ES2477520T3

ES2477520T3 - Dispositivo de electrólisis de agua a alta temperatura con funcionamiento mejorado

Info

Publication number: ES2477520T3
Application number: ES11707435.1T
Authority: ES
Inventors: Christian Perret
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2031-03-11
Also published as: EP2545207A1; CA2792511A1; DK2545207T3; JP2013522461A; WO2011110679A1; EP2545207B1; US9200374B2; PL2545207T3; BR112012022388A2; ZA201206457B; US20120325652A1; FR2957359A1; KR20130008544A; FR2957359B1; JP5822852B2

Abstract

Dispositivo de electrólisis de agua a alta temperatura, que comprende: - al menos una celda de electrólisis primaria formada por un cátodo (2), un ánodo (4) y un electrolito (6) intercalado entre el cátodo y el ánodo, - un primer dispositivo (8.0) que forma un interconector eléctrico y de fluidos compuesto por una pieza metálica (80) delimitada por al menos un plano P1, comprendiendo interiormente dicha pieza metálica dos cámaras (81, 82), superpuestas una sobre la otra, y una pluralidad de orificios (810, 820) repartidos sobre la superficie, sensiblemente perpendiculares al plano y divididos en dos grupos, uno de cuyos grupos de orificios (810) desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y directamente en la cámara adyacente (81) y el otro grupo de orificios (820) desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y en la cámara (82) más lejana a través de canales (83), estando el plano P1 del primer interconector en contacto mecánico con el plano del cátodo (2).

Description

E11707435

02-07-2014

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de electrólisis de agua a alta temperatura con funcionamiento mejorado

5 Campo técnico

La invención se refiere a un dispositivo de electrólisis de agua a alta temperatura, también llamado electrolizador de agua a alta temperatura (EAT) también llamado electrolizador de vapor de agua a alta temperatura (EVAT).

Más particularmente, se refiere a una nueva arquitectura de un electrolizador EAT que permite conseguir que su funcionamiento sea más homogéneo.

Técnica anterior

15 Un electrolizador de agua a alta temperatura (EAT) comprende al menos una celda electroquímica primaria formada por un electrolito, un cátodo y un ánodo, estando intercalado el electrolito entre el ánodo y el cátodo. El electrolito es hermético al gas, aislante eléctrico y conductor iónico. Los electrodos (ánodo y cátodo) están hechos de material poroso y son conductores eléctricos.

Un electrolizador EAT también comprende dispositivos de interconexión de fluidos y eléctrica que están en contacto eléctrico con uno o más electrodos. Estos dispositivos de interconexión generalmente realizan todas las funciones de suministro y recogida de corriente y delimitan uno o más compartimentos de circulación de gas.

Por lo tanto, la función de un denominado compartimento catódico es la de distribuir la corriente y el vapor de agua y 25 recuperar el hidrógeno en el cátodo en contacto.

La función de un denominado compartimiento anódico es la de distribuir la corriente y recuperar el oxígeno producido en el ánodo en contacto. Asimismo, se puede inyectar un gas de drenaje en la entrada del compartimiento anódico para evacuar el oxígeno producido. La inyección de un gas de drenaje tiene la función adicional de actuar como regulador térmico. El documento FR 2921390 da a conocer un dispositivo de electrolisis de agua a alta temperatura que comprende una placa de interconexión con canales.

Las figuras 1, 1A y 1B muestran una placa de canales 1 utilizada con frecuencia como dispositivo de interconexión. El suministro o la recogida de la corriente en el electrodo son realizados por los dientes o nervaduras 10 que están

35 en contacto mecánico directo con el electrodo en cuestión. El suministro de vapor de agua al cátodo (o de gas de drenaje al ánodo) está representado simbólicamente por las flechas en la figura 1. La recogida del hidrógeno producido en el cátodo (o del oxígeno producido en el ánodo) se realiza a través de los canales 11, que desembocan en una conexión para el flujo de fluidos, con frecuencia denominada un colector, común al apilamiento de celdas. La estructura de este tipo de dispositivos de interconexión se realiza con el fin de lograr un compromiso entre las dos funciones de suministro y recogida (gas/corriente).

Las principales desventajas de esta placa de canales se pueden resumir de la siguiente manera.

En primer lugar, no permite utilizar la superficie de una celda de electrólisis de manera homogénea. En efecto, la

45 reacción electroquímica tiene lugar cerca de la interfase entre el electrodo y el electrolito, y es necesario que estén presentes en el mismo lugar el gas, los electrones y los iones implicados, resultando sencillo suministrar electrones a las zonas situadas debajo de los dientes 10 del colector, si bien resulta complicado suministrarles gas. Los parámetros de restricción son la permeabilidad del electrodo en contacto, su grosor y la anchura del diente 10. Del mismo modo, es difícil alimentar electrones a la zona situada debajo del canal 11, dado que los electrodos existentes en la actualidad tienen una baja conductividad efectiva. Los parámetros de restricción son la conductividad efectiva, el grosor y la anchura del canal 11. El inventor considera que la relación R entre la superficie de suministro/recogida de corriente y la superficie de suministro de vapor de agua o de recogida del gas producido es un parámetro indicativo de la utilización real de la superficie de la celda. En el caso de una placa de interconexión de canales 1, la relación R calculada con la fórmula siguiente es a menudo menor del 50 %.

55 R = 1/(1+w/L), en la que w es la anchura del canal 11 y L es la anchura del diente 10.

Además, esta estructura de la placa 1 implica la existencia de zonas de producción diferenciadas, con ciertas zonas en las que las densidades de producción y, por consiguiente, las densidades de corriente pueden ser muy altas, aunque la densidad media es baja y, por lo tanto, la existencia de fuentes localizadas de degradación del rendimiento. Esto se ilustra de forma local (escala milimétrica) en la figura 1B, en el que se muestran líneas de corriente muy fuertes que están localizadas al nivel de las nervaduras 10. Del mismo modo, teniendo en cuenta la superficie de los electrodos, las líneas de corriente son más fuertes aguas arriba que aguas abajo, debido a la evolución del contenido de agua en el flujo de gas entre la partes de aguas arriba y aguas abajo de los canales.

65 Del mismo modo, esta estructura de la placa 1 implica la existencia de una falta de homogeneidad en la alimentación

E11707435

02-07-2014

de vapor de agua a los canales 11 que hace necesaria un fuerte sobrealimentación de este vapor de agua (se añade un exceso de agua correspondiente a más del 100 % del agua consumida) para obtener una alimentación estable y homogénea para todos los canales 11, por lo que es difícil lograr una alta tasa de utilización del vapor de agua. El acondicionamiento de este vapor de agua y su presurización tienen un impacto no despreciable sobre el consumo

5 de energía asociado al electrolizador.

También existe un riesgo mecánico de que una celda sufra cargas de flexión en el caso de un gran desplazamiento geométrico entre los dientes de una placa de interconexión 1 en el lado del ánodo y los dientes de una placa de interconexión en el lado del cátodo, o en el caso de que existan defectos de planeidad, los dientes pueden perforar la celda y romperla. Con el fin de evitar este riesgo, es necesaria una precisión muy alta en el montaje relativo de las placas a cada lado de la celda y una muy alta calidad de fabricación de los dientes.

Además, en el lado del ánodo, la estructura de cada canal con una entrada y una salida solo tiene razón de ser cuando se utiliza un gas de drenaje para evacuar el oxígeno producido hacia la salida. El acondicionamiento de este

15 gas de drenaje también conlleva un coste energético significativo.

Por último, esta estructura de las placas requiere un gran grosor del material para la zona de recogida del gas producido y una conformación (mecanizado) que pueden resultar prohibitivos. Se utilizan chapas delgadas y procedimientos de estampado, si bien limitan las posibilidades de realización en términos de la anchura unitaria de los dientes y el paso entre los dientes. El inventor también considera que, con una placa de interconexión de canales 1 de este tipo, la reducción de las faltas de homogeneidad de las corrientes suministradas a cada celda solo puede ser limitada.

Ya se ha dado a conocer otra placa de interconexión 1' [1]. Esta se muestra en la figura 2, estando representada la

25 circulación del fluido por las flechas: su estructura es de tipo intercalada. Esta placa no resuelve el problema de la flexión mecánica mencionado para la placa 1 y puede causar la rotura hidráulica del electrodo con el que está en contacto.

El propósito de esta invención es dar a conocer una solución que permita superar todos o algunos de los inconvenientes de las placas de interconexión existentes en el cátodo de un dispositivo de electrolisis de agua a alta temperatura.

Exposición de la invención

35 Con ese fin, el objeto de la invención es un dispositivo de electrolisis de agua a temperatura elevada que comprende:

-al menos una celda de electrólisis primaria formada por un cátodo, un ánodo y un electrolito intercalado entre el cátodo y el ánodo,

-un primer dispositivo que forma un interconector eléctrico y de fluidos compuesto por una pieza metálica delimitada por al menos un plano P1, comprendiendo interiormente dicha pieza metálica dos cámaras, superpuestas una sobre la otra, y una pluralidad de orificios repartidos sobre la superficie, sensiblemente perpendiculares al plano y divididos en dos grupos, uno de cuyos grupos de orificios desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y directamente en la

45 cámara adyacente y el otro grupo de orificios desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y en la cámara más lejana a través de canales, estando el plano P1 del primer interconector en contacto mecánico con el plano del cátodo.

Así pues, una parte del compartimento catódico de acuerdo con la invención a través de la cual se suministra el vapor de agua está constituido por dos cámaras y un grupo de orificios. El otro grupo de orificios y la otra de las dos cámaras de acuerdo con la invención forman otra parte del compartimiento catódico a través de la cual se recupera el hidrógeno producido en el cátodo.

Dentro del marco de la invención es posible contemplar todas las diferentes formas de los orificios: orificios de 55 sección circular, orificios oblongos u orificios en forma de ranuras alargadas.

Dentro del marco de la invención, se entiende por interconector de fluidos y eléctrico un sistema de conexión para el suministro o la recogida de corriente y para el suministro o la recogida de un fluido hacia y desde un electrodo de una celda de electrólisis. Así pues, un dispositivo de electrólisis de acuerdo con la invención puede comprender una única celda de electrólisis con un primer interconector en contacto con su cátodo y un segundo interconector, descrito a continuación, en contacto con su ánodo. Del mismo modo, tal como se describe a continuación, en un apilamiento de celdas de electrólisis de acuerdo con la invención, una placa de interconexión puede comprender un primer interconector en contacto con el cátodo de una celda de electrólisis primaria y un segundo interconector en contacto con el ánodo de la celda de electrólisis adyacente.

65 Esto supera los inconvenientes de la arquitectura tradicional de una placa de interconexión de canales de acuerdo

E11707435

02-07-2014

con la técnica anterior, tal como se presenta en el preámbulo.

Así pues, gracias a la invención, se obtiene, en comparación con las arquitecturas de electrolizador EAT de acuerdo con la técnica anterior, una densidad de producción uniforme para cada celda de electrólisis y una mejor tasa de 5 utilización (o de conversión) de vapor de agua.

En efecto, gracias a la pluralidad de orificios que desembocan sobre el plano del cátodo, es posible en primer lugar que toda la superficie de la celda tenga un comportamiento eléctrico homogéneo en todos los puntos, con una resistencia de contacto eléctrico limitada entre el cátodo y el primer interconector. En otras palabras, la distribución

10 de corriente en el cátodo es óptima.

Del mismo modo, debido a la superposición de las cámaras y a la pluralidad de orificios, es posible inyectar vapor de agua directamente de manera homogénea en cualquier punto del cátodo a través de un grupo de orificios, lo que, a diferencia de la técnica anterior, limita la sobretensión de la concentración.

15 Para la inyección de vapor de agua se puede optar entre dos variantes.

De acuerdo con una primera variante, la cámara adyacente constituye la cámara a través de la cual se suministra vapor de agua y la cámara más lejana es la cámara de recogida del hidrógeno producido por la electrólisis.

20 De acuerdo con una segunda variante, la cámara adyacente es la cámara de recogida del hidrógeno producido por la electrólisis y la cámara más lejana es la cámara a través de la cual se suministra vapor de agua.

Ventajosamente los orificios tienen sección circular con un diámetro comprendido entre 0,5 y 5 mm, preferentemente 25 comprendido entre 1,25 y 2,5 mm.

También ventajosamente, la distancia entre el centro de dos orificios adyacentes está comprendida entre 7 mm y 28 mm, preferentemente comprendida entre 7 mm y 14 mm. Con tales distancias, se pueden alcanzar pérdidas de carga de menos de 200 milibares con celdas de electrólisis tales como las utilizadas en los cálculos a los que se

30 hace referencia en los ejemplos descritos más adelante.

Los orificios están alineados preferentemente según líneas paralelas entre sí y separadas regularmente.

Con el fin de lograr que el funcionamiento del cátodo sea aún más uniforme, se dispone ventajosamente una línea

35 del grupo de orificios que desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y directamente en la cámara adyacente se alterna con una línea del grupo de orificios que desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y en la cámara más lejana.

La alternancia también se puede realizar de tal manera que los orificios del grupo que desemboca al mismo tiempo

40 sobre el plano P1 y directamente en la cámara adyacente están escalonados con los orificios del grupo que desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y en la cámara más lejana, encontrándose cada orificio del grupo que desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y directamente en la cámara adyacente en medio de cuatro orificios del grupo que desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y en la cámara más lejana, y viceversa.

45 También preferentemente, los cuatro orificios de un grupo forman un cuadrado, estando el orificio del otro grupo en el centro del cuadrado. El principio de la repetición por alternancia escalonada induce un funcionamiento aún más uniforme en toda la celda, tanto desde el punto de vista del flujo de fluidos (suministro del vapor de agua y recogida del hidrógeno producido) como desde el punto de vista térmico (calor distribuido de manera uniforme por todos los puntos de la celda de electrolisis) o electroquímico (reacción de electrólisis idéntica en todos los puntos de la celda).

50 Además, el primer interconector tiene unas dimensiones fácilmente realizables.

El dispositivo de electrólisis de acuerdo con la invención puede comprender un segundo dispositivo que forma un interconector eléctrico y de fluidos compuesto por una pieza metálica delimitada por al menos un plano, comprendiendo interiormente dicha pieza metálica una cámara y una pluralidad de orificios repartidos sobre la

55 superficie, sensiblemente perpendiculares al plano y desembocando al mismo tiempo sobre este último plano y en la cámara, estando el plano del segundo interconector en contacto mecánico con el plano

El plano P2 del segundo interconector puede estar en contacto mecánico directo con el plano del ánodo.

60 El dispositivo de electrólisis de agua de acuerdo con la invención puede comprender un apilamiento de celdas de electrólisis primarias, formada cada una de ellas por un cátodo, un ánodo y un electrolito intercalado entre el cátodo y el ánodo, una placa de interconexión que comprende un primer y un segundo interconector dispuesto entre dos celdas primarias adyacentes, de tal manera que el plano P1 del primer interconector está en contacto mecánico con el cátodo de una de las dos celdas primarias y el plano del segundo interconector está en contacto mecánico con el

65 ánodo de la otra de las dos celdas primarias.

E11707435

02-07-2014

Finalmente, la invención se refiere a un conjunto de producción de hidrógeno que comprende una pluralidad de dispositivos de electrólisis como los descritos anteriormente.

Breve descripción de los dibujos

5 Otras ventajas y características se extraerán más claramente con la lectura de la descripción detallada dada a continuación con referencia a las figuras, entre las cuales:

-la figura 1 es una vista esquemática frontal de una placa de interconexión de un electrolizador EAT de acuerdo con la técnica anterior,

-la figura 1A es una vista de detalle en sección de una placa de interconexión de acuerdo con la figura 1,

-la figura 1B es una vista análoga a la figura 1A que muestra las líneas de corriente que recorren la placa,

15 -la figura 2 es una vista esquemática frontal de otra placa de interconexión de un electrolizador de acuerdo con la técnica anterior,

-la figura 3 es una vista en sección esquemática de un dispositivo de electrólisis de acuerdo con la invención con una celda de electrólisis,

-la figura 4 es una vista en perspectiva interna en transparencia de un interconector de fluidos y eléctrico de acuerdo con la invención,

25 -la figura 5 es una vista desde arriba interna en transparencia del interconector de acuerdo con la figura 4,

-la figura 6 es una vista en sección esquemática de un dispositivo de electrólisis de acuerdo con la invención con un apilamiento de celdas de electrólisis.

Exposición detallada de formas de realización particulares

Las placas de interconexión 1, 1' de los electrolizadores EAT de acuerdo con la técnica anterior y representados en las figuras 1, 1A, 1B y 2 se han comentado con detalle en el preámbulo. Por lo tanto, no se describirán en lo sucesivo.

35 Los símbolos y las flechas que representan las trayectorias del vapor de agua, del hidrógeno y del oxígeno se muestran en todas las figuras, por motivos de claridad.

La electrólisis de alta temperatura de acuerdo con la invención se puede realizar a temperaturas de al menos 450 °C, y típicamente comprendidas entre 700 °C y 1000 °C.

Tal y como se representa en las figuras 3 y 4, un dispositivo de electrólisis de acuerdo con la invención comprende una celda de electrólisis primaria formada por un cátodo 2, un ánodo 4 y un electrolito 6 intercalado entre el cátodo y el ánodo.

45 De acuerdo con la invención, se dispone un primer dispositivo 8.0 que forma un interconector eléctrico y de fluidos que consiste en una pieza metálica 80 delimitada por al menos un plano P1.

La pieza metálica 80 comprende interiormente dos cámaras 81, 82 superpuestas una sobre la otra y una pluralidad de orificios 810, 820 sensiblemente perpendicular es al plano P1 y divididos en dos grupos.

Uno de los grupos de orificios 810 desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y directamente en la cámara adyacente 81 y el otro grupo de orificios 820 desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y en la cámara 82 más lejana a través de los canales 83.

55 El plano P1 del primer interconector 8.0 está en contacto mecánico con el plano del cátodo 2.

Como se muestra en la figura 3, se inyecta directamente el vapor de agua por la cámara 82 más alejada del plano P1 para la reacción de electrólisis.

Como se ilustra con ayuda de la flecha y de los símbolos H2 y H2O en la figura 3, el vapor de agua inyectado por esta cámara 82 circula a continuación por los canales 83 y luego es transformado progresivamente en hidrógeno en los poros del cátodo 2 y gracias al suministro uniforme de corriente eléctrica sobre toda la superficie de la celda por el interconector 8.0.

65 Una parte del hidrógeno es retirado de manera uniforme por cada uno de los orificios 810 del otro grupo y,

E11707435

02-07-2014

seguidamente, es evacuado por la cámara 81 en la que de desembocan los orificios 810.

El dispositivo de electrólisis de acuerdo con la invención, tal como se representa en la figura 3 comprende, en el lado del ánodo 4, un segundo interconector 8.1.

5 Este interconector 8.1 también comprende una pieza metálica 84 delimitada por un plano P2 en contacto mecánico directo con el plano del ánodo 4.

La pieza metálica 84 comprende interiormente una cámara 85 y una pluralidad de orificios 850 distribuidos sobre la 10 superficie, sensiblemente perpendicular al plano y que desembocan al mismo tiempo sobre el plano P2 y en la cámara 85.

Como se ilustra con ayuda de la flecha y del símbolo O2 en la figura 3, el oxígeno producido en el ánodo 4 es recogido por cada uno de los orificios 850 y, seguidamente, es evacuado por la cámara 85. 15 En la figura 4 se representa un ejemplo de realización del primer interconector 8.1 de acuerdo con la invención.

La pieza metálica 80 está constituida por el conjunto de tres placas 80A, 80B, 80C, dispuestas paralelamente entre sí. Una de las placas 80A está perforada por dos grupos de orificios 810, 820 dispuestos a lo largo de líneas 20 paralelas entre sí y separadas regularmente.

La segunda placa 80B también está perforada, pero con un solo grupo de orificios 800B que se comunica con el grupo de orificios 820 de la primera placa 80A por medio de separadores tubulares que forman los canales 83.

25 El espacio entre la primera placa 80A y la segunda placa 80b forma la cámara 81 de recogida de hidrógeno.

La tercera placa 80C es sólida y está separada por un espacio de la segunda placa 80B que forma la otra cámara 81 de suministro de vapor de agua.

30 Como puede verse en la figura 5, los orificios 810 están escalonados con respecto a los orificios 820, formando cuatro orificios 810 un cuadrado, con un orificio 820 en el centro del cuadrado.

En la figura 6 se representa esquemáticamente un apilamiento de tres celdas de electrólisis C1, C2, C3 con los interconectores de acuerdo con la invención.

35 Más exactamente, la corriente se suministra y se recupera en los bornes del apilamiento constituido, en primer lugar, por un primer dispositivo de interconexión 8.0 en contacto con el cátodo de la celda C1 y, en segundo lugar, por un segundo dispositivo de interconexión 8.1 en contacto con la celda C3.

40 Una placa de interconexión constituida por un segundo interconector 8.1 y un primer interconector 8.0 está dispuesta entre la celda C1 y la celda C2, estando el segundo interconector 8.1 en contacto con el plano P2 del ánodo de la celda C1 y estando el primer interconector 8.0 en contacto con el plano P1 del cátodo de la celda C2 adyacente.

Esto se realiza de manera idéntica entre las dos celdas C2 y C3 adyacentes. 45 El inventor hizo los cálculos de diseño mediante elementos finitos con ayuda del software ANSYS FLUENT versión

12.0 para validar el tamaño, el número y la distribución de los orificios de acuerdo con la invención en función de una presión de funcionamiento impuesta.

50 Se precisa que los cálculos se realizaron sobre la base de un patrón de repetición, tal como el que se presenta en la figura 5, siendo el patrón de repetición un triángulo isósceles con una longitud de lado L que define el paso del patrón con un vértice que coincide con el centro de un orificio 820 a través del cual llega el vapor de agua y otro vértice que coincide con el centro de un orificio 810 a través del cual se evacua el hidrógeno producido.

55 Se precisa asimismo que, para cada cálculo, todos los orificios 820, 810, 850 de suministro de vapor de agua, de evacuación del hidrógeno producido y de evacuación del oxígeno de salida, respectivamente, tienen el mismo radio

R.

A continuación se presentan los resultados de estos cálculos. 60 Se precisa en primer lugar que las condiciones de funcionamiento son las siguientes:

• Tensión de 1,17 V para cada celda de electrólisis.

65 • Temperatura de entrada del fluido inyectado en la cámara 82 de 800 °C.

E11707435

02-07-2014

• Composición de la mezcla de fluido inyectada en el lado del cátodo 2: 10 % de H2 y 90 % de H2O con un caudal correspondiente a un exceso del 10 % de H2O sobre la cantidad estequiométrica para una densidad de corriente i=1 A/cm2, a saber, un caudal molar de vapor de agua:

i L2

&

5 N = ××1,1 ,

H 2O

2F 2

ecuación en la que L es el paso del patrón de cálculo mencionado anteriormente y expresado en cm, y F es la constante de Faraday expresada en culombios por mol.

10 • Lado del ánodo 4, sin gas de drenaje.

• Se supone que todos los gases son incompresibles.

• Las características de la celda de electrólisis son tales como se define a continuación en la tabla: 15

Celda de electrólisis: Unidad Valor

Cátodo 2

Material constitutivo: Ni-YZS

Grosor: µm 315

Conductividad térmica: W m-1 K-1 13,1

Conductividad eléctrica: Ω-1 m -1 105

Porosidad: 0,37

Permeabilidad: m 2 10-13

Tortuosidad: 4

Densidad de corriente: Am-2 5300

Ánodo 3

Material constitutivo: LSM

Grosor: µm 20

Conductividad térmica: W m-1 K-1 9,6

Conductividad eléctrica: Ω-1 m -1 1 104

Porosidad: 0,37

Permeabilidad: m 2 10-13

Tortuosidad: 3,0 4

Densidad de corriente: Am-2 2000

Electrolito 4

Material constitutivo: YSZ

Grosor: µm 15

Resistividad: Ω m 0,42

Ejemplo 1

La pieza metálica 84 que constituye el segundo interconector 8.1 está en contacto mecánico directo con el ánodo 4, 20 como se representa en la figura 3.

El plano P2 de este segundo interconector 8.1 está en contacto mecánico directo con el plano del ánodo, como se representa en la figura 3.

25 Los orificios 850 de recogida del oxígeno producido están alineados y escalonados exactamente de la misma manera que el conjunto de los orificios 810, 820 de suministro de vapor de agua y recogida de oxígeno, respectivamente.

E11707435

02-07-2014

Se impone la misma presión de 1 bar a la salida de la cámara 81 de recogida de hidrógeno y a la salida de la cámara 85 de recogida de oxígeno.

Los cálculos para este ejemplo 1 dan:

L (mm): R (mm) χH2 (fracción molar de H2) en la salida Pérdida de carga ΔP cátodo 2 (Pa) Densidad de corriente (A/cm2) Potencial medio Nernst (V) Pérdida de carga ΔP ánodo 4 (Pa)

5,00: 0,50 0,881 175869,3 -0,954 0,98208 113316,0

5,00: 1,00 0,928 131359,4 -1,007 0,96803 69535,7

5,00: 1,25 0,932 116601,6 -1,013 0,96682 53384,1

10,00: 1,00 0,858 594598,7 -0,922 0,98767 429400,3

10,00: 2,00 0,931 437097,0 -1,004 0,96327 275135,9

10,00: 2,50 0,932 379284,7 -1,005 0,96167 212467,5

15,00: 1,50 0,834 1291219,8 -0,883 0,99422 923301,2

15,00: 3,00 0,936 905496,9 -1,032 0,96663 645012,9

15,00: 3,75 0,936 782810,8 -1,030 0,96424 504715,2

20,00: 2,00 0,836 2297333,8 -0,873 0,99193 1642261,5

20,00: 4,00 0,900 1642480,8 -0,949 0,97164 1032564,8

20,00: 5,00 0,918 1358301,9 -1,011 0,96665 886366,4

A partir de este ejemplo 1 se puede concluir que: 10 • La densidad de corriente es poco sensible al valor del paso L.

• La densidad de corriente es más sensible al radio de los orificios R. Cuanto menor es el radio de los orificios R mejor es la distribución de la corriente. Por otro lado, con un R mayor, la evacuación del oxígeno se realiza mejor y se reduce la presión en el lado del ánodo 4 (aumentan las pérdidas de carga ΔP en el ánodo 4), lo que contribuye a

15 que el potencial de Nernst sea inferior. Por lo tanto, la densidad de corriente aumenta en relación a R.

• Las pérdidas de carga en el cátodo ΔP cátodo 2 son relativamente altas. Estas aumentan cuando aumenta el paso L o cuando se reduce el radio del orificio R.

20 Ejemplo 2

El ejemplo 2 es idéntico al ejemplo 1, con la excepción de la presión impuesta: es de 30 bares y es la misma a la salida de la cámara 81 de recogida de hidrógeno y a la salida de la cámara 85 de recogida de oxígeno. Los cálculos para este ejemplo 2 dan:

25

5,00: 0,50 0,894 6558,4 -1,017 0,97778 4486,2

5,00: 1,00 0,893 4607,2 -1,015 0,97775 2454,4

5,00: 1,25 0,886 4005,5 -1,013 0,97771 1850,4

10,00: 1,00 0,924 22068,0 -1,021 0,97439 17985,3

10,00: 2,00 0,919 15468,2 -1,014 0,97617 9799,8

10,00: 2,50 0,901 13337,4 -1,003 0,97666 7497,8

15,00: 1,50 0,925 47517,4 -1,015 0,97382 40463,3

15,00: 3,00 0,909 33131,8 -0,999 0,97466 21974,6

15,00: 3,75 0,879 28531,2 -0,975 0,97442 16939,2

20,00: 2,00 0,924 82963,2 -1,008 0,97346 71064,3

E11707435

02-07-2014

20,00: 4,00 0,891 57928,9 -0,9810 0,97348 38852,1

20,00: 5,00 0,850 49888,0 -0,953 0,97325 29952,3

En este ejemplo 2, se puede concluir, por comparación con el ejemplo 1, que a una presión de 30 bares las evoluciones constatadas para el ejemplo 1 siguen siendo las mismas, a excepción de las pérdidas de carga en el cátodo, que son más bajas.

5

Ejemplo 3

El ejemplo 3 es idéntico al ejemplo 1, a excepción de que el plano del ánodo está en contacto mecánico directo con una rejilla de material eléctricamente conductor en lugar de la placa perforada de la pieza 84, como se representa en

10 la figura 3. Por lo tanto, en este caso esta rejilla conductora se intercala entre la pieza 84 y el plano del ánodo. La rejilla se elige de tal manera que lleve la corriente de manera uniforme sobre toda la superficie del cátodo. También se elige permeable, de manera que su presencia genere unas pérdidas de carga insignificantes.

Los cálculos para este ejemplo 3 dan: 15

5,00: 0,50 0,945 188865,2 -1,033 0,95317 8,4

5,00: 1,00 0,941 133276,2 -1,028 0,96067 8,2

5,00: 1,25 0,937 116679,5 -1,026 0,96387 8,1

10,00: 1,00 0,959 630151,5 -1,046 0,94812 8,4

10,00: 2,00 0,965 439375,0 -1,048 0,95283 8,3

10,00: 2,50 0,963 379908,8 -1,047 0,95519 8,2

15,00: 1,50 0,944 1382697,6 -1,020 0,94969 8,4

15,00: 3,00 0,956 957116,9 -1,027 0,95376 8,2

15,00: 3,75 0,958 821479,4 -1,027 0,95577 8,1

20,00: 2,00 0,937 2373524,8 -1,032 0,95129 8,5

20,00: 4,00 0,953 1688167,2 -1,012 0,95557 8,1

20,00: 5,00 0,954 1447916,4 -1,011 0,95731 8,0

A partir de este ejemplo 3 se puede concluir que:

• En comparación con el ejemplo 1, la densidad de corriente es ligeramente más fuerte cuando se pone una rejilla en

20 contacto mecánico directo con el ánodo. Esto se explica por el hecho de que con un elemento de rejilla, se obtiene una presión de oxígeno menor y, por lo tanto, el potencial de Nernst es menor.

• Como en los ejemplos 1 y 2, la densidad de corriente es poco sensible al valor del paso L.

25 • La densidad de corriente aumenta cuando se reduce el radio del orificio R, debido a que se mejora la distribución de la corriente en el lado del cátodo,

• Las pérdidas de carga en el ánodo ΔP ánodo son bajas.

30 • Las pérdidas de carga ΔP en el cátodo son relativamente altas. Estas aumentan cuando aumenta el paso L o cuando se reduce el radio del orificio R.

Ejemplo 4

35 El ejemplo 4 es idéntico al ejemplo 3, con la excepción de la presión impuesta: es de 30 bares y es la misma a la salida de la cámara 81 de recogida de hidrógeno y a la salida de la cámara 85 de recogida de oxígeno.

Los cálculos para este ejemplo 4 dan:

E11707435

02-07-2014

L (mm): R (mm) χH2 en la salida Pérdida de carga ΔP cátodo 2 (Pa) Densidad de corriente (A/cm2) Potencial medio Nernst (V) Pérdida de carga ΔP ánodo 4 (Pa)

5,00: 0,50 0,849 6109,9 -1,032 0,97754 0,3

5,00: 1,00 0,850 4293,8 -1,032 0,97753 0,3

5,00: 1,25 0,845 3738,3 -1,032 0,97754 0,3

10,00: 1,00 0,901 21222,7 -1,030 0,97411 0,3

10,00: 2,00 0,898 14935,6 -1,028 0,97641 0,3

10,00: 2,50 0,888 12926,8 -1,027 0,97737 0,3

15,00: 1,50 0,906 45716,5 -1,031 0,97257 0,3

15,00: 3,00 0,897 32110,8 -1,030 0,97492 0,3

15,00: 3,75 0,885 27708,2 -1,029 0,97606 0,3

20,00: 2,00 0,897 78422,6 -1,046 0,96975 0,3

20,00: 4,00 0,866 55320,5 -1,045 0,97213 0,3

20,00: 5,00 0,842 47806,5 -1,045 0,97331 0,3

En este ejemplo 4, se puede concluir, por comparación con el ejemplo 3, que a una presión de 30 bares las evoluciones constatadas para el ejemplo 3 siguen siendo las mismas, a excepción de las pérdidas de carga en el cátodo, que son más bajas.

5 Las conclusiones que pueden extraerse de los ejemplos 1 a 4 anteriores son que el rendimiento de la electrólisis propiamente dicha parece ser poco sensible al dimensionamiento del patrón básico (valor del paso L), ya que la fracción molar de hidrógeno a la salida χH2 permanece sensiblemente constante.

10 Por el contrario, los rendimientos hidráulicos parecen ser sensibles a la presión impuesta, siendo las pérdidas de carga más altas a una presión más baja (1 bar en los ejemplos). Por consiguiente, el inventor llegó a la conclusión de que parece preferente hacer funcionar un dispositivo de electrólisis de acuerdo con la invención a alta presión.

Es posible realizar otras mejoras sin apartarse del alcance de la invención.

15 A pesar de que no ha sido descrita en detalle, es obvio que también funcionará una forma de realización en la que el vapor de agua sea alimentado por la cámara 81 y el hidrógeno producido sea recuperado por la cámara 82.

Referencia citada

20 [1]: Xiango Li, International Journal of Hydrogen Energy 30 (2005) 359-371.

Claims

E11707435

02-07-2014

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo de electrólisis de agua a alta temperatura, que comprende:

5 -al menos una celda de electrólisis primaria formada por un cátodo (2), un ánodo (4) y un electrolito (6) intercalado entre el cátodo y el ánodo,

-un primer dispositivo (8.0) que forma un interconector eléctrico y de fluidos compuesto por una pieza metálica (80) delimitada por al menos un plano P1, comprendiendo interiormente dicha pieza metálica dos cámaras (81, 82), superpuestas una sobre la otra, y una pluralidad de orificios (810, 820) repartidos sobre la superficie, sensiblemente perpendiculares al plano y divididos en dos grupos, uno de cuyos grupos de orificios (810) desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y directamente en la cámara adyacente (81) y el otro grupo de orificios (820) desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y en la cámara (82) más lejana a través de canales (83), estando el plano P1 del primer interconector en contacto mecánico con el plano del cátodo (2).

15
2.

Dispositivo de electrólisis de agua de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la cámara adyacente constituye la cámara a través de la cual se suministra vapor de agua y la cámara más lejana es la cámara de recogida del hidrógeno producido por la electrólisis.
3.

Dispositivo de electrólisis de agua de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la cámara adyacente es la cámara de recogida del hidrógeno producido por la electrólisis y la cámara más lejana es la cámara a través de la cual se suministra vapor de agua.
4.

Dispositivo de electrolisis de agua de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que los orificios

25 (810, 820) tienen sección circular con un diámetro comprendido entre 0,5 y 5 mm, preferentemente comprendido entre 1,25 y 2,5 mm.
5.

Dispositivo de electrolisis de agua de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que la distancia entre el centro de dos orificios adyacentes está comprendida entre 7 mm y 28 mm, preferentemente comprendida entre 7mm y 14mm.
6.

Dispositivo de electrolisis de agua de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que los orificios están alineados según líneas paralelas entre sí y separadas regularmente.

35 7. Dispositivo de electrolisis de agua de acuerdo la reivindicación 6, en el cual una línea del grupo de orificios (810) que desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y directamente en la cámara adyacente se alterna con una línea del grupo de orificios (820) que desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y en la cámara más lejana.
8. Dispositivo de electrolisis de agua de acuerdo la reivindicación 7, en el cual la alternancia se realiza de tal manera que los orificios del grupo (810) que desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y directamente en la cámara adyacente están escalonados con los orificios del grupo (820) que desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y en la cámara más lejana, encontrándose cada orificio del grupo (810) que desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y directamente en la cámara adyacente en medio de cuatro orificios (820) del grupo que desemboca al mismo tiempo sobre el plano P1 y en la cámara más lejana, y viceversa.

45
9.

Dispositivo de electrolisis de agua de acuerdo con la reivindicación 8, en el que los cuatro orificios (810) de un grupo forman un cuadrado, estando el orificio (820) del otro grupo en el centro del cuadrado.
10.

Dispositivo de electrólisis de agua de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que comprende un segundo dispositivo (8.1) que forma un interconector eléctrico y de fluidos compuesto por una pieza metálica (84) delimitada por al menos un plano P2, comprendiendo interiormente dicha pieza metálica una cámara (85) y una pluralidad de orificios (850) repartidos sobre la superficie, sensiblemente perpendiculares al plano y desembocando al mismo tiempo sobre este último plano P2 y en la cámara (85), estando el plano P2 del segundo interconector (8.1) en contacto mecánico con el plano del ánodo (4).

55
11.

Dispositivo de electrolisis de agua de acuerdo con la reivindicación 10, en el que el plano P2 está en contacto mecánico directo con el plano del ánodo.
12.

Dispositivo de electrolisis de agua de acuerdo con la reivindicación 10, en el que el plano P2 está en contacto mecánico directo con una rejilla de material eléctricamente conductor, estando la propia rejilla en contacto mecánico directo con el plano del ánodo.
13.

Dispositivo de electrólisis de agua a alta temperatura de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 12, que comprende un apilamiento de celdas de electrólisis primarias, formada cada una de ellas por un cátodo, un ánodo y

65 un electrolito intercalado entre el cátodo y el ánodo, una placa de interconexión que comprende un primer (8.0) y un segundo (8.1) interconector dispuesto entre dos celdas primarias adyacentes, de tal manera que el plano P1 del

11

E11707435

02-07-2014

primer interconector está en contacto mecánico con el cátodo de una de las dos celdas primarias y el plano P2 del segundo interconector está en contacto mecánico con el ánodo de la otra de las dos celdas primarias.
14. Conjunto de producción de hidrógeno que comprende una pluralidad de dispositivos de electrólisis de acuerdo con la reivindicación 13.

12