorina y opcionalmente de
hidrógeno a partir de disoluciones hidroclóricas ácidas y de
hidrógeno y oxígeno a partir de disoluciones acuosas alcalinas o
ácidas.
Particularmente, en el caso de la electrólisis
de clorina-sosa cáustica:
2 \ NaCl + 2 \
H_{2}O \rightarrow Cl_{2} + H_{2} + 2 \
NaOH
el reactor industrial conocido como
electrolizador consiste, en la versión tecnológicamente más avanzada
de electrólisis de membrana, en un ensamblaje de células
elementales, formada cada una por dos armazones provistos de
bastidores perimetrales equipados con juntas de estanqueidad, una
membrana, dos electrodos, conocidos respectivamente como ánodo y
cátodo, sujetos a los soportes apropiados y varios inyectores para
alimentar las disoluciones conteniendo reactivos y para descargar
los productos y las disoluciones de escape. La membrana subdivide el
volumen interno de cada célula elemental en dos compartimentos,
respectivamente, el anódico, conteniendo el primero de ambos
electrodos (ánodo) o distribuidores de corriente (anódicos) sujetos
a los soportes relevantes, y el catódico que contiene el primero de
ambos electrodos (cátodo) o distribuidores de corriente (catódicos)
sujetos también asegurados a los soportes relevantes. Como las
disoluciones, los reactivos y los productos presentes en los dos
compartimentos, siendo diferentes (respectivamente, disolución de
cloruro sódico y clorina en el compartimento o anódico y disolución
de sosa cáustica e hidrógeno en el compartimento catódico) se
caracterizan por una agresividad química sustancialmente diferente,
los materiales de construcción de los dos armazones no pueden ser
iguales: particularmente el armazón anódico está construido con
chapa de titanio y el armazón catódico con chapa de
níquel.
Cuando las células individuales estén montadas
en series eléctricas para componer el electrolizador, la pared
anódica de titanio de una célula entra en contacto con la pared
catódica de níquel de la célula consecutiva.
Para una correcta comprensión del contenido de
la presente invención, que se ilustrará en los siguientes párrafos,
es necesario recordar que, desde un punto de vista constructivo,
cada célula elemental puede ejecutarse como unidad independiente
consistiendo en un par de armazones, respectivamente catódico y
anódico, por ejemplo, según lo ilustrado en la DE 19816334 (concepto
constructivo conocido por los expertos en la materia como "célula
individual").
Según una ejecución alternativa, la célula
elemental no existe como unidad independiente, sino que se genera
en su lugar emparejando los elementos apropiados (conocidos por los
expertos en la materia como placas bipolares) cuando el
electrolizador está montado, tal y como se muestra, por ejemplo, en
la Figura 3 de la US 4,767,519. En el caso de la electrólisis de
clorina-sosa cáustica, cada placa bipolar comprende
un armazón anódico de titanio y un armazón catódico de níquel
acoplados en correspondencia a las paredes, por ejemplo, por
soldadura. Durante el ensamblaje de un tipo similar de
electrolizador, se comprimen unas contra otras las placas bipolares
con las membranas y las juntas perimetrales intercaladas: en este
momento, la coincidencia del armazón anódico de titanio con el
armazón catódico de níquel de la placa bipolar consecutiva forma
las células elementales.
En el caso de la electrólisis alcalina del
agua:
2 \ H_{2}O
\rightarrow 2 \ H_{2} +
O_{2}
los dos compartimentos, anódico y
catódico, contienen una disolución de hidróxido de potasio cuya
agresividad no se vea sensiblemente influenciada por la presencia de
oxígeno en el compartimento anódico y de hidrógeno en el catódico.
Por tanto, los dos armazones que delimitan cada célula elemental se
fabrican generalmente del mismo material, particularmente níquel,
que es notablemente el metal caracterizado por la mejor resistencia
química a las disoluciones alcalinas. Este aspecto no tiene ningún
efecto si se adopta el diseño "célula individual", mientras que
conlleva un sustancial ahorro en los costes de construcción de las
placas bipolares: en este caso, de hecho, la placa bipolar no
consiste más en dos armazones mutuamente soldados, según lo
ilustrado en el caso de la electrólisis de
clorina-sosa cáustica, sino preferentemente en una
chapa individual de níquel actuando, una vez montado el
electrolizador, por un lado, como pared anódica delimitando el
compartimento anódico de una célula y, por el otro lado, como pared
catódica delimitando el compartimento catódico de la célula
consecutiva (única pared en
adelante).
Una situación totalmente equivalente ocurre en
el caso de la electrólisis de membrana del agua, en la que las dos
disoluciones, anódica y catódica, consisten respectivamente en agua
y oxígeno en el compartimento anódico y en agua e hidrógeno en el
compartimento catódico o, en una alternativa especial del proceso,
en agua y oxígeno en el compartimento anódico y en hidrógeno húmedo
en el compartimento catódico. En ambos casos, el material de
construcción adecuado a las condiciones anódicas y catódicas puede
ser acero inoxidable, o preferentemente titanio, considerando su
mejor inercia química.
Otra situación, en la que el material de
construcción compatible con ambos líquidos, anódico y catódico,
puede ser el mismo, viene dada por la electrólisis del ácido
hidroclórico en sus dos variantes, la convencional con clorina y la
evolución con hidrógeno:
2 \ HCl
\rightarrow H_{2} +
Cl_{2}
o la despolarizada por cátodo de
oxígeno:
4 \ HCl +
O_{2} \rightarrow 2Cl_{2} + 2 \
H_{2}O
En ambos casos, el titanio y preferentemente
algunas aleaciones del mismo demostraron ser compatibles con las
condiciones del proceso de ambos compartimentos, anódico
(disolución de ácido hidroclórico conteniendo clorina) y catódico
(respectivamente, hidrógeno u oxígeno con cantidades de menor
importancia de agua ligeramente ácida). Así, también en este caso,
la placa bipolar puede comprender una chapa individual que, durante
la operación del electrolizador, actúe como pared anódica por un
lado y como pared catódica por el otro (ver, por ejemplo, la US
5,770,035).
Una restricción a la adopción del diseño de
placa bipolar de única pared surge de la necesidad de los dos
compartimentos, catódico y anódico, de estar provistos de rebordes
perimetrales que permitan el sellado de los mismos compartimentos,
en cooperación con las juntas apropiadas, previniendo la salida de
fluidos del proceso. De acuerdo con los procedimientos
constructivos conocidos, los rebordes perimetrales se obtienen
moldeando o plagando las chapas que constituyen las paredes del
compartimento: en el caso de las placas bipolares conteniendo un par
de armazones, destinados respectivamente a delimitar un
compartimento anódico y un compartimento catódico, como sucede en
el caso de la electrólisis de clorina-sosa
cáustica, cada pared se procesa para formar solamente su propio
reborde y esta operación proporciona generalmente resultados
satisfactorios en términos de planaridad y de ausencia de defectos
mecánicos. Inversamente, en el caso de las placas bipolares
conteniendo una única pared es necesario proceder, operando con los
procedimientos conocidos, a una doble formación, ya que ambos
rebordes, catódico y anódico, son necesariamente parte de la misma
pared. La doble formación, independientemente del hecho de que se
efectúa por moldeo o plegado, introduce altas tensiones mecánicas
en el material con distorsiones notables y/o defectos mecánicos
frecuentes tales como los desgarros.
El problema se aborda en la EP 1 366 212, donde
se describen varios tipos de bastidores perimetrales apropiados
para su empleo con placas bipolares con una única pared. Se propone
particularmente el empleo de un bastidor que consista en una barra
o un tubo, ambos con perfil cuadrangular, en una de cuyas caras se
suelda una única pared del elemento bipolar, opcionalmente en dos
pasos consecutivos para garantizar mejor la ausencia de defectos
capaces de liberar los fluidos del proceso al ambiente externo. En
otro modo de ejecución, una única pared se procesa por moldeo o
plegado para formar un solo reborde, por ejemplo, el reborde
anódico, mientras que el segundo reborde, por ejemplo, el reborde
catódico, se preensambla por moldeo o plegado de una banda
apropiada de un material idéntico que el de una única pared: el
reborde catódico preensamblado se sujeta entonces por soldadura a
una única pared provista ya del reborde anódico. Otra alternativa de
fabricación propuesta también en la EP 1 366 212 proporciona el
ensamblaje de ambos rebordes, anódico y catódico, en forma de
bastidor perfilado en U obtenido por moldeo o plegado de una banda
apropiada y que una única pared, totalmente plana, se sujete, por
ejemplo, por soldadura, en el centro del bastidor. El problema de
ambos procedimientos de fabricación viene dado por la necesidad de
que las soldaduras, cuyo desarrollo lineal es notable, no presenten
ningún defecto de un tamaño que permita la salida de los fluidos
del proceso al ambiente externo. Le sigue que el procedimiento
requiere controles de calidad exhaustivos, por otra parte, con la
frecuente intervención de los operarios para eliminar los defectos
detectados. Considerándolo todo, la construcción resulta ser
demasiado costosa e incompatible con los requisitos de
marketing.
El aspecto del coste de producción considerado
anteriormente queda influenciado ulteriormente por los
procedimientos de sujeción de los ánodos y de los cátodos, que
comprenden la producción de los soportes relevantes y la ejecución
de las soldaduras requeridas.
La reducción de los costes en las últimas fases
se consideraba en la WO 03/038154, que propone obtener los soportes
para los ánodos y cátodos directamente a partir de una única pared
a través del moldeo de los salientes, por ejemplo, de forma
prismática, en ambas caras. Los ánodos y cátodos se sujetan
posteriormente a los topes de los salientes, por ejemplo, por
soldadura: el procedimiento anteriormente descrito permite un
ahorro, puesto que el material de soporte lo proporciona una única
pared y las soldaduras requeridas se reducen a aquellas para sujetar
los ánodos y cátodos a los topes de los salientes desprendidas de
la pared para soportar las soldaduras, necesarias cuando los
soportes se preensamblan por separado, tal y como resulta habitual
en las construcciones convencionales. La desventaja de la que
previene el empleo ventajoso del procedimiento de fabricación de la
WO 03/038154 viene dada por la notable deformación experimentada
por la chapa de una única pared durante el moldeo de los salientes
en ambas caras, teniendo como consecuencia una planaridad
totalmente inaceptable para las placas bipolares que tienen que
ensamblarse en un alto número para formar los electrolizadores
industriales.
El examen del estado anterior de la técnica
permite así afirmar que la producción de placas bipolares
conteniendo una única pared, provistas de rebordes anódico y
catódico, así como de electrodos o de distribuidores de corriente
con los soportes relevantes y caracterizadas por una planaridad
apropiada y costes de producción aceptables desde el punto de vista
comercial, representa ciertamente un problema industrial relevante,
sin solución viable hasta ahora.
La presente invención intenta solucionar el
problema perfilado anteriormente que propone un diseño de la placa
bipolar conforme a la Reivindicación 1 conteniendo una única pared
provista de rebordes, anódico y catódico, y con un ánodo y un
cátodo con los soportes relevantes, así como el procedimiento de
fabricación relativo conforme a la Reivindicación 27, caracterizado
por una simplificación de los procedimientos de plegado y/o moldeo
y de la soldadura, y por un estándar de la alta calidad en lo que
concierne a la planaridad de la placa bipolar acabada y a la
ausencia de defectos capaces de permitir la salida de los fluidos
del proceso al ambiente externo.
Bajo un primer aspecto, la invención consiste en
una placa bipolar conteniendo una única pared provista de rebordes
anódico y catódico, en la que los rebordes están formados por un
bastidor preensamblado provisto de una superficie de apoyo
apropiada para la única pared dirigida a facilitar la ejecución de
la soldadura de fijación perimetral entre el bastidor y la única
pared.
En un modo de ejecución de la invención, el
bastidor preensamblado tiene un perfil en U y se obtiene por moldeo
o plegado de una banda apropiada del mismo material que el de la
única pared.
En un modo de ejecución alternativo, el bastidor
preensamblado tiene una sección cuadrangular y se obtiene diseñando
una pieza troquelada del mismo material que el de la única
pared.
En un modo de ejecución preferente, la soldadura
perimetral se efectúa empleando la técnica láser de diodos.
En un modo de ejecución preferente, solamente
una de las dos caras de la placa bipolar está provista de salientes
longitudinales provistos de un vértice obtenido por moldeo, estando
estos salientes alineados paralelamente a uno de los lados de la
propia pared única.
En un modo de ejecución preferente, la placa
bipolar comprende un primer electrodo o distribuidor de corriente y
un segundo electrodo o distribuidor de corriente, sujetos
respectivamente a los vértices de los salientes y a los soportes en
forma de banda posicionados sobre la cara de la pared única libre de
salientes; los soportes en forma de banda se posicionan
opcionalmente en los recesos de los salientes con su pie en
correspondencia al intradós del vértice.
En un modo de ejecución preferente de la
invención, el primer electrodo o distribuidor de corriente, los
vértices de los salientes y los pies de los soportes en forma de
banda están conectados por medio de una primera serie única de
soldaduras de fijación.
En un modo de ejecución preferente de la
invención el segundo electrodo o distribuidor de corriente está
conectado a las superficies terminales libres de los soportes en
forma de banda por medio de una segunda serie única de soldaduras de
fijación.
En otro modo de ejecución el vértice de los
salientes se caracteriza por una superficie plana de tamaño
reducido.
Bajo otro aspecto, la invención hace referencia
a un electrolizador o apilamiento de células de combustible
conteniendo dos compartimentos divididos por un separador,
opcionalmente una membrana de intercambio iónico o diafragma
poroso, estando cada célula delimitada por placas bipolares
conteniendo una única pared y rebordes perimetrales conteniendo un
bastidor preensamblado provisto de superficie plana de apoyo para
la soldadura a la única pared.
Bajo un último aspecto, la invención hace
referencia a un método de fabricación de placas bipolares para
electrolizadores o células de combustible, conteniendo una única
pared y rebordes perimetrales conteniendo un bastidor preensamblado
provisto de superficie plana de apoyo para la soldadura a la única
pared. En un modo de ejecución preferente, el método comprende los
pasos de plegado o moldeo de una banda de chapa y de formación de
un bastidor con perfil en U con una superficie plana de apoyo, o
alternativamente de extrusión de los elementos cuadrangulares para
formar un bastidor con perfil cuadrangular cerrado y con superficie
plana de apoyo; preensamblaje de los soportes en forma de banda;
moldeo de los salientes en apenas un lado de la pared;
posicionamiento del el borde perimetral de la única pared sobre la
superficie plana de apoyo del bastidor y soldadura con técnica
láser de diodos; posicionamiento opcional de los dispositivos para
la circulación de fluidos bifásicos sobre esta única pared y
fijación por soldadura de resistencia eléctrica, soldadura de arco
eléctrico o soldadura láser; alojamiento de los soportes
preensamblados en los recesos de los salientes del elemento soldado
bastidor-pared única, con posicionamiento del primer
electrodo o distribuidor de corriente en contacto con el vértice de
estos salientes y ejecución de una primera serie única de
soldaduras por arco eléctrico o técnica de soldadura láser;
posicionamiento del segundo electrodo o distribuidor de corriente en
contacto con el vértice de estos salientes y ejecución de una
segunda serie única de soldaduras por arco eléctrico o técnica de
soldadura láser.
La Figura 1 esquematiza una porción de una
sección transversal de una placa bipolar de pared única conforme a
uno de los modos de ejecución del estado anterior de la técnica, en
el que los dos rebordes perimetrales se obtienen, respectivamente,
por plegado o moldeo de la única pared y por soldadura de un
elemento preensamblado por plegado o moldeo de una banda
apropiada.
La Figura 2A muestra una porción de una sección
transversal de un primer modo de ejecución de una placa bipolar de
pared única; en el que los dos rebordes consisten en un elemento
preensamblado individual en forma de bastidor perimetral con perfil
en U, donde el bastidor, formado por plegado o moldeo de una banda
apropiada, comprende una superficie de apoyo para facilitar la
soldadura a la única pared.
La Figura 2B muestra una sección del montaje
bastidor perimetral-pared única resultante de la
soldadura de los elementos de la Figura 2A.
La Figura 2C ilustra una porción de una sección
transversal conforme a otro modo de ejecución de una placa bipolar
de pared única, consistiendo los dos rebordes en un elemento
preensamblado individual en forma de bastidor perimetral cerrado
con perfil cuadrangular, donde el bastidor cerrado presenta una
superficie de apoyo para la soldadura a la única pared.
La Figura 3A representa una vista frontal de un
posible modo de ejecución de la única pared provista de salientes
longitudinales por sólo una cara.
La Figura 3B muestra la sección lateral de la
única pared de la Figura 3A a lo largo de la línea
X-X.
La Figura 4A esquematiza una vista frontal del
montaje resultante de la soldadura del bastidor de la Figura 2A con
la única pared de la Figura 3A conforme al esquema de fabricación
de la Figura 2B.
La Figura 4B ilustra la sección lateral del
montaje de la Figura 4A a lo largo de la línea
Y-Y.
La Figura 5 muestra una sección lateral del
montaje de las Figuras 4A y 4B provisto adicionalmente del primer
electrodo o distribuidor de corriente por la cara de los vértices
de los salientes y de soportes por la cara opuesta, fijándose el
primer electrodo o distribuidor de corriente, los vértices y los
pies de los soportes con una primera serie única de soldaduras.
La Figura 6 reproduce, en un esquema
tridimensional, un detalle del montaje de la Figura 5 con una vista
lateral del soporte, opuesto a la cara provista del primer
electrodo o distribuidor de corriente.
La Figura 7 representa finalmente la placa
bipolar de pared única resultante de la conclusión del montaje de
la Figura 5 con el segundo electrodo o distribuidor de corriente
fijo a las superficies terminales libres de los soportes por medio
de una segunda serie única de soldaduras.
\vskip1.000000\baselineskip
La Figura 1 esquematiza el tipo de diseño
propuesto por el estado anterior de la técnica para la construcción
de una placa bipolar de pared única. En particular, el primer
reborde (1a) se obtiene por plegado o moldeo de la propia pared
única (1), mientras que el segundo reborde (2) se prepara por
separado como elemento preensamblado plegado o moldeado haciendo
uso de una banda apropiada: el elemento preensamblado se suelda
entonces a la única pared a través de la soldadura perimetral (3)
que envuelve el espesor total de las dos chapas (1) y (2). El
bastidor así obtenido se completa finalmente con una barra de
refuerzo (4) de material metálico, también acero al carbono, por
ejemplo, o de material plástico, como por ejemplo, poliéster de
vinilo reforzado con fibra de vidrio. El problema que caracteriza
este tipo de diseño deriva de la presencia de defectos dentro de la
soldadura (3): estos defectos pueden poner en contacto los dos
fluidos de proceso en operación en las dos caras de la placa
bipolar, o uno de los fluidos de proceso con el ambiente externo.
Mientras que el tipo anterior de defecto es tolerable dentro de
ciertos límites, el último tipo representa un acontecimiento
completamente desfavorable. Por supuesto, tal y como saben los
expertos en la materia, las soldaduras pueden examinarse por varios
métodos para identificar la presencia de defectos capaces de poner
el interior de cualquier aparato químico o parte del mismo en
contacto con el ambiente externo. Estos métodos, sin embargo,
reducen los ratios de producción en una notable extensión y
determinan finalmente un aumento sustancial en los costes de
producción.
Las Figuras 2A, 2B y 2C esquematizan la solución
al problema de los defectos de soldadura propuestos por la presente
invención. En particular, los dos rebordes están formados por un
solo elemento en forma de bastidor con perfil en U (5) que actúa
como barrera frente al ambiente externo para los fluidos del
proceso, pues consiste en una chapa continua.
Esta acción de barrera puede verse anulada por
los defectos contenidos en la soldadura (7) que une el bastidor (5)
a la única pared (1): para prevenir el problema, la soldadura de
unión (7) se ejecuta por la técnica láser de diodos. Este
procedimiento se caracteriza por la posibilidad de predeterminar la
penetración de la fusión con alta precisión, incluso en el caso de
las chapas que componen el montaje, caracterizadas por espesores
comprendidos indicativamente entre algunas décimas de milímetro y 2
mm: con un ajuste apropiado se obtiene un grano de soldadura (7) que
penetre sólo parcialmente en el espesor de la chapa del bastidor
(5), para preservar este último como barrera efectiva. Los posibles
defectos pueden poner en contacto sólo los fluidos del proceso
presentes en las dos caras de la placa bipolar: esta presencia no
se puede excluir siendo inherente al proceso de soldadura por fusión
en sí mismo, aunque puede minimizarse ajustando ulteriormente los
parámetros de soldadura para obtener un grano de soldadura amplio,
cuyo cruce completo por los defectos resulte ser sustancialmente
inverosímil. Para garantizar la preservación de estas
características tan favorables, la ejecución de la soldadura está
facilitada por el peculiar perfil del bastidor (5) que, de hecho,
presenta una superficie plana de apoyo (6) dirigida a realizar un
contacto regular con el borde periférico de la única pared (1). En
conclusión, la adopción del diseño de bastidor y de los
procedimientos de soldadura de la invención permite prácticamente
librarse de los procedimientos de verificación de la calidad con un
sustancial ahorro en los costes de producción.
Debe observarse que el empleo de la técnica de
soldadura láser de diodo no sería decisivo en el caso del bastidor
conforme al diseño del estado anterior de la técnica de la Figura
1: de hecho, mientras que es verdad que los parámetros de soldadura
pueden ajustarse para evitar la fusión completa de la chapa (1),
asegurando de este modo la separación de los dos fluidos del
proceso presentes en las dos caras de la única pared, también es
verdad que no puede excluirse la presencia de posibles defectos
contenidos, según lo citado anteriormente, en el grano de soldadura.
Estos defectos, si son de tamaño suficiente, pondrían al fluido de
proceso presente en la cara del reborde (2) en contacto con el
ambiente externo. Como consecuencia, en todo caso, incluso con la
adopción de una técnica de soldadura especializada tal como la de
láser de diodo, los diseños del estado anterior de la técnica, de
los que el de la Figura 1 es un ejemplo, requerirían de todos modos
la puesta en práctica de verificaciones complejas y costosas de la
calidad.
La Figura 2C esquematiza finalmente otro modo de
ejecución de la invención en el que los dos rebordes están de nuevo
integrados en un elemento individual, que tiene, sin embargo, la
forma de un bastidor cerrado (8) caracterizado un perfil
cuadrangular e incluyendo otra vez la superficie plana de apoyo (6).
En este modo de ejecución particular, que puede obtenerse por
extrusión continua de elementos cuadrangulares, el bastidor no
contiene la barra de refuerzo (4), y la resistencia mecánica
requerida a la compresión se asegurada por medio de un espesor
apropiado del material. El bastidor hueco puede emplearse como
conducto para alimentar los reactivos a través de inyectores de
alimentación apropiados y de orificios apropiados no mostrados en
las figuras.
En conclusión, el bastidor de la invención y el
procedimiento de soldadura con la técnica láser de diodos permite
reducir los costes de fabricación de manera significativa, porque
las comprobaciones de fugas a realizar en las placas bipolares
acabadas se eliminan prácticamente y, no obstante, las placas
bipolares montadas en los electrolizadores o apilamientos resultan
estar prácticamente libres de defectos capaces de poner los fluidos
del proceso en contacto con el ambiente externo.
Para evitar anular la ventaja derivada de la
reducción de costes del ensamblaje bastidor-pared
única es necesario que también los costes de las posteriores
operaciones de ensamblaje de los soportes de los electrodos y del
primer y segundo electrodo o distribuidor actual estén
limitados.
Un modo de obtener este resultado se revela en
la solicitud de patente WO 03/038154 citada anteriormente, en la
que la placa bipolar de pared única está provista de salientes en
ambas caras por moldeo: los salientes actúan como soportes a los
que se sujetan posteriormente el primer y segundo electrodo o
distribuidor de corriente. De este modo sólo se emplean dos series
de soldaduras correspondientemente a los vértices de los salientes
presentes en las dos caras de la única pared. El procedimiento de
la WO 03/038154, que permite también algunas ventajas asociadas a
la circulación interna de los fluidos de proceso, presenta sin
embargo una desventaja difícil de superar en la práctica: la única
pared, sometida al doble moldeo necesario para obtener los
salientes en ambas caras, experimenta distorsiones profundas
irreversibles con la consiguiente ausencia de planaridad y de
rotura mecánica, que causen en común un alto porcentaje de rechazos
con una consiguiente sobrecarga crítica de los costes de
producción.
Por otra parte, tal y como se ha mencionado
anteriormente, la técnica convencional, esquematizada en la Figura
7 de la EP 1 366 212, permite efectivamente la obtención de placas
bipolares altamente planas empleando soportes en forma de banda,
cuya fijación a la pared única conjuntamente con el primer y
segundo electrodo o distribuidor de corriente requiere, sin embargo,
la realización de cuatro series de soldaduras: queda claro, por
tanto, que los elementos ensamblados se caracterizan por una alta
calidad, pero a expensas de los costes de producción que resultan
indudablemente notables.
La presente invención cumple el propósito de
tener placas bipolares de alta planaridad mientras se mantienen los
costes de producción dentro de límites razonables y aceptables en el
mercado recurriendo a una hibridación de las tecnologías publicadas
previamente.
La Figura 3 demuestra que la única pared (1)
está provista de salientes (9) en sólo una cara: el procedimiento
de moldeo se simplifica, por tanto, con tensiones mecánicas muy
reducidas. Como consecuencia, las deformaciones de la única pared
después del moldeo son mínimas y, si se desea, pueden eliminarse
fácilmente mediante rectificación de la prensa.
Las Figuras 4A y 4B esquematizan cómo se
posiciona entonces la única pared (1) sobre la superficie de apoyo
(6) del bastidor perimetral (5), provisto opcionalmente de una
barra de refuerzo (4), a fijar por medio de la soldadura (7).
La Figura 5 resume el siguiente paso de
fabricación, en el que el montaje de bastidor (5) y pared única (1)
provista de salientes (9) en sólo una cara está equipado con un
primer electrodo o distribuidor de corriente (10) en contacto con
los vértices de los salientes (9) y, en la cara opuesta los
salientes, con soportes (11) en forma de bandas alojados en los
recesos de los salientes: la fijación mutua de los tres componentes
(primer electrodo o distribuidor de corriente (10), vértices de los
salientes (9) y soportes (11)) se efectúa a través de una serie
única de soldaduras indicada esquemáticamente como (12). El mejor
resultado en términos de rigidez mecánica, conducción de la
corriente eléctrica en operación y ausencia o, en todo caso, número
mínimo de defectos, se obtiene haciendo uso de la técnica de
soldadura láser, por ejemplo, con un láser de dióxido de carbono
cuya alta penetración de la fusión permita la fijación simultánea
de los componentes considerados anteriormente. Los soportes (11) se
colocan dentro de los salientes (9) en contacto con el intradós del
vértice, que presenta una porción plana para favorecer el contacto
con el pie de los mismos soportes.
El desarrollo de la superficie plana de los
vértices de los salientes (9) se limita a lo requerido para lograr
un buen asiento del cojinete para los pies de soporte, para evitar
que, durante la operación, el electrodo o distribuidor (10) se
convierta en el sitio para blindar los fenómenos, que sean
peligrosos particularmente para la integridad de las membranas de
intercambio iónico, si están en contacto con el primer electrodo
fijado a los salientes, o para la difusión del gas de reacción, si
se emplean los electrodos de difusión del gas, colocados en este
caso en el primer distribuidor de corriente fijado a los salientes.
Los soportes (9) consisten en tiras de la chapa con un espesor
comprendido indicativamente entre 1 y 5 mm. El espesor óptimo de las
bandas de los soportes es el resultado de un compromiso entre las
dos necesidades de conducir la corriente eléctrica de la mejor
manera posible (grandes espesores) y de prevenir el mismo fenómeno
de formación de zonas blindadas visto en el caso del primer
electrodo o distribuidor de corriente, en correspondencia a las
áreas de unión con el segundo electrodo o distribuidor de corriente
(pequeños espesores).
En las Figuras 4 y 5 se representa un modo de
ejecución preferente de la invención, en e que los salientes (9)
tienen una forma prismática con una longitud ligeramente menor que
la de la única pared, para facilitar la colocación de los soportes
(11) en el interior de los mismos salientes. Por supuesto, también
es posible producir salientes consistentes en segmentos alineados
que tienen el mérito de favorecer la mezcla de fluidos de reacción
en operación: en este caso, las soportes se fraccionan también en
segmentos de longitud tal que se permita un alojamiento fácil de
cada segmento dentro de cada serie de salientes.
La Figura 6 muestra un detalle tridimensional
del montaje de la Figura 5 (zona delimitada por un círculo) con una
vista de la cara de los soportes opuesta a la cara en la que el
primer electrodo o distribuidor de corriente está en contacto con
los vértices de los salientes: (4) indica la barra de refuerzo, (5)
el bastidor perimetral moldeado en una pieza individual de banda,
(16) la superficie interna de los salientes (9), (11) el soporte en
forma de banda cuyo pie en contacto con la porción plana (13) del
saliente vértice se sujeta con la primera serie de soldaduras
(12).
En la Figura 7 se muestra la conclusión del
elemento de la Figura 5 con la obtención de la placa bipolar
conforme a la invención: el segundo electrodo o distribuidor de
corriente (14) se pone en contacto con las superficies terminales
libres de los soportes (11) y se sujeta con una segunda serie única
de soldaduras (15), que pueden efectuarse por varios
procedimientos, por ejemplo, por resistencia eléctrica, arco
eléctrico y preferentemente láser en consideración de la mayor
velocidad.
Para que los diferentes tipos de soldadura
vistos anteriormente presenten la calidad requerida, es también
necesario que los diferentes componentes de la placa bipolar de la
invención se mantengan en un estado de contacto preciso durante todo
el tiempo de fabricación. Con este fin, los diferentes componentes,
bastidor y pared única durante el paso de ejecución de la soldadura
de fijación (7), primer electrodo o distribuidor de corriente (10),
(1) pared única fija al bastidor perimetral (5) y soportes (11)
durante el paso de ejecución de la primera serie única de soldaduras
(12), y finalmente elemento obtenido por medio de la primera serie
única de soldaduras y segundo electrodo o distribuidor de corriente
(14), deben bloquearse exactamente dentro de una plantilla de
construcción apropiada.
En lo que concierne a las dimensiones de la
placa bipolar de la invención, la altura de los salientes y los
soportes se selecciona en el caso más simple de forma que la
distancia de los dos electrodos o distribuidores de corriente de la
superficie de la única pared resulten iguales. Este tipo de diseño
simétrico se emplead por ejemplo, para la producción de placas
bipolares dirigidas a su ensamblaje en electrolizadores para la
electrólisis convencional de disoluciones de ácido hidroclórico y
para la electrólisis del agua con disoluciones de hidróxido de
potasio: en estos casos, los materiales de construcción para la
única pared provista de salientes, para los soportes y para los
electrodos o distribuidores de corriente son, respectivamente,
titanio o aleaciones del mismo y níquel. En ambos casos, las
disoluciones contienen los gases producto (respectivamente,
clorina-hidrógeno, y
oxígeno-hidrógeno) como dispersión de burbujas:
para favorecer la circulación de los fluidos bifásicos, se requiere
una profundidad apropiada de los compartimentos anódico y catódico
y, por tanto, los salientes y soportes se dimensionan para obtener
una distancia superficial de pared única - electrodo o distribuidor
de corriente comprendida indicativamente entre 30 y 50 mm.
Opcionalmente, uno o los dos compartimentos, anódico y catódico,
pueden estar equipados con dispositivos dirigidos a promover
adicionalmente la circulación de fluidos bifásicos y a acelerar la
coalescencia de las burbujas de gas y la separación de las mismas
del liquido. En la WO 03/048420, por ejemplo, se divulgan
dispositivos similares, tales como los deflectores de canal y de
flujo plano instalados en una posición apropiada en una o ambas
caras de la placa bipolar de pared única.
La placa bipolar de la invención puede
utilizarse también ventajosamente para electrolizadores de
ensamblaje dirigidos a la electrólisis de disoluciones de ácido
hidroclórico y equipados con cátodos de difusión de oxígeno, donde,
tanto como en el caso de la electrólisis convencional, el material
de construcción para la única pared provista de salientes, soportes
y electrodos o distribuidores de corriente es titanio o aleaciones
del mismo. El diseño puede modificarse de manera interesante: de
hecho, si el cátodo de difusión de oxígeno está instalado en la cara
de la única pared provista de salientes, la altura de ésta última
se reduce ventajosamente, puesto que el fluido del proceso en esta
cara es oxígeno o aire que, siendo una fase gaseosa, requiere una
anchura enteramente modesta del compartimento. Como consecuencia,
la operación de moldeo está muy simplificada y la única pared,
sometida a deformaciones moderadas, resulta ser sustancialmente
plana sin la necesidad de intervenciones posteriores de
enderezamiento. En particular, la distancia pared única - electrodo
o distribuidor de corriente está comprendida entre 5 y 10 mm. Por
otra parte, las tensiones moderadas de moldeo eliminan totalmente la
posibilidad de generar aquellas roturas que sean, en cambio, un
hechó frecuente durante el moldeo de los salientes de la WO
03/038154.
La otra cara (anódica) de la única pared está en
contacto con la disolución de ácido hidroclórico que contiene una
dispersión de burbujas de clorina: la correcta circulación de esta
mezcla bifásica requiere que el compartimento tenga una profundidad
adecuada y los soportes se diseñan, por tanto, con una altura tal
que asegure una distancia superficial electrodo (ánodo) - pared
única comprendida entre 30 y 50 mm, como se ha visto
anteriormente.
La placa bipolar de la invención puede emplearse
también para la construcción de montajes de células de combustible
de membrana (conocidos como apilamientos). Puesto que en esta clase
de células los fluidos del proceso son aire en la cara del cátodo e
hidrógeno o mezcla conteniendo hidrógeno en la cara del ánodo,
pudiendo ser la profundidad de ambos compartimentos, atravesada sólo
por fases gaseosas, modesta: como consecuencia, los salientes y
asimismo los soportes tienen alturas reducidas (con las ventajas
vistas anteriormente), con una distancia pared única - electrodo o
distribuidor de corriente incluso menor de 5 mm en ambas caras,
anódica y catódica.
En todas las aplicaciones de electrolizadores o
apilamientos conteniendo numerosas placas bipolares de la invención
publicadas anteriormente tiene lugar un deterioro de los electrodos
o distribuidores de corriente, que tiene que reemplazarse por tanto
por componentes nuevos, después de cierto tiempo de operación. En el
caso del segundo electrodo o distribuidor de corriente, la
sustitución se efectúa eliminando las soldaduras de sujeción a los
soportes, por ejemplo por molienda, y soldando la nueva pieza de
reemplazo a las superficies terminales liberadas de los soportes.
Este procedimiento debe evitarse en general para el primer
electrodo o distribuidor de corriente, ya que el riesgo de dañar la
chapa fina de los salientes es demasiado alto: un procedimiento
alternativo preferente facilita que un nuevo electrodo o
distribuidor de corriente, más fino que el dañado, se sujete por
soldadura, por ejemplo, por soldadura por puntos de resistencia
económica. El primer electrodo o distribuidor de corriente dañado,
que se deja entonces en su sitio, favorece la distribución
homogénea de corriente a la nueva pieza más delgada.
La estructura de la placa bipolar de la
invención y el procedimiento relevante de montaje de los diferentes
elementos constitutivos justifican la definición de hibridación
dada anteriormente: de hecho, la estructura de la placa bipolar de
la invención hace uso ventajosamente de los salientes moldeados en
la única pared y de los soportes en forma de banda de el estado
anterior de la técnica, combinando mutuamente los mismos de una
nueva manera. La combinación publicada permite el montaje de los
componentes (primer y segundo electrodo o distribuidor de corriente,
pared única con salientes en sólo una cara y soportes en forma de
banda) con apenas dos series de soldaduras, obteniendo las mismas
ventajas económicas del proceso de soldadura de la WO 03/038154,
mientras que evita recurrir a operaciones de moldeo excesivamente
difíciles.
En las descripciones contenidas en el presente
texto, se ha hecho referencia a algunos modos de ejecución
preferentes, aunque queda claro a los expertos en la materia que
son posibles varias modificaciones sin desviarse del alcance de la
invención, definida y limitada únicamente por las siguientes
reivindicaciones.
Claims (27)
1. Placa bipolar para células electroquímicas
conteniendo un primer y un segundo compartimento dividido por un
separador y conteniendo, respectivamente, un primer y un segundo
electrodo o distribuidor de corriente, conteniendo esta placa
bipolar una única pared, rebordes perimetrales y medios de
alimentación de reactivos y extracción de productos, conteniendo
estos rebordes perimetrales un bastidor preensamblado provisto de
una superficie plana de apoyo para la soldadura con esta única
pared, estando esta única pared provista de salientes por sólo una
cara y de soportes en la cara opuesta a la de los salientes.
2. Placa bipolar conforme a la Reivindicación 1,
siendo la soldadura entre la superficie plana de apoyo del bastidor
y la única pared una soldadura láser de diodo.
3. Placa bipolar conforme a la Reivindicación 1
ó 2, teniendo el bastidor un perfil generalmente en U.
4. Placa bipolar conforme a la Reivindicación 1
ó 2, teniendo el bastidor un perfil cerrado cuadrangular.
5. Placa bipolar conforme a cualquiera de las
anteriores Reivindicaciones, consistiendo los medios de
alimentación de reactivos en el bastidor preensamblado, provisto de
numerosos orificios de distribución.
6. Placa bipolar conforme a cualquiera de las
anteriores Reivindicaciones, siendo los salientes salientes
longitudinales paralelos a una cara de la placa bipolar.
7. Placa bipolar conforme a la Reivindicación 6,
siendo los salientes salientes continuos con una longitud
ligeramente menor que la longitud de dicha cara.
8. Placa bipolar conforme a cualquiera de las
Reivindicaciones 1 a 8, siendo estos soportes bandas de chapa
conteniendo un pie alojado en los recesos de estos salientes.
9. Placa bipolar conforme a cualquiera de las
Reivindicaciones 1 a 9, estando este primer electrodo o
distribuidor de corriente en contacto con los vértices de estos
salientes.
10. Placa bipolar conforme a la Reivindicación
9, estando este primer electrodo o distribuidor de corriente, los
vértices de las salidas en contacto con éste y los pies de estos
soportes conectados por una primera serie única de soldaduras.
11. Placa bipolar conforme a la Reivindicación
10, comprendiendo esta primera serie única de soldaduras soldaduras
por resistencia eléctrica o soldaduras por arco eléctrico o
soldaduras por láser.
12. Placa bipolar conforme a cualquiera de las
Reivindicaciones 1 a 11, estando este segundo electrodo o
distribuidor de corriente en contacto con las superficies
terminales libres de estos soportes.
13. Placa bipolar conforme a la Reivindicación
12, entando este segundo electrodo o distribuidor de corriente y
estas superficies terminales libres de los soportes conectados por
una segunda serie única de soldaduras.
14. Placa bipolar conforme a la Reivindicación
13, comprendiendo esta segunda serie única de soldaduras soldaduras
por resistencia eléctrica o soldaduras por arco eléctrico o
soldaduras por láser.
15. Placa bipolar conforme a cualquiera de las
Reivindicaciones 1 a 14, teniendo estos salientes un vértice
provisto de una superficie plana de baja anchura.
16. Placa bipolar conforme a cualquiera de las
anteriores Reivindicaciones, siendo la distancias entre este primer
y segundo electrodo o distribuidor de corriente y esta única pared
iguales.
17. Placa bipolar conforme a la Reivindicación
16, estando estas distancias comprendidas entre 5 y 50 mm.
18. La placa bipolar conforme a cualquiera de
las Reivindicaciones 1 a 16, siendo la distancia entre este primer
electrodo o distribuidor de corriente y esta única pared menor que
la distancia entre este segundo electrodo o distribuidor de
corriente y esta única pared.
19. Placa bipolar conforme a la Reivindicación
18, estando estas distancias comprendidas respectivamente entre 5 y
50 mm y entre 30 y 50 mm.
20. Placa bipolar conforme a cualquiera de las
anteriores Reivindicaciones, estando esta única pared provista de
dispositivos para mejorar la circulación de fluidos bifásicos.
21. Electrolizador conteniendo numerosas células
elementales conteniendo placas bipolares conformes a cualquiera de
las anteriores Reivindicaciones.
22. Electrolizador conforme a la Reivindicación
21, intercalándose juntas de estanqueidad periféricas y separadores
entre parejas consecutivas de estas placas bipolares.
23. Electrolizador conforme a la Reivindicación
22, siendo estos separadores membranas de intercambio iónico o
diafragmas porosos.
24. Apilamiento conteniendo numerosas células de
combustible conteniendo placas bipolares conformes a cualquiera de
las Reivindicaciones 1 a 20.
25. Apilamiento conforme a la Reivindicación 24,
intercalándose juntas de estanqueidad periféricas y separadores
entre parejas consecutivas de estas placas bipolares.
26. Apilamiento conforme a la Reivindicación 25,
siendo estos separadores membranas de intercambio iónico o
diafragmas porosos.
27. Método de fabricación de placas bipolares
conformes a la Reivindicación 14 ó 15 conteniendo los pasos de:
- -
- plegado o moldeo de una banda de chapa para formar este bastidor con perfil en U y con superficie plana de apoyo o diseñando elementos cuadrangulares para formar este bastidor con perfil cuadrangular cerrado y con superficie plana de apoyo
- -
- preensamblaje de estos soportes en forma de banda
- -
- moldeo de estos salientes en sólo una cara de esta única pared
- -
- posicionamiento del borde perimetral de esta única pared sobre la superficie plana de apoyo de este bastidor y soldadura con la técnica de soldadura láser de diodos
- -
- posicionamiento opcional de dispositivos para mejorar la circulación de fluidos bifásicos sobre esta única pared y fijación por soldadura de resistencia eléctrica, o soldadura de arco eléctrico o soldadura láser
- -
- alojamiento de estos soportes preensamblados en los recesos de estos salientes del elemento constituido por el bastidor soldado y la única pared,
- -
- posicionamiento de este primer electrodo o distribuidor de corriente en contacto con el vértice de estos salientes y ejecución de esta primera serie única de soldaduras por la técnica de soldadura de arco eléctrico o soldadura láser
- -
- posicionamiento de este segundo electrodo o distribuidor de corriente en contacto con las superficies terminales libres de estos soportes y ejecución de esta segunda serie única de soldaduras por la técnica de soldadura de resistencia eléctrica o soldadura de arco eléctrico o soldadura láser.
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