ES2552127B2 - Acumulador electroquímico ácido-base de flujo (AEABF) - Google Patents

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Abstract

Acumulador electroquímico ácido-base de flujo (AEABF).#La presente invención se refiere a un sistema y un proceso para la acumulación de energía eléctrica que contiene un reactor electroquímico que comprende un compartimento electródico (3) que comprende hidrógeno molecular, un compartimento electródico (5) que comprende una fase líquida (a), un compartimento electródico (9) que comprende la fase líquida (b), una superficie catalítica (4) que comprende un electrocatalizador para la reacción de oxidación del hidrógeno, una superficie catalítica (10) que comprende un electrocatalizador para la reacción de reducción del agua y una membrana de intercambio iónico (8), donde el compartimento electródico (3) y el compartimento electródico (5) están separados entre sí por la superficie catalítica (4), el compartimento electródico (5) está separado a su vez del compartimento electródico (9) por la membrana de intercambio iónico (8) y el compartimento electródico (9) está en contacto por su extremo libre con la superficie catalítica (10).

Description

ACUMULADOR ELECTROQUÍMICO ÁCIDO-BASE DE FLUJO (AEABF)
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención refiere un sistema de acumulación de energía eléctrica que aprovecha la energía de la reacción de neutralización de dos disoluciones ácido/ base transformándola en energía eléctrica. En el proceso de generación de energía eléctrica (descarga del sistema, actuación como pila), se aprovecha la energía libre de la reacción de neutralización de dos disoluciones altamente concentradas en ácido y en base separadas por una membrana de intercambio iónico. Durante el proceso de descarga, las disoluciones de ácido y base reducen su concentración a expensas de proporcionar energía eléctrica gracias al proceso de neutralización. En el proceso de carga se inyecta energía eléctrica para regenerar el estado inicial de las disoluciones anteriores. Los procesos redox de este sistema electroquímico están basados en las reacciones de oxidación del hidrógeno molecular a protón y de reducción del agua a hidrógeno molecular e iones oxidrilo. Por tanto, suponiendo una eficiencia del 100%, en estos procesos el consumo de hidrógeno debería ser nulo.
ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR
Actualmente, existe un gran número de sistemas de almacenamiento de energía: utilizando la energía potencial de sistemas de aire comprimido (CAES, Compressed Air Energy Storage) o de hidro-bombeo (PHS, Pump-Hydro Storage), utilizando la energía cinética de sistemas con discos de inercia (FWES, FlyWheel Energy Storage), utilizando la acumulación directa de carga eléctrica en condensadores y supercondensadores (EDLC, Electrical Dbl-Layer Capacitators) o utilizando el almacenamiento energético en baterías recargables con sistemas químicos como puede ser la tradicional plomo-ácido (P/A) o la más innovadora plomo-carbón (PbC); el sistema niquel-cadmio (Ni-Cd) y niquel hidruro metálico (Ni-MH), de ión litio (Li-ion); los sistemas alrededor del sodio como sodio-sulfuro (Na-S), sodio-haluro metálico (Nametal halide) o el sistema sodio-beta (NaBB, sodium beta bateries) que utiliza una βalumina como electrolito sólido y, finalmente, baterías o acumuladores redox de flujo (RFB, Redox Flow Batteries), en los que la energía está almacenada en dos pares redox reversibles cuyos reactivos están disueltos en un disolvente y cuya mayor o menor solubilidad y volumen definen la capacidad de almacenamiento eléctrico del sistema. Las disoluciones empleadas se definen como posilito, la que se localiza en el compartimento del electrodo positivo y negalito, la que se localiza en el compartimento
del electrodo negativo. Las disoluciones son bombeadas desde dos depósitos de almacenamiento a sus respectivos compartimentos por medio de dos bombas hidraúlicas. En el proceso de descarga se obtiene energía eléctrica de forma espontánea y en el de carga se inyecta energía eléctrica para restituir la composición de las disoluciones.
En este tipo de sistemas las reacciones electródicas de ambos pares redox, que se producen en el electrodo positivo y negativo, no suelen tener la misma eficiencia farádica por lo que al cabo de un cierto número de ciclos de carga/descarga se produce un desajuste en la carga contenida en las disoluciones (estado de carga); es decir en las concentraciones de las especies activas, que hace necesario el empleo de un sistema de rebalanceo que amortigüe la falta de sincronización farádica de los procesos (Z. Yang, J. Zhang, M. C. W. Kintner-Meyer, X. Lu, D. Choi, J. P. Lemmon, Electrochemical Energy Storage for Green Grid, Chemical Review, 111 (2011) 35773613; A. Z. Weber, M. M. Mench, J. P. Meyers, P. N. Ross, J. T. Gostick, Q. Liu, Redox flow batteries: a review, Journal of Applied Electrochemical, 41 (2011) 11371164).
En esta misma línea, existe un tipo de acumuladores redox de flujo que tiene al hidrógeno como uno de los vectores de funcionamiento. La denominación anglosajona de éstos es HESS, -Hydrogen-based Energy Storage System-Sistema de Almacenamiento de Energía basado en Hidrógeno; en ellos, lo que podríamos denominar proceso de carga se realiza por medio de la electrolisis del agua en la que se producen hidrógeno y oxígeno que posteriormente pueden ser utilizados en una pila hidrógeno/oxigeno para la producción de energía eléctrica (proceso de descarga) (E. Varkaraki, N. Lymberopouloa, E. Zoulias, D. Guichardot, G. Poli, Hydrogen-based uninterruptible power supply, International Journal of Hydrogen Energy 32 (2007) 1589
– 1596).
Existe pues la necesidad de proporcionar un acumulador electroquímico de energía eléctrica que:-resuelva las ineficiencias descritas en el estado de la técnica, referentes al sobrevoltaje, eficiencia farádica y reversibilidad de los procesos,-que aproveche las ventajas del autoconsumo de hidrógeno como vector, utilice sustancias simples y económicas, con gran capacidad teórica de almacenamiento energético y suprima la necesidad del uso de un sistema de rebalanceo electroquímico.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención soluciona los problemas descritos en el estado de la técnica ya que proporciona un sistema de acumulación de energía eléctrica que utiliza la energía de neutralización de dos disoluciones, una ácida y otra básica, separadas por una membrana de intercambio iónico y la producción/autoconsumo de hidrógeno como cadena de engranaje del presente sistema.
Así pues en un primer aspecto, la presente invención se refiere a un sistema para la acumulación de energía eléctrica (de aquí en adelante sistema de la presente invención) caracterizado por que contiene un reactor electroquímico que comprende un compartimento electródico (3) que comprende hidrógeno molecular, un compartimento electródico (5) que comprende una fase líquida (a), un compartimento electródico (9) que comprende la fase líquida (b), una superficie catalítica (4) que comprende electrocatalizador para la reacción de oxidación del hidrógeno, una superficie catalítica (10) que comprende el electrocatalizador para la reacción de reducción del agua y una membrana de intercambio iónico (8), donde el compartimento electródico (3) y el compartimento electródico (5) están separados entre sí por la superficie catalítica (4), el compartimento electródico (5) está separado a su vez del compartimento electródico (9) por la membrana de intercambio iónico (8) y el compartimento electródico (9) está en contacto por su extremo libre con la superficie catalítica (10)
En una realización en particular, el sistema de la presente invención comprende un tanque (1) y (1’) para acumular la solución (a) y (b) respectivamente.
En una realización en particular, el sistema de la presente invención comprende al menos una bomba impulsora (2) para distribuir la solución (a) del tanque (1) al compartimento electródico (5) y una bomba impulsora (2’) para distribuir la solución (b) del tanque (1’) al compartimento electródico (9).
En una realización en particular, el sistema de la presente invención comprende un sistema de distribución de gas (6) que distribuye el flujo de hidrógeno molecular a través del sistema
En una realización en particular, el sistema de la presente invención comprende al menos un sistema de válvulas (7) que distribuye el flujo de líquido a través del sistema.
En una realización en particular de la presente invención, el compartimento electródico (3), contacta a su vez por su extremo libre con una superficie catalítica (4’), de las mismas características que la superficie catalítica (4), que a su vez está en contacto con un compartimento electródico (5’) que está separado del compartimento
electródico (9’), por una membrana de intercambio iónico (8’), y a su vez el compartimento electródico (9’) está en contacto con una superficie catalítica (10’)
En un segundo aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento para la acumulación de energía eléctrica (proceso de la presente invención) en el sistema de la presente invención, comprendiendo un proceso de descarga del sistema en el que se genera energía eléctrica a partir de la energía libre obtenida en la reacción de neutralización de dos disoluciones, siendo una disolución ácida y una disolución básica y un proceso de carga en el que se inyecta energía eléctrica para regenerar el estado inicial de las disoluciones anteriores, caracterizado por que el consumo global de hidrógeno es cero y por que comprende las siguientes etapas:
i) preparación del sistema para el proceso de carga introduciendo la disolución ácida o posilito (a) localizada en el tanque (1) en el compartimento electródico (5) y la disolución básica o negalito (b) localizada en el tanque (1’) en el compartimento electródico (9), alimentar el compartimento electródico (3) con hidrógeno,
ii) aplicar una corriente eléctrica al sistema,
iii) oxidación del hidrógeno a ión hidronio en la superficie catalítica (4) y reducción del agua a hidrógeno en la superficie catalítica (10), acidificando la disolución definida como posilito (a) y basificando la disolución definida como negalito (b).
iv) transporte de los iones del electrolito soporte de ambas disoluciones a través de la membrana de intercambio iónico (8).
v) redirigir el exceso de hidrógeno no consumido en el compartimento electródico (3) y el hidrógeno generado en el compartimento electródico (9) hacia el compartimento electródico (3) mediante un sistema de distribución del gas (6).
vi) detener la carga, intercambiar la disolución definida como negalito (b) del compartimento (9) al compartimento (5) y la disolución definida como posilito (a) del compartimento (5) al compartimento (9), invertir la polaridad de los electrodos e iniciar el proceso de descarga mediante la generación de una diferencia de potencial creado por la diferencia de pH entre las dos disoluciones definidas como posilito y negalito,
vii) oxidación del hidrógeno a ión hidronio en el electrodo en contacto con el negalito y reducción del agua a hidrógeno en el electrodo en contacto con el posilito, volviendo las fases líquidas al estado inicial definido en el apartado i).
En la presente invención por posilito (a) se entiende una fase líquida que está compuesta por cualquier especie ácida, siendo preferible utilizar una de las especies ácidas conocidas como fuertes. Además debe estar presente un electrolito soporte
común o electrolito de fondo que puede ser cualquier sal altamente soluble y preferiblemente aquellas cuya movilidad iónica sea muy elevada.
En la presente invención por negalito (b) se entiende una fase líquida que está compuesta por cualquier especie básica, siendo preferible utilizar una de las especies básicas conocidas como fuertes. Además debe estar presente un electrolito soporte común o electrolito de fondo que puede ser cualquier sal altamente soluble y preferiblemente aquellas cuya movilidad iónica sea muy elevada.
En una realización particular, (8) y (8’) es una membrana de intercambio iónico seleccionada de entre una membrana de intercambio catiónico y una membrana de intercambio aniónico o un separador no selectivo.
En una realización en particular, el proceso de la presente invención comprende un paso previo al paso i) de preparación del sistema para el proceso de carga introduciendo en el tanque (1) la disolución ácida o posilito y en el tanque (1’) la disolución básica o negalito, bombeo mediante la acción de bombas (2, 2’) la disolución ácida o posilito hacia el compartimento electródico (5), (5’), (9) y (9’) y la disolución básica o negalito hacia el compartimento electródico (9), (9’), (5) y (5’).
En otra realización particular, el proceso de descarga se realiza en el mismo sistema que el proceso de carga, mediante la inversión de la polaridad de los electrodos al cambiar el posilito (a) del compartimento electródico (5) al compartimento electródico
(9) y negalito (b) del compartimento electródico (9) al compartimento electródico (5), de tal forma que se produce la oxidación del hidrogeno molecular en la superficie catalítica (4) e hidrógeno molecular en la superficie catalítica (10).
En otra realización en particular, el proceso de descarga se realiza en un sistema separado del procedimiento de carga, de tal forma que este sistema comprende dos compartimento electródicos (5), (5’) y compartimentos electródicos (9), (9’), dos superficies catalíticas (4), (4’) y (10), (10’), siendo los electrodos negativos, las superficies catalíticas (4) y (10’) y los electrodos positivos, las superficies catalíticas (4’) y (10).
En la presente invención las ineficiencias asociadas a los procesos de carga/descarga se reducen a la mínima expresión frente a las ineficiencias presentes en los acumuladores existentes en el mercado debido al bajo sobrevoltaje y a la gran reversibilidad de los procesos involucrados (oxidación/reducción de hidrógeno) y a la elevada eficiencia farádica de las dos reacciones, prácticamente del 100%.
El sistema de la presente invención además presenta las siguientes ventajas frente a los sistemas del estado de la técnica:
i) superando la menor eficiencia energética de otros sistemas, ii) incrementando la simplicidad en el diseño del proceso frente a otros procesos, iii) reduciendo el coste por unidad de energía suministrada frente a otros sistemas, iv) reduciendo la peligrosidad de los reactivos utilizados en el proceso frente a los
reactivos utilizados en otros sistemas, v) aumentando la capacidad de almacenamiento energético a este bajo coste, vi) reduciendo las ineficiencias de los procesos electródicos, y finalmente, vii) suprimiendo la necesidad de un sistema de rebalanceo electroquímico.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
FIGURA 1: Diagrama cualitativo de las reacciones y transporte iónico que se producen en los procesos de carga y descarga definidos en esta invención utilizando una membrana de intercambio iónico: a) catiónica y b) aniónica, como separador de compartimentos.
FIGURA 2: Descripción básica del acumulador electroquímico ácido-base de flujo, AEABF.
FIGURA 3: Esquema de cada una de las partes de la estructura electródica utilizada. FIGURA 4: Esquema detallado del acumulador electroquímico de energía eléctrica basado en un único compartimento para cada electrolito: posilito y negalito.
FIGURA 5: Esquema detallado del acumulador electroquímico de energía eléctrica
basado en un doble compartimento para cada electrolito: posilito y negalito. FIGURA 6: Representación gráfica diferencia de potencial del sistema vs densidad de corriente en el proceso de carga del ejemplo 1.
FIGURA 7: Representación gráfica diferencia de potencial del sistema vs. tiempo en el
proceso de carga a una densidad de corriente de 25 mA cm-2 del ejemplo 1. FIGURA 8: Representación de curvas de polarización y curvas de potencia del sistema en el proceso de descarga del ejemplo 2.
FIGURA 9: Representación de diferencia de potencial del sistema vs. tiempo en el proceso de descarga a una densidad de corriente de 25 mA cm-2 del ejemplo 2.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE MODOS DE REALIZACIÓN
El funcionamiento de este acumulador se basa en la diferencia de potencial que aparece entre dos electrodos sumergidos en dos disoluciones con valores de pH diferentes, siendo una de ellas fuertemente ácida y la otra fuertemente básica y ambas con un electrolito soporte en concentración suficiente para que el transporte iónico de la membrana sea realizado por sus iones. En los electrodos se producen las reacciones de oxidación del hidrógeno molecular a protón y la reducción del protón o del agua a hidrógeno molecular, que son procesos muy reversibles. La acidez y basicidad de las disoluciones iniciales se puede neutralizarcon la extracción de energía eléctrica (descarga) o incrementar con el aporte (carga) de energía eléctrica. Poniendo en contacto la disolución fuertemente ácida y la fuertemente básica (ambas con un electrolito soporte en concentración determinada) por medio de una membrana de intercambio iónico, se origina entre los extremos de los electrodos una diferencia de potencial de aproximadamente 0.8 V (este valor depende de la diferencia de pH entre las dos disoluciones). Para la disolución ácida se puede emplear cualquier ácido aunque es preferible utilizar uno de los conocidos como fuertes. Para la disolución básica, se puede emplear cualquier base, aunque es preferible emplear una de las conocidas como fuertes. Como electrolito de fondo se puede utilizar cualquier sal altamente soluble y preferentemente aquellas cuya movilidad iónica sea muy elevada. La descarga de esta pila origina la neutralización de las dos disoluciones; así la disolución ácida pierde acidez y la básica alcalinidad. Una vez llegado al estado de neutralización deseado, las disoluciones pueden regenerarse por aplicación de una corriente eléctrica. En la figura 3 puede verse un esquema de cada una de las partes de la conformación electródica en el acumulador presentado en la presente invención:
1. Una zona en la que se produce la oxidación del hidrógeno a ion hidronio, representada como (A) de forma genérica en el esquema. Esta estructura electródica debe optimizar tanto la electrocatálisis del proceso de oxidación como el aporte másico del hidrógeno a la superficie catalítica. La baja solubilidad del hidrógeno en medio acuoso hace que la estructura eléctrodica deba incrementar el área de la interfase líquido/gas en la capa catalítica que es en la que se produce la oxidación. En este sentido la zona (A) comprende: compartimento electródico (5) donde se encuentra la fase líquida, es decir, el posilito o el negalito-; -la capa catalítica donde se encuentra el electrocatalizador adecuado para la reacción de oxidación del hidrógeno (4) y, ( un compartimento electródico (3) donde está presente el hidrógeno molecular. En este planteamiento, la superficie (4) debe ser porosa e hidrófoba ya que el hidrógeno debe difundir por ésta para reaccionar con el catalizador, pero a la vez, debe mantener
separados el líquido del compartimento (5) del gas del compartimento (3). Esta estructura puede corresponder a la estructura de un electrodo de difusión de gas, extensamente utilizado en pilas de combustible hidrógeno/oxígeno; pero, de igual forma, se considera que pueden utilizarse otras estructuras donde las características de porosidad, conductividad y electrocatálisis de los materiales optimicen la interacción entre hidrógeno (gas), electrocatalizador e ión hidronio en la reacción de oxidación del hidrógeno.
2.
Una membrana de intercambio iónico (8). Esta membrana de intercambio iónico puede ser aniónica o catiónica, permitiendo el transporte sólo de aniones o de cationes, respectivamente. También puede utilizarse cualquier otro separador no selectivo con el único inconveniente de una disminución en la eficiencia del acumulador.
3.
Una zona en la que se producirá hidrógeno gas a partir de la reducción del protón o del agua, representada de manera genérica como (B) en el esquema. La zona B comprende: un compartimento electródico (9) donde se encuentra la fase líquida, es decir, el posilito o el negalito y, el electrodo catalizado (10) en el que se produce hidrógeno molecular. El aporte del reactivo, agua o ion hidronio, al electrodo se realiza por difusión-convección, lo que no presenta mayor problema. Cualquier catalizador susceptible de ser empleado en la obtención de hidrógeno por electrólisis puede ser empleado para este proceso en el acumulador AEABF.
Una vez descrita la estructura electródica, en la figura 4 se describe un esquema detallado de cada una de las partes que componen este acumulador. Teniendo presente este esquema, a continuación se indica en detalle la secuencia de cada uno de los pasos que se llevan a cabo en los procesos de carga y descarga del acumulador presentado en esta invención:
PROCESO DE CARGA
1) Inicialmente se parte de dos disoluciones de ácido y base cuya concentración puede variar entre 0.0001M y 5M, aunque estos límites no suponen ninguna restricción. Para la disolución ácida se puede emplear cualquier ácido aunque es preferible utilizar uno de los conocidos como fuertes. Para la disolución básica, se puede emplear cualquier base aunque es preferible emplear una de las conocidas como fuertes. Estas disoluciones iniciales deben contener un electrolito soporte (sal soluble) en una concentración tal que sean los iones del electrolito soporte los que realicen la conducción iónica del sistema. Como electrolito de fondo se puede utilizar cualquier sal altamente soluble y preferentemente aquellas cuya movilidad iónica sea
muy elevada. En el tanque definido como (1) se introduce la disolución con una concentración en ácido conocida, posilito, y en el tanque definido como (1’) se introduce la disolución con una concentración en base conocida, negalito.
2) A continuación se alimenta el compartimento (3) con hidrógeno mediante una fuente externa, en este punto se bombean el posilito y el negalito hacia los compartimentos
(5) y (9), respectivamente, mediante bombas hidráulicas (2, 2’).
3) Una vez preparado el sistema se inicia el proceso de carga del mismo que puede realizarse a corriente o a potencial controlado siendo unos valores aceptables una densidad de corriente de entre 1 mA cm-2 y 5 A cm-2 o unos potenciales entre 1 y 3 V.
Las reacciones que se producen en los electrodos son la oxidación del hidrógeno a ión hidronio en la superficie catalítica definida como (4) y la reducción del agua a hidrógeno en la superficie catalítica definida como (10), según las reacciones:
En el negalito: H2O + e → ½ H2 + OH -
En el posilito: ½ H2 → H ++e
El circuito eléctrico se cerrará con el transporte de los iones del electrolito soporte de ambas disoluciones a través de la membrana de intercambio iónico definida por (8). El hidrógeno generado en el compartimento (9) es recuperado para su reutilización, así como el excedente de hidrógeno no utilizado en el compartimento (3) y el que pueda estar presente en el compartimento (5), utilizando un sistema de distribución del gas definido como (6). Por lo tanto, la producción de hidrógeno se autoconsume manteniendo un ciclo cerrado de producción/consumo de éste.
4) En el proceso de carga, el posilito (a) se irá acidificando con el paso de la carga y, del mismo modo, el negalito (b) se irá basificando. Para un volumen dado, la diferencia entre la concentración inicial y la concentración final de ácido en el posilito y de base en el negalito, es decir, la diferencia del pH final entre posilito y negalito define la capacidad de acumulación de energía eléctrica del acumulador.
PROCESO DE DESCARGA
5) Una vez alcanzadas las concentraciones finales deseadas que pueden estar entre 0.5M a 4M o superiores dependiendo de los tipos de ácido y base empleados, se detiene la carga. La descarga del sistema se realiza cambiando de compartimento los flujos del posilito y del negalito a través de las válvulas distribuidoras definidas como (7). El posilito (a) se cambia del compartimento (5) al (9) y el negalito (b) del compartimento (9) al (5). El compartimento (3) tiene estabilizada la presión de hidrógeno por lo que el aporte de este reactivo está asegurado. Este cambio en las
disoluciones produce una inversión en la polaridad de los electrodos con lo que la descarga se produce espontáneamente en cuanto el circuito se cierre con una resistencia adecuada. Otra posibilidad es duplicar el sistema definido en la figura 3 y utilizar uno de los sistemas para el proceso de carga y otro distinto para el de descarga definiendo una conformación electródica y por tanto, un sistema distinto que se describe en la figura 5. En este sistema existe un único compartimento con las mismas características del definido anteriormente como (3) y la duplicación de los compartimentos (5) y (9) definidos en la figura como (5’) y (9’). De igual forma, se han duplicado las superficies catalíticas (4) y (10) definiéndose las superficies (4’) y (10’). En este caso las superficies (10’) y (4) se pueden considerar como el electrodo negativo y las superficies (10) y (4’) como el electrodo positivo.
6) El sistema, definido de cualquiera de las formas presentadas en el apartado 5, genera una diferencia de potencial en equilibrio que depende de la diferencia de pH entre posilito y negalito (~ 0.8 V) y, por tanto, fijando las condiciones de descarga, puede descargarse el sistema haciendo circular las disoluciones y poniendo en contacto las disoluciones correspondientes con las superficies catalíticas. En este proceso de descarga, en el electrodo del negalito se oxida el hidrógeno en presencia del ión oxidrilo con la formación de agua (4) y en el electrodo en contacto con el posilito se reduce el ión hidronio con la producción de hidrógeno sobre la superficie catalítica definida como (10), según las siguientes reacciones:
En el negalito: ½ H2 + OH -→ H2O+ e
En el posilito: H+ + e → ½ H2
De esta forma, el negalito se acidifica y el posilito se basifica por lo que las disoluciones recuperan su estado inicial y puede iniciarse otro proceso de carga.
Los ciclos de carga/descarga se realizarán siguiendo los 6 pasos definidos anteriormente.
EJEMPLO 1:
En este ejemplo se realiza un proceso de carga del acumulador utilizando como posilito y negalito, NaOH 1M y HCl 1M, respectivamente. Ambas disoluciones contienen NaCl 2M como electrolito soporte. El volumen del negalito y del posilito es de 50 mL. La estructura electródica que se ha utilizado está compuesta por un electrodo de difusión formado por un Toray Paper TGPH-90 20% wet-proofed sobre el que se deposita una capa microporosa de una mezcla de PTFE y Vulcan XC72 con una relación en peso de 60/40 entre ambos y un recubrimiento de 2.5 (mg Vulcan XC72) cm-2. Sobre esta capa se construye una capa catalítica utilizando Pt/C al 30%
en peso como electrocatalizador y Nafion como binder en una proporción de 60 / 40 entre ambos, siendo el recubrimiento catalítico final de 1 (mg Pt) cm-2;. Este electrodo de difusión se utiliza en la reacción de oxidación del hidrógeno. De igual forma, se utiliza un electrodo de titanio platinizado en la reacción de formación de hidrógeno.
5 Finalmente, el área geométrica electródica de este sistema es de 4 cm2.
Inicialmente se ha obtenido la curva de polarización (figura 6) del sistema y a continuación se ha realizado una carga a densidad de corriente constante de 25 mA cm -2 durante 7200 segundos. En la figura 7 se muestra la evolución del voltaje con el tiempo.
10 EJEMPLO 2:
En este ejemplo se realiza un proceso de descarga del acumulador utilizando como negalito y posilito, NaOH 1M y HCl 1M, respectivamente. Ambas disoluciones contienen NaCl 2M como electrolito soporte. El volumen de negalito y de posilito es de 50 mL. Como electrodos se han empleado los descritos anteriormente
15 Inicialmente se ha obtenido la curva de polarización y de potencia (figura 8) y a continuación se ha realizado una descarga a densidad de corriente constante de 25 mA cm -2 durante 7200 segundos. En la figura 9 se muestra la evolución de la diferencia de potencial con el tiempo.

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Sistema para la acumulación de energía eléctrica caracterizado por que contiene un reactor electroquímico que comprende un compartimento electródico (3) que comprende hidrógeno molecular, un compartimento electródico (5) que comprende una fase líquida (a), un compartimento electródico (9) que comprende la fase líquida
    (b) una superficie catalítica (4) que comprende un electrocatalizador para la reacción de oxidación del hidrógeno, una superficie catalítica (10) que comprende un electrocatalizador para la reacción de reducción del agua y una membrana de intercambio iónico (8), donde:
    el compartimento electródico (3) y el compartimento electródico (5) están separados entre sí por la superficie catalítica (4),
    el compartimento electródico (5) está separado a su vez del compartimento electródico
    (9) por la membrana de intercambio iónico (8),
    donde la fase líquida (a) es una disolución ácida con una concentración comprendida entre 0.0001-5M y la fase líquida (b) es una disolución básica con una concentración comprendida entre 0.0001-5M y ambas comprenden una sal soluble como electrolito soporte para realizar el transporte iónico y,
    el compartimento electródico (9) está en contacto por su extremo libre con la superficie catalítica (10).
  2. 2.
    Sistema según la reivindicación 1, que comprende un tanque (1) y (1’) para acumular la solución (a) y (b) respectivamente.
  3. 3.
    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende al menos una bomba impulsora (2) para distribuir la solución (a) del tanque (1) al compartimento electródico (5) y una bomba impulsora (2’) para distribuir la solución (b) del tanque (1’) al compartimento electródico (9).
  4. 4.
    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende un sistema de distribución de gas (6) que distribuye el flujo de hidrógeno molecular a través del sistema
  5. 5.
    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende al menos un sistema de válvulas (7) que distribuye el flujo de líquido a través del sistema.
  6. 6.
    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el compartimento electródico (3) contacta a su vez por su extremo libre con una superficie catalítica (4’) de las mismas características que la superficie catalítica (4),
    que a su vez está en contacto con un compartimento electródico (5’) que está separado del compartimento electródico (9’) por una membrana de intercambio iónico (8’), y a su vez el compartimento electródico (9’) está en contacto con una superficie catalítica (10’).
  7. 7. Procedimiento para la acumulación de energía eléctrica en un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, que comprende un proceso de descarga del sistema en el que se genera energía eléctrica a partir de la energía libre obtenida en la reacción de neutralización de dos disoluciones siendo una disolución ácida y una disolución básica y un proceso de carga en el que se inyecta energía eléctrica para regenerar el estado inicial de las disoluciones anteriores, caracterizado por que el consumo global de hidrógeno es cero y por que comprende las siguientes etapas:
    i) preparación del sistema para el proceso de carga introduciendo la disolución ácida o posilito (a) con una concentración comprendida entre 0.0001-5M, en el compartimento electródico (5) y la disolución básica o negalito (b) con una concentración comprendida entre 0.0001-5M, en el compartimento electródico (9), donde la fase líquida (a) y la fase líquida (b) comprenden una sal soluble como electrolito soporte para realizar el transporte iónico y alimentar el compartimento electródico (3) con hidrógeno,
    ii) aplicar una corriente eléctrica al sistema,
    iii) oxidación del hidrógeno a ión hidronio en la superficie catalítica (4) y reducción del agua a hidrógeno en la superficie catalítica (10), acidificando la disolución definida como posilito (a) y basificando la disolución definida como negalito (b).
    iv) transporte de los iones del electrolito soporte de ambas disoluciones a través de la membrana de intercambio iónico (8).
    v) redirigir el exceso de hidrógeno no consumido en el compartimento electródico (3) y el hidrógeno generado en el compartimento electródico (9) hacia el compartimento electródico (3) mediante un sistema de distribución del gas (6).
    vi) detener la carga, intercambiar la disolución definida como negalito (b) del compartimento (9) al compartimento (5) y la disolución definida como posilito (a) del compartimento (5) al compartimento (9), invertir la polaridad de los electrodos e iniciar el proceso de descarga mediante la generación de una diferencia de potencial creado por la diferencia de pH entre las dos disoluciones definidas como posilito y negalito,
    vii) oxidación del hidrógeno a ión hidronio en el electrodo en contacto con el negalito y reducción del agua a hidrógeno en el electrodo en contacto con el posilito, volviendo las fases líquidas al estado inicial definido en el apartado i).
  8. 8.
    Procedimiento según la reivindicación 7 donde (8) y (8’) es una membrana de intercambio iónico seleccionada de entre una membrana de intercambio catiónico y una membrana de intercambio aniónico o un separador no selectivo.
  9. 9.
    Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7-8, que comprende un
    5 paso previo al paso i) de preparación del sistema para el proceso de carga introduciendo en el tanque (1) la disolución ácida o posilito y en el tanque (1’) la disolución básica o negalito , bombeo mediante la acción de bombas (2, 2’) la disolución ácida o posilito hacia el compartimento electródico (5), (5’), (9) y (9’) y la disolución básica o negalito hacia el compartimento electródico (9), (9’), (5) y (5’).
    10 10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7-9, donde el proceso de descarga se realiza en el mismo sistema que el proceso de carga, mediante la inversión de la polaridad de los electrodos al cambiar el posilito (a) del compartimento electródico (5) al compartimento electródico (9) y negalito (b) del compartimento electródico (9) al compartimento electródico (5), de tal forma que se produce la
    15 oxidación del hidrogeno molecular en la superficie catalítica (4) e hidrógeno molecular en la superficie catalítica (10).
  10. 11. Procedimiento según la reivindicación 10, donde el proceso de descarga se realiza en un sistema separado del procedimiento de carga, de tal forma que este sistema comprende dos compartimento electródicos (5), (5’) y compartimentos electródicos (9),
    20 (9’), dos superficies catalíticas (4), (4’) y (10), (10’), siendo los electrodos negativos, las superficies catalíticas (4) y (10’) y los electrodos positivos, las superficies catalíticas (4’) y (10).
    FIG. 1 A
    B
    FIG. 2
    FIG. 3
    FIG. 4
    FIG. 5
    FIG. 6
    FIG. 7
    FIG. 8
    FIG. 9
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