ES2866955T3 - Control de la estanqueidad de una membrana, de al menos una membrana de un electrolizador - Google Patents

Control de la estanqueidad de una membrana, de al menos una membrana de un electrolizador Download PDF

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Abstract

Procedimiento para controlar la estanqueidad de una membrana, de al menos una membrana (7) de un electrolizador (1), que presenta dos volúmenes del electrolizador separados uno de otro mediante al menos una membrana (7), y que está diseñado para producir dos gases producto (10, 30), desde un líquido inicial (50), mediante una electrólisis, donde - durante una electrólisis se detecta una intensidad de corriente de electrólisis y se determina un caudal de líquido, del líquido inicial (50), entre los dos volúmenes del electrolizador, - y se forma un parámetro de relación (Q), que es proporcional con respecto al cociente del caudal de líquido determinado y de la intensidad de corriente de electrólisis detectada, y se lo utiliza para controlar la estanqueidad de la membrana, donde se predetermina un primer valor umbral de relación (QS1) para el parámetro de relación y se deduce una fuga de al menos una membrana (7) cuando el parámetro de relación (Q) supera el primer valor umbral de relación (QS1) predeterminado y/o se predetermina un segundo valor umbral de relación (QS2) para el parámetro de relación y se deduce una fuga de al menos una membrana (7) cuando el parámetro de relación (Q) se ubica por debajo del segundo valor umbral de relación (QS2) predeterminado.

Description

DESCRIPCIÓN
Control de la estanqueidad de una membrana, de al menos una membrana de un electrolizador
La presente invención hace referencia a un procedimiento y a un dispositivo de prueba para controlar la estanqueidad de una membrana, de al menos una membrana de un electrolizador, que presenta dos volúmenes del electrolizador separados uno de otro mediante al menos una membrana, y que está diseñado para producir dos gases producto, desde un líquido inicial, mediante una electrólisis. Procedimientos de esa clase se conocen por las solicitudes JP 2010121146 A y EP 2006418 A2.
En particular, la invención hace referencia al control de la estanqueidad de una membrana de un electrolizador, para una electrólisis de agua, en donde agua se descompone en los gases producto oxígeno e hidrógeno, donde el electrolizador por ejemplo está diseñado como un electrolizador de membrana de intercambio de protones (el así llamado electrolizador PEM) con al menos una membrana de polímeros permeable a protones (PEM = membrana electrolítica polimérica). Los electrolizadores PEM tienen la ventaja de que éstos pueden funcionar de forma muy dinámica y, con ello, son excelentemente adecuados para la utilización de corriente en exceso para la producción de hidrógeno.
En la electrólisis de agua se forman al mismo tiempo siempre los dos gases producto hidrógeno y oxígeno. Esos gases producto deben estar presentes separados en todo momento y no deben mezclarse. En las membranas del electrolizador pueden producirse fugas durante el funcionamiento en curso, de manera que ya no pueda garantizarse una separación hermética de los dos gases producto. En ese caso puede producirse una mezcla de los gases producto, de manera que en un caso extremo puede presentarse un estado de funcionamiento inseguro. Ese caso debe excluirse mediante medidas adecuadas.
Las fugas de membranas de un electrolizador, por ejemplo, pueden detectarse controlando si un gas producto atraviesa una membrana. Ese procedimiento requiere una monitorización independiente de los gases producto y es relativamente complejo. En el caso de un electrolizador para una electrólisis de agua en particular es complicado el hecho de que el agua se encuentra presente en el sistema, de manera que junto con los dos gases producto pueden estar presentes al mismo tiempo hasta tres componentes. En el caso de un modo de funcionamiento dinámico que en general implica variaciones de temperatura y de presión, en ocasiones el contenido de agua varía en alto grado. Precisamente en el caso de métodos de análisis sencillos (robustos) esto dificulta una calibración. Además pueden presentarse efectos de condensación no deseados.
En el caso de una implementación técnica típica de la monitorización de los gases producto, para la detección de fugas de una membrana se analiza un flujo de gas reducido que se deriva desde un gas del producto. El gas derivado puede secarse por ejemplo con la ayuda de un condensador refrigerado de forma activa. Las presiones de funcionamiento que se alternan en el tiempo pueden estandarizarse mediante un reductor de presión. Como detectores se consideran por ejemplo cromatógrafos de gas, detectores de conductividad térmica o sensores catalíticos. Estos últimos, el caso de la presencia de hidrógeno y oxígeno, causan una reacción química y registran además un aumento de la temperatura. Un procedimiento de esa clase presenta la desventaja de que se necesitan componentes adicionales, y de que deben realizarse calibraciones relativamente complejas.
El objeto de la presente invención consiste en proporcionar un procedimiento mejorado y un dispositivo de prueba mejorado para controlar la estanqueidad de una membrana, de al menos una membrana de un electrolizador, que presenta dos volúmenes del electrolizador separados uno de otro mediante al menos una membrana, y que está diseñado para producir dos gases producto, desde un líquido inicial, mediante una electrólisis.
El objeto, en cuanto al procedimiento, según la invención, se soluciona mediante las características de la reivindicación 1, y en cuanto al dispositivo de prueba, mediante las características de la reivindicación 12.
En las reivindicaciones dependientes se indican variantes ventajosas de la invención.
En el procedimiento según la invención para controlar la estanqueidad de una membrana, de al menos una membrana de un electrolizador, que presenta dos volúmenes del electrolizador separados uno de otro mediante al menos una membrana, y que está diseñado para producir dos gases producto, desde un líquido inicial, mediante una electrólisis, se realizan las siguientes etapas:
- durante una electrólisis se detecta una intensidad de la corriente de electrólisis y se determina un caudal de líquido, del líquido inicial, entre los dos volúmenes del electrolizador,
- y se forma un parámetro de relación, que es proporcional con respecto al cociente del caudal de líquido determinado y de la intensidad de corriente de electrólisis detectada, y se lo utiliza para controlar la estanqueidad de la membrana, donde se predetermina un primer valor umbral de relación para el parámetro de relación y se deduce una fuga de al menos una membrana cuando el parámetro de relación supera el primer valor umbral de relación predeterminado y/o se predetermina un segundo valor umbral de relación para el parámetro de relación y se deduce una fuga de al menos una membrana cuando el parámetro de relación se ubica por debajo del segundo valor umbral de relación predeterminado.
De este modo, en el procedimiento se prevé monitorear la estanqueidad de una membrana de un electrolizador no mediante análisis de gases, de gases producto, sino, en lugar de ello, mediante un análisis de un caudal de líquido, del líquido inicial, mediante al menos una membrana del electrolizador, que se manifiesta como caudal de líquido entre los dos volúmenes del electrolizador separados por al menos una membrana. El procedimiento se basa en el hecho de que además de las moléculas de un gas del producto, también moléculas del líquido inicial, no involucradas en la electrólisis, atraviesan al menos una membrana y, con ello, pasan desde un volumen del electrolizador hacia el otro volumen del electrolizador. En el caso de una fuga de una membrana, más moléculas del líquido inicial pueden atravesar esa membrana, lo cual tiene como consecuencia una variación del caudal de líquido entre los dos volúmenes del electrolizador. Por eso, una determinación de ese caudal de líquido posibilita un control de la estanqueidad de la membrana.
Además, en la invención se prevé que durante una electrólisis se detecte una intensidad de la corriente de electrólisis y que se forme un parámetro de relación, que sea proporcional con respecto al cociente del caudal de líquido determinado y de la intensidad de la corriente de electrólisis detectada, y que se lo utilice para valorar la estanqueidad de la membrana.
Esta característica de la invención aprovecha el hecho de que en general la relación de las cantidades de un gas del producto y del líquido inicial, que atraviesan una membrana, en una buena aproximación, es constante. En el caso de una fuga de una membrana se produce una vía de transporte adicional para el líquido inicial, a través de la membrana, debido a lo cual se modifica esa relación. Por lo tanto, esa relación es adecuada como un parámetro para valorar la estanqueidad de la membrana. De este modo, la intensidad de la corriente de electrólisis es una variable de medición a la que puede accederse con facilidad, la cual es una medida para la cantidad de un gas del producto que atraviesa la membrana. Por ese motivo, un parámetro de relación, que es proporcional con respecto al cociente del caudal de líquido determinado y de la intensidad de corriente de electrólisis detectada, de manera especialmente ventajosa, es adecuado para valorar la estanqueidad de la membrana.
Según la invención se predetermina un primer valor umbral de relación para el parámetro de relación y se deduce una fuga de al menos una membrana cuando el parámetro de relación supera el primer valor umbral de relación predeterminado y/o se predetermina un segundo valor umbral de relación para el parámetro de relación y se deduce una fuga de al menos una membrana cuando el parámetro de relación se ubica por debajo del segundo valor umbral de relación predeterminado. De ese modo, de manera sencilla, se definen criterios que pueden verificarse con facilidad, para la detección de una fuga de al menos una membrana, los cuales han resultado sorprendentemente fiables. En particular, una especificación de ambos valores umbral de relación define un rango de tolerancia para valores del parámetro de relación, por fuera del cual se deduce una fuga de una membrana. Debido a esto, de manera ventajosa, se considera que líquido inicial pueda pasar por una fuga de una membrana, tanto en la misma dirección en la que también un gas del producto atraviesa la membrana, como también en una dirección opuesta a la misma, donde la dirección depende del nivel relativo de las presiones en los dos volúmenes del electrolizador. De este modo, ventajosamente, el procedimiento posibilita un control de la estanqueidad de la membrana sin un análisis de gases complejo y una calibración. En particular, a diferencia de los procedimientos de análisis de gas, el procedimiento puede realizarse sin una derivación de un flujo de gas y sin detectores adicionales para el análisis de gases, del flujo de gas derivado, como cromatógrafos de gas, detectores de conductividad térmica o sensores catalíticos. Para realizar el procedimiento solamente se necesitan sensores para determinar el caudal de líquido entre los dos volúmenes del electrolizador, así como en una configuración del procedimiento descrita más adelante medidores de corriente para la detección de intensidades de la corriente de electrólisis. Los sensores de esa clase en general están proporcionados de todos modos como componentes de un electrolizador, de manera que no se necesitan sensores adicionales para realizar el procedimiento según la invención. Además, el procedimiento posibilita un control fiable de la estanqueidad de la membrana debido a la precisión de medición elevada de sensores para determinar el caudal de líquido y la intensidad de la corriente de electrólisis.
En una configuración de la invención se prevé que para determinar el caudal de líquido se determine una variación temporal de un volumen de líquido, del líquido inicial, en al menos uno de los dos volúmenes del electrolizador. Una variación temporal de un volumen de líquido, del líquido inicial, en al menos uno de los dos volúmenes del electrolizador, puede determinarse de forma sencilla y precisa en cuanto a la técnica de medición, por ejemplo mediante sensores del nivel de llenado, y por lo tanto, ventajosamente, es adecuada para determinar el caudal de líquido entre los dos volúmenes del electrolizador.
En general, cada uno de los dos volúmenes del electrolizador comprende un volumen del recipiente, de un recipiente de separación, en el cual se acumulan un gas del producto y líquido inicial. En un caso de esa clase, la variación temporal de un volumen de líquido, del líquido inicial, en al menos uno de los dos volúmenes del electrolizador, preferentemente se determina mediante la determinación de una variación temporal de un volumen de líquido, del líquido inicial, en el volumen del recipiente, del volumen de electrolizador. De este modo se determina una variación temporal de un volumen de líquido, del líquido inicial, en el volumen del recipiente de un volumen del electrolizador, por ejemplo detectando y evaluando de forma reiterada una altura del nivel de llenado del líquido inicial en el volumen del recipiente, y/o detectando y evaluando de forma reiterada una presión del gas en el volumen del recipiente, y/o detectando y evaluando una variación temporal de una diferencia de presión entre presiones del gas en los dos volúmenes del recipiente.
Las configuraciones de la invención antes mencionadas, de manera ventajosa, aprovechan el hecho de que un volumen de líquido, del líquido inicial, en un recipiente de separación, puede determinarse de forma particularmente sencilla y precisa mediante una detección de una altura del nivel de llenado del líquido inicial y/o de una presión de gas en el recipiente de separación y/o mediante una diferencia de presión entre las presiones del gas en los dos recipientes de separación.
En otra configuración de la invención se prevé que la electrólisis se interrumpa por un periodo de interrupción, que los volúmenes del electrolizador se llenen con cantidades de líquido distintas unas de otras del líquido inicial, y que mediante un caudal de líquido determinado durante el periodo de interrupción, se determine una necesidad de tiempo para igualar las cantidades de líquido en los dos volúmenes del electrolizador y que se la utilice para valorar la estanqueidad de la membrana.
Esa configuración de la invención define un procedimiento de prueba para valorar la estanqueidad de una membrana, que se realiza durante una interrupción de la electrólisis. De este modo, sólo se requiere determinar y evaluar una necesidad de tiempo para una igualación al comienzo, de diferentes cantidades de líquido, del líquido inicial, en los volúmenes del electrolizador. Sin embargo, se considera desventajoso que el electrolizador no está disponible para la operación de electrólisis durante el procedimiento de prueba.
Preferentemente, antes de la determinación de la necesidad de tiempo, para igualar las dos cantidades de líquido, se igualan presiones del gas en los dos volúmenes del electrolizador a una presión ambiente en un ambiente del electrolizador.
Una igualación de las presiones del gas en los dos volúmenes del electrolizador, de manera ventajosa, define condiciones uniformes para el procedimiento de prueba, simplificando de este modo la evaluación del procedimiento de prueba para valorar la estanqueidad de la membrana. Una igualación de las presiones del gas en los dos volúmenes del electrolizador, a la presión del ambiente, en un ambiente del electrolizador, puede realizarse de forma particularmente sencilla, por ejemplo mediante una apertura controlada de conductos de soplado del electrolizador. En el procedimiento de prueba antes mencionado, además, por ejemplo, el caudal de líquido se determina de forma reiterada durante el periodo de interrupción y la necesidad de tiempo para una igualación de las dos cantidades de líquido se determina mediante una extrapolación de los caudales de líquido detectados.
De manera ventajosa, esto puede acortar el procedimiento de prueba, puesto que el procedimiento de prueba no necesita continuar hasta alcanzarse la igualación de las dos cantidades de líquido.
Un dispositivo de prueba según la invención para controlar la estanqueidad de una membrana, de al menos una membrana de un electrolizador, que presenta dos volúmenes del electrolizador separados uno de otro mediante al menos una membrana, y que está diseñado para producir dos gases producto, desde un líquido inicial, mediante una electrólisis, comprende un dispositivo de medición para detectar una cantidad de líquido, del líquido inicial, y una unidad de evaluación para determinar un caudal de líquido, del líquido inicial, entre los dos volúmenes del electrolizador, mediante los valores de medición detectados por el dispositivo de medición, y para formar un parámetro de relación que es proporcional con respecto al cociente del caudal de líquido determinado y la intensidad de la corriente de electrólisis detectada, donde se predetermina un primer valor umbral de relación para el parámetro de relación y se deduce una fuga de al menos una membrana cuando el parámetro de relación supera el primer valor umbral de relación predeterminado y/o se predetermina un segundo valor umbral de relación para el parámetro de relación y se deduce una fuga de al menos una membrana cuando el parámetro de relación se ubica por debajo del segundo valor umbral de relación predeterminado.
En otra configuración del dispositivo de prueba se proporciona un medidor de corriente para detectar una intensidad de la corriente de electrólisis del electrolizador. En otras configuraciones del dispositivo de prueba se prevé que el dispositivo de medición comprenda al menos un sensor del nivel de llenado para detectar un nivel de llenado del líquido inicial en un volumen del recipiente y/o al menos un sensor de presión para detectar una presión de gas en un volumen del recipiente.
Los dispositivos de prueba de esa clase posibilitan la realización del procedimiento según la invención para controlar la estanqueidad de una membrana, con las ventajas antes mencionadas.
Las propiedades, características y ventajas de esta invención, descritas anteriormente, así como el modo de alcanzar las mismas, se aclaran y se vuelven más compresibles con relación a la siguiente descripción de ejemplos de ejecución que se explican en detalle en combinación con los dibujos. Muestran:
Figura 1 un diagrama de bloques de un electrolizador y de un dispositivo para controlar la estanqueidad de la membrana de un electrolizador, y
Figura 2 un diagrama de un desarrollo temporal de un parámetro de relación.
La figura 1 muestra un diagrama de bloques de un electrolizador 1 y de un dispositivo de prueba 3 para controlar la estanqueidad de una membrana, de al menos una membrana 7 del electrolizador 1.
El electrolizador 1 está diseñado para generar dos gases producto 10, 30; desde un líquido inicial 50, mediante una electrólisis. El líquido inicial 50 por ejemplo es agua; en ese caso, en la electrólisis se generan oxígeno, como un primer gas del producto 10 e hidrógeno, como un segundo gas del producto 30.
El electrolizador 1 comprende un bloque de celdas 2 con al menos una celda de electrólisis 4 y dos recipientes de separación 5, 6. En la figura 1 sólo está representada una celda de electrólisis 4. Sin embargo, a continuación se parte del hecho de que el bloque de celdas 2 comprende varias celdas de electrólisis 4. Cada celda de electrólisis 4 presenta una membrana 7 que divide la celda de electrólisis 4 en una primera celda parcial 4.1 y una segunda celda parcial 4.2. Cada primera celda parcial 4.1 presenta un ánodo para la electrólisis, cada segunda celda parcial 4.2 presenta un cátodo para la electrólisis. Cada membrana 4 está diseñada para la separación de los gases producto 10, 30 generados durante la electrólisis en la respectiva celda de electrólisis 4.
Las primeras celdas parciales 4.1, mediante un primer conducto de avance 20 y un primer conducto de retroceso 25, están conectadas a un primer recipiente de separación 5, en el cual se acumulan el primer gas del producto 10, producido durante la electrólisis en las celdas de electrólisis 4, y líquido inicial 50. En el primer conducto de avance 20 se encuentran un primer intercambiador de calor 21 para el templado de líquido inicial 50, y una primera bomba de avance 22, mediante la cual se bombea líquido inicial 50, desde el primer recipiente de separación 5, a través del primer conducto de avance 20, hacia las primeras celdas parciales 4.1. El primer conducto de retroceso 25 se utiliza para guiar el primer gas del producto 10, producido durante la electrólisis en las celdas de electrólisis 4, hacia el primer recipiente de separación 5. Las primeras celdas parciales 4.1, un volumen del recipiente del primer recipiente de separación 5, así como el primer conducto de avance 20 y el primer conducto de retroceso 25, forman un primer volumen del electrolizador, del electrolizador 1. Líquido inicial 50 puede suministrarse al primer recipiente de separación 5, mediante un conducto de alimentación 13. Para ello, en el conducto de alimentación 13 se encuentran una bomba de alimentación 11 y una válvula magnética 12, mediante la cual el conducto de alimentación 13 puede ser abierto y cerrado. Desde el primer recipiente de separación 5, mediante un primer conducto de salida 17, puede descargarse primer gas del producto 10. En el primer conducto de salida 17 se encuentra una primera válvula de regulación de presión 16 para regular una presión del gas, del primer gas del producto 10.
Las segundas celdas parciales 4.2, mediante un segundo conducto de avance 40 y un segundo conducto de retroceso 45, están conectadas al segundo recipiente de separación 6, en el cual se acumulan el segundo gas del producto 30, producido durante la electrólisis en las celdas de electrólisis 4, y líquido inicial 50. En el segundo conducto de avance 40 se encuentran un segundo intercambiador de calor 41 para el templado de líquido inicial 50, y una segunda bomba de avance 42, mediante la cual se bombea líquido inicial 50, desde el segundo recipiente de separación 6, a través del segundo conducto de avance 40, hacia las segundas celdas parciales 4.2. El segundo conducto de retroceso 45 se utiliza para guiar el segundo gas del producto 30, producido durante la electrólisis en las celdas de electrólisis 4, hacia el segundo recipiente de separación 6. Las segundas celdas parciales 4.2, un volumen del recipiente del segundo recipiente de separación 6, así como el segundo conducto de avance 40 y el segundo conducto de retroceso 45, forman un segundo volumen del electrolizador, del electrolizador 1. Desde el segundo recipiente de separación 6, líquido inicial 50 puede ser soplado mediante un conducto de soplado 14. Para ello, en el conducto de soplado 14 se encuentra una válvula de soplado 31, mediante la cual el conducto de soplado 14 puede ser abierto y cerrado. Desde el segundo recipiente de separación 6, mediante un segundo conducto de salida 37, puede descargarse segundo gas del producto 30. En el segundo conducto de salida 37 se encuentra una segunda válvula de regulación de presión 36 para regular una presión del gas, del segundo gas del producto 30. El ejemplo de ejecución del dispositivo de prueba 3, representado en la figura 1, comprende un dispositivo de medición 8 para detectar una cantidad de líquido, del líquido inicial 50, en cada uno de los dos volúmenes del electrolizador, así como una unidad de evaluación, no representada, para determinar el caudal de líquido, del líquido inicial 50, entre los dos volúmenes del electrolizador, mediante los valores de medición detectados por el dispositivo de medición 8. El dispositivo de medición 8, para cada recipiente de separación 5, 6; comprende un sensor del nivel de llenado 9 para la detección de un nivel de llenado del líquido inicial 50 en el volumen del recipiente, del respectivo recipiente de separación 5, 6 y/o un sensor de presión 15 para la detección de una presión del gas en el volumen del recipiente, del respectivo recipiente de separación 5, 6. En el ejemplo de ejecución representado en la figura 1, el dispositivo de medición 8, para cada recipiente de separación 5, 6; comprende tanto un sensor del nivel de llenado 9, como también un sensor de presión 15. En ejemplos de ejecución más sencillos, el dispositivo de medición 8, para cada uno o sólo para uno de los recipientes de separación 5, 6; comprende un sensor del nivel de llenado 9 o un sensor de presión 15.
Según un primer ejemplo de ejecución de un procedimiento para controlar la estanqueidad de la membrana del electrolizador 1, la electrólisis se interrumpe por un periodo de interrupción, y durante el periodo de interrupción se realiza un procedimiento de prueba para controlar la estanqueidad de la membrana.
Para el procedimiento de prueba, los dos volúmenes del electrolizador se llenan primero con cantidades de líquido definidas, distintas unas de otras, del líquido inicial 50. Para ello, uno de los dos recipientes de separación 5, 6 se llena con líquido inicial 50 hasta un primer nivel de llenado predeterminado, y el otro recipiente de separación 5, 6 se llena con líquido inicial 50 hasta un segundo nivel de llenado predeterminado, distinto del primer nivel de llenado. Preferentemente, además las presiones del gas en los dos recipientes de separación 5, 6 se igualan una con respecto a otra. Por ejemplo, para ello, las presiones del gas en los dos volúmenes del electrolizador se igualan a una presión ambiente, en un ambiente del electrolizador 1.
A continuación se determina una necesidad de tiempo para una igualación de las cantidades de líquido en los dos volúmenes del electrolizador, mediante un caudal de líquido determinado entre los dos volúmenes del electrolizador. Para ello, mediante el dispositivo de medición 8, se determina y evalúa de forma reiterada una diferencia entre los niveles de llenado del líquido inicial 50 y/o entre las presiones del gas en los dos recipientes de separación 5, 6. La necesidad de tiempo para una igualación de las cantidades de líquido en los dos volúmenes del electrolizador, por ejemplo se mide directamente detectando un tiempo hasta la desaparición de caudal de líquido o hasta alcanzarse una diferencia de la cantidad de líquido predeterminada entre las cantidades de líquido o una diferencia de la presión del gas predeterminada entre las presiones del gas en los recipientes de separación 5, 6, o determinándose la necesidad de tiempo para una igualación de las dos cantidades de líquido mediante una extrapolación de los caudales de líquido detectados.
De forma alternativa, para determinar la necesidad de tiempo puede utilizarse un modelo matemático para un desarrollo temporal de la igualación de las cantidades de líquido. Para el caso de que los niveles de llenado de líquido en los recipientes de separación 5, 6 se correlacionen linealmente con las cantidades de líquido, tal como es el caso para formas corrientes de los recipientes de separación 5, 6; por ejemplo se presupone que la diferencia del nivel de llenado Ah entre los niveles de llenado de líquido en los recipientes de separación 5, 6 se reduce de forma exponencial con el tiempo t según h (t) =h0 exp(-kt), donde k es una constante que es una medida para la necesidad de tiempo para una igualación de los niveles de llenado de líquido en los dos recipientes de separación 5, 6. Una evaluación de los valores de logaritmo ln(Ah) de los valores de medición para la diferencia del nivel de llenado Ah en función del tiempo t permite una determinación aproximada de la constante k a partir de la pendiente de una recta trazada mediante esos valores del logaritmo.
Por ejemplo, una fuga de al menos una membrana 7 se deduce cuando la necesidad de tiempo determinada en el procedimiento de prueba, para una igualación de las cantidades de líquido en los dos volúmenes del electrolizador, es más reducida que un valor umbral predeterminado de la necesidad de tiempo.
El procedimiento de prueba descrito también puede realizarse dos veces de forma consecutiva, donde se cambian los roles de los recipientes de separación 5, 6; de manera que en una primera realización del procedimiento de prueba por ejemplo el primer recipiente de separación 5 se llena con una mayor cantidad de líquido, del líquido inicial 50, que el segundo recipiente de separación 6, mientras que en la segunda realización del procedimiento de prueba el segundo recipiente de separación 6 se llena con una cantidad de líquido mayor, del líquido inicial 50, que el primer recipiente de separación 5. Debido a esto, de manera ventajosa, puede aumentarse la fiabilidad del control de la estanqueidad de la membrana, puesto que pueden detectarse efectos perturbadores sistemáticos.
De manera alternativa o adicional, la estanqueidad de la membrana del electrolizador 1 se controla durante su funcionamiento, es decir, durante una electrólisis. Para ello, el dispositivo de prueba 3, de manera adicional, comprende un medidor de corriente 60 para detectar una intensidad de la corriente de electrólisis del electrolizador 1. Durante una electrólisis, mediante el medidor de corriente 60, se detecta una intensidad de la corriente de electrólisis, y mediante el dispositivo de medición 8 se determina un caudal de líquido, del líquido inicial 50, entre los dos volúmenes del electrolizador. El caudal de líquido, por ejemplo se determina mediante la determinación de la variación temporal de un volumen de líquido, del líquido inicial 50, en al menos uno de los dos volúmenes del electrolizador. Para ello, por ejemplo, se determina una variación temporal de un volumen de líquido, del líquido inicial, en el volumen del recipiente, del recipiente de separación 5, 6 del respectivo volumen del electrolizador, detectándose y evaluándose de forma reiterada un nivel de llenado de líquido inicial 50 en el volumen del recipiente. A partir del caudal de líquido determinado y de la intensidad de la corriente de electrólisis detectada se forma un parámetro de relación Q, que es proporcional con respecto al cociente del caudal de líquido determinado y de la intensidad de la corriente de electrólisis detectada. El parámetro de relación Q se utiliza para valorar la estanqueidad de la membrana. Para ello se predeterminan un primer valor umbral de relación QS1 y un segundo valor umbral de relación QS2 para el parámetro de relación Q, y se deduce una fuga de al menos una membrana 7 cuando el parámetro de relación Q supera el primer valor umbral de relación QS1 o se ubica por debajo del segundo valor umbral de relación QS2.
Esa formación y evaluación del parámetro de relación Q se basan en la idea de que en particular en el caso de la utilización de agua como líquido inicial 50, con cada molécula de hidrógeno también pocas moléculas de agua, que no participan en la reacción de electrólisis, llegan a pasar por una membrana 7. De este modo, la relación de esos dos flujos de sustancias, en una buena aproximación, es constante. Si se presenta una fuga de una membrana 7 se produce una vía de transporte adicional, debido a lo cual se afecta esa relación. El caudal de agua se cuantifica mediante la variación temporal del nivel de llenado del agua en el segundo recipiente de separación 6. Del caudal de agua resulta
dnw/dt = c „ ' A ’ dh/dt. [1 ]
En la ecuación [1], nw representa la cantidad de agua en el segundo recipiente de separación 6, cw representa la concentración de cantidades de sustancia del agua, A representa la superficie de la sección transversal del segundo recipiente de separación 6 y h representa el nivel de llenado de agua en el segundo recipiente de separación 6. Como valor numérico para cw puede utilizarse por ejemplo 55,5 mol/l, donde en ese caso no se consideran efectos de temperatura y burbujas de gas que eventualmente se encuentren presentes. De manera sorprendente se ha demostrado que esas aproximaciones relativamente imprecisas, sin embargo, conducen a un método fiable. La variación temporal del nivel de llenado, de manera conveniente, se calcula con la ayuda de una regresión lineal de los valores del nivel de llenado, temporalmente discretos. Por ejemplo pueden emplearse respectivamente 10 valores que se detectan en un intervalo temporal de en cada caso 5 segundos.
El flujo de hidrógeno a través de las membranas 7 se calcula con ayuda de las leyes de Faraday. De este modo se consideran el número de las celdas de electrólisis 4 activas del bloque de celdas 2 y la intensidad de la corriente de electrólisis. Se supone además un rendimiento de corriente del 100 %. Del flujo de hidrógeno resulta
dnH2/ d t = a ’ 1 / (2 • F) . [2]
En la ecuación [2], nH2 representa la cantidad de hidrógeno producida, a representa el número de celdas de electrólisis 4 activas del bloque de celdas 2, I representa la intensidad de la corriente de electrólisis y F representa la constante de Faraday.
La relación del caudal de agua según la ecuación [1] y del caudal de agua según la ecuación [2], de este modo, es proporcional con respecto al cociente (dh/dt)/I y, con ello, con respecto al parámetro de relación Q.
En la consideración anterior, la relación de los flujos de sustancias se calcula mediante las ecuaciones [1] y [2]. Debido a las aproximaciones utilizadas, los valores efectivos pueden diferir mínimamente de los valores calculados según las ecuaciones [1] y [2]. En el caso de membranas 7 intactas, la relación del caudal de agua con respecto al flujo de hidrógeno habitualmente adopta un valor numérico de una cifra, de manera que como límite superior, a partir del cual una membrana 7 se considera como defectuosa, puede fijarse por ejemplo el valor numérico 10. En principio, sin embargo, para la definición del parámetro de relación Q y de los valores umbral de relación Qs1, Qs2 no se consideran factores constantes, como por ejemplo la superficie de la sección transversal A del segundo recipiente de separación 6 o el número a de celdas de electrólisis 4 activas, de modo que el valor numérico puro (y la unidad) de los valores umbral de relación Qs1, Qs2 pueden adaptarse de modo correspondiente.
La figura 2 muestra un diagrama de un desarrollo de un parámetro de relación Q de esa clase en función del tiempo t, donde los valores determinados del parámetro de relación Q están representados como cruces. En el caso de un tiempo de superación t0, el parámetro de relación Q supera el primer valor umbral de relación Qs1. De ello se deduce que al menos una membrana 7, en el tiempo de superación t0, presenta una fuga. De manera correspondiente, se deduce una fuga de al menos una membrana 7 cuando el parámetro de relación Q se ubica por debajo del segundo valor umbral de relación Qs2. Las fluctuaciones temporales del parámetro de relación Q son causadas por fluctuaciones de la intensidad de la corriente de electrólisis, de la temperatura y de la presión del sistema. Aunque las influencias de esas fluctuaciones de la intensidad de la corriente de electrólisis, de la temperatura y de la presión del sistema pueden reducirse mediante un reemplazo del parámetro de relación Q por un parámetro refinado, sin embargo una refinación de esa clase en general es innecesaria, ya que los efectos de una fuga de una membrana 7 superan marcadamente las influencias de fluctuaciones de la intensidad de la corriente de electrólisis, de la temperatura y de la presión del sistema.
Si bien la invención fue ilustrada y descrita en detalle mediante ejemplos de ejecución preferentes, la invención no está limitada por los ejemplos descritos, y el experto puede deducir de éstos otras variaciones, sin abandonar el alcance de protección de la invención.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para controlar la estanqueidad de una membrana, de al menos una membrana (7) de un electrolizador (1), que presenta dos volúmenes del electrolizador separados uno de otro mediante al menos una membrana (7), y que está diseñado para producir dos gases producto (10, 30), desde un líquido inicial (50), mediante una electrólisis, donde
- durante una electrólisis se detecta una intensidad de corriente de electrólisis y se determina un caudal de líquido, del líquido inicial (50), entre los dos volúmenes del electrolizador,
- y se forma un parámetro de relación (Q), que es proporcional con respecto al cociente del caudal de líquido determinado y de la intensidad de corriente de electrólisis detectada, y se lo utiliza para controlar la estanqueidad de la membrana, donde se predetermina un primer valor umbral de relación (Qs-i) para el parámetro de relación y se deduce una fuga de al menos una membrana (7) cuando el parámetro de relación (Q) supera el primer valor umbral de relación (Qsi) predeterminado y/o se predetermina un segundo valor umbral de relación (Qs2) para el parámetro de relación y se deduce una fuga de al menos una membrana (7) cuando el parámetro de relación (Q) se ubica por debajo del segundo valor umbral de relación (Qs2) predeterminado.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque para determinar el caudal de líquido se determina una variación temporal de un volumen de líquido, del líquido inicial (50), en al menos uno de los dos volúmenes del electrolizador.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, donde cada uno de los dos volúmenes del electrolizador comprende un volumen del recipiente, de un recipiente de separación (5, 6), en el cual se acumulan un gas del producto (10, 30) y líquido inicial (50), caracterizado porque la variación temporal de un volumen de líquido, del líquido inicial (50), se determina en al menos uno de los dos volúmenes de electrolizador, detectándose y evaluándose de forma reiterada una altura del nivel de llenado del líquido inicial (50) en el volumen del recipiente, del volumen del electrolizador.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque la variación temporal de un volumen de líquido, del líquido inicial (50), se determina en al menos un volumen del recipiente de un volumen del electrolizador, detectándose y evaluándose de forma reiterada una presión del gas en el volumen del recipiente.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, donde cada uno de los dos volúmenes del electrolizador comprende un volumen del recipiente, de un recipiente de separación (5, 6), en el cual se acumulan un gas del producto (10, 30) y líquido inicial (50), caracterizado porque el caudal de líquido se determina detectando y evaluando una variación temporal de una diferencia de presión entres presiones del gas en los dos volúmenes del recipiente.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la electrólisis se interrumpe por un periodo de interrupción, los volúmenes del electrolizador se llenan con cantidades de líquido distintas unas de otras del líquido inicial (50), y mediante un caudal de líquido determinado durante el periodo de interrupción, se determina una necesidad de tiempo para igualar las cantidades de líquido en los dos volúmenes del electrolizador y se la utiliza para valorar la estanqueidad de la membrana.
7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque antes de la determinación de la necesidad de tiempo, para igualar las dos cantidades de líquido, se igualan una con respecto a otra las presiones del gas en los dos volúmenes del electrolizador.
8. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque antes de la determinación de la necesidad de tiempo, para igualar las dos cantidades de líquido, se igualan presiones del gas en los dos volúmenes del electrolizador a una presión ambiente en un ambiente del electrolizador (1).
9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque el caudal de líquido se determina de forma reiterada durante el periodo de interrupción y la necesidad de tiempo para una igualación de las dos cantidades de líquido se determina mediante una extrapolación de los caudales de líquido detectados.
10. Dispositivo de prueba (3) para controlar la estanqueidad de una membrana, de al menos una membrana (7) de un electrolizador (1), que presenta dos volúmenes del electrolizador separados uno de otro mediante al menos una membrana (7), y que está diseñado para producir dos gases producto (10, 30), desde un líquido inicial (50), mediante una electrólisis, el dispositivo de prueba (3) comprende
- un medidor de corriente (60) para detectar una intensidad de corriente de electrólisis del electrolizador (1), - un dispositivo de medición (8) para detectar una cantidad de líquido, del líquido inicial (50), en al menos uno de los dos volúmenes del electrolizador, y
- una unidad de evaluación para determinar un caudal de líquido, del líquido inicial (50), entre los dos volúmenes del electrolizador, mediante los valores de medición detectados por el dispositivo de medición (8), y para formar un parámetro de relación (Q) que es proporcional con respecto al cociente del caudal de líquido determinado y la intensidad de corriente de electrólisis detectada, donde se predetermina un primer valor umbral de relación (Qs1) para el parámetro de relación y se deduce una fuga de al menos una membrana (7), cuando el parámetro de relación (Q) supera el primer valor umbral de relación (Qs1) predeterminado, y/o se predetermina un segundo valor umbral de relación (Qs2) para el parámetro de relación y se deduce una fuga de al menos una membrana (7), cuando el parámetro de relación (Q) se ubica por debajo del segundo valor umbral de relación (Qs2) predeterminado.
11. Dispositivo de prueba (3) según la reivindicación 10, donde cada uno de los dos volúmenes del electrolizador comprende un volumen del recipiente, de un recipiente de separación (5, 6), en el cual se acumulan un gas del producto (10, 30) y líquido inicial (50), caracterizado porque el dispositivo de medición (8) comprende al menos un sensor del nivel de llenado (9) para detectar un nivel de llenado del líquido inicial (50) en un volumen del recipiente y/o al menos un sensor de presión (15) para detectar una presión de gas en un volumen del recipiente.
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