ES2944718T3 - Dispositivo de celda electroquímica para utilizar en una SOFC y/o SOEC y procedimientos para el funcionamiento de una SOFC y/o SOEC mediante el uso de las mismas - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a un dispositivo de celda electroquímica para uso en celda de combustible de óxido sólido (SOFC) y/o modo de celda de electrolizador de óxido sólido (SOEC). La presente invención también se refiere a un método para operar una celda de combustible de óxido sólido (SOFC) o una celda electrolizadora de óxido sólido (SOEC) utilizando dicho dispositivo de celda electroquímica. La presente invención se refiere además a un método para fabricar dicho dispositivo de celda electroquímica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo de celda electroquímica para utilizar en una SOFC y/o SOEC y procedimientos para el funcionamiento de una SOFC y/o SOEC mediante el uso de las mismas
Campo de la invención
[0001] La presente invención se refiere al campo de la electroquímica. En particular, la presente invención se refiere a un dispositivo de celda electroquímica para utilizar en un modo de pila de combustible de óxido sólido (SOFC) y/o celda electrolizadora de óxido sólido (SOEC), y a un procedimiento para hacer funcionar una pila de combustible de óxido sólido y/o una celda electrolizadora de óxido sólido utilizando dicho dispositivo de celda electroquímica.
Antecedentes de la invención
[0002] Una pila de combustible es una celda electroquímica que convierte la potencial energía de un combustible en electricidad a través de una reacción electroquímica del combustible de hidrógeno con oxígeno u otro agente oxidante. Las celdas de combustible pueden producir electricidad continuamente mientras se les suministre combustible y oxígeno.
[0003] Las pilas de combustible se usan para energía primaria y de soporte para edificios comerciales, industriales y residenciales y en áreas remotas o inaccesibles. También se utilizan para impulsar vehículos de pila de combustible, tales como carretillas elevadoras, automóviles, autobuses, barcos, motocicletas y submarinos.
[0004] Hay muchos tipos de pilas de combustible, pero todas consisten en un ánodo, un cátodo y un electrolito que permite que los iones de hidrógeno cargados positivamente (protones) se muevan entre las dos caras de la pila de combustible. En el ánodo, un catalizador hace que el combustible experimente reacciones de oxidación que generan protones (iones de hidrógeno cargados positivamente) y electrones. Los protones fluyen del ánodo al cátodo a través del electrolito después de la reacción. Al mismo tiempo, los electrones se extraen del ánodo al cátodo a través de un circuito externo, produciendo electricidad de corriente continua. En el cátodo, otro catalizador hace que los iones de hidrógeno, los electrones y el oxígeno reaccionen, formando agua. Las pilas de combustible se clasifican por el tipo de electrolito que utilizan y por la diferencia en el tiempo de puesta en marcha, que va desde 1 segundo para las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (pilas de combustible PEM, o PEMFC) hasta 10 minutos para las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC).
[0005] Las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) usan un material sólido, más comúnmente un material cerámico llamado zirconio estabilizado con itria (YSZ), como electrolito. Debido a que las SOFC están fabricadas completamente de materiales sólidos, no se limitan a la configuración plana lisa de otros tipos de pilas de combustible y, a menudo, se diseñan como tubos laminados. De hecho, debido a los procesos actuales para su fabricación, la geometría suele ser básicamente plana o en forma de tubo. Requieren altas temperaturas de funcionamiento (800-1000 °C) y pueden funcionar con una variedad de combustibles, incluido el gas natural.
[0006] Las SOFC son únicas ya que los iones de oxígeno cargados negativamente viajan desde el cátodo (cara positiva de la pila de combustible) al ánodo (cara negativa de la pila de combustible) en lugar de los iones de hidrógeno cargados positivamente que viajan desde el ánodo al cátodo, como es el caso en todos los demás tipos de pilas de combustible. El gas oxígeno se alimenta a través del cátodo, donde absorbe electrones para crear iones de oxígeno. Los iones de oxígeno viajan a continuación a través del electrolito para reaccionar con gas hidrógeno en el ánodo. La reacción en el ánodo produce electricidad y agua como subproductos. Las reacciones químicas para el sistema SOFC se pueden expresar de la siguiente manera:
Reacción del ánodo: 2 H2 + 2O2- ^ 2 H2O 4e-Reacción del cátodo: O2 + 4e- ^ 2O2-Reacción total de la celda: 2 H2 + O2 ^ 2 H2O
[0007] Una celda electrolizadora de óxido sólido (SOEC) es una pila de combustible de óxido sólido que funciona en modo regenerativo para lograr la electrólisis del agua (y/o dióxido de carbono) mediante el uso de un electrolito de óxido sólido o cerámico para producir gas hidrógeno (y/o monóxido de carbono) y oxígeno. La producción de hidrógeno puro es persuasiva porque es un combustible limpio que se puede almacenar fácilmente, lo que lo convierte en una alternativa potencial a las baterías, que tienen una capacidad de almacenamiento baja y generan grandes cantidades de materiales de desecho. La electrólisis es actualmente el procedimiento más prometedor de producción de hidrógeno a partir del agua debido a la alta eficiencia de conversión y al aporte de energía requerido relativamente bajo en comparación con los procedimientos termoquímicos y fotocatalíticos.
[0008] Las celdas electrolizadoras de óxido sólido funcionan a temperaturas que permiten que se produzca la
electrólisis a alta temperatura, típicamente entre 500 y 850 °C. Estas temperaturas de funcionamiento son similares a las condiciones de una SOFC. La reacción neta de la celda produce hidrógeno y oxígeno gaseosos. Las reacciones para un mol de agua se muestran a continuación, teniendo lugar la oxidación del agua en el ánodo y la reducción del agua en el cátodo.
[0009] Existen claras limitaciones relacionadas con la tecnología de fabricación industrial cerámica basada principalmente en la fabricación de láminas y formas extrusionadas por colada o extrusión. El procedimiento de fabricación suele ser complicado y costoso y, además, el rendimiento también es mejorable. En consecuencia, estas pilas de combustible tienen geometrías muy limitadas (son básicamente formas planas y tubulares) y, en consecuencia, un rendimiento limitado, en particular una densidad de potencia volumétrica limitada.
[0010] En respuesta a esta necesidad, los inventores de la presente invención han desarrollado un dispositivo de celda electroquímica que se puede obtener mediante impresión 3D basado en una forma tubular helicoidal novedosa que permite aumentar la superficie activa del catalizador y la reutilización de residuos, lo que conduce a una mayor densidad de potencia volumétrica y robustez. Además, el nuevo dispositivo desarrollado presenta las ventajas sobre los dispositivos actuales de que es más robusto, tiene más durabilidad, tiene menos problemas de conexión y su diseño más flexible permite varias aplicaciones en un solo dispositivo (por ejemplo, SOEC, SOFC).
[0011] El documento CN 208849009 U divulga una SOFC tubular, que comprende un electrodo interior cilíndrico, una membrana de electrolito y un electrodo exterior, y en el que la pared interior o la pared exterior del electrodo interior está provista de al menos un canal de flujo en espiral para guiar el gas que fluya.
Características de la invención
[0012] En un primer aspecto, la presente invención se refiere a un dispositivo de celda electroquímica para uso en un modo de pila de combustible de óxido sólido (SOFC) y/o un modo de celda electrolizadora de óxido sólido (SOEC).
[0013] En un segundo aspecto, la presente invención también se refiere a un procedimiento para hacer funcionar una pila de combustible de óxido sólido (SOFC) mediante el uso de un dispositivo de pila electroquímica según el primer aspecto.
[0014] En un tercer aspecto, la presente invención se refiere además a un procedimiento para hacer funcionar una celda electrolizadora de óxido sólido (SOEC) mediante el uso de un dispositivo de pila electroquímica según el primer aspecto.
[0015] En un cuarto aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento de fabricación de un dispositivo de celda electroquímica para uso en un modo de pila de combustible de óxido sólido (SOFC) y/o un modo de celda electrolizadora de óxido sólido (SOEC).
Breve descripción de los dibujos
[0016]
La figura 1 muestra una vista en sección transversal esquemática de una primera realización del dispositivo de celda electroquímica.
La figura 2 muestra una vista detallada del primer y segundo canales de fluido (3) y (4) definidos por las primera y segunda hélices huecas de la realización de la figura 1.
La figura 3 muestra una vista isométrica de la parte superior del cuerpo monolítico impreso en 3D (1) de la realización de la figura 1.
La figura 4 muestra una vista isométrica de una segunda realización del dispositivo de celda electroquímica, que comprende un cuerpo monolítico impreso en 3D (1) con cuatro giros repetidos.
La figura 5 muestra una vista isométrica de una tercera realización del dispositivo de celda electroquímica reivindicado, que comprende un cuerpo monolítico impreso en 3D (1) con tres giros repetidos y una pared común de electrolito corrugada (5a) que permite aumentar el área activa hasta el 80 %.
La figura 6 muestra una vista en sección transversal de la tercera realización del dispositivo de celda electroquímica reivindicado de la figura 5.
La figura 7 muestra el esquema principal del diseño del dispositivo según la presente invención dividido en las diferentes partes y según las correspondientes aplicación (funcionando como SOFC o SOEC).
[0017] En un primer aspecto, la presente invención se refiere a un dispositivo de celda electroquímica para utilizar en un modo de pila de combustible de óxido sólido (SOFC) y/o un modo de celda electrolizadora de óxido sólido (SOEC), que comprende:
- un cuerpo monolítico sin juntas de base cerámica con una estructura de doble hélice (también denominado en el presente documento de doble tornillo), de manera preferente una estructura de Arquímedes, que se puede obtener mediante impresión cerámica en 3D.
en el que dicha estructura de doble hélice comprende:
- una primera hélice hueca configurada para actuar como ánodo y que define un primer canal de circulación de fluido que incluye una entrada y una salida;
- una segunda hélice hueca configurada para actuar como cátodo y que define un segundo canal de circulación de fluido que incluye una entrada y una salida;
- teniendo tanto la primera como la segunda hélice hueca un eje común y que se diferencian entre sí por una traslación a lo largo del eje, de manera que el primer canal de circulación de fluido está dispuesto adyacente al segundo canal de circulación de fluido; y
- un electrolito cerámico sólido dispuesto entre el primer y segundo canal de circulación de fluido;
- definiendo el primer canal de circulación de fluido y el segundo canal de circulación de fluido un circuito helicoidal para la circulación de combustible u oxígeno dependiendo del uso en el modo de celda electroquímica del dispositivo.
[0018] Para un experto en la materia es evidente que un elemento capaz de recoger la corriente eléctrica generada, por ejemplo, una pintura metálica, una malla metálica o hilos metálicos de Ni, Au, Ag o cualquier metal que sea estable a la temperatura de trabajo con alta conductividad eléctrica, se debe proporcionar en dicho dispositivo de celda electroquímica para hacer uso del mismo.
[0019] En el contexto de la presente invención, el término "combustible" se entiende como H2, CO y CH4 en el caso de una configuración SOFC, y H2O y CO2 en el caso de una configuración SOEC.
[0020] Según una realización preferida de la presente invención, una pared común del primer y segundo canal de circulación de fluido adyacentes que actúan como ánodo y cátodo define el electrolito cerámico sólido dispuesto entre el primer y segundo canal de circulación de fluido. De este modo, se obtiene una configuración muy compacta y eficiente del dispositivo de celda electroquímica. De manera ventajosa, el electrolito cerámico sólido tiene una superficie corrugada de manera que el área activa de la celda electroquímica se incrementa hasta en un 80 %.
[0021] En una realización, el cuerpo monolítico comprende una cámara interior dispuesta a lo largo del eje común de la primera y la segunda hélice hueca, estando dicha cámara interior en comunicación de fluidos con la entrada del primer canal definido por la primera hélice hueca que actúa como un ánodo.
[0022] De manera preferente, el dispositivo comprende medios de calentamiento dispuestos en dicha cámara interna para calentar el combustible o el oxígeno, dependiendo del uso en el modo de celda electroquímica del dispositivo. De manera aún más preferente, dichos medios de calentamiento incluyen una cámara de combustión para calentar o quemar fluidos. En particular, dichos medios de calentamiento, tal como se utilizan en el contexto de la presente invención, pueden ser el calor de combustión proporcionado por la reacción química correspondiente que se desarrolla en el dispositivo, una resistencia eléctrica o incluso el tubo interior, por ejemplo, tal como se define en la figura 1 (7).
[0023] En otra realización, el cuerpo monolítico comprende una cámara de calentamiento dispuesta de forma coaxial en el exterior de la primera y la segunda hélice hueca, estando la cámara de calentamiento en comunicación de fluidos con la entrada y la salida del segundo canal definido por la segunda hélice hueca que actúa como un cátodo.
[0024] Según otra realización preferida adicional, el canal interior y/o la cámara de calentamiento comprenden una capa de un material catalítico para que la cámara interior se utilice como reformador de metano y/o para que la cámara de calentamiento se utilice como metanizador dependiendo del uso en el modo de celda electroquímica del dispositivo.
[0025] En el contexto de la presente invención, el término "reformador de metano" se entiende como la cámara donde el metano se convierte en H2 y O2 por la reacción del reformador de metano vapor con la ayuda de un catalizador específico que impregna las paredes de la cámara.
[0026] En el contexto de la presente invención, se entiende por "metanizador" la cámara donde el CO y el H2 producidos en el electrolizador se convierten catalíticamente en metano con la ayuda de un catalizador específico que impregna las paredes de la cámara.
[0027] Para una realización, el segundo canal de circulación de fluido es un canal abierto al exterior del cuerpo monolítico. En este caso no hay necesidad de tubería de aire, evitando la impresión de colectores para la
entrada y salida del electrodo de oxígeno. En este caso se simplifica el proceso de fabricación.
[0028] Las reacciones desarrolladas en la SOEC son las siguientes:
Cámara Anódica: Después de atravesar el reformador el O2 (o Aire) (o H2 + CO) entra en el canal del ánodo, donde siguiendo la espiral ascendente llega a la salida del combustible. La reacción que tiene lugar es la siguiente:
2O2- ^ O2 + 4e-
Cámara Catódica: Después de pasar por la cámara de calentamiento externo, el combustible H2O (o H2O CO2) entra en una espiral descendente en flujo cruzado con el oxígeno que llega a la salida del combustible o metanizador. Las reacciones que tienen lugar son las siguientes:
H2O 2e- -> H2 + O2-CO2 + 2e- -> CO O2-
[0029] Normalmente dichas reacciones se llevan a cabo a temperaturas entre 800 y 900 °C.
[0030] Las reacciones desarrolladas en la SOFC son las siguientes :
Cámara Anódica: Después de atravesar el reformador el combustible H2 (o H2 + CO) entra en el canal del ánodo, donde siguiendo la espiral ascendente llega a la salida del combustible.
2 H2 + 2O2- -> 2 H2O 4e-
Cámara Catódica: Después de pasar por la cámara de calentamiento externo, el aire entra en la espiral descendente en flujo cruzado con el combustible, llegando a la salida de aire.
O2 + 4e- > 2O2-
[0031] Normalmente dichas reacciones se llevan a cabo a temperaturas entre 800 y 900 °C.
[0032] Cabe indicar que cualquiera de las realizaciones anteriores relacionadas con el dispositivo de celda electroquímica pueden combinarse entre sí.
[0033] En un segundo aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento para hacer funcionar una pila de combustible de óxido sólido (SOFC) mediante el uso de un dispositivo de celda electroquímica, tal como se define según cualquiera de las realizaciones según el primer aspecto de la presente invención, que comprende las etapas de:
- alimentar combustible a la primera hélice hueca que actúa como ánodo desde una entrada a una salida cruzando el primer canal de circulación de fluido del cuerpo,
- alimentar oxígeno a la segunda hélice hueca que actúa como cátodo desde una entrada a una salida cruzando el segundo canal de circulación de fluido del cuerpo, y
- proporcionar aniones de oxígeno desde el cátodo al ánodo por medio de un electrolito cerámico sólido dispuesto entre el primer y segundo canal de circulación de fluido definidos respectivamente por la primera y segunda hélice hueca.
[0034] Según una realización preferida, el dispositivo de celda comprende una cámara interior dispuesta a lo largo del eje común de la primera y la segunda hélice hueca, teniendo dicha cámara interior una capa de un material catalítico para utilizar como reformador, y;
- en el que la etapa de alimentar combustible a la primera hélice hueca que actúa como ánodo incluye una etapa de reformado de metano para convertir metano en CO y H2, realizándose dicha etapa de reformado de metano cuando el combustible cruza dicha cámara interior.
[0035] En otra realización, el procedimiento comprende además la etapa de:
- calentar el dispositivo de celda por medio de medios de calentamiento ubicados en un tubo interior (por ejemplo (7) en la figura 1) dispuesto a lo largo del eje común de la primera y segunda hélice hueca.
[0036] En un tercer aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento para hacer funcionar una celda electrolizadora de óxido sólido (SOEC) mediante el uso de un dispositivo de celda electroquímica, tal como se define según cualquiera de las realizaciones según el primer aspecto de la invención, que comprende las etapas de:
- alimentar combustible a la segunda hélice hueca que actúa como cátodo desde una entrada a una salida cruzando el segundo canal de circulación de fluido del cuerpo,
- alimentar oxígeno a la primera hélice hueca que actúa como ánodo desde una entrada a una salida cruzando el primer canal de circulación de fluido del cuerpo, y
- proporcionar aniones de oxígeno desde el cátodo al ánodo por medio de un electrolito cerámico sólido
dispuesto entre el primer y segundo canal de circulación de fluido definidos respectivamente por la primera y segunda hélice hueca.
[0037] En otra realización preferida adicional, el dispositivo de celda comprende una cámara de calentamiento dispuesta de manera coaxial en el exterior de la primera y segunda hélice hueca, teniendo dicha cámara de calentamiento una capa de un material catalítico para utilizar como metanizador, y;
- en el que la etapa de alimentación de combustible a la segunda hélice hueca que actúa como cátodo incluye una etapa de metanización para la obtención de metano, realizándose dicha etapa de metanización cuando el combustible atraviesa dicha cámara de calentamiento.
[0038] En una realización aún más preferida, el procedimiento comprende además la etapa de:
- calentar el dispositivo de celda mediante medios de calentamiento ubicados en una cámara interior dispuesta a lo largo del eje común de la primera y segunda hélice hueca.
[0039] En un cuarto aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento para fabricar un dispositivo de celda electroquímica, según se define según cualquiera de las realizaciones según el primer aspecto de la presente invención, caracterizado por que comprende las etapas de:
- preparar una emulsión de impresión 3D, de manera preferente hecha de zirconia opcionalmente dopada con gadolinio o ceria opcionalmente dopada con itrio;
- alimentar la emulsión de impresión preparada en una impresora 3D del tipo de impresora SLA, en la que: i. se deposita una primera capa delgada sobre una plataforma de construcción, teniendo la primera capa la forma de la primera capa del cuerpo monolítico,
ii. la capa depositada se cura utilizando un láser UV, polimerizando así el monómero que forma la capa depositada para convertirse en un polímero sólido que contiene un polvo cerámico susceptible de actuar como electrolito,
iii. se baja la plataforma de construcción y se repiten las etapas i) y ii), de manera que el cuerpo monolítico vaya creciendo en una tercera coordenada (Y) hasta terminar y así obtener un cuerpo monolítico verde final, en el que “verde” se refiere en el presente documento al material cerámico junto con el polímero curado antes de ser sinterizado;
iv. el material orgánico se elimina del cuerpo verde mediante un tratamiento térmico en atmósfera de oxígeno para producir un cuerpo marrón libre de material orgánico, en el que "marrón" se refiere en el presente documento al material cerámico que aún no ha sido densificado;
- sinterizar el cuerpo monolítico sin juntas para proporcionar el dispositivo de celda electroquímica cerámica densificada, y
- funcionalizar mediante revestimiento o impregnación el primer y segundo canal anódico y catódico definidos respectivamente por la primera y segunda hélice hueca.
[0040] Para un experto en la materia es evidente que un elemento capaz de recoger la corriente eléctrica generada, por ejemplo, una pintura metálica, una malla metálica o alambres metálicos de Ni, Au, Ag o cualquier metal que sea estable a la temperatura de trabajo con alta conductividad eléctrica, debe incorporarse en dicho dispositivo de celda electroquímica para hacer uso del mismo.
[0041] Por "funcionalización" en el contexto de la presente invención debe entenderse la aplicación de la cámara anódica, catódica y de reformado/metanización.
Breve descripción de realizaciones y dibujos correspondientes.
[0042] Para una mejor comprensión de lo expuesto, se adjuntan dibujos que, de forma esquemática y únicamente a modo de ejemplo sin limitar el alcance de la presente invención, muestran varias realizaciones del dispositivo de celda electroquímica reivindicado.
[0043] La figura 1 muestra una vista en sección transversal esquemática de una primera realización del dispositivo de celda electroquímica (1) en el que el cuerpo monolítico impreso en 3D (1) incluye un primer y un segundo canal de fluido (3, 4) configurados para actuar como ánodo y cátodo, y definidos por la primera y segunda hélice hueca. Una cámara interior (6) está dispuesta a lo largo de un eje común. Tanto el primer como el segundo canal de fluido (3, 4) definen circuitos helicoidales para la circulación de combustible u oxígeno, y están dispuestos adyacentes entre sí de modo que una pared común define el electrolito cerámico sólido (5). En el interior de la cámara interior (6) existe un tubo (7) en el que se dispone una cámara de combustión para la puesta en marcha y calentamiento del dispositivo (1). El cuerpo monolítico (1) de la realización de la figura 1 incluye además una cámara de calentamiento (8) dispuesta de manera coaxial en el exterior de la primera y segunda hélice hueca. Dicha cámara de calentamiento (8) está en comunicación de fluidos con la entrada (4a) y salida (4b) del segundo canal de fluido (4) definido por la segunda hélice hueca que actúa como cátodo.
[0044] De acuerdo con una configuración SOEC del dispositivo de celda de la figura 1, la cámara de calentamiento dispuesta de manera coaxial (8) comprende una capa de material catalítico para que esta cámara de calentamiento (8) sea utilizada como metanizador (400-700 °C) para transformar mediante una reacción
catalítica el H2 y el CO producidos en metano. Esto se realiza básicamente con Ni o Fe o Zn mediante el conocido proceso fischertropsch;
C0+H2 = > CH4 + H20 (u otras reacciones para formar CnHn+2).
[0045] Según una configuración SOFC del dispositivo de celda de la figura 1, la cámara interior (6) comprende una capa de material catalítico para que esta cámara interior sea utilizada como reformador de metano (700 800 °C) para transformar mediante una reacción catalítica el metano alimentado (CH4) en H2 y CO, que son combustibles para la pila de combustible de óxido sólido. Esto se realiza básicamente mediante catalizadores de Ni y se puede realizar mediante dos rutas endotérmicas principales;
Reformado en seco: CH4 C 02 2CO 2H2 AHr = 247,0 kJ/mol
Reformado con vapor: CH4 + H2O CO 3 H2 AHr = 206 kJ/mol.
[0046] En la configuración SOFC, el tubo interno (7) del dispositivo de celda funciona como una cámara de precombustión cilíndrica para la puesta en marcha del dispositivo (1) en base a la Oxidación Parcial Catalítica (CPO, Catalytic Partial Oxidation). El combustible atraviesa la cámara interna (6) en la que el tubo interno (7) está dispuesto de lado a lado para reformar el combustible antes de entrar en el primer canal (3) que actúa como ánodo. La cámara de calentamiento dispuesta de manera coaxial (8) funciona como un canal de gas secundario que permite el flujo de gas con fines de intercambio de calor.
[0047] Según la configuración SOFC mencionada, el circuito de combustible parte de la entrada de combustible (4a) y, tras atravesar la cámara interior (6) que actúa como reformador, entra en el primer canal de fluido (3) que actúa como ánodo donde, siguiendo una espiral ascendente, llega hasta la salida de combustible (4b). El circuito de aire parte de la entrada de aire (3a) desde donde llega a la cámara más exterior (8). Después de describir una espiral descendente, el circuito pasa al segundo canal de fluido (4) que actúa como cátodo para ascender a la salida de aire (3b). La potencia estimada de una celda electroquímica individual es de 20 W por celda individual con una densidad de potencia volumétrica de aproximadamente 0,5 W/cm3.
[0048] La figura 2 muestra una vista detallada del primer y segundo canal de fluido 3 y 4 definidos por la primera y segunda hélice hueca de la realización de la figura 1. Estos canales de fluido están dispuestos adyacentes entre sí de manera que una pared común funciona como electrolito (5) entre el ánodo y el cátodo.
[0049] La figura 3 muestra una vista isométrica de la parte superior del cuerpo monolítico impreso en 3D (1) de la realización de la figura 1, donde se muestran la entrada de combustible (4a), la salida de combustible (4b), la entrada de aire (3a) y la salida de aire (3b) de la celda electroquímica.
[0050] La figura 4 muestra una vista isométrica de una segunda realización del dispositivo de celda electroquímica reivindicado, que comprende un cuerpo monolítico impreso en 3D (1) con cuatro giros repetidos. Aunque solo se muestran 4 giros, el número de giros no es una característica limitativa. Esta realización se caracteriza por el hecho de que el segundo canal de circulación de fluido (4) que actúa como cátodo está abierto al exterior del cuerpo (1) del dispositivo de celda electroquímica. En esta realización, el dispositivo podría funcionar como SOEC o SOFC.
[0051] La figura 5 muestra una vista isométrica de una tercera realización del dispositivo de celda electroquímica reivindicado, que comprende un cuerpo monolítico impreso en 3D (1) con tres giros repetidos y una pared común de electrolito corrugada (5a) que permite aumentar el área activa hasta el 80 %. Esta realización también se caracteriza por el hecho de que el segundo canal de circulación de fluido (4) que actúa como cátodo está abierto al exterior del cuerpo (1) del dispositivo de celda electroquímica.
[0052] La figura 6 muestra una vista en sección transversal de la tercera realización del dispositivo de celda electroquímica reivindicado de la figura 5 con tres giros repetidos y la pared común de electrolito corrugada (5a).
[0053] La figura 7 muestra el esquema principal del diseño del dispositivo según la presente invención dividido en las diferentes partes y según la aplicación correspondiente (funcionando como SOFC o SOEC). Las diferentes partes se definen desde la parte interna del dispositivo hasta la cámara más externa. Su cámara se define de acuerdo con su función en el dispositivo final en función del modo de funcionamiento. La primera cámara es una cámara de combustión en ambos casos, que podría utilizarse para calentar el dispositivo utilizando O2 y H2 como reactivos u otros sistemas de calentamiento. La segunda cámara descrita es el tubo concéntrico a la cámara de combustión, usado como reformador en el modo SOFC, para convertir el metano en H2 y CO utilizados como combustibles e intercambiador de calor opcional en el modo SOEC. La tercera cámara es el núcleo del dispositivo, tanto en el modo SOFC como el modo SOEC, lo que implica la misma configuración y funcionalización de las cámaras. Finalmente, la última cámara se utiliza como intercambiador de calor opcional en el modo SOFC y como metanizador para el modo SOEC. El H2 y el CO producidos por la SOEC se convierten en metano dentro del metanizador. El último recuadro describe las entradas y salidas de las conexiones de gas para los colectores del sistema.
[0054] Aunque se ha hecho referencia a realizaciones específicas de la presente invención, sería evidente para un experto en la materia que el sistema descrito puede estar sujeto a numerosas variaciones y modificaciones, y que todos los detalles mencionados pueden ser reemplazados por otros elementos que sean técnicamente equivalentes sin apartarse del alcance de protección definido por las reivindicaciones adjuntas.
Claims (15)
1. Dispositivo de celda electroquímica para utilizar en un modo de pila de combustible de óxido sólido (SOFC) y/o un modo de celda electrolizadora de óxido sólido (SOEC), que comprende:
- un cuerpo monolítico sin juntas de base cerámica con una estructura de doble hélice que se puede obtener mediante impresión cerámica en 3D, en el que dicha estructura de doble hélice comprende:
- una primera hélice hueca configurada para actuar como ánodo y que define un primer canal de circulación de fluido (3) que incluye una entrada (3a) y una salida(3b);
- una segunda hélice hueca configurada para actuar como cátodo y que define un segundo canal de circulación de fluido (4) que incluye una entrada (4a) y una salida (4b);
- teniendo tanto la primera como la segunda hélice hueca un eje común y que se diferencian entre sí por una traslación a lo largo del eje, de manera que el primer canal de circulación de fluido (3) está dispuesto adyacente al segundo canal de circulación de fluido; (4) y
- un electrolito cerámico sólido (5) dispuesto entre el primer y segundo canal de circulación de fluido (3, 4); - definiendo el primer canal de circulación de fluido (3) y el segundo canal de circulación de fluido (4) un circuito helicoidal para la circulación de combustible u oxígeno dependiendo del uso en el modo de celda electroquímica del dispositivo.
2. Dispositivo de celda electroquímica, según la reivindicación 1, en el que el segundo canal de circulación de fluido (4) es un canal abierto al exterior del cuerpo monolítico (1).
3. Dispositivo de celda electroquímica, según la reivindicación 1, en el que el cuerpo monolítico (1) comprende una cámara interior (6) dispuesta a lo largo del eje común de la primera y segunda hélice hueca, estando dicha cámara interior (6) en comunicación de fluidos con la entrada (3a) del primer canal (3) definido por la primera hélice hueca que actúa como ánodo.
4. Dispositivo de celda electroquímica, según la reivindicación 3, en el que el dispositivo comprende medios de calentamiento dispuestos en la cámara interior (6) para calentar el combustible o el oxígeno dependiendo del uso en el modo de celda electroquímica del dispositivo.
5. Dispositivo de celda electroquímica, según la reivindicación 4, en el que los medios de calentamiento incluyen una cámara de combustión para calentar o quemar fluidos.
6. Dispositivo de celda electroquímica, según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en el que el cuerpo monolítico (1) comprende una cámara de calentamiento (8) dispuesta de manera coaxial en el exterior de la primera y segunda hélice hueca, estando la cámara de calentamiento (8) en comunicación de fluidos con la entrada (4a) y la salida (4b) del segundo canal (4) definido por la segunda hélice hueca que actúa como cátodo.
7. Dispositivo de celda electroquímica, según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 3 a 6, en el que la cámara interior (6) y/o la cámara de calentamiento (8) comprenden una capa de un material catalítico para la cámara interior (6) para utilizar como reformador de metano, y/o para la cámara de calentamiento (8) para utilizar como metanizador dependiendo del modo de uso de la celda electroquímica del dispositivo.
8. Dispositivo de celda electroquímica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el electrolito cerámico sólido (5a) tiene una superficie corrugada.
9. Dispositivo de celda electroquímica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una pared común del primer y segundo canal de circulación de fluido (3, 4) adyacentes define el electrolito cerámico sólido (5) dispuesto entre el primer y segundo canal de circulación de fluido (3, 4).
10. Procedimiento para hacer funcionar una pila de combustible de óxido sólido (SOFC) utilizando un dispositivo de celda electroquímica, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende las etapas de:
- alimentar combustible a la primera hélice hueca que actúa como ánodo desde una entrada (3a) a una salida (3b) cruzando el primer canal de circulación de fluido (3) del cuerpo (1), alimentar oxígeno a la segunda hélice hueca que actúa como cátodo desde una entrada (4a) a una salida (4b) cruzando el segundo canal de circulación de fluido (4) del cuerpo (1), y
- proporcionar aniones de oxígeno desde el cátodo al ánodo por medio de un electrolito cerámico sólido (5) dispuesto entre el primer y segundo canal de circulación de fluido (3, 4) definidos respectivamente por la primera y segunda hélice hueca.
11. Procedimiento para hacer funcionar una celda electrolizadora de óxido sólido (SOEC) utilizando un dispositivo de celda electroquímica, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende las etapas de:
- alimentar combustible a la segunda hélice hueca que actúa como cátodo desde una entrada (4a) a una salida (4b) cruzando el segundo canal de circulación de fluido (4) del cuerpo (1),
- alimentar oxígeno a la primera hélice hueca que actúa como ánodo desde una entrada (3a) a una salida (3b)
cruzando el primer canal de circulación de fluido (3) del cuerpo (1), y
- proporcionar aniones de oxígeno desde el cátodo al ánodo por medio de un electrolito cerámico sólido (5) dispuesto entre el primer y segundo canal de circulación de fluido (3, 4) definidos respectivamente por la primera y segunda hélice hueca.
12. Procedimiento, según la reivindicación 10, en el que el dispositivo de celda comprende una cámara interior (6) dispuesta a lo largo del eje común de la primera y la segunda hélice hueca, teniendo dicha cámara interior (6) una capa de un material catalítico para utilizar como reformador,
- en el que la etapa de alimentación de combustible a la primera hélice hueca que actúa como ánodo incluye una etapa de reformado de metano para convertir metano en CO y H2, realizándose dicha etapa de reformado de metano cuando el combustible atraviesa dicha cámara interior (6).
13. Procedimiento, según la reivindicación 11, en el que el dispositivo de celda comprende una cámara de calentamiento (8) dispuesta de manera coaxial en el exterior de la primera y la segunda hélice hueca, teniendo dicha cámara de calentamiento (8) una capa de un material catalítico para utilizar como metanizador, - en el que la etapa de alimentación de combustible a la segunda hélice hueca que actúa como cátodo incluye una etapa de metanización para la obtención de metano, realizándose dicha etapa de metanización cuando el combustible atraviesa dicha cámara de calentamiento (8).
14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, que comprende además la etapa de: - calentar el dispositivo de celda mediante medios de calentamiento ubicados en una cámara interior (6) dispuesta a lo largo del eje común de la primera y segunda hélice hueca.
15. Procedimiento para fabricar un dispositivo de celda electroquímica, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que comprende las etapas de:
- preparar una emulsión de impresión 3D,
- alimentar la emulsión de impresión preparada en una impresora 3D del tipo de impresora SLA, en la que: i. se deposita una primera capa delgada sobre una plataforma de construcción, teniendo la primera capa la forma de la primera capa del cuerpo monolítico,
ii. la capa depositada se cura utilizando un láser UV, polimerizando así el monómero que forma la capa depositada para convertirse en un polímero sólido que contiene un polvo cerámico susceptible de actuar como electrolito,
iii. se baja la plataforma de construcción y se repiten las etapas i) y ii), de manera que el cuerpo monolítico (1) vaya creciendo en una tercera coordenada (Y) hasta terminar y así obtener un cuerpo monolítico verde final (1);
iv. el material orgánico se elimina del cuerpo verde (1) mediante un tratamiento térmico en atmósfera de oxígeno para producir un cuerpo marrón libre de material orgánico;
- sinterizar el cuerpo monolítico (1) sin juntas para proporcionar el dispositivo de celda electroquímica cerámica densificada, y
- funcionalizar mediante revestimiento o impregnación el primer y segundo canal (3, 4) anódico y catódico definidos respectivamente por la primera y segunda hélice hueca.
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