ES2950564T3

ES2950564T3 - Celda de electrólisis con un electrodo de difusión de gas y procedimiento para operar la misma

Info

Publication number: ES2950564T3
Application number: ES17816463T
Authority: ES
Inventors: Van An Du; Philippe Jeanty; Erhard Magori; Angelika Tawil; Kerstin Wiesner-Fleischer; Sicard Oliver Von
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2023-10-11
Anticipated expiration: 2037-11-20
Also published as: SA519401765B1; US11131030B2; WO2018104038A1; CN110050088A; EP3526372B1; AU2017373404B2; CN110050088B; DE102016224466A1; EP3526372A1; AU2017373404A1; DK3526372T3; US20190292669A1; PL3526372T3

Abstract

La invención se refiere a una celda de electrólisis con un electrodo de difusión de gas (16), a una placa de electrodo (16, 25) que comprende un electrodo de difusión de gas y puede usarse en dicha celda de electrólisis, y a un método para operar dicha electrólisis. celúla. El electrodo de difusión de gas (16) separa una cámara de electrolito (13, 14) de una cámara de gas (27, 28), y la cámara de gas está provista de un gas de reacción que se convierte en el electrodo de difusión de gas (16). Según la invención, la cámara de gas tiene primeros canales (27) y segundos canales (28) que discurren por separado de modo que el gas de reacción debe pasar lateralmente a través del electrodo de difusión de gas (16) para llegar a los segundos canales (28) desde los primeros canales (27). Esto se puede lograr aplicando una diferencia de presión, con lo que se proporciona ventajosamente una posibilidad adicional de ajuste de los parámetros de la reacción de electrólisis en curso. El electrodo de difusión de gas (16) se puede utilizar junto con un elemento de soporte (25), que recibe los primeros canales (27) y los segundos canales (28) y soporta el electrodo de difusión de gas (16), como una placa de electrodo bipolar (16, 25) en una estructura apilada de la celda de electrólisis. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Celda de electrólisis con un electrodo de difusión de gas y procedimiento para operar la misma

La presente invención hace referencia a una celda de electrólisis que presenta una carcasa con un ánodo y un electrodo de difusión de gas conectado como cátodo (a continuación también llamado GDE, de forma abreviada). A ambos electrodos se puede suministrar un electrolito en un espacio del electrolito formado por la carcasa. El GDE funciona como una pared de separación entre el espacio del electrolito y un espacio del gas, proporcionado en la carcasa, para un gas de reacción. De este modo, el GDE, con un lado del electrolito, es contiguo al espacio del electrolito y con un lado del gas en el espacio del gas; por tanto, separa esos dos espacios. La presente invención también hace referencia a una placa de electrodos que puede introducirse en la celda de electrólisis mencionada. Además, la presente invención hace referencia a un procedimiento para operar una celda de electrólisis de la clase indicada en la introducción. En este procedimiento, al lado del electrolito del GDE se suministra un electrolito y al lado del gas del GDE se suministra un gas de reacción.

En general son conocidas las celdas de electrólisis con placas de electrodos de la clase indicada en la introducción y los procedimientos para operar las mismas. Los electrodos de difusión de gas se utilizan por ejemplo en celdas de combustible para obtener energía desde el hidrógeno y el oxígeno. Otra utilización del GDE tiene lugar en las celdas electroquímicas para la conversión de gases de reacción. A las celdas electroquímicas de esa clase se suministra un gas de educto (gas de reacción) y se descarga un gas de producto, que también puede ser una mezcla de gases. El GDE forma el cátodo que está realizado permeable al gas (estructura microporosa). El espacio del electrolito entre el ánodo y el cátodo está lleno de un electrolito y además puede presentar una membrana de separación, por ejemplo de Nafion®. En ese caso, el electrolito se suministra por separado a los dos espacios parciales.

El GDE posibilita la difusión del gas de reacción que puede proporcionarse en el cátodo de ese modo. Para que el gas pueda penetrar en el cátodo se utiliza el gradiente de concentración que se encuentra presente debido a la conversión en curso del gas en el interior del GDE. Otra posibilidad consiste en un aumento de la presión del gas del lado del gas del GDE, debido a lo cual aumenta el volumen de gas en el GDE.

El gas de reacción reacciona en el GDE. De este modo puede producirse un gas de producto que, en función de la presión que predomina del lado del gas, penetra el GDE, y que puede transportarse desde el espacio del electrolito, o que sale hacia el espacio del gas y se transporta allí. En este último caso, en el espacio del gas se necesita un flujo de gas continuo, donde se suministra gas de reacción y se descarga una mezcla de gas de reacción y gas de producto.

Una operación de las celdas de electrólisis antes indicadas, de este modo, consiste en el suministro del gas de reacción, como educto, en la introducción en el GDE y en la descarga subsiguiente del gas de reacción o de un gas de producto producido. Las posibilidades para influir en este proceso mediante los procesos de difusión en el GDE y mediante diferencias de presión que se encuentran presentes en el GDE, entre el lado del gas y el lado del electrolito, son limitadas. Debido a la diferencia de presión, se puede empujar el gas a través del GDE poroso. Sin embargo, deben tolerarse aquí también efectos no deseados. Dependiendo de las caídas de presión, del lado del electrolito también puede salir gas de reacción desde el GDE. De forma inversa, el electrolito puede salir del lado del gas del GDE. Puesto que habitualmente se trata de una solución salina, existe el riesgo de que se cristalicen sales en el lado del gas del GDE. Además debe eliminarse el líquido que sale desde el espacio del gas, y eventualmente se humedece el gas de reacción.

En la solicitud DE19954247 se describe una celda de electrólisis con al menos un electrodo de difusión de gas. El espacio del gas contiguo al electrodo de difusión de gas se compone de varios canales de gas que se sitúan unos sobre otros y que están conectados unos con otros mediante piezas de reducción, que son atravesados por el flujo de gas, de forma consecutiva, en forma de meandro, desde abajo hacia arriba. En la solicitud EP2730638 se describe un reactor de gas-líquido, donde una placa bipolar separa unas de otras las celdas individuales y está configurada de manera que la misma proporciona canales de flujo. En la solicitud DE102011007759 se describe una celda de electrólisis con un núcleo de chapas, de chapas apiladas unas sobre otras, con escotaduras entre dos placas bipolares. Las chapas están dispuestas unas sobre otras de manera que las escotaduras de las chapas contiguas se superponen de forma parcial, pero no por completo, debido a lo cual, en dirección del plano de la chapa, están conformados canales continuos.

El objeto de la presente invención consiste en proporcionar una celda de electrólisis con un electrodo de difusión de gas, una placa de electrodos que pueda utilizarse en esa celda de electrólisis y un procedimiento para operar la misma, con la cual o con los cuales pueda regularse de forma flexible el caudal de gas, de gas de reacción, en el GDE, evitando en la mayor medida posible un caudal no deseado de electrolito y/o gas de reacción a través del GDE.

Dicho objeto, con la celda de electrólisis indicada en la introducción, según la invención, se soluciona de manera que el electrodo de difusión de gas (GDE), con el lado del gas, es contiguo a un lado de contacto de un cuerpo soporte, donde el espacio del gas se forma por un primer sistema de canales y por un segundo sistema de canales. De este modo, el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales se extienden separados uno de otro, es decir, que el gas de reacción no puede cambiar directamente entre el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales. Más bien, el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales respectivamente presentan aberturas en el lado de contacto, que son directamente contiguas al lado del gas del GDE. Gracias a esto, de manera ventajosa, se logra que el gas de reacción circule a través del GDE, para cambiar entre el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales. Debido a esto se fuerza un flujo del gas de reacción a través del GDE, donde el mismo se extiende lateralmente a lo largo del lado del gas del GDE. Con ello resultan posibilidades adicionales para controlar el flujo de gas en el GDE. Debido a que el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales están separados uno de otro, ciertamente es posible regular una presión diferente en ambos sistemas de canales. A causa de esto se produce una caída de presión que puede controlarse, que influye directamente en el flujo del gas de reacción en el GDE. De este modo, un aumento de la diferencia de presión conduce prioritariamente a un aumento del flujo de gas de reacción de forma lateral con respecto al lado del gas del GDE y sólo indirectamente a un aumento del flujo del gas de reacción ortogonalmente con respecto al lado del gas. Por esto, también en el caso de diferencias de presión elevadas entre el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales, es más sencillo evitar un paso del gas de reacción hasta el espacio del electrolito, o al menos reducirlo. La diferencia de presión también puede modificarse durante la operación de la celda de electrólisis.

Por otra parte, independientemente de la caída de presión que se presente entre el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales, la caída de presión puede regularse entre el lado del gas y el lado del electrolito del GDE, para influir en el componente ortogonal del flujo del gas de reacción, por una parte, y el flujo ortogonal con respecto al lado del electrolito, del electrolito, en dirección del espacio del gas. De manera ventajosa, con ello puede impedirse un paso del electrolito en el GDE o al menos éste puede reducirse, sin influir esencialmente en la tasa de flujo del gas de reacción. Naturalmente también pueden variarse otros factores de influencia. El grosor del GDE, de la estructura de capas y su porosidad, por ejemplo, igualmente pueden modificarse para influir en las relaciones de flujo en el GDE.

El cuerpo soporte, además, de manera ventajosa, contribuye a la puesta en contacto mecánica y eléctrica del GDE. De manera ventajosa, esto posibilita la fabricación de GDE de gran superficie, porque éstos, mediante el cuerpo soporte, tanto pueden contactarse eléctricamente de modo fiable, como también pueden estabilizarse de forma mecánica. A su vez, la estabilización mecánica posibilita caídas de presión mayores entre el lado del gas y el lado del electrolito del GDE, lo que a su vez, de manera ventajosa, aumenta el margen al regular los parámetros del procedimiento.

El gas de reacción puede conducirse desde el primer sistema de canales, mediante las aberturas, hacia el GDE, y desde el GDE, mediante las aberturas, hacia el segundo sistema de canales. Sin embargo también es posible la dirección inversa. De acuerdo con el procedimiento antes indicado, según la invención, además es posible que la dirección de flujo del gas de reacción en el primer sistema de canales, en el lado del gas y en el segundo sistema de canales, se invierta al menos una vez durante la electrólisis. Con ello, el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales respectivamente pueden utilizarse tanto para el suministro del gas de reacción, así como para la descarga del gas de reacción y de un gas del producto eventualmente producido. Una inversión de la dirección de flujo durante la electrólisis ofrece la ventaja de que pueden compensarse pérdidas de rendimiento del GDE que pueden producirse debido a la regulación de un estado estacionario en el GDE.

La regulación de las respectivas caídas de presión entre el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales, y entre el lado del electrolito y el lado del gas del GDE, también puede aprovecharse para controlar el recorrido de un gas del producto que se produce en el GDE. Debido a que el gas del producto presenta otras propiedades que el gas de reacción (que se suministra como gas del educto), es posible que el gas del producto pase por el GDE y que mediante el espacio del electrolito abandone la celda de electrólisis, o que el gas del producto se descargue mayormente mediante el primer sistema de canales o el segundo sistema de canales. También este proceso puede influenciarse directamente mediante la regulación de las relaciones de presión entre el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales, así como entre el lado del electrolito y el lado del gas del GDE.

El electrodo de difusión de gas, con un lado del gas, está fijado en un lado de contacto de un cuerpo soporte en forma de placas, donde un espacio del gas contiguo al lado del gas está conformado mediante un primer sistema de canales y mediante un segundo sistema de canales. El primer sistema de canales y el segundo sistema de canales, del modo ya descrito, se extienden separados uno de otro. Además, el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales respectivamente presentan aberturas en el lado de contacto, a las que es adyacente el GDE. Una placa de electrodos de esa clase se utiliza para una instalación en la celda de electrólisis antes explicada, gracias a lo cual se alcanzan las ventajas ya descritas.

Un lado del cuerpo soporte opuesto al lado de contacto es eléctricamente conductor y se encuentra conectado de forma eléctrica al lado de contacto. Debido a esto, la placa de electrodos puede utilizarse como una placa bipolar, gracias a lo cual, de manera ventajosa, se posibilita una estructura especialmente sencilla de la celda de electrólisis, en el modo de construcción en pilas. De este modo, espacios del electrolito se disponen de forma alternada con los espacios del gas formados por el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales, donde el espacio del gas está integrado en la placa de electrodos. Entre las placas de electrodos, en este sentido, se encuentran los espacios de electrodos, preferentemente separados por una membrana de separación, en un espacio del ánodo y un espacio del cátodo. La placa de electrodos, respectivamente con el GDE conectado en uno de sus lados, se utiliza como cátodo, y en un espacio del electrolito, con su lado opuesto, como ánodo. El lado de contacto del cuerpo soporte se utiliza al mismo tiempo para el contacto eléctrico del GDE.

Otra posibilidad consiste en que los dos lados del cuerpo soporte estén realizados como lados de contacto para en cada caso un GDE. Esto significa que también el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales deben presentar aberturas en ambos lados de contacto. De ese modo, la placa de electrodos, de manera ventajosa, puede utilizarse para proporcionar en cada caso un GDE como cátodo, para dos espacios de electrodo contiguos.

La placa de electrodos puede estar conformada según otras configuraciones de la placa de electrodos según la invención, del modo antes explicado, donde se alcanzan las ventajas antes explicadas. En particular es posible que el primer sistema de canales presente primeros canales y que el segundo sistema de canales presente segundos canales, donde los primeros canales y los segundos canales están dispuestos de forma alternada y paralelamente unos con respecto a otros, extendiéndose hacia el lado de contacto, en el cuerpo soporte. Se considera especialmente ventajoso que el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales estén diseñados a modo de un peine y se entrelacen unos con otros. De manera ventajosa es posible que las aberturas en el lado de contacto estén conformadas por los primeros canales abiertos hacia el lado de contacto y por los segundos canales abiertos hacia el lado de contacto. De manera alternativa es posible que las aberturas en el lado de contacto estén conformadas por orificios que conectan el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales respectivamente con el lado de contacto.

Según una configuración ventajosa de la celda de electrólisis según la invención se prevé que el espacio del electrolito esté dividido en un espacio del ánodo y un espacio del cátodo mediante una pared de separación realizada como una membrana de separación permeable a los iones, o como una pared de separación realizada de forma separada, permeable a los iones y al líquido, donde el espacio del ánodo presenta una entrada de anolito y una salida de anolito para un anolito, y el espacio del cátodo presenta una entrada de catolito y una salida de catolito para un catolito. Una realización de esa clase del espacio del electrolito es ventajosa cuando en el ánodo y en el cátodo (GDE) se producen gases diferentes o salen mediante el GDE, los cuales no deben mezclarse en el espacio del electrolito. La pared de separación es especialmente importante cuando en el espacio del electrolito tiene lugar una electrólisis de agua y los gases que se producen, oxígeno e hidrógeno, no deben mezclarse, formando una mezcla de gases explosiva.

Según otra configuración de la invención se prevé que el primer sistema de canales presente primeros canales y que el segundo sistema de canales presente segundos canales, donde los primeros canales y los segundos canales están dispuestos de forma alternada y paralelamente unos con respecto a otros, extendiéndose hacia el lado de contacto, en el cuerpo soporte. La extensión paralela de unos con respecto a otros, de manera ventajosa, consigue que las distancias entre los primeros canales y los segundos canales respectivamente se mantengan constantes y que puedan diseñarse según el criterio de que se recorra un trayecto requerido del gas en el GDE. De este modo, el gas de reacción circula respectivamente desde los canales utilizados como entrada a los canales utilizados como salida. Una orientación paralela de los canales con respecto al lado de contacto, de manera ventajosa, favorece la distribución uniforme del gas de reacción sobre todo el GDE, cuya superficie es adyacente al mismo, mediante el lado de contacto del cuerpo soporte.

El cuerpo soporte, de manera ventajosa, adicionalmente con respecto a la función de alojar los canales y de la distribución del gas de reacción, se encarga de soportar el GDE. El mismo, ventajosamente, puede realizarse más delgado, así como con una porosidad mayor y, con ello, con una superficie interna para la conversión del gas de reacción. El grado de efectividad del GDE se aumenta ventajosamente mientras que está garantizada la estabilidad mecánica del GDE mediante el cuerpo soporte. Para ello son suficientes las áreas del lado de contacto que no están provistas de las aberturas y, con ello, son directamente adyacentes al lado del gas del GDE.

Si el cuerpo soporte está realizado de un material eléctricamente conductor, el mismo, según otra configuración ventajosa de la invención, también puede encargarse de la puesta en contacto eléctrica y no sólo de la puesta en contacto mecánica del GDE. En particular en el caso de GDE de gran superficie, que están diseñados para ser utilizados a gran escala, de este modo puede producirse una puesta en contacto eléctrica del GDE con una resistencia de paso reducida. El cuerpo soporte en particular también es adecuado para favorecer una estructura en pilas de la celda de electrólisis (a continuación más información al respecto).

Una configuración especial de la disposición de canales se consigue cuando el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales están diseñados a modo de un peine y se entrelazan unos con otros. La extensión de los canales corresponde a los dientes del peine, que respectivamente son abastecidos mediante un canal del distribuidor en común. Las distancias entre los canales respectivamente contiguos de una disposición a modo de un peine son de un tamaño tal que los canales respectivamente contiguos de la otra disposición a modo de un peine caben en los espacios intermedios. La distancia de los primeros canales y los segundos canales respectivamente es de un tamaño tal, que el gas de reacción, en el GDE contiguo, recorre un trayecto suficiente. La ventaja de un diseño a modo de un peine del sistema de canales es una configuración conveniente en cuanto al flujo, en donde a los primeros canales individuales y a los segundos canales se puede suministrar el gas de reacción de modo uniforme. Esto puede favorecerse adicionalmente mediante una sección transversal que se reduzca hacia los extremos de los respectivos primeros canales y segundos canales.

En otra configuración de la invención se prevé que las aberturas en el lado de contacto estén conformadas por los primeros canales abiertos hacia el lado de contacto y por los segundos canales abiertos hacia el lado de contacto. Expresado de otro modo, los canales en el lado de contacto están realizados como ranuras o surcos, de manera que, expresado de otro modo, la pared faltante de los canales forma la abertura en el lado de contacto. Lo mencionado ofrece la ventaja de que la abertura presenta una superficie suficientemente grande de la sección transversal, para que el gas de reacción pueda cambiar entre los respectivos canales y el GDE con una resistencia al flujo reducida. El lado de contacto restante entre los canales, en esta realización, se utiliza para el soporte del GDE mediante el cuerpo soporte.

En otra configuración de la invención se prevé que las aberturas en el lado de contacto estén conformadas por orificios que conectan el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales respectivamente con el lado de contacto. Expresado de otro modo, los primeros canales y los segundos canales están realizados de manera que los mismos se extienden en el interior del cuerpo soporte, donde los orificios crean conexiones a través de las cuales el gas de reacción puede circular desde los canales, hacia el GDE, y desde el GDE de regreso hacia los canales. En esta forma de ejecución, de manera ventajosa, se encuentra disponible una parte de la superficie comparativamente grande, del lado de contacto, para el soporte del GDE mediante el cuerpo soporte.

Según una configuración especialmente ventajosa de la celda de electrólisis se prevé que en la carcasa estén dispuestos al menos dos espacios del electrolito. Preferentemente también pueden proporcionarse más de dos espacios del electrolito, por ejemplo diez espacios del electrolito, veinte espacios del electrolito o cincuenta espacios del electrolito. Como modo de construcción en pilas debe entenderse un modo de construcción en el cual los espacios del electrolito están dispuestos respectivamente de forma alternada con los electrodos (es decir, el ánodo y el GDE realizado como cátodo) y los espacios del gas, donde en particular en el caso de aplicaciones a gran escala puede ponerse a disposición una superficie del electrodo suficiente en un espacio de construcción comparativamente estrecho. La forma de construcción de la celda de electrólisis a modo de pilas puede estar realizada de forma diferente, como se explicará a continuación.

Según una configuración de la celda de electrólisis en el modo de construcción en pilas se prevé que espacios del electrolito contiguos estén separados uno de otro por un cuerpo soporte que, de ambos lados, presenta un lado de contacto, a los que, en cada caso, es adyacente un electrodo de difusión de gas. Esto significa que de ambos lados del cuerpo soporte debe estar dispuesto un GDE, donde el primer sistema de canales y el segundo sistema de canales en el cuerpo soporte respectivamente suministra el gas de reacción a ambos ^gD^e. Los dos espacios del electrodo contiguos, en los lados opuestos del GDE, respectivamente presentan un ánodo diseñado preferentemente en forma de placas que, igualmente, de ambos lados, es contiguo a un espacio del cátodo. En el orden de la pila, por tanto, respectivamente se encuentran un espacio del cátodo, una unión del GDE-cuerpo soporte, un espacio del cátodo, un ánodo, un espacio del cátodo, una unión del GDE-cuerpo soporte, etc. La ventaja de esta realización reside en que a los cuerpos soportes se suministra simétricamente la presión del gas de reacción y puede reducirse el número de los cuerpos soporte utilizados.

Según otra realización de la invención se prevé que espacios del electrolito contiguos estén separados uno de otro por un cuerpo soporte, cuyo lado de contacto es adyacente al electrodo de difusión de gas de uno de los espacios del electrodo contiguos, y cuyo lado opuesto está diseñado como ánodo del otro de los espacios del electrodo contiguos. De ese modo se produce una placa bipolar que, de un lado, con su superficie, se utiliza como ánodo para un espacio del electrolito y, del otro lado, con el sistema de canales y el GDE, está equipada para un espacio del electrolito contiguo. En ese modo de construcción en pilas, los espacios del electrolito se alternan respectivamente con la unidad de cátodo-ánodo (que presenta el cuerpo soporte con el espacio para gas y el GDE), gracias a lo cual, de manera ventajosa, resulta una estructura particularmente sencilla. En particular la puesta en contacto eléctrica se simplifica ya que las placas bipolares pueden conectarse eléctricamente en serie, por lo cual una conexión eléctrica a una fuente de tensión respectivamente sólo debe tener lugar en el ánodo más externo y en el cátodo más externo formado por una placa soporte y un GDE. Con esa finalidad, los cuerpos soporte deben estar diseñados eléctricamente conductores.

A continuación, mediante el dibujo, se describen otras particularidades de la invención. Los elementos del dibujo iguales o correspondientes respectivamente están provistos del mismo símbolo de referencia y en este sentido sólo se explican más de una vez cuando resultan diferencias entre las figuras individuales. Muestran:

Figura 1 una celda de electrólisis en una estructura según el estado de la técnica,

Figura 2 una unión formada por el cuerpo soporte y el GDE, como puede utilizarse en un ejemplo de ejecución según el estado de la técnica,

Figuras 3 y 4 ejemplos de ejecución de la celda de electrólisis según la invención, en sección, donde según la figura 3 se desarrolla un ejemplo de ejecución del procedimiento según la invención, y

Figuras 5 y 6 ejemplos de ejecución de cuerpos soporte, en sección, con diferentes extensiones de los primeros canales y los segundos canales, que pueden utilizarse en la celda de electrólisis según la invención. En la figura 1 se representa una celda de electrólisis según el estado de la técnica. En una carcasa 11 está proporcionado un espacio del electrolito que está dividido en un espacio del ánodo 13 y un espacio del cátodo 14 mediante una pared de separación 12 impermeable al gas. El espacio del electrolito, por tanto, se forma en conjunto mediante el espacio del ánodo 13 y el espacio del cátodo 14. El espacio del ánodo 13, además, es limitado por un ánodo 15 y el espacio del cátodo 14 por un electrodo de difusión de gas (GDE) 16 conectado como cátodo. Para poder conducir un anolito (A) a través del espacio del ánodo están proporcionadas una entrada de anolito 17 y una salida de anolito 18. Del mismo modo, el espacio del catolito 14 presenta una entrada de catolito 19 y una salida de catolito 20, para posibilitar una conducción de un catolito (K).

El GDE 16, con un lado del electrolito 21, es adyacente al espacio del catolito 14. Con un lado del gas 22 opuesto al lado del electrolito 21, el GDE 16 es contiguo a un espacio del gas 23, que igualmente está colocado en la carcasa 11. Ese espacio del gas 23 presenta una entrada de gas 24 para un gas de reacción, que debido a la porosidad del GDE 16 (que se indica en la figura 1), puede difundirse hacia el mismo.

En la figura 2 puede apreciarse el GDE 16 en su disposición según la invención, en un cuerpo soporte 25. Ese cuerpo soporte está representado en la sección M-M según la figura 5, donde en la figura 5 está representado en la sección V-V (marcada en la figura 2). El cuerpo soporte 25 presenta un lado de contacto 26 sobre el que se apoya el GDE 16 con su lado del gas 22. En el lado de contacto 26, además, están proporcionados primeros canales 27 y segundos canales 28. Los primeros canales 27 y los segundos canales 28 se diferencian en el hecho de que los primeros canales pertenecen a un primer sistema de canales 29 y los segundos canales a un segundo sistema de canales 30 (véase la figura 5), donde el primer sistema de canales se extiende de forma fluídica, separado del segundo sistema de canales. De este modo, el espacio del gas se divide en dos volúmenes separados uno de otro. Como puede apreciarse en la figura 5, el primer sistema de canales, en correspondencia con las flechas representadas, indicadas con líneas continuas, puede utilizarse para el suministro del gas de reacción, y el segundo sistema de canales 30 puede utilizarse para la descarga de gas de reacción no consumido durante la reacción. Durante la reacción, al pasar por los poros en el GDE 16, el gas de reacción cambia desde el primer sistema de canales al segundo sistema de canales, lo cual igualmente está indicado mediante las flechas. Esas flechas, por tanto, indican un paso a través del GDE 16, donde el GDE no está representado en la figura 5. Al pasar por el GDE 16, el gas de reacción, al menos de forma parcial, se convierte en el marco de una reacción (véanse también las flechas en la figura 2). Las flechas discontinuas en la figura 5 indican que la dirección de flujo en el cuerpo soporte también puede invertirse, debido a lo cual también el GDE 16 es atravesado por flujo en la dirección inversa.

La unidad según la figura 2 forma una placa de electrodos que puede ser utilizada para ser instalada en la carcasa de una celda de electrólisis. Un ejemplo de instalación de esa clase puede apreciarse en la figura 3. De este modo, la placa de electrodos según la figura 2 conforma una placa bipolar, es decir, que el lado del cuerpo soporte 25, que se sitúa de forma opuesta al lado de contacto 26, está realizado como ánodo 15. Si la placa de electrodos según la figura 2 se instala en una celda de electrólisis, en el modo de construcción en pilas, el ánodo 15 y el cátodo formado por el GDE 16 se introducen respectivamente en espacios del electrolito contiguos (véase también la figura 3). Para la celda de electrólisis según la invención fundamentalmente son posibles distintos principios de estructuras que están representados a modo de ejemplo en la figura 3 y en la figura 4. Ambas disposiciones muestran posibles modos de construcción en pilas de la celda de electrólisis.

Según la figura 3 se utilizan placas de electrodos con una estructura según la figura 2. En la celda de electrólisis se realiza el siguiente orden de las pilas. En el lado que se utiliza como cátodo 15, al cuerpo soporte 25 le sucede un espacio del ánodo 13 que está separado de un espacio del cátodo 14 subsiguiente con una pared de separación 12. Un GDE 16 que es soportado mediante un cuerpo soporte 25 subsiguiente es contiguo al espacio del cátodo 14. En el cuerpo soporte 25 también están conformados primeros canales 27 y segundos canales 28. A continuación se repite el orden de la pila.

Para los espacios del ánodo 13 respectivamente están proporcionadas entradas de anolito 17 y salidas de anolito 18, así como para los espacios del cátodo están proporcionadas entradas de catolito 19 y salidas de catolito 20. Además puede apreciarse una pieza de unión 31 que, de forma no representada en detalle, está conectada a los primeros canales 27. En la dirección de flujo representada en la figura 3, la pieza de unión se utiliza como entrada de gas; en la dirección de flujo inversa, representada por flechas discontinuas, se utiliza como salida de gas para el gas de reacción que se suministra al GDE. Una pieza de unión comparable para los dos canales 28 se encuentra antes del plano del dibujo representado en la figura 3, y por eso no está representada.

Además, en la figura 3 se indica la puesta en contacto eléctrica de la celda de electrólisis. Mediante la realización de la unión formada por el cuerpo soporte 25 y el GDE 16, respectivamente como una placa bipolar, es posible una conexión en serie de las celdas de electrólisis, formada por los respectivos espacios del ánodo 13 y los espacios del cátodo 14. Sólo respectivamente el ánodo más externo de la pila, en el polo positivo de una fuente de tensión, y el GDE más externo, mediante el cuerpo soporte más externo, se conecta al polo negativo de la fuente de tensión 32. En la figura 4 se describe una estructura similar a la de la figura 3, donde a continuación se explicarán solamente las diferencias. El cuerpo soporte 25 presenta dos lados de contacto 26 opuestos, en los cuales, en cada caso, está dispuesto un GDE 16. De ello resulta el siguiente orden de la pila para el modo de construcción en pila. Se proporciona una placa de electrodos como ánodo 15, a la que es adyacente un espacio del anolito 13. El mismo está separado de un espacio del catolito 14 mediante una pared de separación 12. A continuación se encuentra un GDE 16 que está colocado sobre un cuerpo soporte 25. Del otro lado del cuerpo soporte 25 se encuentra otro GDE 16. A continuación se encuentra otro espacio del cátodo 14, otra pared de separación 12 y otro espacio del ánodo 13. A continuación comienza nuevamente el orden de la pila, con otro ánodo 15.

En esta disposición de las celdas de electrólisis formadas por el espacio del ánodo 13 y el espacio del cátodo 14, las mismas están conectadas de forma paralela. Por ese motivo respectivamente se requiere una conexión eléctrica de todos los ánodos 15 y de todos los GDE 16, respectivamente mediante el cuerpo soporte 25. Esto se indica en la figura 4. Como puede apreciarse, el polo positivo de la fuente de tensión 32 está conectado eléctricamente a los ánodos 15, y el polo negativo de la fuente de tensión 32 está conectado eléctricamente a los cuerpos soporte 25 eléctricamente conductores.

Los primeros canales 27 y los segundos canales 28, en el cuerpo soporte 25, según la figura 4, están conformados de manera que éstos se abren hacia ambos lados del cuerpo soporte. Los primeros canales 27 y los segundos canales 28, al mismo tiempo, suministran gas de reacción a los dos GDE 16 opuestos. Las conexiones fluídicas (17, 18, 19, 20, 31) de la celda de electrólisis no presentan diferencias con respecto a la estructura según la figura 3, por ese motivo no se explican con mayor detalle con relación a la figura 4.

En la figura 5 puede apreciarse una posible extensión del primer sistema de canales 29 y del segundo sistema de canales 30. Ambos sistemas de canales presentan una extensión a modo de un peine, lo que significa que los primeros canales 27 y los segundos canales 28 forman los dientes de esa disposición a modo de un peine. Los mismos se extienden respectivamente alternados, paralelamente unos con respecto a otros, lo cual se logra debido a que las estructuras a modo de un peine se entrelazan unas con otras. Además, los primeros canales 27 y los segundos canales 28 también están dispuestos paralelamente con respecto al plano del dibujo representado, de manera que éstos también se extienden paralelamente con respecto al lado de contacto 26 que se encuentra por encima del mismo plano (véase la figura 2).

Debido a la extensión paralela de los primeros canales 27 y segundos canales 28, como puede apreciarse en la figura 2, se produce un trayecto constante que debe recorrer el gas de reacción guiado por los canales mencionados, en el GDE 16, para cambiar del primer sistema de canales 29 al segundo sistema de canales 30 (o de forma inversa). Gracias a esto se consigue un suministro uniforme de gas de reacción hacia el GDE, donde el flujo de gas prioritariamente se extiende de forma paralela con respecto al lado del gas 22 del GDE 16. De este modo puede impedirse fácilmente una salida del gas de reacción dese el lado del electrolito 21 del GDE 16.

Como puede apreciarse además en la figura 5, el primer sistema de canales 29 y el segundo sistema de canales 30 presentan una extensión de la sección transversal que se reduce de forma continua en dirección hacia los extremos muertos de los primeros canales 27 y los segundos canales 28. Gracias a esto puede asegurarse una distribución uniforme de la presión del gas de reacción en el sistema de canales mencionado, de manera que puede asegurarse que la caída de presión local entre las aberturas de los primeros canales 27 y los segundos canales 28, sobre la superficie del GDE 16, pueda mantenerse constante.

En la figura 6 está representada una configuración alternativa del cuerpo soporte 25, en donde las aberturas se forman en el lado de contacto, mediante orificios 33. Los orificios por ejemplo pueden ser perforaciones que conectan los primeros canales 27 y los segundos canales 28 respectivamente con el lado de contacto del cuerpo soporte 25 que se sitúa detrás del plano del dibujo en la figura 6. Los primeros canales 27 y los segundos canales 28, en el ejemplo de ejecución según la figura 6, se extienden de forma diagonal en la superficie en sección, representada cuadrada, del cuerpo soporte 25. Los orificios 33 están dispuestos en el cuerpo soporte 25, sobre una rejilla cuadrada, de manera que orificios respectivamente contiguos también están conectados con uno de los primeros canales 27 o con uno de los segundos canales 28, respectivamente de forma alternada. Debido a esto, en correspondencia con las flechas que se extienden de forma vertical y horizontal, indicadas en la figura 6, se producen recorridos respectivamente cortos del gas de reacción en el g De que se sitúa detrás del plano del dibujo, a saber, respectivamente desde uno de los orificios 33 hacia los cuatro orificios 33 que se sitúan de forma contigua, de manera vertical y horizontal.

Para conectar los primeros canales 27 y los segundos canales 28, respectivamente formando un primer sistema de canales 29 y un segundo sistema de canales 30, los sistemas de canales mencionados continúan y se reúnen en la carcasa que rodea el cuerpo soporte, que no está representada en detalle. La extensión del primer sistema de canales 29 y del segundo sistema de canales 30 está indicada en el borde del cuerpo soporte, con líneas de puntos y trazos.

Un ejemplo para la aplicación de la celda de electrólisis se representa en el ejemplo de la figura 1 y puede realizarse igualmente con las celdas de electrólisis conformadas según las figuras 2 - 6. Como gas de reacción se utiliza dióxido de carbono que en el GDE 16 reacciona formando monóxido de carbono. El monóxido de carbono atraviesa el GDE, preferentemente del lado del electrolito 21, y se transporta con el catolito (K) que es conducido. Debido a la disposición electroquímica del agua, en el espacio del cátodo 14 se produce además hidrógeno, que es conducido junto con el monóxido de carbono. En el espacio del ánodo 13 se produce oxígeno. La pared de separación 12 impide que el gas del hidrógeno se mezcle con el gas del oxígeno.

En las celdas de electrólisis según las figuras 2 - 6, a diferencia del dispositivo según la figura 1, el dióxido de carbono se suministra mediante uno de los dos sistemas de canales (primer sistema de canales 29, segundo sistema de canales 30) y dióxido de carbono que no ha reaccionado se desvía nuevamente por el otro de los dos sistemas de canales (29, 30). Gracias a esto se brinda la posibilidad de regular la diferencia de presión entre los dos sistemas de canales mencionados y de utilizarla como variable de control para la cantidad de flujo de dióxido de carbono en el GDE 16. El gas del dióxido de carbono desviado también puede contener gas de monóxido de carbono que no ha penetrado hacia el lado del electrolito 21 del GDE 16.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Celda de electrólisis que presenta una carcasa (11) con un ánodo (15) y un electrodo de difusión de gas (16) conectado como cátodo, que a los dos se les puede suministrar un electrolito en un espacio del electrolito formado por la carcasa (11), donde

• el electrodo de difusión de gas (16) está dispuesto como separación entre el espacio del electrolito y un espacio del gas, proporcionado en la carcasa (11), para un gas de reacción, y

• el electrodo de difusión de gas, con un lado del electrolito (21), es contiguo al espacio del electrolito y con un lado del gas (22) es contiguo al espacio del gas,

caracterizada porque

el electrodo de difusión de gas (16), con el lado del gas (22), es contiguo a un lado de contacto (26) de un cuerpo soporte (25), donde el espacio del gas está conformado por un primer sistema de canales (29) y por un segundo sistema de canales (30), donde

• el primer sistema de canales (29) y el segundo sistema de canales (30) se extienden separados uno de otro y, con ello, forman dos volúmenes separados del espacio del gas, y

• el primer sistema de canales (29) y el segundo sistema de canales (30) respectivamente presentan aberturas en el lado de contacto (26).

2. Celda de electrólisis según la reivindicación 1,

caracterizada porque

el espacio del electrolito está dividido en un espacio del ánodo (13) y un espacio del cátodo (14) mediante una pared de separación (12) realizada como una membrana de separación permeable a los iones o como un separador permeable a los iones y al líquido, donde el espacio del ánodo (13) presenta una entrada de anolito (17) y una salida de anolito (18) para un anolito, y el espacio del cátodo presenta una entrada de catolito (19) y una salida de catolito (20) para un catolito.

3. Celda de electrólisis según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizada porque

el primer sistema de canales (29) presenta primeros canales (27) y el segundo sistema de canales (30) presenta segundos canales (28), donde los primeros canales (27) y los segundos canales (28) están dispuestos de forma alternada y paralelamente unos con respecto a otros y extendiéndose hacia el lado de contacto (26), en el cuerpo soporte (25).

4. Celda de electrólisis según la reivindicación 3, caracterizada porque el primer sistema de canales (29) y el segundo sistema de canales (30) están diseñados a modo de un peine y se entrelazan unos con otros.

5. Celda de electrólisis según una de las reivindicaciones 3 ó 4,

caracterizada porque

las aberturas en el lado de contacto (26) están conformadas por los primeros canales (25) abiertos hacia el lado de contacto (26) y por los segundos canales (28) abiertos hacia el lado de contacto (26).

6. Celda de electrólisis según una de las reivindicaciones 3 ó 4,

caracterizada porque

las aberturas en el lado de contacto (26) están conformadas por orificios (33) que conectan el primer sistema de canales (29) y el segundo sistema de canales (30) respectivamente con el lado de contacto (26).

7. Celda de electrólisis según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizada porque

en la carcasa (11) están dispuestos al menos dos espacios del electrolito.

8. Celda de electrólisis según la reivindicación 7,

caracterizada porque

espacios del electrolito contiguos están separados uno de otro por un cuerpo soporte (25) que, de ambos lados, presenta un lado de contacto (26), a los que, en cada caso, es adyacente un electrodo de difusión de gas (16).

9. Celda de electrólisis según la reivindicación 7,

caracterizada porque

espacios del electrolito contiguos están separados uno de otro por un cuerpo soporte (25), cuyo lado de contacto (26) es adyacente al electrodo de difusión de gas (16) de uno de los espacios del electrodo contiguos, y cuyo lado opuesto está diseñado como ánodo (15) del otro de los espacios del electrodo contiguos.

10. Celda de electrólisis según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizada porque

el cuerpo soporte (25) se compone de un material eléctricamente conductor.

11. Procedimiento para operar una celda de electrólisis según una de las reivindicaciones precedentes, donde al lado del electrolito (21) del electrodo de difusión de gas (16) se suministra un electrolito y al lado del gas (22) del electrodo de difusión de gas (16) se suministra un gas de reacción,

caracterizado porque

la dirección de flujo del gas de reacción en el primer sistema de canales (29), en el lado del gas (22) y en el segundo sistema de canales (30), se invierte al menos una vez durante la electrólisis.