ES2963971T3

ES2963971T3 - Baño electrolítico, dispositivo de electrólisis, procedimiento de electrólisis y procedimiento para producir hidrógeno

Info

Publication number: ES2963971T3
Application number: ES18745271T
Authority: ES
Original assignee: Asahi Kasei Corp; Asahi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Corp; Asahi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 2017-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2024-04-03
Anticipated expiration: 2038-01-26
Also published as: EP3575439A4; EP3575439A1; JP6797940B2; JPWO2018139616A1; WO2018139616A1; EP3575439B1

Abstract

El propósito de la presente invención es aumentar la eficiencia de conversión de energía y suprimir un aumento en la temperatura de una solución electrolítica en electrólisis de agua alcalina en la que se usa un baño electrolítico que tiene una estructura de espacio cero. [Solución] la presente invención es: un baño electrolítico en el que una pluralidad de elementos provistos de un electrodo positivo, un electrodo negativo, una pared divisoria y un marco exterior se superponen entre sí para intercalar diafragmas entre ellos, un baño electrolítico se forma una estructura de espacio en la que los diafragmas están en contacto con los electrodos positivos y los electrodos negativos, y se proporciona una pluralidad de placas de enderezamiento de flujo a una cámara de electrodo, caracterizándose el baño electrolítico porque la longitud A de la cámara de electrodo es de 0,40 ma 4,0 m, la longitud B de la cámara de electrodos es de 0,0030 ma 0,030 m, y el intervalo C entre las placas de enderezamiento de flujo es de 0,050 ma 0,19 m; un baño electrolítico para electrólisis de agua alcalina; un dispositivo de electrólisis; un método de electrólisis del agua; y un método para producir hidrógeno. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Baño electrolítico, dispositivo de electrólisis, procedimiento de electrólisis y procedimiento para producir hidrógeno

Campo técnico

La presente divulgación se refiere a un electrolizador, un electrolizador para electrólisis de agua alcalina, un dispositivo de electrólisis, un procedimiento de electrólisis del agua y un procedimiento de producción de hidrógeno.

Antecedentes

La técnica de la electrólisis se ha aplicado en la industria desde hace mucho tiempo, abarcando desde producciones de sosa cáustica y cloro por medio de electrólisis de agua salina, hasta producciones de ácido hipocloroso, producciones de agua con iones alcalinos y producciones de agua ozonizada, por ejemplo. Hasta ahora, se han propuesto diversas técnicas para reducir los costes de capital e incrementar la eficacia de la electrólisis y la durabilidad de los aparatos.

En los últimos años, las técnicas que utilizan energías renovables, tales como la generación de energía eólica y la generación de energía fotovoltaica, han atraído la atención para abordar problemas que incluyen el calentamiento global debido a gases de efecto invernadero tales como el dióxido de carbono, la disminución de las reservas de combustibles fósiles, etc.

La naturaleza de las energías renovables hace que estén sometidas a fluctuaciones muy grandes, ya que su producción depende de las condiciones climáticas. Por tanto, no siempre es posible transportar la energía eléctrica obtenida mediante la generación de electricidad mediante energías renovables al sistema de suministro eléctrico general, y existe preocupación por influencias sociales tales como el desequilibrio entre la oferta y la demanda de electricidad, la desestabilización del sistema de suministro eléctrico, etc.

Por lo tanto, se están realizando investigaciones para convertir la energía eléctrica generada a partir de energías renovables en una forma adecuada para su almacenamiento y transporte para su utilización. Específicamente, se han realizado estudios sobre cómo generar hidrógeno almacenable y transportable mediante electrólisis del agua usando energía eléctrica generada a partir de energías renovables, y usar el hidrógeno como fuente o material energético.

El hidrógeno se usa ampliamente a nivel industrial en los campos de, por ejemplo, refinado del petróleo, síntesis química y refinado de metales y, en los últimos años, se puede usar en muchos escenarios, tales como en estaciones de hidrógeno para vehículos de pila de combustible (FCV), comunidades inteligentes, y centrales de energía de hidrógeno. En consecuencia, existen grandes expectativas en el desarrollo de tecnología para obtener, en particular, hidrógeno de alta pureza a partir de energías renovables.

Los procedimientos para la electrólisis del agua incluyen la electrólisis del agua con electrolitos de polímeros sólidos, la electrólisis con vapor a alta temperatura y la electrólisis de agua alcalina. De estos, la electrólisis de agua alcalina se considera una de las más prometedoras debido a su industrialización durante décadas, su disponibilidad a gran escala y su bajo coste en comparación con otros dispositivos de electrólisis de agua.

Sin embargo, para adaptar la electrólisis de agua alcalina como un medio para almacenar y transportar energía, es necesario hacer posible que la electrólisis del agua se lleve a cabo eficazmente y de manera estable usando energía eléctrica con una gran fluctuación en la salida como se describe anteriormente. En consecuencia, ha existido una demanda para resolver problemas de celdas de electrólisis y aparatos para electrólisis de agua alcalina.

Para abordar el problema de mejorar la tasa de consumo de energía eléctrica para la producción de hidrógeno mediante la supresión del voltaje del baño en la electrólisis de agua alcalina, es conocido que resulta eficaz usar una estructura en la que se elimine sustancialmente el hueco entre la membrana y los electrodos, que se denomina estructura "zero-gap", como la estructura de la celda electrolítica (véanse los documentos US4530743B [PTL 1] y JPS59-173281A [PTL 2]). Con la estructura "zero-gap", el rápido escape del gas generado a través de los poros de un electrodo hacia el lado opuesto al lado de la membrana del electrodo hace que sea posible reducir la distancia entre los electrodos mientras se minimiza la acumulación de gases cerca de los electrodos, manteniendo de este modo un bajo voltaje del baño. La estructura "zero-gap" es muy eficaz para suprimir el voltaje del baño y se adopta en diversos dispositivos de electrólisis.

Mientras tanto, Detlef Stoltenet al.informaron de que la selección optimizada de electrodos y membranas y las optimizaciones de las estructuras de las celdas de electrólisis, por ejemplo, son cruciales para una electrólisis de agua alcalina eficaz y estable (véase NPL 1: Detlef Stoltenet al.[<n>P<l>1]). Además, se han llevado a cabo varias investigaciones para abordar los problemas identificados anteriormente de la celda de electrólisis para electrólisis de agua alcalina que tiene estructuras "zero-gap" (véanse los documentos WO2013/191140 [PTL 3] y WO2014/178317 [PTL 4]).

El documento JP 2014-009385 divulga un tanque electrolítico para electrólisis de agua alcalina, estando constituido el tanque electrolítico por una celda electrolítica en la que se apilan una pluralidad de celdas electrolíticas, comprendiendo cada una un ánodo, un cátodo, un separador que separa el ánodo y el cátodo, y un marco anódico y un marco catódico que enmarcan el separador, con membranas de intercambio iónico intercaladas entre ellos, en el que las membranas de intercambio iónico están en contacto con los ánodos y los cátodos para formar una estructura "zero-gap", una pluralidad de nervaduras anódicas y nervaduras catódicas, alineadas en paralelo entre sí en cámaras anódicas y cámaras catódicas definidas por los separadores, los marcos anódicos y los marcos catódicos, y las membranas de intercambio iónico, se proporcionan paralelos a una dirección dada que discurre a lo largo de los separadores, la longitud A de las cámaras anódicas y las cámaras catódicas en la dirección dada es de 1200 mm (1,2 m) y el paso C entre las nervaduras anódicas y las nervaduras catódicas es de 125 mm (0,125 m).

El documento JP S5168477 divulga un tanque electrolítico para electrólisis de agua alcalina, estando constituido el tanque electrolítico por una pluralidad de unidades de tanque electrolítico, comprendiendo cada una un ánodo, un cátodo, un separador que separa el ánodo y el cátodo, y un marco de hierro que enmarca el separador, estando apiladas con membranas de intercambio catiónico intercaladas entre ellas, en el que una pluralidad de nervaduras de placa de titanio y nervaduras de placa de hierro, alineadas en paralelo entre sí en cámaras anódicas y cámaras catódicas definidas por los separadores, los marcos de hierro y las membranas de intercambio catiónico, se proporcionan en paralelo a una dirección dada que discurre a lo largo de los separadores, la longitud A de las cámaras anódicas y las cámaras catódicas en la dirección dada es de 1200 mm (1,2 m), la longitud B de las cámaras anódicas en una dirección perpendicular a los separadores es de 10 a 60 mm (0,01-0,06 m) y la longitud B de las cámaras catódicas en la dirección perpendicular a los separadores es de 5 a 60 mm (0,005-0,06 m).

El documento JP 2016-094650 divulga un aparato de electrólisis que comprende un tanque electrolítico bipolar, una solución de electrolito, un tanque de separación gas-líquido para separar la solución de electrolito y el hidrógeno y/u oxígeno, y una bomba de introducción de agua para reponer agua.

Lista de citas

Literatura de patentes

PTL 1: US4530743B

PTL 2: JPS59-173281A

PTL 3: WO2013/191140

PTL 4: WO2014/178317

Literatura distinta de patentes

NPL 1: Detlef Stoltenet al.,Hydrogen Energy, in Hydrogen and fuel cells: fundamentals, technologies and applications, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Alemania, 2010, pp. 254-257

Sumario

(Problema técnico)

Se ha demostrado que, sin embargo, las celdas de electrólisis convencionales como se describen anteriormente tienen dificultades para potenciar significativamente la densidad de corriente proporcionada a los dispositivos de electrólisis y los rendimientos de las instalaciones de electrólisis, reduciendo de este modo el coste de construcción y reduciendo la huella de las instalaciones de electrólisis.

En teoría, una mayor densidad de corriente incrementa la caída de potencial óhmico durante la electrólisis, lo que hace inevitable un incremento del voltaje de electrólisis. En la electrólisis de agua alcalina mediante celdas de electrólisis convencionales, cuando la densidad de corriente se duplica o triplica, por ejemplo, el voltaje de electrólisis se incrementa significativamente y la eficacia de conversión de la energía al convertir la electricidad en hidrógeno cae significativamente. La eficacia de conversión de la energía reducida incrementa el calor generado en los electrodos, lo que incrementa la temperatura de un electrolito. En tal caso, se acelera la degradación de piezas, tales como las membranas, en el dispositivo de electrólisis, lo que puede dificultar el funcionamiento a largo plazo o incluso suspender el funcionamiento continuo debido a la ebullición del electrolito. Por los motivos descritos anteriormente, los dispositivos de electrólisis convencionales funcionan con una densidad de corriente típica por área de electrólisis de aproximadamente 2 kA/m2. Sin embargo, las operaciones de dispositivos de electrólisis a densidades de corriente tan bajas requieren instalaciones de electrólisis a gran escala, lo que puede dar como resultado costes de construcción incrementados y mayor huella.

Por lo tanto, un objetivo de la presente divulgación es incrementar la eficacia de conversión de la energía y suprimir un incremento de la temperatura del electrolito durante la electrólisis de agua alcalina empleando un electrolizador que tiene una estructura "zero-gap".

(Solución al problema)

Para resolver los problemas descritos anteriormente, se observaron flujos de gases y un electrolito durante la electrólisis de agua alcalina y se encontró que las densidades de corriente se correlacionaban con el retromezclado del electrolito y los gases en los compartimentos del ánodo y compartimentos del cátodo. Específicamente, se encontró que el retromezclado se producía con mayor frecuencia con un incremento de la densidad de corriente, dando como resultado un incremento en la caída de potencial óhmico. Además, también se encontró que, en dicha situación, la temperatura del electrolito se incrementaba significativamente en las celdas de electrólisis, creando puntos locales de alta temperatura en el electrolito.

A continuación, se encontró que el ajuste de las alturas y los grosores de un compartimento del ánodo y un compartimento del cátodo en una celda de electrólisis en determinados intervalos y la disposición de rectificadores de flujo en un determinado intervalo en la dirección de los flujos del electrolito y los gases desprendidos suprimían el retromezclado en un electrolizador que tiene una estructura "zero-gap". En otras palabras, se encontró que controlar los flujos del electrolito y de los gases de hidrógeno y oxígeno en intervalos apropiados suprimía un incremento en la caída de potencial óhmico, en particular cuando la densidad de corriente era alta, lo que permitió controlar el calor generado en los electrodos a intervalos apropiados, completando de este modo la presente divulgación. La invención se define por las reivindicaciones adjuntas.

(Efectos ventajosos)

De acuerdo con la presente divulgación, en la electrólisis de agua alcalina que emplea un electrolizador que tiene una estructura "zero-gap", se incrementa la eficacia de conversión de la energía y se suprime un incremento de la temperatura del electrolito.

Breve descripción de los dibujos

En los dibujos adjuntos:

La FIG. 1 es una vista lateral que ilustra en general un ejemplo de una celda electrolítica bipolar para electrólisis de agua alcalina de acuerdo con el presente modo de realización;

La FIG. 2 es una vista lateral que ilustra la parte encerrada en el rectángulo en la línea quebrada de la FIG. 1 de una estructura "zero-gap" en el ejemplo del electrolizador bipolar para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización;

La FIG. 3 es una vista en planta que ilustra las partes del compartimento de electrodo en el ejemplo del electrolizador bipolar para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización;

La FIG. 4 es una vista en planta que ilustra un ejemplo de un electrolizador bipolar de tipo cabecera interna para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización;

La FIG. 5 es un diagrama que ilustra una sección transversal parcial del ejemplo del electrolizador bipolar para electrólisis de agua alcalina de la FIG. 4 cuando se corta en el plano a lo largo de la Línea A-A;

La FIG. 6 es una vista en planta que ilustra un ejemplo de un electrolizador bipolar de tipo cabecera externa para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización;

La FIG. 7 es un diagrama que ilustra una sección transversal parcial del ejemplo del electrolizador bipolar para electrólisis de agua alcalina de la FIG. 6 cuando se corta en el plano a lo largo de la Línea B-B;

La FIG. 8 ilustra el esquema de un dispositivo de electrólisis para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización;

La FIG. 9 ilustra el esquema de un electrolizador modelo de los Ejemplos A, donde (A) es una vista frontal (izquierda) y una vista lateral (derecha) del electrolizador modelo, (B) es una vista en perspectiva de una placa acrílica en la que se formaron los compartimentos de electrodo en el electrolizador modelo, y (C) ilustra una estructura "zero-gap" en el electrolizador modelo; y

La FIG. 10 es una vista en sección transversal que ilustra una vista lateral parcial del electrolizador bipolar de tipo cabecera externa conjuntamente con el flujo del electrolito de los Ejemplos A.

Descripción detallada

A continuación se proporciona una descripción detallada de un modo de realización de la presente divulgación (a continuación en el presente documento denominado el "presente modo de realización").

(Electrolizador bipolar para electrólisis de agua alcalina)

La FIG. 1 es una vista lateral que ilustra en general un ejemplo de un electrolizador bipolar para electrólisis de agua alcalina de acuerdo con el presente modo de realización.

La FIG. 2 es una vista lateral que ilustra la parte encerrada en el rectángulo en la línea quebrada de la FIG. 1 de una estructura "zero-gap" en el ejemplo del electrolizador bipolar para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización.

La FIG. 3 es una vista en planta que ilustra las partes del compartimento de electrodo en el ejemplo del electrolizador bipolar para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización.

Como se ilustra en la FIG. 1, un electrolizador bipolar para electrólisis de agua alcalina de acuerdo con el presente modo de realización es un electrolizador bipolar 50 que comprende una pluralidad de elementos bipolares 60 superpuestos entre sí con una membrana 4 interpuesta entre ellos, en el que cada elemento bipolar 60 comprende un ánodo 2a, un cátodo 2c, una pared divisoria 1 que separa el ánodo 2a del cátodo 2c, y un marco exterior 3 que bordea la pared divisoria 1.

Además, en el electrolizador bipolar 50 para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización, la membrana 4 está en contacto con el ánodo 2a y el cátodo 2c formando de este modo una estructura "zero-gap" Z (véase la FIG. 2).

Además, en el electrolizador bipolar 50 en los presentes modos de realización, una pared divisoria 1, un marco exterior 3 y una membrana 4 definen un compartimento de electrodo 5 que permite el paso de un electrolito, y se proporciona una pluralidad de rectificadores de flujo 6 para sean paralelos a una dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria 1 en los compartimentos de electrodo 5 (véanse las FIGS. 2 y 3). En otras palabras, la pluralidad de rectificadores de flujo se disponen para que sean paralelos entre sí y se proporcionan en compartimentos de electrodo 5 para que sean paralelos a la dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria (véanse las FIGS. 2 y 3).

(Electrolizador)

El electrolizador 50 para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización puede ser de tipo monopolar o bipolar, y es preferentemente un electrolizador bipolar 50 en el que elementos bipolares 60 están apilados entre sí con una membrana 4 interpuesta entre ellos.

Un tipo monopolar es un procedimiento para conectar uno o más elementos directamente a una fuente de alimentación, y es un circuito paralelo en el que se proporciona un elemento terminal del cátodo 51c a un ánodo 2a de cada elemento que comprende un cátodo 2c y el ánodo 2a, que tiene una membrana 4 interpuesta entre el elemento terminal del cátodo 51c y el ánodo 2a, y se proporciona un elemento terminal del ánodo 51a al cátodo 2c de cada elemento, que tiene una membrana 4 interpuesta entre el elemento terminal del ánodo 51a y el cátodo 2c, y cada elemento terminal está conectado a la fuente de alimentación.

Un tipo bipolar es uno de los procedimientos para conectar varias celdas a una fuente de alimentación, en el que una pluralidad de elementos bipolares 60, teniendo cada uno un ánodo 2a en un lado y un cátodo 2c en el otro lado, se disponen y se conectan en serie, y sólo el ánodo 2a y el cátodo 2c en los dos extremos se conectan a una fuente de alimentación.

El electrolizador bipolar 50 es ventajoso porque se puede reducir la corriente procedente de la fuente de alimentación y, por lo tanto, se puede producir una gran cantidad de compuestos o determinados materiales en un tiempo más corto en la electrólisis. Los electrolizadores bipolares son más preferentes que los monopolares para aplicaciones industriales porque las instalaciones de fuentes de alimentación de corriente constante y alto voltaje son menos costosas y más pequeñas para los mismos resultados.

((Elemento))

Ejemplos de los elementos como se describen anteriormente incluyen elementos monopolares empleados en un electrolizador monopolar y elementos bipolares empleados en un electrolizador bipolar. De estos, son preferentes os elementos bipolares.

Un elemento bipolar 60 usado en un ejemplo del electrolizador bipolar 50 para electrólisis de agua alcalina comprende un ánodo 2a, un cátodo 2c, una pared divisoria 1 que separa el ánodo 2a del cátodo 2c y un marco exterior 3 que bordea la pared divisoria. Más específicamente, la pared divisoria 1 es conductora, y el marco exterior 3 se proporciona alrededor de la pared divisoria 1 a lo largo de la circunferencia exterior de la pared divisoria 1.

El elemento comprende el ánodo 2a, un colector de corriente catódica 2r, un cuerpo elástico conductor 2e y el cátodo 2c, en este orden, y puede comprender además la pared divisoria 1, las nervaduras 6, el marco exterior 3, un cuerpo de absorción de electricidad inversa y un colector de corriente anódica, por ejemplo.

En el presente modo de realización, el elemento bipolar 60 se puede usar de modo que la dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria 1 se extienda en dirección vertical. Específicamente, cuando la pared divisoria 1 es rectangular en vista en planta como se ilustra en las FIGS. 2 y 3, la dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria 1 se extiende en la misma dirección que la dirección en la que se extienden un par de lados de dos pares de lados enfrentados entre sí (véanse las FIGS. 1-7). En la presente memoria descriptiva, esta dirección vertical también se denomina "dirección de paso del electrolito".

En el presente modo de realización, como se ilustra en la FIG. 1, el electrolizador de tipo bipolar 50 se construye apilando el número requerido de elementos bipolares 60.

En el ejemplo del electrolizador bipolar 50 ilustrado en la FIG. 1, se disponen un cabezal rápido 51g, una placa aislante 51 i y un elemento terminal del ánodo 51a en orden desde un extremo, y se disponen una pieza de empaquetadura 7 del lado del ánodo, una membrana 4, una pieza de empaquetadura 7 del lado del cátodo y un elemento bipolar 60 uno al lado del otro en este orden. En este caso, cada elemento bipolar 60 se dispone de modo que el cátodo 2c se oriente hacia el lado del elemento terminal del ánodo 51a. Los componentes desde las piezas de empaquetadura 7 del lado del ánodo hasta los elementos bipolares 60 se disponen repetidamente tantas veces como sea necesario para la cantidad de producción diseñada. Después de disponer repetidamente el número requerido de componentes desde la pieza de empaquetadura 7 del ánodo hasta los elementos bipolares 60, se disponen de nuevo una pieza de empaquetadura 7 del lado del ánodo, una membrana 7 y una pieza de empaquetadura 7 del lado del cátodo, y finalmente se disponen un elemento terminal del cátodo 51c, una placa aislante 51 i y un cabezal suelto 51g en este orden. Todo el electrolizador bipolar 50 se fija mediante mecanismos de tirante 51 r (véase la FIG. 1) o un mecanismo de sujeción, tal como el que emplea un cilindro oleohidráulico, para proporcionar una estructura unida como el electrolizador bipolar 50.

La disposición del electrolizador bipolar 50 se puede seleccionar arbitrariamente desde el lado del ánodo 2a o bien desde el lado del cátodo 2c y no se limita al orden anterior.

Como se ilustra en la FIG. 1, en el electrolizador bipolar 50, los elementos bipolares 60 se disponen entre el elemento terminal del ánodo 51a y el elemento terminal del cátodo 51c. Se interponen membranas 4 respectivas entre el elemento terminal del ánodo 51a y el elemento bipolar 60, entre dos elementos bipolares contiguos 60, y entre el elemento bipolar 60 y el elemento terminal del cátodo 51c.

Además, el electrolizador bipolar del presente modo de realización tiene preferentemente 50 o más y 500 o menos, más preferentemente 70 o más y 300 o menos, e incluso más preferentemente 100 o más y 200 o menos de las celdas de electrólisis descritas anteriormente.

En particular, en el caso de celdas de electrólisis de tipo cabecera externa, cuando el número de celdas de electrólisis superpuestas entre sí es 500 o menos, la corriente de fuga se reduce y la eficacia se incrementa. Además, dado que es más probable que se iguales la presión de la superficie de sellado, es menos probable que se produzcan fugas de electrolito o gases. Además, 50 o más celdas de electrólisis pueden almacenar gran cantidad de energía eléctrica, lo que proporciona sustancialmente un rendimiento aún mejor como sistema de almacenamiento de energía.

En el electrolizador bipolar 50 para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización, como se ilustra en la FIG. 2, la membrana 4 está en contacto con el ánodo 2a y el cátodo 2c, formando de este modo estructuras Z "zero-gap".

En la electrólisis de agua alcalina, cuando hay un hueco entre una membrana 4 y un ánodo 2a y/o un cátodo 2c, se acumula una gran cantidad de burbujas generadas por la electrólisis en el hueco junto con el electrolito, lo que da lugar a un incremento significativo de la resistencia eléctrica. Para reducir en gran medida el voltaje electrolítico en cada celda de electrólisis 65, es eficaz minimizar la distancia entre el ánodo 2a y el cátodo 2c (a continuación en el presente documento también denominada "distancia entre electrodos") para eliminar la influencia del electrolito y las burbujas presentes entre el ánodo 2a y el cátodo 2c.

La estructura "zero-gap" Z puede mantener un estado en el que el ánodo 2a y la membrana 4 están en contacto entre sí, y también lo están el cátodo 2c y la membrana 4, sobre todas las superficies de los electrodos 2, o un estado en el que la distancia entre los electrodos es sustancialmente la misma que el grosor de la membrana 4 de modo que casi no hay hueco entre el ánodo 2a y la membrana 4 y entre el cátodo 2c y la membrana 4 en todas las superficies de los electrodos 2.

Se han propuesto varios medios para reducir la distancia entre electrodos, y los ejemplos incluyen uno que comprende aplanar completamente un ánodo 2a y un cátodo 2c y presionarlos uno contra el otro teniendo una membrana 4 intercalada entre ellos; uno que comprende disponer un cuerpo elástico (en particular, un cuerpo elástico conductor 2e), tal como un resorte, entre un electrodo y una pared divisoria 1, soportando de este modo el electrodo 2 con el cuerpo elástico; y uno que comprende disponer un cuerpo elástico (en particular, el cuerpo elástico conductor 2e) y un colector (en particular, el colector catódico 2r) entre un electrodo 2 y la pared divisoria 1, soportando de este modo el cuerpo elástico con el colector. En el ejemplo de la FIG. 1 se emplea un procedimiento que usa un cuerpo elástico.

En el electrolizador para electrólisis de agua alcalina de la presente divulgación, múltiples elementos que tienen cada uno un ánodo 2a y un cátodo 2c se superponen entre sí con una membrana 4 interpuesta entre ellos, que es una membrana porosa, de modo que un cátodo 2c en un elemento y un el ánodo 2a en un elemento contiguo estén uno frente al otro. Además, el electrolizador también comprende un complejo catódico que incluye el cátodo 2c y un cuerpo elástico conductor y un colector de corriente catódica dispuesto en un lado del cátodo opuesto a la membrana, y/o un complejo anódico que incluye el ánodo 2a y un cuerpo elástico conductor y un colector de corriente anódica dispuesto en el lado del ánodo opuesto a la membrana.

En el electrolizador bipolar 50 de acuerdo con el presente modo de realización, como se ilustra en las FIGS. 2 y 3, una pared divisoria 1, un marco exterior 3 y una membrana 4 definen un compartimento de electrodo 5 que permite el paso del electrolito.

En particular, en el electrolizador bipolar 50 de acuerdo con el presente modo de realización, una sección entre las paredes divisorias 1 de dos elementos bipolares 60 contiguos y una sección entre la pared divisoria 1 de un elemento terminal y la pared divisoria 1 del elemento bipolar 60 contiguo se denominan celdas electrolíticas 65. Cada celda electrolítica 65 incluye una pared divisoria 1, un compartimento del ánodo 5a y un ánodo 2a de un elemento; una membrana 4; y un cátodo 2c, un compartimento del cátodo 5c y una pared divisoria 1 de otro elemento.

Específicamente, cada compartimento de electrodo 5 incluye una entrada de electrolito 5i para introducir el electrolito en el compartimento de electrodo 5, y una salida de electrolito 5o para descargar el electrolito del compartimento de electrodo, en un delimitador con el marco exterior 3. Más específicamente, cada compartimento del ánodo 5a está provisto de una entrada de electrolito del ánodo 5ai para introducir el electrolito en el compartimento del ánodo 5a, y una salida de electrolito del ánodo 5ao para descargar el electrolito del compartimento del ánodo 5a. De forma similar, cada compartimento del cátodo 5c está provisto de una entrada de electrolito del cátodo 5ci para introducir el electrolito en el compartimento del cátodo 5c, y una salida de electrolito del cátodo 5co para descargar el electrolito del compartimento del cátodo 5c.

En el ejemplo de las FIGS. 1-3, la pared divisoria 1 rectangular y la membrana 4 rectangular se disponen para que sean paralelas entre sí, y la superficie interior en el lado de la pared divisoria 1 de un marco exterior 3 con una conformación de paralelepípedo rectangular, proporcionado en un borde de la pared divisoria 1, es vertical a la pared divisoria 1. Por lo tanto, cada compartimento de electrodo 5 tiene una conformación de paralelepípedo rectangular.

Típicamente, el electrolizador bipolar 50 tiene cabeceras 10 (es decir, tuberías 10) para dispensar o recoger un electrolito, que incluyen una cabecera de entrada del ánodo 10ai para introducir el electrolito en un compartimento de ánodo 5a y una cabecera de entrada del cátodo 10ci para introducir el electrolito en un compartimento de cátodo. 5c, en una porción inferior del marco exterior 3 en el borde de la pared divisoria 1. De forma similar, el electrolizador bipolar 50 también tiene una cabecera de salida del ánodo 10ao para descargar el electrolito del compartimento del ánodo 5a y una cabecera de salida del cátodo 10co para descargar el electrolito del compartimento del cátodo 5c, en una porción superior del marco exterior 3 en el borde de la pared divisoria 1.

Las cabeceras 10 unidas al electrolizador bipolar 50 ilustrado en las FIGS. 1-3 se disponen típicamente como cabeceras internas 10I o cabeceras externas 10O. Sin embargo, en la presente divulgación no se impone ninguna limitación sobre el tipo de cabeceras y se puede usar cualquier tipo.

En el electrolizador bipolar 50 del presente modo de realización, el electrolito dispensado por medio de la cabecera de entrada del ánodo 10ai entra en el compartimento del ánodo 5a a través de la cabecera de entrada del ánodo 10ai, pasa a través del compartimento del ánodo 5a, se descarga del compartimento del ánodo 5a a través de la salida de electrolito del ánodo 5ao, y se recoge en la cabecera de salida del ánodo 10ao.

Los compartimentos de electrodo del presente modo de realización están provistos de múltiples rectificadores de flujo 6 dispuestos para que sean paralelos a la dirección dada D1 a lo largo de una pared divisoria 1, como se ilustra en las FIGS. 2 y 3.

Cada rectificador de flujo 6 reduce las convecciones en los compartimentos de electrólisis 5 provocadas por perturbaciones de los flujos de gases y de líquido, suprimiendo de este modo las elevaciones locales de temperatura del electrolito.

En particular, en el ejemplo de las FIGS. 1 a 3, los múltiples rectificadores de flujo 6 se proporcionan en dirección ortogonal a la dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria 1 (la dirección de paso del electrolito en el ejemplo ilustrado), a intervalos (pasos) regulares.

Además, en el electrolizador bipolar 50 de un ejemplo, un rectificador de flujo 6 tiene una longitud que es casi la misma que la altura del compartimento de electrodo 5, y se dispone para que sea vertical a la pared divisoria 1. El rectificador de flujo 6 tiene, pero no es esencial, orificios pasantes con un cierto paso en la dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria 1 (la dirección de paso del electrolito en el ejemplo ilustrado) con el propósito de reducir el peso del electrolizador.

Aquí, en el electrolizador bipolar 50 para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización, una longitud A del compartimento de electrodo 5 en la dirección dada a lo largo de la pared divisoria es de 0,40 m o más y de 4,0 m o menos, una longitud B del compartimento de electrodo 5 en la dirección ortogonal a la pared divisoria 1 es de 0,0030 m o más y de 0,030 m o menos, y un intervalo C entre los múltiples rectificadores de flujo 6 es de 0,050 m o más y de 0,10 m o menos.

La longitud A se puede definir para que sea indicativa de la altura del compartimento de electrodo 5, como se ilustra en las FIGS. 2 y 3, o puede ser la longitud promedio si la longitud en la dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria 1 (dirección de paso del electrolito) varía en el compartimento de electrodo 5. De forma alternativa, si el compartimento de electrodo 5 está dividido con respecto a la dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria 1, la longitud A puede ser la suma de las longitudes de las secciones divididas correspondientes a la longitud A.

La longitud B se puede definir para que sea indicativa del grosor del compartimento de electrodo 5, como se ilustra en la FIG. 2, o puede ser la longitud promedio en la dirección ortogonal al electrodo 2 si la longitud varía en el compartimento de electrodo 5.

El intervalo C se define como indicativo del intervalo (paso) si los múltiples rectificadores de flujo 6 se proporcionan a intervalos (pasos) regulares (véase la FIG. 3), o es el intervalo promedio entre los múltiples rectificadores de flujo 6 si los múltiples rectificadores de flujo 6 no se proporcionan a intervalos (pasos) regulares. El intervalo C puede ser el intervalo promedio entre dos rectificadores de flujo 6 contiguos si el intervalo entre dos rectificadores de flujo 6 contiguos varía en la dirección en la que se extienden los rectificadores de flujo 6.

De acuerdo con el electrolizador bipolar 50 para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización, mediante el control de la longitud A, la longitud B y el intervalo C como se establece anteriormente, se puede obtener un diseño del electrolizador bipolar 50 que tenga un estructura "zero-gap" Z altamente productiva que mejora los flujos del electrolito y de los gases en una amplia variedad de condiciones de electrólisis, para controlar el retromezclado, suprimiendo de este modo un pico repentino del sobrevoltaje de electrólisis durante operaciones de alta densidad de corriente.

Como resultado, cuando se realiza la electrólisis de agua alcalina en operaciones de alta densidad de corriente u operaciones de fuente de energía variable, se suprime un incremento de la temperatura del electrolito reduciendo un incremento de la temperatura en las salidas de los compartimentos de electrólisis 5. Esto reduce las convecciones en los compartimentos de electrólisis 5 provocadas por perturbaciones de los flujos de gases y de líquido en los compartimentos de electrólisis 5, y suprime las elevaciones de temperatura locales del electrolito, lo que proporciona una alta eficacia de electrólisis a largo plazo de manera estable.

Además de la perspectiva de potenciar adicionalmente los efectos descritos anteriormente, también desde la perspectiva de suprimir las fluctuaciones de presión provocadas por fluctuaciones intermitentes en la proporción gas-líquido en el compartimento de electrodo 5, la longitud A, la longitud B y el intervalo C se pueden establecer preferentemente en los siguientes intervalos.

En el presente modo de realización, la longitud A es preferentemente de 0,40 m o más y de 3,0 m o menos, más preferentemente de 0,50 m o más y de 2,5 m o menos, y más preferentemente de 0,60 m o más y de 2,0 m o menos.

En el presente modo de realización, la longitud B es preferentemente de 0,0050 m o más y de 0,025 m o menos, más preferentemente de 0,0060 m o más y de 0,023 m o menos, e incluso más preferentemente de 0,0070 m o más y de 0,020 m o menos.

En el presente modo de realización, el intervalo C es preferentemente de 0,060 m o más y de 0,10 m o menos, más preferentemente de 0,070 m o más y de 0,10 m o menos, e incluso más preferentemente de 0,080 m o más y de 0,10 m o menos.

Los intervalos de la longitud A, la longitud B y el intervalo C se pueden seleccionar individualmente según sea apropiado para obtener los efectos de la presente divulgación.

La distancia (no ilustrada) entre el rectificador de flujo más exterior 6 y el marco exterior 3 en la dirección ortogonal a la dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria 1 es preferentemente, pero sin limitarse a, de 0,050 m o más y de 0,19 m o menos, desde la perspectiva de potenciar los efectos de la presente divulgación.

Adicionalmente, se observó que una fluctuación intermitente en la proporción gas-líquido en los compartimentos de electrodo 5 intensificó las perturbaciones del electrolito durante una operación basada en una fuente de energía variable obtenida a partir de energías renovables (por ejemplo, energía eólica o energía solar). Los inventores se esforzaron en identificar procedimientos para superar este problema y encontraron las siguientes características.

En el electrolizador bipolar 50 para electrólisis de agua alcalina de los presentes modos de realización (por ejemplo, cualquiera de (1) a (16) anteriormente), el compartimento de electrodo 5 tiene un área de sección transversal D en un plano ortogonal a la dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria 1 de 0,00050 m2 o más y de 0,0050 m2 o menos, y el valor de {(2 * D) / (B C)} es de 0,015 m o más y de 0,050 m o menos.

Cabe señalar que, cuando la sección transversal del compartimento de electrodo 5 en un plano ortogonal a la dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria 1 es sustancialmente rectangular, el área de sección transversal D se puede determinar como (longitud B) * (intervalo C).

Además, cuando la sección transversal es sustancialmente rectangular, el valor de {(2 * D) / (B C)} en general es indicativo del diámetro hidráulico Dh, que es el factor que se correlaciona con el estado del flujo de un fluido, conjuntamente con el área de sección transversal D.

Al controlar el área de sección transversal D y el valor de {(2 * D) / (B C)} como se establece anteriormente, el efecto de controlar los flujos de líquido y de gases para suprimir una fluctuación de la proporción gas-líquido se logra más fácilmente en intervalos amplios del caudal del electrolito y de la temperatura del electrolito. Esto mejora el estado de separación gas-líquido y es más probable que suprima las fluctuaciones de presión en los compartimentos de electrodo 5 y la diferencia de presión entre los dos compartimentos de electrodo.

Como resultado, los efectos de la presente divulgación de reducir un incremento de la temperatura de las salidas de los compartimentos de electrólisis 5, suprimiendo de este modo un incremento de la temperatura del electrolito y reduciendo las convecciones provocadas en los compartimentos de electrólisis 5 por perturbaciones de los flujos de gases y de líquido en los compartimentos de electrólisis 5, suprimiendo de este modo las elevaciones locales de temperatura del electrolito, se potencian de manera estable en los electrolizadores 50 que reciben una mayor densidad de corriente y tienen más celdas.

Desde la perspectiva de potenciar adicionalmente los efectos descritos anteriormente, en los presentes modos de realización (por ejemplo, cualquiera de (1) a (16) anteriormente), el área de sección transversal D es preferentemente de 0,0010 m2 o más y de 0,0040 m2 o menos, y de forma particularmente preferente de 0,0010 m2 o más y de 0,0035 m2 o menos.

En el presente modo de realización, el valor de {(2 * D) / (B C)} es además preferentemente de 0,020 m o más y de 0,045 m o menos, y más preferentemente de 0,025 m o más y de 0,040 m o menos.

Los intervalos del área de sección transversal D y del valor de {(2 * D) / (B C)} se pueden seleccionar individualmente según sea apropiado para obtener los efectos de la presente divulgación.

En la presente divulgación, la conformación del compartimento de electrodo 5 no se limita al paralelepípedo rectangular en el ejemplo de las FIGS. 1-3, y se puede modificar de acuerdo con las conformaciones de la vista en planta de las paredes divisorias 1 y las membranas 4, y el ángulo entre la superficie interna del marco exterior 3 en el lado de la pared divisoria 1 y la pared divisoria 1, por ejemplo, y el compartimento de electrodo 5 puede tener cualquier conformación siempre que se obtengan los efectos de la presente divulgación.

En la presente divulgación, la disposición de los rectificadores de flujo 6 en el compartimento de electrodo 5 no se limita a la del ejemplo de las FIGS. 1-3.

En la presente divulgación, el número de rectificadores de flujo 6 y/o el intervalo (paso) regular entre los rectificadores de flujo 6 en la dirección ortogonal a la dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria 1 se puede determinar según sea apropiado siempre que se obtengan los efectos de la presente divulgación. Aquí, el intervalo entre los rectificadores de flujo 6 puede no ser constante.

Además, en la presente divulgación, la longitud del rectificador de flujo 6, el ángulo entre el rectificador de flujo 6 y la pared divisoria 1, el número de orificios pasantes y un determinado intervalo (paso) de los orificios pasantes con respecto a la dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria 1 se pueden determinar según sea apropiado siempre que se obtengan los efectos de la presente divulgación. Aquí, el intervalo de los orificios pasantes puede no ser constante.

Aunque las paredes divisorias 1, los ánodos 2a y los cátodos 2c en el ejemplo de las FIGS. 1-3 son planos y tienen determinados grosores, esto no es limitante para la presente divulgación. Pueden tener conformaciones en zigzag o en ondas en sección transversal total o parcialmente, o pueden tener bordes redondeados.

Un dispositivo de la técnica anterior que tiene una estructura "zero-gap" puede experimentar un incremento del voltaje de la celda en operaciones con fuentes de energía variable, tales como energías renovables, por ejemplo. Por tanto, un requisito adicional para los electrolizadores para electrólisis de agua alcalina es que sea menos probable que el voltaje de la celda se incremente incluso en operaciones con fuentes de energía variables, tales como energías renovables, por ejemplo.

Se encontró que el problema descrito anteriormente se podía superar controlando adecuadamente la distancia entre un colector de corriente anódica y uno de corriente catódica, las propiedades de los materiales y la presión superficial que se aplica entre una membrana y un ánodo y/o un cátodo, completando de este modo la presente divulgación.

Más específicamente, las aplicaciones en las que la electricidad originada a partir de energías renovables se convierte en hidrógeno para su almacenamiento, por ejemplo, requieren estructuras de dispositivos más exactas que los dispositivos convencionales. Por lo tanto, por ejemplo, se ha planteado un nuevo problema que es que los voltajes de electrólisis de múltiples celdas varían, lo que puede incrementar el voltaje de electrólisis con el tiempo. Se estudió este problema y se planteó la hipótesis de que la causa son las desviaciones en la exactitudes de las fabricaciones y los ensamblajes cuando se apilan varias celdas con grandes áreas para fabricar un electrolizador. Por lo tanto, también se estudió un procedimiento que permita que dichas desviaciones proporcionen un rendimiento estable de las células. Como resultado, se consideró que no siempre se proporciona una estructura "zero-gap" deseable debido a desviaciones en las exactitudes de las fabricaciones y ensamblajes cuando se apilan las celdas, y se concibieron las siguientes configuraciones como configuraciones para suprimirlas.

En un electrolizador para electrólisis de agua alcalina de los presentes modos de realización (por ejemplo, cualquiera de (1) a(16)anteriormente), la membrana 4 está en contacto con el ánodo 2a y el cátodo 2c formando de este modo una estructura "zero-gap" Z; la distancia entre el ánodo 2a y el colector de corriente catódica 2r y/o la distancia entre el cátodo 2c y el colector de corriente anódica es de 1,0 mm o más y de 6,0 mm o menos, y una densidad del cuerpo elástico conductor es de 0,1 g/cm3 o más y de 4,5 g/cm3 o menos, en la estructura "zero-gap" Z; y la presión superficial que se aplica entre la membrana 4 y el cátodo 2c y/o el ánodo 2a es de 8,00 kN/m2 o más y de 100,00 kN/m2 o menos, en la estructura "zero-gap" Z.

Cabe señalar que la "distancia entre el ánodo y el colector de corriente" se refiere a la distancia entre un ánodo 2a en un elemento y un colector de corriente catódica 2r en otro elemento contiguo al elemento que tiene una membrana 4 interpuesta entre ellos, y es la distancia entre la superficie del colector de corriente catódica 2r en el lado del cuerpo elástico conductor 2e y la superficie en la que el ánodo 2a y la membrana 4 están en contacto entre sí. Además, la "distancia entre el cátodo y el colector de corriente anódica" se refiere a la distancia entre un cátodo en un elemento y un colector de corriente anódica en otro elemento contiguo al elemento que tiene una membrana interpuesta entre ellos, y es la distancia entre la superficie del colector de corriente anódica en el lado del cuerpo elástico conductor y la superficie en la que el cátodo y la membrana están en contacto entre sí.

Dado que el electrolizador para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización tiene las configuraciones descritas anteriormente, es menos probable que el voltaje de la celda se incremente incluso en operaciones con fuentes de energía variable, tales como energías renovables, por ejemplo.

Más específicamente, se considera que las desviaciones en las exactitudes de las fabricaciones y ensamblajes cuando se apilan las celdas se eliminan controlando las distancias entre un electrodo y un colector de corriente, y las propiedades de los electrodos, el colector de corriente y el cuerpo elástico que configura el ánodo y/o cátodo dentro de los intervalos descritos anteriormente, lo que proporciona estructuras "zero-gap" deseables en todo el apilamiento de celdas. Además, se considera que las estructuras "zero-gap" estables se mantienen absorbiendo las vibraciones continuas provocadas por los gases en las estructuras "zero-gap" durante la electrólisis a largo plazo.

Aquí, la celda de electrólisis 65 de los presentes modos de realización (por ejemplo, cualquiera de (1) a(16)anteriormente) tiene la estructura "zero-gap" Z descrita anteriormente; la distancia entre el ánodo 2a y el colector de corriente catódica 2r y/o la distancia entre el cátodo 2c y el colector de corriente anódica es de 1,0 mm o más y de 6,0 mm o menos, y la densidad del cuerpo elástico conductor 2e es de 0,1 g/cm3 o más y de 4,5 g/cm3 o menos en la estructura "zero-gap" Z; y la presión superficial que se aplica entre la membrana 4 y el cátodo 2c es de 8.00 kN/m2 o más y de 100,00 kN/m2 o menos en la estructura "zero-gap" Z. Esto evita que los poros en la membrana 4, que sirven como pasos del electrolito, se bloqueen debido a la presión sobre la membrana 4 por parte del electrodo 2 en operaciones con fuentes de energía variable, tales como energías renovables, por ejemplo, suprimiendo de este modo un incremento del voltaje de celda. También suprime un incremento del voltaje de celda provocado por una distancia entre electrodos incrementada entre la membrana 4 y los electrodos 2 debido a vibraciones de la membrana 4 como resultado de una desviación de presión provocada por los gases generados en los electrodos 2 y las superficies de membrana. Cuando las variables descritas anteriormente no están dentro de los intervalos respectivos, es menos probable que se alcancen los efectos descritos anteriormente incluso si se cambian las condiciones operativas.

En la celda de electrólisis 65 de los presentes modos de realización (por ejemplo, cualquiera de (1) a(16)anteriormente), la distancia entre el ánodo 2a y el colector de corriente catódica 2r y/o la distancia entre el cátodo 2c y el colector de corriente anódica que tiene la membrana 4 interpuesta entre ellos, son de 1,0 mm o más y de 6.0 mm o menos, preferentemente de 1,2 mm o más y de 5,0 mm o menos, y más preferentemente de 1,3 mm o más y de 4,0 mm o menos, en la estructura "zero-gap" Z.

Aquí, cuando la estructura "zero-gap" Z está provista de un complejo anódico y un complejo catódico, la distancia entre el ánodo 2a y el colector de corriente catódica 2r y la distancia entre el cátodo 2c y el colector de corriente anódica pueden ser de 1,0 mm o más. y 6,0 mm o menos, o una de la distancia entre el ánodo 2a y el colector de corriente catódica 2r y la distancia entre el cátodo 2c y el colector de corriente anódica puede ser de 1,0 mm o más y de 6,0 mm o menos. En el ejemplo de la FIG. 2, en la estructura "zero-gap" provista de un ánodo 2a y un complejo catódico, la distancia entre el ánodo 2a y el colector de corriente catódica 2r es de 1,0 mm o más y de 6,0 mm o menos. En la presente memoria descriptiva, la distancia entre un ánodo 2a y un colector de corriente catódica 2r en una estructura "zero-gap" Z que incluye el ánodo 2a y un complejo catódico 2r también se puede denominar "distancia 'a'".

Cabe señalar que la distancia entre el ánodo 2a y el colector de corriente catódica 2r se puede medir con el procedimiento descrito en los Ejemplos a continuación.

En la celda de electrólisis 65 de los presentes modos de realización (por ejemplo, cualquiera de (1) a(16)anteriormente), el grosor del cuerpo elástico conductor es preferentemente de 0,5 mm o más y de 5,5 mm o menos, y más preferentemente de 0,7 mm o más y de 4,5 mm o menos, en la estructura "zero-gap" Z.

Si el grosor descrito anteriormente es de 0,5 mm o más, se evita que los poros en la membrana 4, que sirven como pasos del electrolito, se bloqueen debido a la presión sobre la membrana 4 por parte del electrodo 2 en operaciones con fuentes de energía variable, tales como energías renovables, por ejemplo, suprimiendo de este modo un incremento del voltaje de celda. Además, el grosor descrito anteriormente de 5,5 mm o menos suprime un incremento del voltaje de celda provocado por una distancia entre electrodos incrementada entre la membrana 4 y los electrodos 5 debido a vibraciones de la membrana 4 como resultado de una desviación de presión provocada por los gases generados en los electrodos 2 y las superficies de membrana.

Cabe señalar que el "grosor del cuerpo elástico conductor" se refiere al grosor de un cuerpo elástico conductor entre el ánodo 2a y el colector de corriente catódica 2r y/o el grosor de un cuerpo elástico conductor entre el cátodo 2c y el colector de corriente anódica en una estructura "zero-gap" Z en la que la distancia entre el ánodo 2a y el colector de corriente catódica 2r y/o la distancia entre el cátodo 2c y el colector de corriente anódica que tiene la membrana 4 interpuesta entre ellos están dentro del intervalo descrito anteriormente.

En la celda de electrólisis 65 de los presentes modos de realización (por ejemplo, cualquiera de (1) a(16)anteriormente), la distancia entre el colector de corriente y la pared divisoria 1 es preferentemente de 1 mm o más y de 40 mm o menos, y más preferentemente de 5 mm o más y de 25 mm o menos.

Una distancia como se describe anteriormente de 1 mm o más facilita el escape del gas generado hacia la parte posterior del electrodo y también facilita el suministro del electrolito. Por el contrario, una distancia como se describe anteriormente de 40 mm o menos induce el retromezclado por el gas generado y facilita el escape del gas unido a la interfaz entre la membrana 4 y el electrodo 2. Además, la temperatura y la concentración del electrolito están más igualadas en el compartimento de electrodo 5.

Cabe señalar que la "distancia entre el colector de corriente y la pared divisoria 1" se refiere a la distancia entre el colector de corriente y la pared divisoria 1 en un único elemento, y es la distancia entre la superficie del colector de corriente en el lado de la división pared y la superficie de la pared divisoria 1 en el lado de ese colector de corriente.

En la celda de electrólisis 65 de los presentes modos de realización (por ejemplo, cualquiera de (1) a(16)anteriormente), la presión superficial que se aplica entre la membrana 4 y el ánodo 2a y/o el cátodo 2c es de 8.00 kN/m2 o más y de 100,00 kN/m2 o menos, preferentemente de 14,00 kN/m2 o más y de 90,00 kN/m2 o menos, y más preferentemente de 19,00 kN/m2 o más y de 60,00 kN/m2 o menos, en la estructura "zero-gap" Z. Si la presión superficial está dentro del intervalo descrito anteriormente, se evita que los poros en la membrana colapsen y es menos probable que se incremente el voltaje de celda.

Aquí, la "presión superficial que se aplica entre la membrana y el ánodo y/o el cátodo" se refiere a la presión superficial que se aplica entre la membrana 4 y el ánodo 2a y/o el cátodo 2c en una estructura "zero-gap" Z donde la distancia entre el ánodo 2a y el colector de corriente catódica 2r y/o la distancia entre el cátodo 2c y el colector de corriente anódica que tiene la membrana 4 interpuesta entre ellos están dentro del intervalo descrito anteriormente.

Cabe señalar que la presión superficial descrita anteriormente se puede medir con el procedimiento descrito en los Ejemplos a continuación.

En la celda de electrólisis 65 de los presentes modos de realización (por ejemplo, cualquiera de (1) a(16)anteriormente), una densidad del cuerpo elástico conductor es de 0,1 g/cm3 o más y de 4,5 g/cm3 o menos, preferentemente de 0,2 g/cm3 o más y de 3,0 g/cm3 o menos, y más preferentemente de 0,4 g/cm3 o más y de 2,5 g/cm3 o menos, en la estructura "zero-gap" descrita anteriormente. Si la densidad de los cuerpos elásticos conductores está dentro del intervalo descrito anteriormente, la presión superficial entre la membrana y el electrodo se controla apropiadamente y se evita que los poros en la membrana colapsen.

Aquí, la "densidad del cuerpo elástico conductor" se refiere a la densidad de un cuerpo elástico conductor entre el ánodo 2a y el colector de corriente catódica 2r y/o de un cuerpo elástico conductor entre el cátodo 2c y el colector de corriente anódica en la estructura "zero-gap" en la que la distancia entre el ánodo 2a y el colector de corriente catódica 2r y/o la distancia entre el cátodo 2c y el colector de corriente anódica que tiene la membrana 4 interpuesta entre ellos están dentro del intervalo descrito anteriormente.

Cabe señalar que la densidad descrita anteriormente se puede medir con el procedimiento descrito en los Ejemplos a continuación.

En la celda de electrólisis 65 de los presentes modos de realización (por ejemplo, cualquiera de (1) a(16)anteriormente), un área S1 de una superficie portadora de corriente del elemento es preferentemente de 0,1 m2 o más y de 10 m2 o menos, y más preferentemente de 0,15 m2 o más y de 8 m2 o menos. Si el área de la superficie portadora de corriente es de 0,1 m2 o más, las cabeceras de suministro de electrolito tendrán tamaños apropiados, lo que facilita la fabricación de las mismas. Si el área de la superficie portadora de corriente es de 10 m2 o menos, es más probable que se iguale la presión de la superficie de sellado y se eviten las fugas de electrolito y gas.

El "área S1 de una superficie portadora de corriente de un elemento" se refiere al área de un electrodo (ánodo y cátodo) en el elemento, en la superficie paralela a la pared divisoria. Si el área del ánodo es diferente de la del cátodo, se usa su promedio.

En la celda de electrólisis 65 de los presentes modos de realización (por ejemplo, cualquiera de (1) a(16)anteriormente), el grosor 'd' del elemento es preferentemente de 10 mm o más y de 100 mm o menos. Si el grosor del elemento es de 10 mm o más, es menos probable que se incremente la proporción de gas dentro de las cámaras de gas-líquido en la celda de electrólisis, lo que evita adicionalmente un incremento del voltaje de celda. Si el grosor del elemento es de 100 mm o menos, se reduce la influencia de la pérdida de presión en las cabeceras, lo que facilita distribuciones uniformes. Además, se reduce la huella a un tamaño apropiado.

El "grosor 'd' de un elemento" se refiere a la distancia entre las paredes divisorias 1 de dos elementos contiguos en la dirección ortogonal a las paredes divisorias 1.

En el presente modo de realización, las características de los electrolitos descritos anteriormente se pueden usar solas o en combinación.

Un electrolizador del presente modo de realización puede ser un electrolizador que comprende: una pluralidad de elementos bipolares superpuestos entre sí con una membrana interpuesta entre ellos, comprendiendo cada elemento bipolar un ánodo, un cátodo, una pared divisoria que separa el ánodo del cátodo y un marco exterior que bordea la pared divisoria, estando la membrana en contacto con el ánodo y el cátodo para formar una estructura "zero-gap"; y

una pluralidad de rectificadores de flujo que se disponen para que sean paralelos entre sí en compartimentos de electrodo para que sean paralelos a una dirección dada a lo largo de la pared divisoria, estando definido cada compartimento de electrodo por la pared divisoria, el marco exterior y la membrana,

en el que una longitud A del compartimento de electrodo en la dirección dada es de 0,40 m o más y de 4,0 m o menos, una longitud B del compartimento de electrodo en la dirección ortogonal a la pared divisoria es de 0,0030 m o más y de 0,030 m o menos, y un intervalo C entre la pluralidad de rectificadores de flujo es de 0,050 m o más y de 0,19 m o menos,

estando la pluralidad de elementos bipolares que comprenden cada uno el ánodo y el cátodo superpuestos entre sí, teniendo la membrana interpuesta entre ellos, siendo la membrana una membrana porosa,

el electrolizador comprende un complejo catódico que incluye el cátodo y un cuerpo elástico conductor y un colector catódico proporcionado en un lado del cátodo opuesto a la membrana, y/o un complejo anódico que incluye el ánodo y un cuerpo elástico conductor y un colector anódico proporcionado en un lado del ánodo opuesto a la membrana,

en el que una distancia entre el ánodo y el colector de corriente catódica y/o una distancia entre el cátodo y el colector de corriente anódica son de 1,0 mm o más y de 6,0 mm o menos,

una densidad del cuerpo elástico conductor es de 0,1 g/cm3 o más y de 4,5 g/cm3 o menos, y

una presión superficial que se aplica entre una membrana y un ánodo y/o un cátodo es de 8 kN/m2 o más y de 100 kN/m2 o menos en una estructura "zero-gap".

En lo que sigue se proporciona una descripción de los detalles de los componentes del electrolizador bipolar 50 para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización.

En lo que sigue también se describen en detalle modos de realización preferentes para potenciar el efecto de la presente divulgación.

- Pared divisoria -

Cada pared divisoria 1 se proporciona entre un cátodo 2c y un ánodo 2a, que está preferentemente entre el ánodo 2a y un colector de corriente catódica, y/o entre el cátodo 2c y un colector de corriente anódica.

En el presente modo de realización, la conformación de cada pared divisoria 1 puede ser una conformación plana que tiene un grosor predeterminado, pero no está en particular limitada.

La conformación de cada pared divisoria 1 en una vista en planta no está en particular limitada, y puede ser una conformación rectangular (tal como un cuadrado o un rectángulo) o una conformación circular (tal como un círculo o una elipse), donde una conformación rectangular puede tener una esquina redondeada.

En un modo de realización, la pared divisoria 1 y el marco exterior 3 se unen entre sí mediante soldadura o cualquier otra técnica, por ejemplo, y se proporciona un reborde que sobresale en la dirección perpendicular al plano de la pared divisoria 1 (un reborde del ánodo que sobresale hacia el ánodo 2a o un reborde del cátodo que sobresale hacia el ánodo) en la pared divisoria 1 y el reborde puede ser parte del marco exterior 3.

La pared divisoria 1 se puede usar de modo que la dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria 1 se extienda en la dirección vertical y, específicamente, cuando la pared divisoria 1 es rectangular en vista en planta como se ilustra en las FIGS. 2 y 3, la dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria 1 se extiende en la misma dirección que la dirección en la que se extienden un par de lados de dos pares de lados enfrentados entre sí (véanse las FIGS. 1-7). En la presente memoria descriptiva, esta dirección vertical también se denomina "dirección de paso del electrolito".

El tamaño de cada pared divisoria 1 no está en particular limitado y se puede diseñar apropiadamente de acuerdo con el tamaño del compartimento de electrodo 5.

En particular, cuando la pared divisoria 1 tiene una conformación de placa, la pared divisoria 1 puede tener un grosor de 0,5 mm a 5 mm y las longitudes vertical y horizontal de la misma no están en particular limitadas.

Cuando una nervadura del ánodo y/o una nervadura del cátodo se unen a una pared divisoria por medio de soldadura, por ejemplo, formando de este modo una estructura unificada, la pared divisoria no es necesariamente gruesa ya que la pared divisoria está reforzada por la nervadura del ánodo y/o la nervadura del cátodo. Normalmente es suficiente un grosor de 0,5 mm a 2 mm. Un grosor de menos de 0,5 mm dificulta la soldadura de la pared divisoria a una nervadura del ánodo o una nervadura del cátodo y las fabricaciones de la pared divisoria. Un grosor de más de 2 mm no es deseable, ya que incrementa el coste de fabricación y el peso de la unidad de electrólisis.

Desde el punto de vista de lograr un suministro uniforme de energía eléctrica, cada pared divisoria 1 está hecha preferentemente de un material que tiene alta conductividad, y desde las perspectivas de resistencia a los álcalis y resistencia al calor, los materiales preferentes incluyen níquel, aleación de níquel, acero suave y aleación de níquel recubierta con níquel.

- Electrodo -En la producción de hidrógeno mediante electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización, la reducción del consumo de energía, específicamente, la reducción del voltaje electrolítico presenta un desafío significativo. Dado que el voltaje electrolítico depende en gran medida de los electrodos 2, los rendimientos de los electrodos 2 son importantes.

El voltaje electrolítico para electrólisis de agua alcalina incluye, además del voltaje requerido para la electrólisis del aguaper seque se puede determinar teóricamente, el sobrevoltaje de una reacción en el ánodo (que genera oxígeno), el sobrevoltaje de una reacción en el cátodo (que genera hidrógeno) y un voltaje que depende de la distancia entre electrodos 2 entre el ánodo 2a y el cátodo 2c. Como se usa en el presente documento, el término "sobrevoltaje" se refiere a un voltaje que se va a aplicar excesivamente, más allá del potencial de electrólisis teórico para proporcionar un determinado flujo de corriente, y su valor depende del valor de la corriente. En las mismas condiciones de corriente, los electrodos 2 que tienen un menor sobrevoltaje pueden reducir el consumo de energía.

Para proporcionar propiedades de bajo sobrevoltaje, los requisitos para un electrodo 2 incluyen alta conductividad, alta capacidad de generación de oxígeno (o capacidad de generación de hidrógeno) y alta humectabilidad del electrolito sobre la superficie del electrodo 2.

Cabe señalar también aquí que un electrodo 2 para electrólisis de agua alcalina que tiene propiedades de bajo sobrevoltaje es menos susceptible, incluso en el caso de usar una fuente de corriente inestable tal como de energía renovable, a la corrosión del sustrato del electrodo 2 y de la capa de catalizador, al desprendimiento de la capa de catalizador, a la disolución en el electrolito y a la adhesión de inclusiones en la membrana 4.

La dimensión de cada electrodo no está en particular limitada y se puede determinar de acuerdo con el tamaño del compartimento de electrodo 5; puede ser de 0,4 m a 4,0 m de longitud, de 0,4 m a 6,0 m de anchura y de 0,1 mm a 3 mm de grosor.

Como electrodo 2 de acuerdo con el presente modo de realización, para incrementar el área superficial usada para la electrólisis y eliminar eficazmente el gas generado por la electrólisis de la superficie del electrodo 2, es preferente que al menos uno del ánodo o el cátodo sea un cuerpo poroso, y es más preferente que el ánodo y el cátodo sean cuerpos porosos. En particular, en el caso de un electrolizador "zero-gap", dado que es necesario eliminar el gas desprendido del lado posterior en contacto con la membrana 4, es preferente que la superficie del electrodo 2 en contacto con la membrana y la superficie opuesta penetren la una en la otra.

Ejemplos del cuerpo poroso incluyen mallas de trama lisa, metal perforado, metal expandido, espuma metálica y similares.

Aunque el electrodo 2 en el presente modo de realización puede ser un sustrato desnudo o un sustrato que tiene una capa de catalizador con una alta actividad de reacción en su superficie, es preferente esto último.

El material del sustrato no está en particular limitado, aunque son preferentes el acero suave, el acero inoxidable, el níquel y una aleación a base de níquel debido a la resistencia al entorno operativo.

La capa de catalizador de cada ánodo 2a tiene preferentemente una alta capacidad de generación de oxígeno y es posible usar, por ejemplo, níquel, cobalto, hierro o un elemento del grupo del platino. Para lograr la actividad y durabilidad deseadas, la capa de catalizador se puede formar como una sustancia simple de un metal, un compuesto tal como un óxido, un óxido complejo o una aleación compuesta de una pluralidad de elementos metálicos, o una mezcla de los mismos. Ejemplos específicos incluyen niquelado, revestimiento de aleaciones de níquel y cobalto, níquel y hierro, y similares, óxidos complejos que incluyen níquel y cobalto, tales como LaNiO3, LaCoO3 y NiCo2O4, compuestos de elementos del grupo del platino tales como óxido de iridio, materiales de carbono tales como grafeno y similares. Pueden contener sustancias orgánicas tales como polímeros para mejorar la durabilidad y la adhesión al sustrato.

La capa de catalizador de cada cátodo 2c tiene preferentemente una alta capacidad de generación de oxígeno y es posible usar, por ejemplo, níquel, cobalto, hierro o un elemento del grupo del platino. Para lograr la actividad y durabilidad deseadas, la capa de catalizador se puede formar como una sustancia simple de un metal, un compuesto tal como un óxido, un óxido complejo o una aleación compuesta de una pluralidad de elementos metálicos, o una mezcla de los mismos. Específicamente, los ejemplos incluyen níquel Raney; aleaciones Raney hechas de combinaciones de múltiples materiales (por ejemplo, níquel y aluminio, y níquel y estaño); recubrimiento poroso preparado pulverizando compuestos de níquel o compuestos de cobalto como materias primas mediante pulverización térmica por plasma; aleaciones y compuestos mixtos de níquel y un elemento seleccionado de cobalto, hierro, molibdeno, plata y cobre, por ejemplo; metales elementales y óxidos de elementos del grupo del platino con alta capacidad de generación de hidrógeno (por ejemplo, platino y rutenio); mezclas de metales elementales u óxidos de esos metales de elementos del grupo del platino y compuestos de otro elemento del grupo del platino (por ejemplo, iridio o paladio) o compuestos de metales de tierras raras (por ejemplo, lantano y cerio); y materiales de carbono (por ejemplo, grafeno). Para proporcionar una mayor actividad y durabilidad del catalizador, los materiales enumerados anteriormente se pueden laminar en una pluralidad de capas o pueden estar contenidos en la capa de catalizador. Puede contener un material orgánico, tal como un material polimérico, para mejorar la durabilidad o la adherencia al sustrato.

Si la capa de catalizador es demasiado gruesa, la resistencia eléctrica se puede incrementar, dando como resultado un incremento del sobrevoltaje. Por el contrario, si la capa de catalizador es demasiado delgada, se puede disolver o desprender durante una electrólisis prolongada y/o cuando se detiene la electrólisis, provocando la degradación del electrodo 2, dando como resultado un incremento del sobrevoltaje.

Por esos motivos, el grosor de la capa de catalizador es preferentemente de 0,2 |jm o más y de 1000 |jm o menos, y más preferentemente de 0,5 jm o más y de 300 jm o menos.

Cabe señalar que el grosor de la capa de catalizador se puede medir, por ejemplo, observando la sección transversal del electrodo 2 bajo un microscopio electrónico.

Ejemplos del procedimiento para formar una capa de catalizador sobre un sustrato incluyen revestimiento, pulverización térmica (por ejemplo, pulverización térmica por plasma), termólisis mediante la aplicación de una solución para una capa precursora sobre un sustrato seguida de calentamiento, un procedimiento mediante la mezcla de un material catalizador con un componente aglutinante para inmovilizarse sobre un sustrato, y deposición de película a vacío (por ejemplo, pulverización iónica).

En el presente modo de realización, el área superficial específica de los electrodos 2 es preferentemente de 0,001 m2/g o más y de 1 m2/g o menos, y más preferentemente, de 0,005 m2/g o más y de 0,1 m2/g o menos. Si el área superficial específica del cátodo (el área superficial específica de todo el electrodo 2, incluido el sustrato) es pequeña, se reducen los sitios activos reactivos por unidad de área y es posible que no se obtengan propiedades de bajo sobrevoltaje. Por otra parte, si el área superficial específica de los electrodos 2 para la electrólisis del agua es excesivamente grande, disminuye la resistencia mecánica de la capa de catalizador y puede disminuir la durabilidad.

El área superficial específica se puede medir, por ejemplo, mediante el procedimiento BET. Se coloca una muestra de medición en una celda específica y se somete a pretratamiento a través de evacuación a vacío mediante calentamiento para eliminar con antelación los adsorbatos en las superficies de los poros. A continuación, se mide la isoterma de adsorción/desorción de la adsorción de gas para la muestra de medición a -196 °C. Se puede obtener el área superficial específica de la muestra de medición a partir del análisis de la isoterma de adsorción/desorción obtenida mediante el procedimiento BET.

- Marco exterior -

Aunque la conformación de cada marco exterior 3 de acuerdo con el presente modo de realización no está en particular limitada siempre que pueda rodear las paredes divisorias 1 correspondientes, cada marco exterior 3 puede tener una superficie interior que se extiende sobre la periferia de cada pared divisoria 1 a lo largo de la dirección perpendicular al plano de cada pared divisoria 1.

La conformación de cada marco exterior 3 no está en particular limitada y se puede determinar adecuadamente de acuerdo con la conformación de las paredes divisorias 1 en vista en planta.

El tamaño de cada marco exterior 3 no está en particular limitado y se puede diseñar de acuerdo con las dimensiones externas del compartimento de electrodo 5. La anchura del marco exterior 3 puede ser de 10 mm a 40 mm y preferentemente es de 15 mm a 30 mm, y la longitud en la que se extiende el marco exterior 3 no está en particular limitada.

En un modo de realización, la pared divisoria 1 y el marco exterior 3 se unen entre sí mediante soldadura o cualquier otra técnica, por ejemplo, y se proporciona un reborde que sobresale en la dirección perpendicular al plano de la pared divisoria 1 (un reborde del ánodo que sobresale hacia el ánodo 2a o un reborde del cátodo que sobresale hacia el ánodo el cátodo 2c) en la pared divisoria 1 y el reborde puede ser parte del marco exterior 3.

Las longitudes respectivas del reborde del ánodo y del reborde del cátodo en este caso pueden ser, pero no se limitan a, de 5 mm a 20 mm, y preferentemente de 7,5 mm a 15 mm.

Como material de cada marco exterior 3, es preferente un material que tenga conductividad, y desde las perspectivas de resistencia a los álcalis y resistencia al calor, son preferentes los siguientes materiales: níquel, aleación de níquel, acero dulce y aleación de níquel recubierta con níquel.

- Membrana -

Como membrana 4 usada en cada baño electrolítico bipolar 50 para electrólisis de agua alcalina de acuerdo con el presente modo de realización, se usa una membrana 4 permeable a los iones para aislar el gas hidrógeno y el gas oxígeno generados mientras se conducen los iones. Para esta membrana 4 permeable a los iones, es posible usar una membrana de intercambio iónico que tiene capacidad de intercambio iónico y una membrana porosa que puede permear el electrolito. La membrana 4 permeable a los iones tiene preferentemente baja permeabilidad a los gases, alta conductividad iónica, baja conductividad electrónica y alta resistencia.

- Membrana porosa -

Una membrana porosa tiene una pluralidad de orificios pasantes finos y tiene una estructura que permite que el electrolito pase a través de la membrana 4. El control de la estructura porosa, tales como el tamaño de poro, la porosidad y la hidrofilia, es muy importante ya que el electrolito permea la membrana porosa para generar la conducción iónica. Por otra parte, se requiere que la membrana porosa impida no solo el paso a través de la misma del electrolito sino también del gas generado, es decir, que tenga propiedades de barrera a los gases. Desde esta perspectiva, también es importante el control de la estructura porosa.

La membrana porosa tiene una pluralidad de orificios pasantes finos y puede ser, por ejemplo, una membrana porosa polimérica, una membrana porosa inorgánica, una tela entramada o una tela no entramada. Estas se pueden preparar con técnicas conocidas.

Ejemplos del procedimiento de fabricación de una membrana polimérica porosa incluyen un procedimiento de conversión de fases (procedimiento de separación de microfases), un procedimiento de extracción, un procedimiento de estirado y un procedimiento de estirado de gel húmedo. En el procedimiento de conversión de fases (procedimiento de separación de microfases), se disuelve un material polimérico en un buen disolvente para formar una película a partir de la solución resultante, y se proporcionan poros provocando la separación de fases de la película en un disolvente deficiente (separación de fases no inducida por disolvente). En el procedimiento de extracción, se forma una película a partir de un material polimérico amasado con polvo inorgánico, tal como polvo de carbonato de calcio, y el polvo inorgánico se funde y se extrae para formar poros. En el procedimiento de estirado, se estira una película de un material polimérico que tiene una determinada estructura cristalina en determinadas condiciones para proporcionar poros. En el procedimiento de estirado de gel húmedo, se hincha un material polimérico con un disolvente orgánico, tal como vaselina líquida, para formar una lámina de gel, que a continuación se estira bajo determinadas condiciones, seguido de la extracción y retirada del disolvente orgánico.

Ejemplos del procedimiento de fabricación de una membrana porosa inorgánica incluyen un procedimiento de sinterización. En el procedimiento de sinterización, se sinteriza un producto resultante del prensado o extrusión para provocar la unificación mientras quedan poros en la membrana.

Ejemplos del procedimiento de fabricación de una tela no entramada incluyen hilado directo y electrohilado. En el hilado directo, los hilos hilados a partir de gránulos fundidos se prensan con rodillos térmicos para provocar la unificación y formar una lámina. En el electrohilado, se inyecta polímero fundido mientras se aplica un alto voltaje a través de una jeringa que contiene el polímero fundido y un colector de corriente, y se conectan fibras delgadas y alargadas al colector de corriente.

La membrana porosa contiene preferentemente un material polimérico y partículas inorgánicas hidrófilas, y las partículas inorgánicas hidrófilas proporcionan hidrofilia a las membranas porosas.

— Membrana polimérica porosa —

Los ejemplos del material polimérico incluyen polisulfona, polietersulfona, polifenilsulfona, polifluoruro de vinilideno, policarbonato, copolímero de tetrafluoroetileno-perfluoroalquil vinil éter, copolímero de tetrafluoroetileno-etileno, polifluoruro de vinilideno, politetrafluoroetileno, ácido perfluorosulfónico, ácido perfluorocarboxílico, polietileno, polipropileno, polisulfuro de fenileno, poliparafenileno benzobisoxazol, policetona, poliimida y polieterimida, por ejemplo. De estos, son preferentes la polisulfona, polietersulfona, polifenilsulfona, polisulfuro de fenileno y politetrafluoroetileno, y más preferente es la polisulfona. Se pueden usar solos o en combinación de dos o más de los mismos.

Al usar polisulfona, polietersulfona y polifenilsulfona como material polimérico, se incrementa adicionalmente la resistencia a soluciones alcalinas a alta temperatura y alta concentración.

Además, la membrana 4 se puede producir de una manera más simplificada, por ejemplo, empleando un procedimiento tal como separación de fases no inducida por disolvente. En particular, el uso de polisulfona permite un control exacto del tamaño de los poros.

La polisulfona, polietersulfona y polifenilsulfona pueden estar reticuladas. El peso molecular promedio en peso de la polisulfona, polietersulfona y polifenilsulfona reticuladas es preferentemente tal que el peso molecular promedio en peso equivalente de poliestireno es de 40000 o más y de 150000 o menos. Ejemplos del procedimiento de reticulación incluyen, pero no se limitan a, reticulación por medio de irradiación con un rayo radiactivo tal como un haz de electrones o rayos y, y reticulación térmica usando un reticulante. Cabe señalar que el peso molecular promedio en peso equivalente de poliestireno se puede medir mediante GPC.

Para lograr las propiedades deseadas de la membrana, tales como un alto rendimiento de separación y alta resistencia, preferentemente se controlan los tamaños de poro en la membrana porosa. Para su uso en electrólisis de agua alcalina, el tamaño de poro se controla preferentemente de modo que la membrana evite la mezcla del gas oxígeno desprendido del ánodo 2a y el gas hidrógeno desprendido del cátodo 2c y también reduzca la menor pérdida de voltaje durante la electrólisis.

Cuanto mayor sea el tamaño de poro promedio de la membrana porosa, mayor será la permeación de la membrana porosa. En particular, la permeabilidad a los iones de la membrana porosa se incrementa y la pérdida de voltaje tiende a reducirse. Además, un incremento del tamaño de poro promedio de la membrana porosa proporciona una disminución del área superficial de contacto con el agua alcalina, lo que tiende a reducir la degradación del polímero.

Por otra parte, cuanto menor sea el tamaño de poro promedio de la membrana porosa, mayor será el rendimiento de separación de la membrana porosa y mejor será la impermeabilidad a los gases de la membrana durante la electrólisis. Además, la membrana porosa con el tamaño de poro promedio más pequeño puede contener de forma segura partículas inorgánicas hidrófilas de tamaño pequeño transportadas por la membrana porosa que se describe más adelante y evitar que se desprendan. Por tanto, se puede conseguir una alta capacidad para retener partículas inorgánicas hidrófilas para permitir que las partículas ejerzan su efecto durante un largo periodo de tiempo.

Para mejorar el rendimiento de separación de la membrana porosa, preferentemente se controlan los tamaños de poro máximos en la membrana porosa. Específicamente, cuanto menor sea la diferencia entre el tamaño de poro promedio y el tamaño de poro máximo de la membrana porosa y el tamaño de poro máximo, mayor será el rendimiento de separación de la membrana porosa. En particular, dado que la variación en el tamaño de poro en la membrana porosa se hace más pequeña durante la electrólisis, es posible reducir la probabilidad de que la formación de orificios reduzca las purezas de los gases desprendidos de los dos compartimentos de electrodo 5.

El tamaño de poro promedio de permeación de agua (tamaño de poro promedio) de la membrana porosa es preferentemente de 0,01 |jm o más y de 1,0 |jm o menos, y más preferentemente de 0,1 |jm o más y de 0,5 |jm o menos. Si el tamaño de poro promedio de permeación de agua es de 0,01 jim o más, es menos probable que los poros de la membrana polimérica porosa queden ocluidos y obstruidos por impurezas. Un tamaño de poro promedio de permeación de agua de 1,0 jim o menos proporciona una excelente impermeabilidad a los gases.

Desde esta perspectiva, la membrana porosa del presente modo de realización tiene preferentemente un intervalo de tamaño de poro promedio de 0,1 jim o más y de 1,0 jim o menos y/o un intervalo de tamaño de poro máximo de más de 0,1 jim y de 2,0 jim o menos. y preferentemente un intervalo de tamaño de poro promedio de 0,01 jim o más y de 1,0 jim o menos y/o un intervalo del tamaño de poro máximo de más de 0,01 jim y de 2,0 jim o menos. Una membrana porosa que tenga tamaños de poro dentro de esos intervalos puede proporcionar tanto una excelente impermeabilidad a los gases como una alta permeabilidad a los iones. Los tamaños de poro de la membrana porosa se controlan preferentemente en un intervalo de temperatura en el que realmente se usa la membrana. En consecuencia, la membrana porosa que se va a usar como membrana 4 para electrólisis en un ambiente de 90 °C, por ejemplo, satisface preferentemente los intervalos de tamaños de poro descritos anteriormente a 90 °C. Como intervalos para proporcionar una impermeabilidad a los gases más excelente y una permeabilidad a los iones incluso más alta como una membrana 4 para electrólisis de agua alcalina, la membrana porosa tiene más preferentemente un intervalo de tamaño de poro promedio de 0,1 jim o más y de 0,5 jim o menos y/o un intervalo de tamaño de poro máximo de 0,5 jim o más y de 1,8 jim o menos; y más preferentemente tiene un intervalo de tamaño de poro promedio de 0,01 jim o más y de 0,5 jim o menos y/o un intervalo de tamaño de poro máximo de 0,05 jim o más y de 1,8 jim o menos.

El tamaño de poro promedio de permeación de agua y el tamaño de poro máximo de una membrana porosa se pueden medir mediante el siguiente procedimiento.

Cabe señalar que el "tamaño de poro promedio de permeación de agua de la membrana porosa" se refiere a un tamaño de poro promedio de permeación de agua medido en el siguiente procedimiento usando un sistema de prueba de integridad ("Sartocheck Junior BP-Plus" disponible de Sartorius Stedim Japan K.K.). En primer lugar, se corta la membrana porosa, conjuntamente con un material de núcleo, en una parte de tamaño determinado como una muestra. Esta muestra se coloca en un recipiente resistente a la presión arbitrario y se llena el recipiente con agua pura. A continuación, se coloca el recipiente resistente a la presión en una cámara termostática ajustada a una temperatura predeterminada y se inicia una medición después de que el interior del recipiente resistente a la presión alcance la temperatura predeterminada. Una vez iniciada la medición, la parte frontal de la muestra se presuriza con nitrógeno. Se registran los valores de la presión y del caudal de permeación al que el agua pura permea la muestra desde su parte posterior. El tamaño de poro promedio de permeación de agua se puede determinar mediante la siguiente ecuación de Hagen-Poiseuille usando el gradiente de presiones frente a los caudales de permeación de agua a presiones entre 10 kPa y 30 kPa:

Tamaño de poro promedio de permeación de agua (m) = {32r|Lpo / (<e>P)}05

donde n es la viscosidad (Pa-S) del agua, L es el grosor (m) de la membrana porosa y po es un caudal aparente calculado mediante la ecuación: po (m/s) = caudal (m3/s) / área de paso de flujo (m2). Además, £ es la porosidad y P es la presión (Pa).

El tamaño de poro máximo se puede medir mediante el siguiente procedimiento usando el sistema de prueba de integridad ("Sartocheck Junior BP-Plus" disponible de Sartorius Stedim Japan K.K.). En primer lugar, se corta la membrana porosa, conjuntamente con un material de núcleo, en una parte de tamaño determinado como una muestra. Esta muestra se humedece con agua pura para impregnar los poros de la membrana porosa con agua pura y, a continuación, se coloca la muestra en un recipiente resistente a la presión para realizar mediciones. A continuación, se coloca el recipiente resistente a la presión en una cámara termostática ajustada a una temperatura predeterminada y se inicia una medición después de que el interior del recipiente resistente a la presión alcance la temperatura predeterminada. Una vez iniciada la medición, la parte frontal de la muestra se presuriza con nitrógeno. Se emplea la presión de nitrógeno a la que comienzan a emerger continuamente burbujas de gas en la parte posterior de la muestra como presión del punto de burbuja. El tamaño de poro máximo se puede determinar mediante la siguiente ecuación del punto de burbuja, que es una modificación de la ecuación de Young-Laplace:

Tamaño de poro máximo (m) = 4ycos0 / P

donde<y>es la tensión de superficie (N/m) del agua, cos0 es el ángulo de contacto (rad) entre la superficie de la membrana porosa y el agua, y P es la presión del punto de burbuja (Pa).

Para la membrana 4 para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización, la porosidad de la membrana porosa se controla preferentemente para mantener la impermeabilidad a los gases y la hidrofilia, para evitar una reducción en la permeabilidad a los iones provocada por las burbujas adheridas y para proporcionar propiedades de electrólisis estables (tales como baja pérdida de voltaje) durante un largo periodo de tiempo.

El límite inferior de la porosidad de la membrana porosa es de un 30 % o más, preferentemente de un 35 % o más, y más preferentemente de un 40 % o más para lograr un buen equilibrio entre alta impermeabilidad a los gases y baja pérdida de voltaje. Además, el límite superior de la porosidad es preferentemente de un 70 % o menos, más preferentemente de un 65 % o menos, más preferentemente de un 60 % o menos y aún más preferentemente de un 55 % o menos. Además, la porosidad de la membrana es preferentemente de un 30 % o más y de un 70 % o menos. Una porosidad de la membrana porosa del límite inferior descrito anteriormente o más puede reducir el voltaje de celda. Una porosidad de la membrana porosa del límite superior o menos proporciona una alta impermeabilidad a los gases y una alta resistencia mecánica, haciendo que la membrana sea resistente a la deformación. Es menos probable que se forme un hueco entre la membrana porosa y un electrodo y es menos probable que los poros de la membrana porosa colapsen durante un uso prolongado. Una porosidad de la membrana porosa del valor límite superior o menos facilita la permeación de los iones a través de la membrana, suprimiendo la pérdida de voltaje de la membrana. Una porosidad de la membrana de un 30 % o más evita que el voltaje de celda se incremente excesivamente. Una porosidad de un 70 % o menos proporciona una alta impermeabilidad a los gases y una alta resistencia mecánica, haciendo que la membrana sea resistente a la deformación. Es menos probable que se forme un hueco entre la membrana porosa y un electrodo y es menos probable que los poros de la membrana porosa colapsen durante un uso prolongado.

La "porosidad de la membrana porosa" se refiere a la proporción de poros abiertos determinada mediante el procedimiento de Arquímedes, y se puede determinar mediante la siguiente ecuación:

Porosidad £ {%) = p / (1 p) * 100

En esta ecuación, p es igual a (W3 - W1) / (W3 - W2), donde W1 es un peso seco (g) de la membrana porosa, W2 es un peso en agua (g) de la membrana porosa y W3 es un peso saturado de agua (g) de la membrana porosa.

En un procedimiento para medir la porosidad, la membrana porosa lavada con agua pura se corta en tres partes con un tamaño de 3 cm * 3 cm, y las tres partes se usan como muestras de medición. En primer lugar, se miden W2 y W3 de la muestra. Después de eso, se deja secar la membrana porosa en una secadora ajustada a 50 °C durante 12 horas o más y, a continuación, se mide W1 de la membrana. Se determina la porosidad a partir de los valores de W1, W2 y W3. Se determinan los valores de porosidad para las tres muestras y se emplea el promedio aritmético de los valores determinados como porosidad P.

La porosidad de una membrana 4 para electrólisis de agua alcalina se correlaciona con el grado de apertura de la superficie de la membrana. Por ejemplo, cuanto mayor sea la porosidad, más tenderá a incrementarse el grado de apertura. Además, cuanto mayor sea el grado de apertura, mayor será la hidrofilia debido a los efectos de las partículas inorgánicas hidrófilas. En el presente modo de realización, se controla preferentemente la porosidad de la membrana porosa, también desde las perspectivas de mantener tanto una baja pérdida de voltaje como una alta impermeabilidad a los gases a un nivel mayor, y también mantener la hidrofilia de la superficie de la membrana porosa a un nivel alto.

El grosor de la membrana porosa es, pero sin limitarse a, preferentemente de 100 |jm o más y de 700 |jm o menos, más preferentemente de 100 jm o más y de 600 jm o menos, y aún más preferentemente de 200 jm o más y de 600 jm o menos.

Si el grosor de la membrana porosa es el límite inferior descrito anteriormente o más, es menos probable que la membrana porosa se rompa al perforarse, por ejemplo, lo que reduce la posibilidad de cortocircuito de los electrodos. También se mejora la impermeabilidad a los gases. Si el grosor es el límite superior o menos, es menos probable que se incremente la pérdida de voltaje. La membrana porosa también se ve menos afectada por la desviación del grosor.

Si el grosor es de 100 jm o más, es menos probable que la membrana porosa se rompa al perforarse, por ejemplo, lo que reduce la posibilidad de cortocircuito de los electrodos. También se mejora la impermeabilidad a los gases. Si el grosor es de 600 jm o menos, es menos probable que se incremente la pérdida de voltaje. La membrana porosa se ve menos afectada por la desviación del grosor.

Cuando la membrana porosa tiene un grosor de 250 jm o más, se proporciona una impermeabilidad a los gases aún mejor y se potencia adicionalmente la resistencia de la membrana porosa contra un impacto. Desde esta perspectiva, el límite inferior del grosor de la membrana porosa es más preferentemente de 300 jm o más, más preferentemente de 350 jm o más, e incluso más preferentemente de 400 jm o más. Cuando el grosor de la membrana porosa es de 700 jm o menos, es menos probable que la permeación de iones se bloquee por la resistencia del electrolito contenido en los poros durante la operación de electrólisis, lo que ayuda a mantener una mejor permeabilidad a los iones. Desde esta perspectiva, el límite superior del grosor de la membrana porosa es más preferentemente de 600 jm o menos, más preferentemente de 550 jm o menos, e incluso más preferentemente de 500 jm o menos. Los efectos anteriores se potencian, especialmente cuando la resina polimérica contiene al menos uno seleccionado del grupo que consiste en polisulfona, polietersulfona y polifenilsulfona.

El grosor de la membrana se puede medir con el procedimiento descrito en los Ejemplos siguientes.

— Partículas inorgánicas hidrófilas —

La membrana porosa contiene preferentemente partículas inorgánicas hidrófilas para proporcionar una alta permeabilidad a los iones y una alta impermeabilidad a los gases. Se puede hacer que las partículas inorgánicas hidrófilas se unan a las superficies de la membrana porosa, o se puede incrustar una parte de las partículas inorgánicas en el material polimérico que construye la membrana porosa. Además, es menos probable que las partículas inorgánicas hidrófilas encapsuladas en los espacios de las membranas porosas se separen de la membrana porosa, lo que contribuye a mantener el rendimiento de la membrana porosa durante un tiempo prolongado.

Ejemplos de partículas inorgánicas hidrófilas incluyen partículas de al menos una sustancia inorgánica seleccionada del grupo que consiste en: óxidos o hidróxidos de circonio, bismuto y cerio; óxidos de elementos del grupo IV de la tabla periódica; nitruros de elementos del grupo IV de la tabla periódica; y carburos de elementos del grupo IV de la tabla periódica. De estos, los óxidos de circonio, bismuto y cerio, y los óxidos de elementos del grupo IV de la tabla periódica son más preferentes desde la perspectiva de la estabilidad química; son más preferentes los óxidos de circonio, bismuto y cerio, y el óxido de circonio.

-- Soporte poroso -

Cuando se usa una membrana porosa como membrana 4, la membrana porosa se puede usar con un soporte poroso. La membrana preferentemente se estructura de modo que una membrana porosa encierre un soporte poroso, más preferentemente se estructura de modo que las membranas porosas estén laminadas sobre ambas superficies de un soporte poroso. La membrana puede tener una estructura en la que membranas porosas están laminadas sobre ambas superficies de un soporte poroso de manera simétrica.

Se puede proporcionar un soporte poroso con el propósito de potenciar adicionalmente la resistencia de la membrana 4. Por ejemplo, se pueden evitar defectos tales como cortes, desgarros y estiramientos de la membrana 4 debidos a tensiones mecánicas. La membrana que tiene una estructura en la que las membranas porosas están laminadas sobre ambas superficies de un soporte poroso puede, incluso cuando se hacen rayones o agujeros (por ejemplo, orificios) en una superficie del soporte poroso, mantiene la impermeabilidad a los gases por medio de la membrana porosa laminada sobre la otra superficie del soporte poroso. Cuando la membrana se estructura de modo que las membranas porosas están laminadas sobre ambas superficies de un soporte poroso de manera simétrica, se evita eficazmente la ondulación de la membrana y se mejora adicionalmente la facilidad de manipulación de la membrana durante el transporte o durante la instalación de la membrana.

El material del soporte poroso es preferentemente, pero sin limitarse a, un material que no reduce sustancialmente la permeabilidad de la membrana 4 a los iones en un electrolito. Ejemplos del material del soporte poroso incluyen, pero no se limitan a, polisulfuro de fenileno, polietileno, polipropileno, resina fluorada, poliparafenileno benzobisoxazol, policetona, poliimida y polieterimida. De estos, contiene preferentemente polisulfuro de fenileno. El uso de polisulfuro de fenileno proporciona al soporte poroso una alta resistencia a soluciones alcalinas a alta concentración y altas temperaturas y una alta estabilidad química contra el oxígeno activo desprendido de un ánodo durante el procedimiento de electrólisis del agua. Además, dado que el polisulfuro de fenileno se procesa fácilmente en diversas formas, tales como una tela entramada y una tela no entramada, se puede modificar apropiadamente de acuerdo con la aplicación prevista o el entorno de uso previsto. Se pueden usar solos o en combinación de dos o más de los mismos.

Ejemplos de soporte poroso incluyen una malla, una membrana porosa, una tela no entramada, una tela entramada y una tela compuesta que incluye una tela no entramada y una tela entramada encerrada en la tela no entramada. Se pueden usar solos o en combinación de dos o más de los mismos. Ejemplos de formas más preferentes del soporte poroso incluyen un sustrato de malla constituido por monofilamentos de polisulfuro de fenileno y una tela compuesta que incluye una tela no entramada y una tela entramada encerrada en la tela no entramada.

- Membrana de intercambio iónico -

Las membranas de intercambio iónico se clasifican en una membrana de intercambio catiónico que permite selectivamente la permeación de cationes y una membrana de intercambio aniónico que permite selectivamente la permeación de aniones, y se puede usar cualquiera de ellas.

El material de la membrana de intercambio iónico no está en particular limitado y se puede usar cualquier material conocido. Por ejemplo, se puede usar adecuadamente una resina a base de flúor o una resina modificada de un copolímero de poliestireno-divinilbenceno. En particular, es en particular preferente una membrana de intercambio iónico a base de flúor porque tiene una excelente resistencia al calor y resistencia química, por ejemplo.

Los ejemplos de membranas de intercambio iónico a base de flúor incluyen aquellas que contienen un polímero a base de flúor que funciona para permitir selectivamente la permeación de iones generados durante la electrólisis y que tiene grupos de intercambio iónico. Como se usa en el presente documento, el "polímero a base de flúor que tiene grupos de intercambio iónico" se refiere a polímeros a base de flúor que tienen grupos de intercambio iónico o grupos precursores de grupos de intercambio iónico que se pueden convertir en grupos de intercambio iónico mediante hidrólisis. Por ejemplo, los ejemplos incluyen polímeros que tienen una cadena principal de hidrocarburo fluorado y grupos funcionales que se pueden convertir en grupos de intercambio iónico mediante hidrólisis y que permiten el procesamiento en estado fundido.

El peso molecular del copolímero a base de flúor tiene, pero sin limitarse a, preferentemente un índice del flujo de fusión (MFI) de 0,05 a 50 (g/10 minutos) y más preferentemente de 0,1 a 30 (g/10 minutos) cuando el precursor del mismo se mide de acuerdo con ASTM D 1238 (bajo la condición de medición de temperatura de 270 °C y carga de 2160 g).

Ejemplos de grupos de intercambio iónico contenidos en la membrana de intercambio iónico incluyen grupos de intercambio aniónico, tales como grupos sulfonato, grupos carboxilato y grupos fosfato, y grupos de intercambio catiónico, tales como grupos de amonio cuaternario.

Ajustando el peso equivalente EW de los grupos de intercambio iónico, se proporciona a la membrana de intercambio iónico una excelente capacidad de intercambio iónico y una alta hidrofilia. Además, los grupos de intercambio iónico se pueden controlar para tener agrupaciones más pequeñas (lugares diminutos donde un grupo de intercambio iónico coordina o adsorbe una molécula de agua), lo que tiende a incrementar la resistencia a los álcalis y la permeabilidad selectiva a los iones.

El peso equivalente EW se puede medir sustituyendo la membrana de intercambio iónico por sal y realizando una valoración inversa de la solución con una solución alcalina o ácida. El peso equivalente EW se puede ajustar mediante selecciones de la proporción de copolimerización de los monómeros de materia prima y los tipos de monómeros.

El peso equivalente EW de la membrana de intercambio iónico es preferentemente de 300 o más desde la perspectiva de la hidrofilia y la resistencia al agua de la membrana, y es preferentemente de 1300 o menos desde la perspectiva de la hidrofilia y la capacidad de intercambio iónico.

El contenido de humedad de equilibrio de la membrana de intercambio iónico es preferentemente de un 5 % en masa o más, y más preferentemente de un 10%en masa o más. El contenido de humedad de equilibrio de la membrana de intercambio iónico es preferentemente de un 60 % en masa o menos, y más preferentemente de un 40 % en masa o menos.

El "contenido de humedad de equilibrio" de una membrana de intercambio iónico se refiere a la absorción de agua saturada (Wc) de la membrana de intercambio iónico permitida para alcanzar un equilibrio durante 24 horas a 23 °C y un 50 % de humedad relativa (H.R.), en relación con una membrana que se forma a partir de una composición de resina en una dispersión con agua y un disolvente a base de alcohol, y que a continuación se deja secar a 160 °C o menos.

Si el contenido de humedad de equilibrio de la membrana de intercambio iónico es de un 5 % en masa o más, la resistencia eléctrica, la eficacia de corriente, la resistencia a la oxidación y la permeabilidad selectiva a los iones de la membrana tienden a mejorar. Por otra parte, cuando el contenido de humedad de equilibrio es de un 60 % en masa o menos, la membrana tiende a tener una mayor estabilidad dimensional y resistencia y se tiende a suprimir un incremento de los contenidos solubles en agua.

El contenido máximo de humedad de la membrana de la membrana de intercambio iónico es, pero sin limitarse a, preferentemente un 10 % en masa o más, y más preferentemente un 15 % en masa o más, desde las perspectivas de la resistencia eléctrica, la eficacia de corriente, la resistencia a oxidación y la permeabilidad selectiva a los iones de la membrana. El contenido máximo de humedad de la membrana es preferentemente de un 80 % en masa o menos, y más preferentemente de un 50 % en masa o menos desde la perspectiva de la estabilidad dimensional y la resistencia de la membrana.

Aquí, el "contenido máximo de humedad de la membrana" se refiere al contenido de agua más alto obtenido durante una medición del contenido de humedad de equilibrio.

El contenido de humedad de equilibrio y el contenido máximo de humedad de la membrana de la membrana de intercambio iónico se pueden ajustar de la misma manera que el ajuste de EW descrito anteriormente.

La membrana de intercambio iónico tiene preferentemente, pero no se limita a, un grosor que varía entre 5 |jm y 300 jm desde la perspectiva de la permeabilidad a los iones y la resistencia.

La membrana de intercambio iónico se puede someter a un tratamiento superficial para mejorar la hidrofilia de las superficies. Específicamente, los ejemplos del tratamiento superficial incluyen el recubrimiento con partículas inorgánicas hidrófilas, tales como las de óxido de circonio, y la disposición de irregularidades sobre las superficies.

La membrana de intercambio iónico se usa preferentemente con un refuerzo desde la perspectiva de la resistencia de la membrana. Los ejemplos del refuerzo incluyen, pero no se limitan a, telas entramadas y telas no entramadas típicas y membranas porosas hechas de diversos materiales. Dichas membranas porosas son, pero sin limitarse a, preferentemente membranas basadas en PTFE provistas de porosidad por medio de estiramiento.

((Estructura "zero-gap"))

En cada elemento bipolar 60 de una celda "zero-gap", como un medio para reducir la distancia entre los electrodos, es preferente disponer un resorte, que es un cuerpo elástico, entre un electrodo 2 y la pared divisoria correspondiente para soportar el electrodo 2 con el resorte. Por ejemplo, en un primer ejemplo, se fija un resorte hecho de un material conductor a la pared divisoria 1, y el electrodo 2 se puede fijar al resorte. En un segundo ejemplo, se fija un resorte a una nervadura de electrodo 6 fijada a la pared divisoria 1, y el electrodo 2 se puede fijar al resorte. En el caso de adoptar dicha configuración usando un cuerpo elástico, es necesario ajustar adecuadamente la fuerza del resorte, el número de resortes, la conformación y similares, según sea necesario, para no introducir falta de uniformidad en la presión del electrodo 2 contra la membrana 4.

Además, al reforzar la rigidez del otro electrodo 2 emparejado con el electrodo 2 soportado por medio del cuerpo elástico (por ejemplo, haciendo que la rigidez del ánodo sea mayor que la rigidez del cátodo), el otro electrodo 2 se estructura para tener menos deformación incluso cuando se presiona. Por otra parte, el electrodo 2 soportado por medio del cuerpo elástico tiene una estructura flexible que se puede deformar cuando se presiona sobre la membrana 4 de modo que se pueden absorber las irregularidades debidas a la exactitud de fabricación del electrolizador 50, la deformación del electrodo 2 y similares, y se puede mantener una estructura "zero-gap".

Más específicamente, se puede formar una estructura de tres capas en la que un colector de corriente 2r está unido a un extremo del rectificador de flujo 6 (la nervadura 6) que está en contacto eléctricamente con la pared divisoria, y un cuerpo elástico conductor 2e está unido al lado superior. del colector de corriente 2r, es decir, el lado opuesto a la pared divisoria; y un electrodo 2 está superpuesto en el lado superior, es decir, el lado de la membrana 4 contiguo al cuerpo elástico conductor 2e. El cuerpo elástico está constituido por el colector de corriente 2r y el cuerpo elástico conductor 2e.

En la presente memoria descriptiva, una estructura laminada de tres capas que incluye un electrodo, un cuerpo elástico conductor y un colector de corriente también se denomina "complejo de electrodo (complejo de ánodo o complejo de cátodo)".

Las estructuras "zero-gap" Z incluyen estructuras de huecos formadas entre el elemento terminal del ánodo 51a y el elemento bipolar 60, entre dos elementos bipolares contiguos 60, y entre el elemento bipolar 60 y el elemento terminal del cátodo 51c.

Como se ilustra en la FIG. 2, en el electrolizador bipolar 50 para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización, el cuerpo elástico conductor 2e y el colector de corriente 2r se proporcionan para quedar intercalados entre el cátodo 2c o el ánodo 2a y la pared divisoria 1, de modo que el cuerpo elástico conductor 2e está intercalado entre el cátodo 2c o el ánodo 2a y el colector de corriente 2r. Además, es preferente que el colector de corriente catódica 2r esté en contacto con la nervadura 6 del cátodo.

Como se ilustra en la FIG. 2, la estructura "zero-gap" Z de cada celda electrolítica 65 para electrólisis de agua alcalina de acuerdo con el presente modo de realización se configura preferentemente de modo que los elementos bipolares 60 se superpongan entre sí teniendo una membrana 4 interpuesta entre ellos, en la que se apilan una nervadura de ánodo 6 y un ánodo 2a en este orden en el lado del ánodo de la pared divisoria 1; y se apilan una nervadura del cátodo 6, un colector de corriente catódica 2r, un cuerpo elástico conductor 2e y un cátodo 2c en este orden en el lado del cátodo, y la membrana 4 está en contacto con el ánodo 2a y el cátodo 2c.

- Colector de corriente -

Los colectores de corriente se clasifican en un colector de corriente catódica y un colector de corriente anódica.

El colector de corriente 2r transmite electricidad al cuerpo elástico conductor 2e y al electrodo 2 apilado sobre el mismo, soporta las cargas recibidas de ellos y tiene la función de permitir que el gas generado en los electrodos 2 pase con éxito a través de la pared divisoria 1. Por tanto, el colector de corriente se forma preferentemente como un metal expandido, una placa porosa perforada o similar. En este caso, la proporción de apertura del colector de corriente 2r está preferentemente dentro de un intervalo que permite extraer el gas hidrógeno generado en el electrodo 2 hacia el lado de la pared divisoria 1 sin ningún problema. Sin embargo, si la proporción de apertura es demasiado alta, se puede reducir la resistencia o la conductividad del cuerpo elástico conductor 2e. Si es demasiado pequeña, se puede impedir el escape de gas.

Se puede usar níquel, aleación de níquel, acero inoxidable, acero dulce y similares como material del colector de corriente desde las perspectivas de la conductividad y la resistencia a los álcalis, aunque desde la perspectiva de la resistencia a la corrosión son preferentes el níquel, acero dulce, acero inoxidable y aleación de níquel recubierta con níquel. El colector de corriente 2 se fija a la nervadura 6 por medio de soldadura por puntos, soldadura láser o similar.

- Cuerpo elástico conductor -

Es esencial que el cuerpo elástico conductor 2e se disponga entre el colector de corriente 2r y el electrodo 2 y esté en contacto con el colector de corriente 2r y el electrodo 2, y que el cuerpo elástico conductor permita la transmisión de la electricidad al electrodo y no dificulte la difusión del gas generado en el electrodo 2. Esto se debe a que, si se impide la difusión del gas, la resistencia eléctrica se incrementa y el área del electrodo 2 usado para la electrólisis disminuye, dando como resultado una menor eficacia de la electrólisis. La función más importante es poner la membrana 4 y el electrodo 2 en contacto estrecho entre sí aplicando uniformemente una presión adecuada al electrodo 2 para no dañar la membrana.

Como cuerpo elástico conductor 2e se puede usar cualquiera de los cuerpos elásticos bien conocidos en general hechos de alambres. El cuerpo elástico conductor 2e es preferentemente una estera acolchada corrugada de alambres de níquel entramados que tienen un diámetro de alambre de aproximadamente 0,05 mm a 0,5 mm (preferentemente de 0,1 mm o más y de 0,5 mm o menos, más preferentemente de 0,12 mm o más y de 0,35 mm o menos), debido a que se puede reducir la densidad de los cuerpos elásticos conductores y se puede proporcionar una estructura "zero-gap" Z más estable. Es preferente un diámetro de alambre de 0,1 mm o más y de 0,5 mm o menos, ya que se puede reducir la densidad de los cuerpos elásticos conductores, lo que proporciona el efecto de suprimir un incremento del voltaje de celda como se describe anteriormente. El diámetro de alambre del cuerpo elástico conductor se puede medir con el procedimiento descrito en los Ejemplos siguientes.

El material del cable es, pero sin limitarse a, níquel, aleación de níquel, acero suave y aleación de níquel recubierta con níquel desde las perspectivas de la conductividad y la resistencia a los álcalis.

En general, se puede usar el cuerpo elástico conductor 2e que tiene un grosor de aproximadamente 1 mm a 20 mm.

El cuerpo elástico conductor 2e puede tener una flexibilidad dentro de un intervalo de flexibilidad de los cuerpos elásticos bien conocidos. Por ejemplo, se pueden usar cuerpos elásticos con la elasticidad de una fuerza repulsiva a una deformación por compresión del 50 % de 30 g/cm2 a 300 g/cm2. El cuerpo elástico conductor 2e se puede usar para estar solapado sobre el colector de corriente 2r hecho de una placa conductora. La fijación se puede realizar por medio de técnicas en general conocidas, tal como una fijación apropiada mediante soldadura por puntos o fijaciones por medio de pasadores de resina o alambres metálicos, por ejemplo.

Cabe señalar que la fuerza de repulsión a una deformación por compresión del 50 % se puede medir de acuerdo con los estándares industriales japonesas (JIS) K 6400. Por ejemplo, se puede usar un comprobador universal de precisión de tipo sobremesa con número de modelo AGS-1kNX disponible de Shimadzu Corporation bajo la condición de un modo de prueba de compresión a temperaturas normales y bajo presión atmosférica.

Un electrodo 2 se puede superponer directamente sobre el cuerpo elástico conductor 2e, o se puede superponer teniendo otra lámina conductora interpuesta entre ellos.

El cuerpo elástico conductor puede tener una conductividad tal que la resistividad eléctrica medida por un comprobador o multímetro digital sea de 1 * 10-5 ü m a 1 * 10-9 ü m , por ejemplo.

Los sustratos para los electrodos 2 usados para la estructura "zero-gap" Z son preferentemente unos hechos de alambres de pequeño diámetro y que tienen un número de malla más pequeño debido a su alta flexibilidad. Se pueden usar sustratos de materiales en general conocidos. Por ejemplo, sustratos hechos de níquel, aleación de níquel, acero inoxidable y acero dulce; y, para el cátodo 2c, se pueden usar sustratos hechos de aleación de níquel, acero inoxidable y aleación de acero suave recubierta con níquel. Estos sustratos tienen preferentemente un diámetro de alambre que varía entre 0,05 mm y 0,5 mm y una abertura de malla que varía entre aproximadamente 30 mesh y aproximadamente 80 mesh.

El electrodo 2 para construir la estructura "zero-gap" Z se une preferentemente al cuerpo elástico conductor 2e mediante soldadura por puntos, o fijación por medio de pasadores de metal o plástico, o ejerciendo presión a la fuerza de resiliencia del cuerpo elástico conductor 2e.

La forma del otro electrodo 2 emparejado con el electrodo 2 soportado por el cuerpo elástico también es importante, y el otro electrodo 2 es deseablemente un electrodo plano.

En general, este electrodo 2 tiene preferentemente un grosor de aproximadamente 0,7 mm a aproximadamente 3 mm. Si este grosor es demasiado pequeño, el electrodo 2 se puede deformar debido a la diferencia de presión entre el compartimento del ánodo 5a y el compartimento del cátodo 5c o la presión de prensado. Como resultado, los extremos del electrodo 2 se pueden desplazar, lo que puede incrementar la distancia entre electrodos, provocando un incremento de voltaje.

- Compartimento de electrodo -

En el electrolizador bipolar 50 de acuerdo con el presente modo de realización, como se ilustra en la FIG. 2, una pared divisoria 1, un marco exterior 3 y una membrana 4 definen un compartimento de electrodo 5 que permite el paso de un electrolito.

La FIG. 4 es una vista en planta que ilustra un ejemplo de un electrolizador bipolar de tipo cabecera interna para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización. La FIG. 5 ilustra una sección transversal parcial del ejemplo del electrolizador bipolar para electrólisis de agua alcalina de la FIG. 4 cuando se corta en el plano a lo largo de la Línea A-A.

La FIG. 6 es una vista en planta que ilustra un ejemplo de un electrolizador bipolar de tipo cabecera externa para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización. La FIG. 7 ilustra una sección transversal parcial del ejemplo del electrolizador bipolar para electrólisis de agua alcalina de la FIG. 6 cuando se corta en el plano a lo largo de la Línea B-B.

En el presente modo de realización, las cabeceras 10 del electrolizador bipolar se disponen como de tipo cabecera interna 10I (véanse las FIGS. 4 y 5) o de tipo cabecera externa 10O (véanse las FIGS. 6 y 7). Por ejemplo, en los ejemplos de las FIGS. 4-7, el espacio ocupado por el ánodo y el cátodo se puede considerar como el espacio en el interior del compartimento de electrodo 5. Además, en particular en el ejemplo de las FIGS. 6 y 7 provistos de una caja de separación gas-líquido, el espacio ocupado por la caja de separación gas-líquido también se puede considerar como el interior del compartimento de electrodo 5.

- Rectificador de flujo -

En el electrolizador bipolar 50 para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización, preferentemente, se proporcionan rectificadores de flujo 6 (rectificador de flujo del ánodo 6a y/o rectificador de flujo del cátodo 6c) en una pared divisoria 1, y están en contacto físico con los respectivos electrodos 2. . En esta configuración, los rectificadores de flujo 6 sirven como soportes (nervaduras) para los electrodos 2, haciendo más fácil mantener la estructura "zero-gap" Z. También es preferente que los rectificadores de flujo 6 estén conectados eléctricamente a la pared divisoria 1. La provisión de los rectificadores de flujo 6 puede reducir las convecciones en el compartimento de electrólisis 5 provocadas por perturbaciones de los flujos de gases y de líquido, suprimiendo de ese modo las elevaciones locales de temperatura del electrolito.

Aquí, un electrodo 2 se puede disponer en un rectificador de flujo 6, o un colector de corriente 2r, un cuerpo elástico conductor 2e, y un electrodo 2 se puede disponer en un rectificador de flujo 6, en este orden.

En el electrolizador bipolar 50 para electrólisis de agua alcalina del ejemplo descrito anteriormente, un compartimento del cátodo 5c tiene una estructura tal que un rectificador de flujo 6, un colector de corriente 2r, un cuerpo elástico conductor 2e y un electrodo 2 se superponen entre sí en este orden, y un compartimento del ánodo 5a tiene una estructura tal que un rectificador de flujo 6 y un electrodo 2 se superponen en este orden.

Cabe señalar que la presente divulgación no se limita al electrolizador bipolar 50 descrito anteriormente para la electrólisis de agua alcalina descrita anteriormente, un compartimento del cátodo 5c adopta una estructura de "rectificador de flujo 6 - colector de corriente 2r - cuerpo elástico conductor 2e - electrodo 2" y un compartimento del ánodo 5a adopta una estructura de "rectificador de flujo 6 - electrodo 2". De forma alternativa, el compartimento del ánodo 5a puede tener una estructura de "rectificador de flujo 6 - colector de corriente 2r - cuerpo elástico conductor 2e - electrodo 2".

Específicamente, en el presente modo de realización, como se ilustra en la FIG. 1, los rectificadores de flujo 6 (rectificador de flujo del ánodo 6a y rectificador de flujo del cátodo 6c) se fijan a una pared divisoria 1.

Los rectificadores de flujo 6 (rectificador de flujo del ánodo 6a y rectificador de flujo del cátodo 6c) sirven más preferentemente para conducir corriente eléctrica desde la pared divisoria 1 hasta el ánodo 2a o el cátodo 2c, además de servir para soportar el ánodo 2a o el cátodo 2c.

En el electrolizador bipolar 50 para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización, preferentemente al menos una parte de los rectificadores de flujo 6 son conductores, y más preferentemente todos los rectificadores de flujo 6 son conductores. Dicha configuración suprime un incremento del voltaje de celda provocado por la deformación del electrodo.

En otras palabras, el rectificador de flujo conductor 6 se dispone para soportar el electrodo 2 en el intervalo del intervalo C descrito anteriormente, lo que evita que el electrodo 2 se deforme por la fuerza de prensado o las presiones del líquido y del gas en el interior del compartimento de electrodo 5, comprometiendo de este modo localmente la estructura "zero-gap". Además, la configuración descrita anteriormente facilita la conducción uniforme de la corriente eléctrica sobre todos los electrodos 2, lo que contribuye a mantener una alta eficacia incluso durante operaciones con alta densidad eléctrica.

El material de los rectificadores de flujo 6 se puede determinar en base a la durabilidad y la resistencia, por ejemplo, en el entorno de uso. Los ejemplos incluyen, por ejemplo, un material polimérico y un material metálico. Se pueden utilizar múltiples materiales. Los ejemplos del material polimérico incluyen polisulfona, polietersulfona, polifenilsulfona, polifluoruro de vinilideno, policarbonato, copolímero de tetrafluoroetileno-perfluoroalquil vinil éter, copolímero de tetrafluoroetileno-etileno, polifluoruro de vinilideno, politetrafluoroetileno, ácido perfluorosulfónico, ácido perfluorocarboxílico, polietileno, polipropileno, polisulfuro de fenileno, poliparafenileno benzobisoxazol, policetona, poliimida y polieterimida, por ejemplo. De estos, son preferentes la polisulfona, polietersulfona, polifenilsulfona, polisulfuro de fenileno y politetrafluoroetileno, y más preferente es la polisulfona. Como material metálico se usa preferentemente un metal conductor. Por ejemplo, se puede usar acero dulce niquelado, acero inoxidable o níquel. Es en particular preferente que el material de los rectificadores de flujo 6 sea el mismo que el de la pared divisoria 1. El material más preferente de las nervaduras es níquel. Se espera que estos materiales metálicos conductores tengan el efecto de reducir la resistencia eléctrica de la celda de electrólisis.

El intervalo entre rectificadores de flujo del ánodo 6a contiguos y el intervalo entre rectificadores de flujo del cátodo 6c contiguos se determinan en base a la presión de electrólisis y la diferencia de presión entre el compartimento del ánodo 5a y el compartimento del cátodo 5c, por ejemplo.

El intervalo C entre rectificadores de flujo contiguos es de 50 mm o más y de 190 mm o menos, más preferentemente de 50 mm o más y de 150 mm o menos, e incluso más preferentemente de 60 mm o más y de 120 mm o menos. Si el intervalo entre rectificadores de flujo del ánodo 6a contiguos o el intervalo entre rectificadores de flujo de cátodo 6 contiguos son demasiado pequeños, no solo se obstruyen los flujos del electrolito y del gas, sino que también se incrementa el coste. Si los rectificadores de flujo son nervaduras conectadas al electrodo, un paso de nervaduras de 50 mm o más facilita el escape del gas hacia la parte posterior del electrodo. Si el paso de nervadura es demasiado grande, se puede experimentar un defecto, tal como la deformación del electrodo 2 (ánodo 2a o cátodo 2c) que está soportado por una pequeña diferencia de presión entre el compartimento del ánodo 5a y el compartimento del cátodo 5c. El electrodo se vuelve resistente a la deformación cuando el paso de las nervaduras es de 150 mm o menos.

El "paso de nervadura" se refiere a cuando se proporcionan múltiples rectificadores de flujo 6 a intervalos (pasos) regulares (véase la FIG. 3), el intervalo (paso) entre las nervaduras. Cuando los múltiples rectificadores de flujo 6 no se proporcionan a intervalos (pasos) regulares, o el paso de nervadura es el promedio de los intervalos entre los múltiples rectificadores de flujo 6. Cuando los intervalos de dos rectificadores de flujo 6 contiguos varían en la dirección en la que se extienden los rectificadores de flujo 6, el paso de nervadura puede ser el promedio de los intervalos de dos rectificadores de flujo 6 contiguos.

La longitud de los rectificadores de flujo 6, el ángulo entre un rectificador de flujo 6 y una pared divisoria 1, el número de orificios pasantes y el intervalo (paso) del orificio pasante con respecto a la dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria 1 se pueden determinar según sea apropiado siempre que se obtengan los efectos de la presente divulgación. Los rectificadores de flujo se proporcionan preferentemente para que sean paralelos a una dirección dada a lo largo de la pared divisoria (la dirección dada puede ser la dirección vertical, por ejemplo). O, cuando la pared divisoria es sustancialmente rectangular en una vista en planta como se ilustra en la FIG. 3, la dirección dada se puede extender en la dirección de un par de lados de dos pares de lados enfrentados del rectángulo. De forma alternativa, la dirección puede ser la dirección opuesta al lado del electrodo donde se proporcionan las cabeceras de entrada y al lado donde se proporcionan las cabeceras exteriores (véase la FIG. 3). El paso de nervadura de los rectificadores de flujo del ánodo puede ser igual o diferente del paso de nervadura de los rectificadores de flujo del cátodo, y tanto el paso de nervadura de los rectificadores de flujo del ánodo como el paso de nervadura de los rectificadores de flujo del cátodo satisfacen preferentemente el intervalo descrito anteriormente.

Los rectificadores de flujo del ánodo 6a o los rectificadores de flujo del cátodo 6c se pueden fijar a las paredes divisorias 1 mediante soldadura por láser, por ejemplo.

La longitud de cada rectificador de flujo 6 (rectificador de flujo del ánodo 6a o rectificador de flujo del cátodo 6c) se puede determinar según sea apropiado de acuerdo con la dimensión del compartimento de electrodo 5 y el electrodo 2, y puede ser de 0,7 a 1,0 veces, preferentemente de 0,8 a 1,0 veces, la longitud A descrita anteriormente.

La altura de cada rectificador de flujo 6 se puede determinar según sea apropiado de acuerdo con la distancia desde una pared divisoria 1 a cada reborde, el grosor de una empaquetadura 7, el grosor del electrodo 2 (el ánodo 2a o el cátodo 2c) y la distancia entre el ánodo 2a y el cátodo 2c, por ejemplo, y puede ser de 0,7 a 1,0 veces, preferentemente 1,0 veces, la longitud B descrita anteriormente.

El grosor de cada rectificador de flujo 6 puede variar de 0,5 mm a 5 mm por motivos de coste, facilidad de fabricación y resistencia, por ejemplo, y se pueden usar, pero sin limitarse a, rectificadores de flujo con un grosor de 1 mm a 2 mm.

La altura de cada rectificador de flujo 6 se puede determinar según sea apropiado de acuerdo con la distancia desde la pared divisoria 1 a cada reborde, el grosor de una empaquetadura 7 y el grosor del electrodo 2 (el ánodo 2a o el cátodo 2c) y la distancia entre el ánodo 2a y el cátodo 2c, por ejemplo, y puede ser de 0,7 a 1,0 veces, es preferentemente de 1,0 veces, la longitud del compartimento de electrodo 5 en la dirección ortogonal a la pared divisoria 1.

Cada rectificador de flujo 6 puede tener, pero no se limita a, orificios pasantes provistos en el mismo, que se proporcionan preferentemente a intervalos regulares en la dirección en la que se extiende el rectificador de flujo 6. La conformación de los orificios pasantes en vista en planta puede ser, pero no está limitada a, rectangular o circular, y puede ser un semicírculo que tiene un radio de 0,5 mm a 30 mm, y en particular de 0,5 mm a 10 mm. La proporción de las áreas de los orificios pasantes con respecto al área del rectificador de flujo 6 puede ser de un 5 % a un 95 %, preferentemente de un 10 % a un 80 % y más preferentemente de un 20 % a un 60 %. Cuando la proporción de las áreas de los orificios pasantes es de un 5 % o más, el electrolito en el electrolizador fluye suavemente en dirección horizontal. Si la proporción excede de un 95 %, la resistencia mecánica se ve comprometida y el colector de corriente anódica o catódica se puede deformar.

Cada rectificador de flujo 6 se asegura típicamente a la pared divisoria 1, y la fijación a la pared divisoria 1 se puede realizar mediante cualquier procedimiento. Dicho procedimiento incluye fijación con tornillos o adhesivos; o puede ser soldadura por puntos o soldadura por láser para rectificadores de flujo hechos de un material metálico. De forma similar al ánodo 2a o al cátodo 2c, cada rectificador de flujo 6 se asegura a la pared divisoria 1 con una técnica, tal como soldadura por puntos y soldadura por láser. El electrodo 2 y el colector de corriente 2r se fijan al rectificador de flujo 6 usando técnicas similares, o se pueden unir entre sí usando un alambre o un miembro de tipo cadena para ponerlos en estrecho contacto entre ellos.

- Empaquetadura -En el electrolizador bipolar 50 para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización, una empaquetadura 7 que tiene una membrana 4 está preferentemente intercalada entre los marcos exteriores 3 que bordean la pared divisoria 1.

La empaquetadura 7 se usa para proporcionar un sellado contra el electrolito y los gases generados entre el elemento bipolar 60 y la membrana 4 y entre los elementos bipolares 60, y para evitar fugas del electrolito y de los gases generados hacia el exterior del electrolizador y el entremezclado de los gases entre los compartimentos bipolares.

La empaquetadura 7 tiene típicamente una conformación cuadrangular o anular obtenida ahuecando la superficie del electrodo de conformidad con la superficie del elemento (tal como un elemento bipolar, un elemento terminal del ánodo o un elemento terminal del cátodo) que está en contacto con el cuerpo del marco. Se puede apilar una membrana 4 entre elementos intercalando la membrana con dos de dichas empaquetaduras. Además, la empaquetadura 7 está provista de una hendidura para recibir una membrana 4 en la misma para poder sujetar la membrana 4, y la empaquetadura 7 preferentemente está provista además de una abertura que permite que la membrana 4 recibida quede expuesta en ambas superficies de la empaquetadura 7. De esta manera, la empaquetadura 7 puede recibir la porción de borde de la membrana 4 en la ranura y cubrir las caras de borde de los extremos de la membrana 4. Esta configuración puede evitar de manera más fiable las fugas del electrolito o del gas desde las caras del borde de la membrana 4.

La empaquetadura 7 está preferentemente provista de una protuberancia que sobresale de cualquiera de las superficies de la empaquetadura 7. La protuberancia se presiona localmente cuando se apilan los elementos, y la membrana 4 recibida en la ranura es presionada por la empaquetadura 7 en el lugar correspondiente a la protuberancia. Esto refuerza la sujeción de la membrana 4 por la empaquetadura 7 y evita más eficazmente las fugas del electrolito y de los gases.

El material de la empaquetadura 7 no está en particular limitado y se puede seleccionar materiales de caucho y de resina conocidos, por ejemplo, que tengan propiedades aislantes.

Ejemplos específicos de dichos materiales de caucho y de resina incluyen: materiales de caucho tales como caucho natural (NR), caucho de estireno-butadieno (SBR), caucho de cloropreno (CR), caucho de butadieno (BR), caucho de acrilonitrilo-butadieno (NBR), caucho de silicona ( SR), caucho de etileno-propileno (EPT), caucho de etileno-propileno-dieno (EPDM), caucho fluorado (FR), caucho de isobutileno-isopreno (IIR), caucho de uretano (UR) y caucho de polietileno clorosulfonado (CSM); materiales de resina fluorada tales como politetrafluoroetileno (PTFE), copolímero de tetrafluoroetileno/perfluoroalquil vinil éter (PFA), copolímero de tetrafluoroetileno-etileno (ETFE), copolímero de clorotrifluoroetileno/etileno (ECTFE); y materiales de resina tales como polisulfuro de fenileno (PPS), polietileno, poliimida y poliacetal. De ellos, son en particular preferentes el caucho de etileno-propileno-dieno (EPDM) y el caucho fluorado (FR) desde la perspectiva del módulo elástico y la resistencia a los álcalis.

La empaquetadura 7 puede tener el refuerzo incrustado en la misma. Esto evita que la empaquetadura 7 colapse cuando el marco presiona la empaquetadura 7 cuando se apilan los elementos, lo que evita daños de manera más eficaz.

El refuerzo puede estar hecho de cualquiera de los materiales metálicos, de resina y de carbono conocidos, por ejemplo, y específicamente, los ejemplos incluyen metales, por ejemplo, níquel y acero inoxidable; materiales de resina, por ejemplo, nylon, polipropileno, PVDF, PTFE y PPS; y materiales de carbono, por ejemplo, partículas de carbono y fibras de carbono.

Los refuerzos preferentes son refuerzos de una tela entramada, una tela no entramada, una fibra corta y una membrana porosa. Se puede proporcionar una capa de protección sobre una superficie de la empaquetadura 7. Puede mejorar la adhesión de la empaquetadura 7 a los elementos e incrementar la resistencia a los álcalis de la empaquetadura 7. El material de la capa de protección se puede seleccionar a partir del material de la empaquetadura 7.

El tamaño de la empaquetadura 7 no está en particular limitado y se puede diseñar de acuerdo con la dimensión del compartimento de electrodo 5 y la membrana, aunque la anchura puede ser de 10 mm a 40 mm.

El grosor de la empaquetadura 7 no está en particular limitado y se puede diseñar de acuerdo con el material y el módulo elástico de la empaquetadura 7 y el área de la celda. La empaquetadura 7 tiene un grosor que varía preferentemente entre 0,5 mm o más y 10 mm o menos, más preferentemente entre 1,0 mm y 10 mm, e incluso más preferentemente entre 3,0 mm y 10 mm.

Cuando se proporciona una protuberancia, la altura de la protuberancia es preferentemente, pero sin limitarse en particular a, de 0,5 mm a 5 mm para proporcionar una fuerza de prensado suficiente.

El módulo elástico de la empaquetadura 7 no está en particular limitado y se puede diseñar de acuerdo con el material del electrodo 2 y el área de la celda. El módulo elástico, como tensión de tracción al 100 % de deformación, varía preferentemente de 0,20 MPa a 20 MPa, más preferentemente de 0,5 MPa a 15 MPa, e incluso más preferentemente de 1,0 MPa a 10 MPa, desde las perspectivas de la característica de sellado y la resistencia de la celda cuando se apilan las celdas.

La tensión de tracción se puede medir de acuerdo con JIS K 6251. Por ejemplo, para la medición se puede usar Autograph AG disponible en Shimadzu Corporation.

En particular en el presente modo de realización, la empaquetadura 7 tiene preferentemente un grosor de 3,0 mm a 10 mm y una tensión de tracción al 100 % de deformación de 1,0 MPa a 10 MPa, desde las perspectivas de la supresión de un incremento del voltaje de celda provocado por la deformación del electrodo, la característica de sellado y la resistencia de la celda cuando se apilan las celdas.

Para fijar la empaquetadura 7 al elemento bipolar 60 se puede usar un adhesivo. El adhesivo se aplica sobre una superficie de la empaquetadura 7 para fijar la empaquetadura 7 a uno de los marcos exteriores 3 del elemento. Después de que el adhesivo se seque, los electrodos 2 se mantienen preferentemente húmedos rociando agua sobre las superficies de los electrodos en el elemento bipolar 60. En el caso de una empaquetadura 7 provista de una hendidura para recibir el borde de una membrana 4 para sujetar la membrana 4, la empaquetadura 7 que tiene la membrana 4 recibida en la misma se puede adherir al elemento bipolar 60, o la membrana 4 se puede sujetar al elemento bipolar 60 después de que la empaquetadura 7 se adhiera al elemento bipolar 60.

- Cabecera -

El electrolizador bipolar 50 para electrólisis de agua alcalina comprende un compartimento del cátodo 5c y un compartimento del ánodo 5c para cada celda electrolítica 65. Para llevar a cabo la reacción de electrólisis continuamente en el electrolizador 50, es necesario suministrar continuamente un electrolito que contenga cantidades suficientes de las materias primas consumidas durante la electrólisis al compartimento del cátodo 5c y al compartimento del ánodo 5a de cada celda de electrólisis 65.

Cada celda electrolítica 65 se conecta a un sistema de tuberías de suministro/descarga de electrolito, denominado cabeceras 10, que comparten una pluralidad de celdas electrolíticas. En general, la tubería dispensadora de líquido para ánodos se denomina cabecera de entrada del ánodo 10ai, la tubería dispensadora de líquido para cátodos se denomina cabecera de entrada del cátodo 10ci, la tubería de recogida de líquido para ánodos se denomina cabecera de salida del ánodo 10ao y la tubería de recogida de líquido para cátodos se denomina cabecera de salida del cátodo 10co. Cada celda de electrólisis 65 se conecta a las tuberías dispensadoras de electrolito y a las tuberías de recogida de electrolito a través de mangueras o similares.

Aunque el material de las cabeceras 10 no está en particular limitado, es necesario adoptar aquellos que puedan soportar las propiedades corrosivas del electrolito que se va a usar, las condiciones de funcionamiento tales como presión y temperatura, etc. El material de las cabeceras 10 puede ser hierro, níquel, cobalto, PTFE, ETFE, PFA, policloruro de vinilo o polietileno.

En el presente modo de realización, el alcance del compartimento de electrodo 5 puede variar de acuerdo con el detalle de la estructura del marco exterior 3 que se va a proporcionar en el extremo exterior de la pared divisoria 1, y el detalle de la estructura del marco exterior 3 puede variar dependiendo de la manera de fijar las cabeceras 10 (tubos para dispensar o recoger el electrolito) al marco exterior 3. Las cabeceras 10 fijadas al electrolizador bipolar 50 se disponen típicamente como cabeceras internas 10I o cabeceras externas 10O.

- Cabecera interna -

El "tipo de cabecera interna 10I" se refiere a un tipo en el que un electrolizador bipolar y cabeceras (tuberías para distribuir o recoger un electrolito) están integrados.

En un electrolizador bipolar 50, en el tipo de cabecera interna 10I, más específicamente, se proporcionan una cabecera de entrada del ánodo 10Iai y una cabecera de entrada del cátodo 10Ici en una porción inferior del interior de la pared divisoria 1 y/o del marco exterior 3 para extenderse en dirección ortogonal a la pared divisoria 1. Además, se proporcionan una cabecera de salida del ánodo 10Iao y una cabecera de salida del cátodo 10Ico en una porción superior del interior de la pared divisoria 1 y/o del marco exterior 3 para extenderse en dirección ortogonal a la pared divisoria 1.

La cabecera de entrada del ánodo 10Iai, la cabecera de entrada del cátodo 10Ici, la cabecera de salida del ánodo 10Iao y la cabecera de salida del cátodo 10Ico que se proporcionan internamente en el electrolizador bipolar 50 en el tipo de cabecera interna 10I se denominan colectivamente "cabeceras internas 10I".

En el ejemplo del tipo de cabecera interna 10I ilustrado en las FIGS. 4 y 5, la cabecera de entrada del ánodo 10Iai y la cabecera de entrada del cátodo 10Ici se proporcionan en una parte de una porción inferior del marco exterior 3 en el borde de la pared divisoria 1. De forma similar, la cabecera de salida del ánodo 10Iao y la cabecera de salida del cátodo 10Ico se proporcionan en una parte de una porción superior del marco exterior 3 en el borde de la pared divisoria 1. El marco exterior 3 se conecta a los compartimentos del ánodo 5a o a los compartimentos del cátodo 5c a través de las respectivas entradas de electrolito 5i o salidas de electrolito 5o que permiten el paso del electrolito.

- Cabecera externa -

El "tipo de cabecera externa 10O" se refiere a un tipo en el que un electrolizador bipolar 50 y cabeceras 10 (tuberías para distribuir o recoger un electrolito) están separados.

En un electrolizador bipolar 50 en el tipo de cabecera externa 10O, se proporcionan por separado una cabecera de entrada del ánodo 10Oai y una cabecera de entrada del cátodo 10Oci de modo que discurran en paralelo al electrolizador 50 en una dirección perpendicular a la superficie portadora de corriente de la celda de electrólisis 65. La cabecera de entrada del ánodo 10Oai y la cabecera de entrada del cátodo 10Oci están conectadas a las celdas de electrólisis 65 a través de mangueras respectivas.

La cabecera de entrada del ánodo 10Oai, la cabecera de entrada del cátodo 10Oci, la cabecera de salida del ánodo 10Oao y la cabecera de salida del cátodo 10Oco que están conectadas externamente al electrolizador bipolar 50 en el tipo de cabecera externa 10O se denominan colectivamente "cabeceras externas 10O".

En el ejemplo del tipo de cabeceras externas 10O ilustrado en las FIGS. 6 y 7 se proporcionan miembros tubulares en orificios pasantes para las cabeceras 10 en una porción inferior del marco exterior 3 en el extremo de una pared divisoria 1, y los miembros tubulares se conectan a la cabecera de entrada del ánodo 10Oai o a la cabecera de entrada del cátodo 10Oci. De forma similar, se proporcionan miembros tubulares (por ejemplo, mangueras o tubos, por ejemplo) en orificios pasantes para las cabeceras 10 en una porción superior del marco exterior 3 en el extremo de una pared divisoria 1, y los miembros tubulares se conectan a la cabecera de salida del ánodo 10Oao o la cabecera de salida del cátodo 10Oco.

Cabe señalar que el electrolizador bipolar 50 en el tipo de cabecera interna 10I o el tipo de cabecera externa 10O puede tener una caja de separación gas-líquido para separar el gas generado por electrólisis del electrolito. La posición de fijación de la caja de separación gas-líquido no está en particular limitada, aunque se puede instalar entre el compartimento del ánodo 5a y la cabecera de salida del ánodo 10ao, o entre el compartimento del cátodo 5c y la cabecera de salida del cátodo 10co.

Las superficies de la caja de separación gas-líquido pueden estar revestidas con un material de recubrimiento que pueda resistir la corrosividad del electrolito que se va a usar, condiciones de funcionamiento tales como la presión y la temperatura, etc. Se pueden adoptar materiales de recubrimiento aislantes para incrementar la resistencia eléctrica contra el circuito de corriente de fuga en el interior del electrolizador. Como material de recubrimiento se pueden adoptar, por ejemplo, EPDM, PTFE, ETFE, PFA, policloruro de vinilo y polietileno.

En particular, para lograr adecuadamente los efectos del presente modo de realización, el electrolizador del presente modo de realización es preferentemente un electrolizador bipolar que comprende una pluralidad de paletas de ajuste de flujo que se disponen para que sean paralelas entre sí en un compartimento de electrodo definido por una membrana que está en contacto con un ánodo y un cátodo que forma una estructura "zero-gap" y tiene características, en combinación, en las que: una pluralidad de rectificadores de flujo se disponen para que sean paralelos entre sí en cada compartimento de electrodo; una longitud A de cada compartimento de electrodo en una dirección dada, una longitud B del compartimento de electrodo en la dirección ortogonal a la pared divisoria, un intervalo C entre la pluralidad de rectificadores de flujo, y un área de sección transversal D del compartimento de electrodo en un plano ortogonal a la dirección dada se ajustan dentro de los intervalos mencionados anteriormente; y una distancia entre el ánodo y/o un colector de corriente y el cátodo y/o un colector de corriente, y/o una distancia entre el cátodo y el colector de corriente del ánodo, una densidad de los cuerpos elásticos conductores y una presión superficial que se aplica entre la membrana y el cátodo se ajustan dentro de los intervalos mencionados anteriormente.

(Dispositivo de electrólisis para electrólisis de agua alcalina)

La FIG. 8 ilustra el esquema de un dispositivo de electrólisis para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización.

El dispositivo de electrólisis para electrólisis de agua alcalina 70 del presente modo de realización incluye el electrolizador bipolar 50 del presente modo de realización, una bomba de tubo 71 para hacer circular el electrolito, tanques de separación gas-líquido 72 para separar el electrolito del hidrógeno y/o del oxígeno y un rellenador de agua 73 para reponer el agua consumida durante la electrólisis.

De acuerdo con el dispositivo de electrólisis 70 para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización, se proporcionan los efectos del electrolizador bipolar para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización.

En otras palabras, de acuerdo con el presente modo de realización, tras la electrólisis de agua alcalina en una operación con una alta densidad de corriente o una operación que utiliza una fuente de energía variable, se reduce un incremento de la temperatura de una salida de un compartimento de electrólisis 5 y, en consecuencia, se suprime un incremento de la temperatura del electrolito. Como resultado, se reducen las convecciones provocadas en el compartimento de electrólisis 5 por perturbaciones de los flujos de los gases y de líquido en el compartimento de electrólisis 5, suprimiendo de este modo las elevaciones locales de temperatura del electrolito.

En lo que sigue se proporciona una descripción de los detalles de los componentes del dispositivo de electrólisis 70 para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización.

- Bomba de tubo -

La bomba de tubo 71 usada en el presente modo de realización no está en particular limitada y se puede determinar apropiadamente.

- Tanque de separación gas-líquido -

Los tanques de separación gas-líquido 72 usados en el presente modo de realización incluyen un tanque de separación de hidrógeno 72h para separar el electrolito del hidrógeno y un tanque de separación de oxígeno 72o para separar el electrolito del oxígeno.

El tanque de separación de hidrógeno 72h se conecta a los compartimentos del cátodo catódicos 5c y el tanque de separación de oxígeno 72o se conecta a los compartimentos del ánodo 5a para su uso.

- Rellenador de agua -

El rellenador de agua 73 usado en el presente modo de realización no está en particular limitado y se puede determinar apropiadamente.

Como agua se puede usar agua del grifo en general, aunque preferentemente se usa agua sometida a intercambio iónico, agua RO o agua ultrapura para operaciones a largo plazo.

- Varios -

El dispositivo de electrólisis 70 para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización puede comprender además otros componentes tales como un rectificador 74, un medidor de concentración de oxígeno 75, un medidor de concentración de hidrógeno 76, medidores de flujo 77, manómetros 78, un intercambiador de calor 79 y válvulas de control de presión 80, además del electrolizador bipolar 50, los tanques de separación gas-líquido 72 y el rellenador de agua 73.

Un dispositivo de electrólisis para electrólisis de agua alcalina 70 configurado como se ilustra en la FIG. 6 se puede fabricar usando componentes del dispositivo de electrólisis para electrólisis de agua alcalina 70 descrito anteriormente en el presente modo de realización, aunque esto no es limitante.

(Procedimiento de electrólisis de agua alcalina)

Un procedimiento de electrólisis de agua del presente modo de realización comprende: realizar la electrólisis usando el dispositivo de electrólisis 70 del presente modo de realización haciendo circular un electrolito de modo que el número de Reynolds del electrolito calculado a partir de la siguiente fórmula (3) sea de 10 a 1800:

Fórmula (3): Re = Q / (número de rectificadores de flujo por cada compartimento de

electrodo 1) x {(2 x D) / (B C)J / (v * D),

donde Q es un caudal (m3/segundo) del electrolito por cada compartimento de electrodo y v es la viscosidad cinemática (m2/segundo) del electrolito.

A, B, C y D en la Fórmula (3) son valores determinados para el electrolizador bipolar 50 del presente modo de realización. Específicamente, A es la longitud del compartimento de electrodo 5 en la dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria 1. B es la longitud del compartimento de electrodo 5 en la dirección ortogonal al electrodo 2. C es el intervalo entre los múltiples rectificadores de flujo 6. D es la sección transversal del compartimento de electrodo 5 en un plano ortogonal a la dirección dada D1 a lo largo de la pared divisoria 1, y está representada por B x C.

Los intervalos preferentes de A, B, C y D pueden ser los intervalos especificados anteriormente para el electrolizador bipolar 50 del presente modo de realización. En otras palabras, el caudal Q del electrolito por cada compartimento de electrodo se puede controlar de acuerdo con las selecciones de A, B, C y D de la celda de electrólisis de modo que el número de Reynolds Re del electrolito esté dentro del intervalo de 10 a 1800.

De acuerdo con el procedimiento de electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización, se proporcionan los efectos del dispositivo de electrólisis 70 para electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización.

En otras palabras, de acuerdo con el presente modo de realización, tras la electrólisis de agua alcalina en una operación con una alta densidad de corriente o una operación que utiliza una fuente de energía variable, se reduce un incremento de la temperatura de una salida de un compartimento de electrólisis 5 y, en consecuencia, se suprime un incremento de la temperatura del electrolito. Como resultado, se reducen las convecciones provocadas en el compartimento de electrólisis 5 por perturbaciones de los flujos de los gases y de líquido en el compartimento de electrólisis 5, suprimiendo de este modo las elevaciones locales de temperatura del electrolito. Además, también se suprimen las fluctuaciones de presión provocadas por las fluctuaciones en la proporción gas-líquido.

El electrolito que se puede usar en el presente modo de realización puede ser una solución acuosa alcalina que contiene una sal alcalina disuelta en la misma, y los ejemplos incluyen solución acuosa de NaOH y solución acuosa de KOH, por ejemplo.

La concentración de la sal alcalina varía, pero no se limita a, preferentemente de un 20 % en masa a un 50 % en masa, y más preferentemente de un 25 % en masa a un 40 % en masa.

De estas, una solución acuosa de KOH que varía entre un 25 % en masa y un 40 % en masa es en particular preferente desde las perspectivas de la conductividad iónica, la viscosidad cinemática y el comportamiento de congelación a temperaturas de congelación.

En el procedimiento de electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización, el caudal Q del electrolito por cada compartimento de electrodo se controla de acuerdo con el tamaño del compartimento de electrodo 5 desde la perspectiva de potenciar los efectos de la presente divulgación, aunque el caudal Q del electrolito por cada compartimento de electrodo varía preferentemente de 1 x 10-7 m3/segundo a 1 x 10-2 m3/segundo, y más preferentemente de 1 x 10-6 m3/segundo a 1 x 10-3 m3/segundo.

La viscosidad cinemática v del electrolito viene determinada por el tipo, la concentración y la temperatura del electrolito.

En el procedimiento de electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización, la temperatura del electrolito en la celda de electrólisis 65 varía preferentemente de temperatura ambiente a 150 °C, y más preferentemente de 80 °C ya 130 °C.

El intervalo de temperatura anterior suprime eficazmente la degradación térmica de los miembros en el dispositivo de electrólisis 70, incluidas las empaquetaduras 7 y las membranas 4, además de mantener una electrólisis alta.

En el procedimiento de electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización, la densidad de corriente proporcionada a la celda de electrólisis 65 puede ser típicamente de 30 kA/m2 o menos. La electrólisis se puede llevar a cabo en una operación de densidad de corriente constante o en una operación de densidad de corriente variable.

En el procedimiento de electrólisis de agua alcalina del presente modo de realización, la presión en el interior de la celda de electrólisis 65 puede estar dentro de un intervalo de presión diseñado para la celda de electrólisis.

(Procedimiento de producción de hidrógeno)

El procedimiento de producción de hidrógeno de acuerdo con el presente modo de realización incluye realizar la electrólisis de agua que contiene álcalis con un electrolizador para producir hidrógeno, y se puede llevar a cabo usando el electrolizador del presente modo de realización, el dispositivo de electrólisis del presente modo de realización y el procedimiento de electrólisis de agua del presente modo de realización.

El electrolizador comprende una pluralidad de elementos bipolares superpuestos entre sí con una membrana interpuesta entre ellos, comprendiendo cada elemento bipolar un ánodo, un cátodo, una pared divisoria que separa el ánodo del cátodo, y un marco exterior que bordea la pared divisoria, estando la membrana en contacto con el ánodo y el cátodo; y una pluralidad de rectificadores de flujo que se disponen para que sean paralelos entre sí en compartimentos de electrodo para que sean paralelos a una dirección dada a lo largo de la pared divisoria, estando definido cada compartimento de electrodo por la pared divisoria, el marco exterior y el membrana. Dicho electrolizador puede formar una estructura "zero-gap".

En el electrolizador, una longitud A del compartimento de electrodo en la dirección dada es de 0,40 m o más y de 4,0 m o menos, una longitud B del compartimento de electrodo en la dirección ortogonal a la pared divisoria es de 0,0030 m o más y de 0,030 m o menos, y un intervalo C entre la pluralidad de rectificadores de flujo es de 0,050 m o más y de 0,19 m o menos.

Los detalles del electrolizador del presente modo de realización, el dispositivo de electrólisis del presente modo de realización y el procedimiento de electrólisis del agua del presente modo de realización son como se describen anteriormente.

Aunque el electrolizador bipolar para electrólisis de agua alcalina, el dispositivo de electrólisis de agua alcalina y el procedimiento de electrólisis de agua alcalina de los modos de realización de la presente divulgación se han descrito con referencia a los dibujos, no se limitan a los ejemplos anteriores y los modos de realización descritos anteriormente se pueden modificar según corresponda.

Ejemplos

La presente divulgación se describirá a continuación en el presente documento con más detalle con referencia a los Ejemplos.

(Ejemplo A1)

En el Ejemplo A1, la electrólisis de agua alcalina se llevó a cabo usando un electrolizador modelo en el que los flujos de gases generados durante la electrólisis del agua eran visibles, como se describe a continuación.

El electrolizador modelo se fabricó como sigue. La FIG. 9 ilustra el esquema del electrolizador de los Ejemplos A, donde (A) es una vista frontal (izquierda) y una vista lateral (derecha) del electrolizador modelo, (B) es una vista en perspectiva de una placa acrílica en la que se formaron los compartimentos de electrodo en el electrolizador modelo, y (C) ilustra una estructura "zero-gap" en el electrolizador modelo.

- Paredes divisorias, marco exterior y rectificadores de flujo -

Como paredes divisorias y marcos exteriores 3 para fabricar el electrolizador modelo se utilizan marcos de celdas hechos de un material transparente (acrílico) para permitir la observación visual del interior de la celda de electrólisis.

Inicialmente se proporcionaron placas acrílicas que tenían un grosor Q de 75 mm, una longitud lateral R de 300 mm y una longitud longitudinal P de 1,45 m o 2,65 m.

A continuación, como se ilustra en la FIG. 9 (B), se proporcionó un rebajo (de una determinada profundidad, una longitud lateral de 250 mm y una determinada longitud longitudinal) en la placa acrílica retirando el material de la placa acrílica de un lado de la placa acrílica para definir el compartimento de electrodo, preparando de este modo un marco de celda en conformación de caja con las dimensiones deseadas de la longitud A y la longitud B según se desee.

Por ejemplo, en un ejemplo con una longitud A de 1,2 m, se usó una placa acrílica de una longitud longitudinal P de 1,45 m. En otro ejemplo con una longitud A de 2,4 m, se usó una placa acrílica de una longitud longitudinal P de 2,65 m. En cualquier caso, el compartimento de electrodo se creó para que se situara en el centro de la placa acrílica en vista en planta.

A continuación, se proporcionaron de dos a cuatro placas acrílicas que tenían un grosor de 3 mm como rectificadores de flujo en el intervalo C deseado a lo largo de la dirección de la longitud lateral R. Los dos a cuatro rectificadores de flujo se proporcionaron simétricos con respecto al centro en la dirección de la longitud lateral R del compartimento de electrodo. Los rectificadores de flujo estaban separados 100 mm en la dirección de la longitud longitudinal P desde los extremos en la dirección en la que se extendía el compartimento de electrodo.

- Ánodo -

Como ánodo se usó un sustrato metálico expandido con níquel que había sido sometido con antelación a granallado y se pulverizaron productos granulados de óxido de níquel sobre ambas superficies de un sustrato conductor mediante un procedimiento de pulverización por plasma para producir el ánodo.

La dimensión del ánodo se hizo para que fuera la misma que la del compartimento de electrólisis.

(Cátodo)

Como sustrato conductor se usó un sustrato de tipo malla de trama lisa de alambres finos de níquel de un diámetro de 0,15 mm entramados en una malla #40. El grosor del cátodo era de 0,3 mm.

La dimensión del cátodo se hizo para que fuera la misma que la del compartimento de electrólisis.

- Membrana -

Se pusieron óxido de circonio (nombre comercial "EP Zirconium Oxide", de Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo Co., Ltd.) y N-metil-2-pirrolidona (de Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) en un recipiente de un molino de bolas que contenía bolas de SUS con un tamaño de partícula de 0,5 mm. Estas se agitaron conjuntamente a una velocidad de rotación de 70 rpm durante 3 horas y se dispersaron para obtener una mezcla. Se filtró la mezcla resultante a través de una malla de acero inoxidable (número de malla: 30 mesh) para separar las bolas de la mezcla. Se añadieron polisulfona (Udel@ de Solvay Advanced Polymers, Udel es una marca registrada en Japón, otros países o ambos) y polivinilpirrolidona (de Wako Pure Chemical Industries, Ltd., peso molecular promedio en peso (Mw): 900 000) a la mezcla de la que se habían separado las bolas y se agitó con un motor tres en uno durante 12 horas y se disolvió para obtener un líquido de recubrimiento que tenía la siguiente composición:

polisulfona: 15 partes en masa

polivinilpirrolidona: 6 partes en masa

N-metil-2-pirrolidona: 70 partes en masa

óxido de circonio: 45 partes en masa

Se aplicó el líquido de recubrimiento a ambas superficies de una malla de polisulfuro de fenileno (de Clever Co., Ltd., grosor de película: 280 |jm, apertura de malla: 358 |jm y diámetro de fibra: 150 |jm) como sustrato usando un recubridor de coma para obtener un grosor de recubrimiento de 150 jim por cada superficie. Inmediatamente después del recubrimiento, el sustrato recubierto con el líquido de recubrimiento se expuso al vapor del baño de coagulación almacenado con una solución mixta de agua pura e isopropanol a 30 °C (una solución de agua pura/isopropanol = 50/50 (v/v) de Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). Inmediatamente después de esto, se sumergió el sustrato recubierto con el líquido de recubrimiento en el baño de coagulación. A continuación, mediante la coagulación de la polisulfona, se formó una película de recubrimiento sobre la superficie del sustrato. Después de esto, se enjuagó minuciosamente la película de recubrimiento con agua pura para obtener una membrana porosa.

Se obtuvo una membrana porosa que tenía un tamaño de poro promedio de permeación de agua de 0,2 jim, un grosor de 500 jim y una porosidad del 50 % controlando el tiempo de exposición al vapor y el tiempo de inmersión en el baño de coagulación para controlar el tamaño de poro promedio de permeación de agua y la porosidad.

En el Ejemplo A1, como se ilustra en la FIG. 9 (A), una placa de presión, un marco de celda para un ánodo, una empaquetadura 7, un ánodo 2a, una empaquetadura 7 que sujeta una membrana 4, un cátodo 2c, una empaquetadura 7, un marco de celda para el cátodo y una placa de presión se dispusieron en este orden desde un extremo al otro extremo y se apretaron entre sí con los tirantes 51 r de las dos superficies de las placas de presión, fabricando de este modo el electrolizador modelo.

- Compartimento de electrólisis -

Como se describe anteriormente, en los Ejemplos A, el rebajo creado al retirar el material de la placa acrílica se usó como un compartimento de electrodo, como se ilustra en la FIG. 9 (B), con el propósito de comprender mejor los efectos de la presente divulgación.

La longitud A del compartimento de electrodo en la dirección de paso del electrolito y la longitud B del compartimento de electrodo en la dirección ortogonal a la pared divisoria se especificaron como se enumera en la Tabla 1.

- Empaquetadura -

Se usaron empaquetaduras hechas de caucho de EPDM y que tenían un módulo elástico al 100 % de deformación de 4 MPa.

Las empaquetaduras insertadas entre el marco de celda y los electrodos tenían un grosor de 4,0 mm y tenían una abertura dimensionada para coincidir con el tamaño del compartimento de electrodo en el marco de celda acrílico en la vista en planta.

En particular, la empaquetadura insertada entre el ánodo y el cátodo tenía un grosor de 4,0 mm, tenía una abertura dimensionada para coincidir con el tamaño del compartimento de electrodo en el marco de celda acrílico en la vista en planta, y también tenía una estructura de hendidura con una anchura de 0,4 mm para recibir una membrana en una parte central en la dirección a lo largo del grosor de la pared interior de la abertura.

- Estructura "zero-gap" -

En el electrolizador modelo, como se ilustra en la FIG. 9 (C), se apilaron un cátodo y un ánodo interponiendo una empaquetadura que sujetaba una membrana interpuesta entre ellos. Como resultado, el cátodo y el ánodo se presionaron contra la membrana desde las superficies del cátodo y el ánodo de modo que el cátodo y el ánodo se pusieron en contacto con la membrana, definiendo de este modo una estructura "zero-gap" Z.

En el lado del ánodo sólo se usó el ánodo, mientras que en el lado del cátodo se usó una combinación de "cátodo - cuerpo elástico conductor - colector de corriente".

Como ánodo se usó el ánodo descrito anteriormente. Como colector de corriente se usó un sustrato de tipo expandido con níquel que había sido sometido a granallado. El grosor del sustrato era de 1 mm y la proporción de apertura era de un 54 %. Como cátodo se usó el cátodo descrito anteriormente, y como cuerpo elástico conductor se usó una tela metálica entramada de alambres de níquel que tenían un diámetro de alambre de 0,15 mm corrugado para tener una altura de corrugación de 5 mm. El grosor era de 5 mm y la fuerza de repulsión con una deformación por compresión del 50 % era de 150 g/cm3. La abertura de la malla era de aproximadamente 5 mesh y la densidad era de 0,708 g/cm3. El cuerpo elástico conductor se fijó mediante soldadura por puntos al colector de corriente catódica. En este caso, se formó una estructura "zero-gap" en la que la distancia 'a' entre un ánodo y un colector de corriente catódica que tenía la membrana interpuesta entre ellos era de 1 mm, y la membrana estaba en contacto con el ánodo y el cátodo para formar la estructura "zero-gap". La presión superficial era de 29,4 kN/m2

- Cabecera (cabecera externa) -

En el electrolizador modelo que tiene una estructura "zero-gap" Z, como se ilustra en la FIG. 9 (A), a un marco de celda acrílico que servía como carcasa del electrolizador modelo se conectaron externamente mangueras (manguera del lado de entrada del ánodo 10Oai, manguera del lado de salida del ánodo 10Oao, manguera del lado de entrada del cátodo 10Oci y manguera del lado de salida del cátodo 10Oco) para permitir el paso de un electrolito para fabricar un electrolizador de tipo cabecera externa.

Se hizo fluir el electrolito introduciéndolo en el compartimento del cátodo 5c a través de la manguera del lado de entrada del cátodo 10Oci, y descargándolo desde el compartimento del cátodo 5c a través de la manguera del lado de salida del cátodo 10Oco.

También se hizo fluir el electrolito introduciéndolo en el compartimento del ánodo 5a a través de la manguera del lado de entrada del ánodo 10Oai, y descargándolo desde el compartimento del ánodo 5a a través de la manguera del lado de salida del ánodo 10Oao.

Debido a que las mangueras del lado de entrada estaban conectadas a un centro de la parte inferior del marco de celda y las mangueras del lado de salida estaban conectadas a un centro de la parte superior del marco de celda, el electrolito fluyó hacia arriba desde la parte inferior en dirección vertical, para elevarse sobre las superficies de los electrodos.

El electrolizador modelo estaba estructurado de modo que el electrolito se introducía desde las mangueras del lado de entrada del compartimento del ánodo 5a y del compartimento del cátodo 5c hacia el compartimento del ánodo 5a y el compartimento del cátodo 5c, respectivamente, y el electrolito y los gases desprendidos se descargaban desde las mangueras del lado de salida del compartimento del ánodo 5a y del compartimento del cátodo 5c, respectivamente, fuera del electrolizador.

Dado que la electrólisis produjo gas hidrógeno en el compartimento del cátodo 5c y gas oxígeno en el compartimento del ánodo 5a, se formó un flujo de fase mixta del electrolito y el gas hidrógeno en la manguera de salida del lado del cátodo 10Oco y un flujo de fase mixta del electrolito y el gas oxígeno en la manguera de salida del lado del ánodo 10Oao.

Se usaron un rectificador, un medidor de concentración de oxígeno, un medidor de concentración de hidrógeno, un manómetro, un rectificador, una bomba de tubo, tanques de separación gas-líquido y un rellenador de agua, por ejemplo, que se usaban comúnmente en el campo técnico, para fabricar un dispositivo de electrólisis para electrólisis de agua alcalina (véase la FIG. 8).

La electrólisis de agua alcalina usando los electrolizadores modelo se llevó a cabo en las siguientes condiciones.

Como electrolito se usó una solución acuosa de KOH al 30 %.

El rectificador suministró corriente a las áreas del cátodo y del ánodo del electrolizador modelo a una densidad de corriente de 10 kA/m2. En los Ejemplos A y los Ejemplos comparativos A, se suministraron 3,0 kA a áreas de electrodos de 250 mm x 1200 mm, y se suministraron 6,0 kA a áreas de electrodos de 250 mm x 2400 mm. La viscosidad a 90 °C del electrolito se determinó usando el viscosímetro Brookfield HB DV2T disponible de EKO INSTRUMENTS CO., LTD. y, a continuación, se calculó la viscosidad cinemática v (m2/segundo) del electrolito usando la densidad a 90 °C.

Se midió el caudal Q (m3/segundo) del electrolito por cada compartimento de electrodo usando un medidor de flujo magnético AXF025 disponible de Yokogawa Electric Corporation.

Se calculó el número de Reynolds Re del electrolito a partir de la siguiente ecuación (1):

Fórmula (1): Re = Q / (número de rectificadores de flujo por cada compartimento de

electrodo 1) x {(2 x D) / (B C)> / (v x D)

(donde Q es un caudal (m3/segundo) del electrolito por cada compartimento de electrodo y v es la viscosidad cinemática (m2/segundo) del electrolito)

Se midió la temperatura del electrolito en las entradas del electrolizador modelo usando un termopar tipo K. Se midió la presión en el electrolizador después del inicio de la activación con cada manómetro y se ajustó de modo que la presión del lado del ánodo (hidrógeno) fuera de 3 kPa y la presión del lado del cátodo (oxígeno) fuera de 2 kPa. Se ajustó la presión ajustando el nivel de agua almacenada en el sellador de agua proporcionado corriente abajo de los gases a presión.

Durante la electrólisis, una bomba de tubo hizo que el electrolito circulara a través del compartimento del ánodo, el tanque de separación gas-líquido para el ánodo y el compartimento del ánodo en el electrolizador modelo, y también a través del compartimento del cátodo, el tanque de separación gas-líquido para el cátodo y el compartimento del cátodo en el electrolizador modelo.

Se usaron tuberías de níquel de 15 A de diámetro para las vías de circulación que están en contacto con el electrolito.

Los tanques de separación gas-líquido usados tenían una altura de 500 mm y una capacidad de 0,016 m3 Los tanques de separación gas-líquido se llenaron con los líquidos hasta aproximadamente el 50 % de sus capacidades diseñadas.

Las condiciones detalladas de la electrólisis de agua alcalina de los Ejemplos A y los Ejemplos comparativos A se enumeran en la Tabla 1.

La electrólisis de agua alcalina de los Ejemplos A y los Ejemplos comparativos A se evaluó como sigue. Las evaluaciones se realizaron después de 60 minutos desde el inicio de la activación.

Los resultados de las evaluaciones de los Ejemplos A y los Ejemplos comparativos A se enumeran en la Tabla 1.

(1) Acumulación de gases

Para evaluar la acumulación de líquido y de gases en la celda de electrólisis durante la electrólisis, se inspeccionó visualmente la frecuencia de retromezclado en los compartimentos de electrodo en el electrolizador modelo y se evaluó de acuerdo con los siguientes grados de evaluación. Los resultados se enumeran en la tabla 1.

A (Excelente): se producía retromezclado con escasa frecuencia y desaparecía en varios segundos;

B (Bueno): se producía retromezclado con frecuencia, pero desaparecía en varios segundos;

C (Aceptable): se producía retromezclado con frecuencia y duraba 5 minutos o más; y

D (Deficiente): se producía retromezclado constantemente y no desaparecía.

(2) Diferencia de temperatura en la celda

Se midió la temperatura del electrolito durante la electrólisis con seis termopares colocados a intervalos regulares en las secciones superior e inferior de los compartimentos de electrodo en el elemento bipolar de la celda de electrólisis, y se determinaron las diferencias máximas de temperatura de los seis puntos. Se evaluaron las diferencias máximas de temperatura de acuerdo con los siguientes grados de evaluación. Los resultados se enumeran en la tabla 1.

A (Excelente): la diferencia máxima de temperatura era inferior a 4 °C;

B (Bueno): la diferencia máxima de temperatura era de 4 °C o más y de menos de 25 °C;

C (Aceptable): la diferencia máxima de temperatura era de 25 °C o más y de menos de 50 °C; y

D (Deficiente): la diferencia máxima de temperatura era de 50 °C o más.

(3) Fluctuación de presión provocada por la fluctuación de la proporción gas-líquido

Para evaluar las fluctuaciones de presión, se observaron visualmente el estado de los flujos de las fases líquida y gaseosa en el interior de la manguera de salida del lado del cátodo. Los resultados se enumeran en la tabla 1.

A (Excelente): las dos fases se separaron en un flujo estratificado y se observaron flujos continuos;

B (Bueno): las dos fases se separaron en un flujo ondular y se observaron flujos continuos;

C (Aceptable): las dos fases no se separaron en un flujo pistón y se observaron flujos intermitentes; y D (Deficiente): se observaron constantemente flujos intermitentes en corrientes perturbadas.

(4) Curvatura del electrodo

Se sacaron los ánodos del electrolizador modelo después de la electrólisis y se midió la curvatura del electrodo. Los resultados se enumeran en la tabla 1.

A (Excelente): la curvatura era inferior a 0,03 mm;

B (Bueno): la curvatura era de 0,03 mm o más y de menos de 0,13 mm;

C (Aceptable): la curvatura era de 0,13 mm o más y de menos de 2,0 mm; y

D (Deficiente): la curvatura era de 2,0 m o más.

(5) Voltaje de par

Se midió el voltaje de celda (V) después de 60 minutos desde el inicio de la activación. Los resultados se enumeran en la tabla 1.

(Ejemplos A2-A4, Ejemplos comparativos A5-A7 y Ejemplos Comparativos

La electrólisis de agua alcalina se llevó a cabo de manera similar al Ejemplo A1, excepto porque las configuraciones de los electrolizadores modelo y las condiciones de la electrólisis del agua se modificaron como se enumera en la Tabla 1.

(Ejemplo comparativo 5)

En particular en el Ejemplo comparativo 5, se proporcionaron dos electrolizadores modelo, cada uno de los cuales tenía una longitud A de 2,4 m, una longitud B de 0,015 m, un intervalo C de 0,06 m, un área de sección transversal D de 0,0009 y el valor de {2 * D / (B C)} era 0,024. A continuación, se acopló una manguera del lado de salida del cátodo unida a un primer electrolizador modelo a una manguera del lado de entrada del cátodo de un segundo electrolizador modelo, y se acopló una manguera del lado de salida del ánodo del primer electrolizador modelo a una manguera del lado de entrada del ánodo del segundo electrolizador modelo. Los dos electrolizadores modelo se dispusieron uno al lado del otro en la dirección de la longitud A para preparar un electrolizador modelo que tenía una longitud de 4,8 m equivalente a la longitud A.

Los resultados de las evaluaciones de los Ejemplos A1-A4, los Ejemplos comparativos A5-A7 y los Ejemplos comparativos 1-5 se enumeran en la Tabla 1.

(Ejemplo A8)

Se fabricaron una celda bipolar para electrólisis de agua alcalina y un dispositivo de electrólisis para electrólisis de agua alcalina que tenía la misma como sigue.

- Paredes divisorias, marco exterior y rectificadores de flujo -Como elemento bipolar se usó un miembro hecho de níquel en el que se unieron una pared divisoria que separaba un ánodo de un cátodo y un marco exterior que rodeaba la pared divisoria. La pared divisoria tenía una longitud de 500 mm, una anchura de 580 mm y un grosor de 2 mm en vista en planta.

Se soldaron cinco rectificadores de flujo del lado del ánodo (nervaduras del lado del ánodo), teniendo cada uno una altura de 25 mm y un grosor de 1,5 mm y hechos de níquel, y cinco rectificadores de flujo del lado del cátodo (nervaduras del lado del cátodo), teniendo cada uno una altura de 25 mm y un grosor de 1,5 mm y hechos de níquel, en el lado del compartimento del ánodo y en el lado del compartimento del cátodo, respectivamente, a un intervalo de 95 mm (la distancia entre el marco exterior y el rectificador de flujo era de 95,5 mm).

Cada rectificador de flujo tenía, en el lado de la soldadura, 12 orificios semicirculares que tenían cada uno un radio de 10 mm dispuestos a intervalos regulares en la dirección en la que se extendían los rectificadores de flujo.- Ánodos, cátodos, membranas y empaquetaduras -Se usaron ánodos, cátodos, membranas y empaquetaduras similares a los usados en el Ejemplo A1.

La dimensión de los ánodos y los cátodos en vista en planta era de 500 mm x 580 mm.

- Electrolizador bipolar y elemento bipolar -Se usaron cinco elementos bipolares para ensamblar un electrolizador bipolar. Como se ilustra en la FIG. 1, se dispusieron un cabezal rápido, una placa aislante y un elemento terminal del ánodo en este orden desde un extremo. A continuación, se dispusieron repetidamente una pieza de empaquetadura del lado del ánodo, una membrana, una pieza de empaquetadura del lado del cátodo y un elemento bipolar, cinco veces. A continuación, se dispusieron un elemento terminal del cátodo, una placa aislante y un cabezal suelto en el otro extremo. A continuación, se sujetó la estructura sobre las superficies del cabezal rápido y el cabezal suelto con ocho tirantes, y se apretó cada tirante con una llave dinamométrica con un par de apriete de 59 Nm.

Este ejemplo tenía una estructura de conexión en serie en la que se conectaron en serie cinco compartimentos del cátodo y cinco compartimentos del ánodo.

Cuando se ve desde la dirección ortogonal a la pared divisoria, este elemento bipolar "zero-gap" tenía una conformación rectangular que tenía una longitud de 540 mm y una anchura de 620 mm.

- Compartimentos de electrólisis -Las longitudes de los compartimentos de electrodo en dirección ortogonal a la pared divisoria (profundidad de los compartimentos de electrodo) eran de 25 mm en los compartimentos del ánodo y los compartimentos del cátodo.

- Estructura "zero-gap" -Como se describe anteriormente, al ensamblar el electrolizador bipolar, el cátodo y el ánodo se presionaron contra la membrana desde las superficies del cátodo y el ánodo de modo que el cátodo y el ánodo se pusieron en contacto con la membrana, definiendo de este modo una estructura "zero-gap" Z, como se ilustra en la FIG. 2.

En el lado del ánodo sólo se usó el ánodo, mientras que en el lado del cátodo se usó una combinación de "cátodo - cuerpo elástico conductor - colector de corriente". La estructura "zero-gap" se formó de manera similar al Ejemplo A1.

- Cabecera (cabecera externa) -Como se ilustra en la FIG. 6, en el electrolizador bipolar 50 de este Ejemplo, los tubos 20 (tubo dispensador del ánodo 20Oai, tubo dispensador del cátodo 20Oci, tubo de recogida del ánodo 20Oao y tubo de recogida del cátodo 20Oco) para dispensar o recoger el electrolito se proporcionaron en el exterior del electrolizador 50. .

Además, para el electrolizador 50, se proporcionaron externamente mangueras (manguera del lado de entrada del ánodo 10Oai, manguera del lado de salida del ánodo 10Oao, manguera del lado de entrada 10Oci y manguera del lado de salida del cátodo 10Oco) para permitir el paso del electrolito desde los conductos 20 hasta los compartimentos de electrólisis 5.

Se instaló un termopar en cada manguera (10Oai, 10Oao, 10Oci, 10Oco) y se midieron las diferencias de temperatura antes y después del paso a través del compartimento de electrólisis.

Por tanto, se fabricó un electrolizador de tipo cabecera externa.

Como se ilustra en la FIG. 6, las mangueras del lado de entrada se conectaron al extremo de la parte inferior del marco exterior rectangular en una vista en planta, y las mangueras del lado de salida se conectaron a la parte superior de los lados laterales del marco exterior rectangular en una vista en planta correspondientes a los lados inferiores. Aquí, las mangueras del lado de entrada y las mangueras del lado de salida se proporcionaron para que estuvieran una frente a otra intercalando el centro del compartimento de electrodo, en el compartimento de electrólisis rectangular en la vista en planta. El electrolito fluyó hacia arriba desde abajo hacia arriba para formar un ángulo en la dirección vertical, para elevarse sobre las superficies de los electrodos.

El electrolizador bipolar en este Ejemplo se estructuró de modo que el electrolito se introducía desde las mangueras del lado de entrada del compartimento del ánodo 5a y del compartimento del cátodo 5c hacia el compartimento del ánodo 5a y el compartimento del cátodo 5c, respectivamente, y el electrolito y los gases desprendidos se descargaban desde las mangueras del lado de salida del compartimento del ánodo 5a y del compartimento del cátodo, respectivamente, fuera del electrolizador.

La FIG. 10 es una vista lateral parcial de un electrolizador bipolar de tipo cabecera externa conjuntamente con el flujo del electrolito de los Ejemplos A.

Se usaron un rectificador, un medidor de concentración de oxígeno, un medidor de concentración de hidrógeno, medidores de flujo y manómetros similares a los usados en el Ejemplo A1.

Para fabricar un dispositivo de electrólisis de agua alcalina se usaron componentes, tales como una bomba de tubo, un tanque de separación gas-líquido y un rellenador de agua, que fueron los mismos que los usados en el Ejemplo A1 (véase la FiG. 8).

La electrólisis de agua alcalina usando los electrolizadores bipolares se llevó a cabo en las siguientes condiciones.

Como electrolito se usó una solución acuosa de KOH al 30 %.

El rectificador suministró corriente a las áreas del cátodo y del ánodo del electrolizador bipolar a una densidad de corriente de 10 kA/m2.

La bomba de tubo hizo que el electrolito circulara a través del compartimento del ánodo, el tanque de separación de oxígeno (tanque de separación gas-líquido para el ánodo) y el compartimento del ánodo, y también a través del compartimento del cátodo, el tanque de separación de hidrógeno (tanque de separación gas-líquido para el cátodo) y el compartimento del cátodo.

Parámetros como la viscosidad cinemática v (m2/segundo) del electrolito, el caudal Q del electrolito por cada compartimento de electrodo (m2/segundo) y el número de Reynolds Re del electrolito, la temperatura del electrolito, se midieron y/o calcularon de manera similar al Ejemplo A1.

Las condiciones detalladas se enumeran en la Tabla 2.

Se midió la presión en el electrolizador después del inicio de la activación con cada manómetro y se ajustó de modo que la presión del lado del ánodo (hidrógeno) fuera de 50 kPa y la presión del lado del cátodo (oxígeno) fuera de 49 kPa. El ajuste de la presión se realizó mediante una válvula de control instalada corriente abajo de cada manómetro.

(Prueba de electrólisis 1)

La electrólisis del agua se llevó a cabo suministrando continuamente una densidad de corriente de 10 kA/m2 desde el rectificador al electrolizador.

En el Ejemplo A8, la electrólisis del agua se llevó a cabo en tres condiciones enumeradas en la Tabla 2. La electrólisis del agua se llevó a cabo durante 100 horas en cada condición, y las evaluaciones de (2) a (5) anteriores de (1) a (5) se realizaron después de 80 horas después del inicio de la electrólisis.

Las condiciones detalladas y el resultado se enumeran en la Tabla 2.

Tabla 2

(Ejemplo B1)

Se fabricó un electrolizador bipolar para electrólisis de agua alcalina como sigue.

- Pared divisoria y marco exterior -Como elemento bipolar se usó uno que tenía una pared divisoria que separa un ánodo de un cátodo y un marco exterior que rodea la pared divisoria. Los miembros en contacto con el electrolito, como la pared divisoria y el marco del elemento bipolar, estaban todos hechos de níquel.

- Ánodo -Se usó un ánodo que era el mismo que el del Ejemplo A1.

Este electrodo se cortó en una parte cuadrada de 50 cm, que se usó como ánodo.

(Cátodo)

Se usó un cátodo que era el mismo que el del Ejemplo A1.

- Cuerpo elástico conductor -

Como cuerpo elástico conductor se usó una tela metálica entramada de alambres de níquel que tenían un diámetro de alambre de 0,15 mm corrugado para tener una altura de corrugación de 5 mm. El grosor era de 5 mm y la densidad era de 4,249 g/cm3. La fuerza de repulsión con una deformación por compresión del 50 % era de 150 g/cm3 y la abertura de la malla era de aproximadamente 5 mesh.

- Membrana -

Se usó una membrana que era el mismo que el del Ejemplo A1.

- Empaquetadura -

Las empaquetaduras usadas tenían una conformación cuadrangular con un grosor de 4,0 mm, una anchura de 18 mm y un tamaño interior de 504 mm cuadrados, teniendo una abertura que tenía el mismo tamaño que el compartimento de electrodo en vista en planta, y teniendo una estructura de hendidura para sujeción para recibir la membrana. En la estructura de hendidura se proporcionó un hueco de 0,4 mm en el centro en la dirección del grosor de la pared interior de la abertura para sujetar la pared divisoria insertando la pared divisoria a través de ella. Esta empaquetadura estaba hecha de caucho de EPDM y tenía un módulo elástico al 100 % de deformación de 4 MPa.

- Electrolizador bipolar para electrólisis de agua alcalina -

Una nervadura del cátodo, un colector de corriente catódica, el cuerpo elástico conductor y el cátodo se superpusieron entre sí en este orden en el lado del cátodo con respecto a la pared divisoria, y una nervadura del ánodo y el ánodo se superpusieron entre sí en este orden en el lado del ánodo con respecto a la pared divisoria, para fabricar un elemento bipolar (véase la FIG. 4).

Se proporcionó un elemento terminal del ánodo fijando el ánodo a un marco de terminal del ánodo, y se proporcionó un elemento terminal del cátodo terminal el cátodo a un marco de terminal del cátodo.

Se prepararon nueve elementos bipolares, un elemento terminal del ánodo y un elemento terminal del cátodo. Se adhirieron empaquetaduras a las secciones del marco metálico de todos los elementos bipolares, el elemento terminal del ánodo y el elemento terminal del cátodo.

Se interpuso una membrana entre el elemento terminal del ánodo y el cátodo en el elemento bipolar. Además, se dispusieron nueve elementos bipolares en serie de modo que un ánodo y un cátodo en elementos bipolares contiguos estuvieran uno frente al otro, y se interpusieron ocho membranas respectivas entre elementos bipolares contiguos. Se interpuso además una membrana entre el extremo del lado del ánodo del 9.° elemento bipolar y el elemento terminal del cátodo. La estructura resultante se sujetó con una prensa para proporcionar un electrolizador bipolar. Como se ilustra en la FIG. 1, en el electrolizador bipolar, se dispusieron un cabezal rápido, una placa aislante y la unidad terminal del ánodo en este orden en un extremo, mientras que se dispusieron la unidad terminal del cátodo, una placa aislante y un cabezal suelto en el otro extremo.

En este electrolizador bipolar, el área S1 de la superficie portadora de corriente del elemento bipolar se ajustó a 0,25 m2. Las alturas de la nervadura del cátodo y la nervadura del ánodo se ajustaron de modo que la distancia 'a' entre el ánodo y el colector de corriente catódica que tenía la membrana interpuesta entre ellos fuera de 1 mm en una estructura "zero-gap". La membrana estaba en contacto con el ánodo y el cátodo para formar una estructura "zero-gap".

El diámetro del alambre del cuerpo elástico conductor era de 0,15 mm. La densidad de los cuerpos elásticos conductores era de 4,249 g/cm3. La presión superficial que se aplica entre la membrana y el cátodo en la estructura "zero-gap" era de 98,1 kN/m2.

- Cabecera -

Se empleó un elemento bipolar de tipo cabecera interna.

Como se ilustra en las FIGS. 3 y 4, se colocaron cabeceras (cabecera de entrada del ánodo 10ai, cabecera de entrada del cátodo 10ci, cabecera de salida del ánodo 10ao y cabecera de salida del cátodo 10co) en el marco exterior del elemento bipolar. Cada cabecera se colocó de modo que todos los tubos (tubo dispensador del ánodo, tubo dispensador del cátodo, tubo de recogida del ánodo y tubo de recogida del cátodo) se extendieran en la dirección ortogonal a la pared divisoria del elemento bipolar.

Por tanto, se fabricó un electrolizador de tipo cabecera interna.

Se hizo fluir el electrolito introduciéndolo en el compartimento del cátodo 5c a través de la cabecera de entrada del cátodo 10ci, y descargándolo desde el compartimento del cátodo 5c a través de la cabecera de salida del cátodo 10co. También se hizo fluir el electrolito introduciéndolo en el compartimento del ánodo 5a a través de la cabecera de entrada del ánodo 10ai, y descargándolo desde el compartimento del ánodo 5a a través de la cabecera de salida del ánodo 10ao.

El electrolizador bipolar se estructuró de modo que el electrolito se introducía desde las entradas de electrolito del compartimento del ánodo 5a y del compartimento del cátodo 5c hacia el compartimento del ánodo 5a y el compartimento del cátodo 5c, respectivamente, y el electrolito y los gases desprendidos se descargaban desde las salidas de electrolito del compartimento del ánodo 5a y del compartimento del cátodo, respectivamente, fuera del electrolizador.

Dado que la electrólisis produjo gas hidrógeno en el compartimento del cátodo 5c y gas oxígeno en el compartimento del ánodo 5a, se formó un flujo de fase mixta del electrolito y el gas hidrógeno en la cabecera de salida del cátodo 10co y un flujo de fase mixta del electrolito y el gas oxígeno en la cabecera de salida del ánodo 10ao.

(Ejemplo B2)

Se produjo un elemento bipolar de la misma manera que en el Ejemplo B1, excepto que las alturas de la nervadura del cátodo y la nervadura del ánodo se ajustaron de modo que la distancia 'a' entre un ánodo y un colector de corriente catódica fuera de 2 mm en una estructura "zero-gap". La membrana estaba en contacto con el ánodo y el cátodo para formar una estructura "zero-gap".

El diámetro del alambre del cuerpo elástico conductor era de 0,15 mm. La densidad del cuerpo elástico conductor era de 0,708 g/cm3 La presión superficial que se aplica entre la membrana y el cátodo en la estructura "zero-gap" era de 29,4 kN/m2

(Ejemplo B3)

Se produjo un elemento bipolar de la misma manera que en el Ejemplo B1, excepto que las alturas de la nervadura del cátodo y la nervadura del ánodo se ajustaron de modo que la distancia 'a' entre un ánodo y un colector de corriente catódica fuera de 5,8 mm en una estructura "zero-gap". La membrana estaba en contacto con el ánodo y el cátodo para formar una estructura "zero-gap".

El diámetro del alambre del cuerpo elástico conductor era de 0,15 mm. La densidad de los cuerpos elásticos conductores era de 0,170 g/cm3. La presión superficial que se aplica entre la membrana y el cátodo en la estructura "zero-gap" era de 9,81 kN/m2.

(Ejemplo B4)

Se produjo un elemento bipolar de la misma manera que en el Ejemplo B1, excepto que las alturas de la nervadura del cátodo y la nervadura del ánodo se ajustaron de modo que la distancia 'a' entre un ánodo y un colector de corriente catódica fuera de 1 mm en una estructura "zero-gap". La membrana estaba en contacto con el ánodo y el cátodo para formar una estructura "zero-gap".

El diámetro del alambre del cuerpo elástico conductor era de 0,1 mm. La densidad de los cuerpos elásticos conductores era de 2,833 g/cm3. La presión superficial que se aplica entre la membrana y el cátodo en la estructura "zero-gap" era de 88,3 kN/m2.

(Ejemplo B5)

El diámetro del alambre del cuerpo elástico conductor era de 0,1 mm. La densidad de los cuerpos elásticos conductores era de 0,472 g/cm3. La presión superficial que se aplica entre la membrana y el cátodo en la estructura "zero-gap" era de 24,5 kN/m2.

(Ejemplo B6)

El diámetro del alambre del cuerpo elástico conductor era de 0,1 mm. La densidad de los cuerpos elásticos conductores era de 0,113 g/cm3. La presión superficial que se aplica entre la membrana y el cátodo en la estructura "zero-gap" era de 9,81 kN/m2.

(Ejemplo B7)

El diámetro del alambre del cuerpo elástico conductor era de 0,5 mm. La densidad de los cuerpos elásticos conductores era de 2,361 g/cm3. La presión superficial que se aplica entre la membrana y el cátodo en la estructura "zero-gap" era de 93,2 kN/m2.

(Ejemplo comparativo B1)

Se produjo un elemento bipolar de la misma manera que en el Ejemplo B1, excepto que las alturas de la nervadura del cátodo y la nervadura del ánodo se ajustaron de modo que la distancia 'a' entre un ánodo y un colector de corriente catódica fuera de 0,95 mm en una estructura "zero-gap". La membrana estaba en contacto con el ánodo y el cátodo para formar una estructura "zero-gap".

El diámetro del alambre del cuerpo elástico conductor era de 0,15 mm. La densidad de los cuerpos elásticos conductores era de 5,665 g/cm3. La presión superficial que se aplica entre la membrana y el cátodo en la estructura "zero-gap" era de 147 kN/m2.

(Ejemplo comparativo B2)

Se produjo un elemento bipolar de la misma manera que en el Ejemplo B1, excepto que las alturas de la nervadura del cátodo y la nervadura del ánodo se ajustaron de modo que la distancia 'a' entre un ánodo y un colector de corriente catódica fuera de 6,8 mm en una estructura "zero-gap". La membrana estaba en contacto con el ánodo y el cátodo para formar una estructura "zero-gap".

El diámetro del alambre del cuerpo elástico conductor era de 0,15 mm. La densidad de los cuerpos elásticos conductores era de 0,142 g/cm3. La presión superficial que se aplica entre la membrana y el cátodo en la estructura "zero-gap" era de 0,981 kN/m2.

[Evaluaciones]

(Distancia entre el ánodo y el colector de corriente catódica)

En los electrolizadores bipolares proporcionados en los Ejemplos B y los Ejemplos comparativos B, la distancia 'a' (FIG. 2) (mm) entre la superficie en la que un colector de corriente catódica y un cuerpo elástico conductor hicieron contacto y la superficie en la que el ánodo y la membrana hicieron contacto.

(Presión superficial que se aplica entre la membrana y el cátodo)

Se llevaron a cabo mediciones usando el modo de medición de compresión del autógrafo disponible en Shimadzu Corporation.

El colector de corriente catódica, el cuerpo elástico conductor, el cátodo, la membrana y el ánodo se apilaron sobre una plantilla receptora hecha de policloruro de vinilo y que tenía una abertura cuadrada de 10 cm y una profundidad de 2 cm. Al autógrafo se le colocó un dispositivo de presión de 9,9 cm cuadrados. Mientras se aplicaba el prensado vertical con el dispositivo de prensado, se midió la presión superficial (kN/m2) que se aplica entre la membrana y el cátodo cuando la distancia entre el ánodo y el colector de corriente catódica se igualó con el valor de la Tabla 1.

(Densidad del cuerpo elástico conductor)

El cuerpo elástico conductor se cortó en una parte cuadrada de 10 cm y se pesó la parte con una balanza electrónica. Se aplicó sobre el cuerpo elástico conductor una presión igual a la presión aplicada sobre el cuerpo elástico conductor cuando se había medido la presión superficial entre la membrana y el cátodo, y se midió el volumen del cuerpo elástico conductor como el volumen cuando el cuerpo elástico conductor se había comprimido. Se determinó la densidad de los cuerpos elásticos conductores (g/cm3) dividiendo la masa del cuerpo elástico conductor por el volumen del cuerpo elástico conductor tras la compresión.

(Diámetro de alambre del cuerpo elástico conductor)

Se cortó un cuerpo elástico conductor de cada uno de los electrolizadores bipolares de los Ejemplos B y los Ejemplos Comparativos, y se midieron los diámetros de alambre de 100 fibras observados en una sección transversal del cuerpo elástico conductor, que a continuación se promediaron para obtener un diámetro de alambre (mm).

(Tamaño de poro promedio de permeación de agua de la membrana)

Se cortaron las membranas de cada uno de los electrolizadores bipolares proporcionados en los Ejemplos B y los Ejemplos comparativos B, y se llevaron a cabo mediciones mediante el siguiente procedimiento usando el sistema de prueba de integridad ("Sartocheck Junior BP-Plus" disponible de Sartorius Stedim Japan K.K.).

En primer lugar, se cortó una membrana (membrana porosa) conjuntamente con un material central en una parte de tamaño determinado como una muestra. Se colocó esta muestra en un recipiente resistente a la presión para realizar mediciones (área de la sección transparente: 12,57 cm2) y se llenó el recipiente con 150 ml de agua pura. A continuación, se colocó el recipiente resistente a la presión en una cámara termostática ajustada a 90 °C y se inició una medición después de que el interior del recipiente resistente a la presión alcanzara 90 °C. Una vez iniciada la medición, se presurizó el frente de la muestra con nitrógeno. Se registraron los valores de la presión y del caudal de permeación al que el agua pura permeó la muestra desde su parte posterior. Se determinó el tamaño de poro promedio de permeación de agua mediante la siguiente ecuación de Hagen-Poiseuille usando el gradiente de presiones frente a los caudales de permeación de agua a presiones entre 10 kPa y 30 kPa:

Tamaño de poro promedio de permeación de agua (m) = 32r]Lp0 / (eP)

donde n es la viscosidad (PaS) del agua, L es el grosor (m) de la membrana porosa y p<0>es un caudal aparente calculado mediante la ecuación:

Además, £ es la porosidad y P es la presión (Pa).

(Grosor de la membrana)

Se midieron los grosores de las membranas en todos los electrolizadores bipolares proporcionados en los Ejemplos B y los Ejemplos Comparativos, y se determinó su promedio como el grosor de la membrana (mm).

(Porosidad de la membrana)

La medición de la porosidad de la membrana se realizó usando una balanza electrónica de precisión/kit de medición de gravedad específica ("AUX120 SMK401" disponible de Shimadzu Corporation). La porosidad de poro abierto que se determinó mediante el procedimiento de Arquímedes para la membrana porosa se empleó como la porosidad de la membrana para la electrólisis de agua alcalina. Se calculó la porosidad mediante la ecuación dada a continuación. Se cortaron las membranas de los electrolizadores bipolares proporcionados en los Ejemplos B y los Ejemplos comparativos B, se lavaron con agua pura y se cortaron en tres partes con un tamaño de 3 cm x 3 cm, como muestras de medición. Se midieron W2 y W3 de cada muestra. Después de eso, se dejó secar la membrana porosa en una secadora ajustada a 50 °C durante 12 horas o más y, a continuación, se midió W1 de la membrana. A continuación, se determinó la porosidad a partir de los valores de W1, W2 y W3. Se determinaron los valores de porosidad para las tres muestras y se empleó el promedio aritmético de los valores determinados como porosidad P.

Porosidad e {%) = p (1 p) * 100

(Voltaje de celda)

Se fabricaron dispositivos de electrólisis como se ilustra en la FIG. 5 usando los electrolizadores bipolares proporcionados en los Ejemplos B y los Ejemplos comparativos.

Se usaron un medidor de concentración de oxígeno, un medidor de concentración de hidrógeno, manómetros, un rectificador, una bomba de tubo, tanques de separación gas-líquido y un rellenador de agua, por ejemplo, que se usaban comúnmente en el campo técnico, para fabricar cada uno de los dispositivos de electrólisis.

Cada dispositivo de electrólisis comprendía un electrolizador bipolar 50, una bomba de tubo 71 para hacer circular el electrolito y tanques de separación gas-líquido 72 para separar el electrolito del hidrógeno y/u oxígeno. Se selló una solución acuosa de KOH al 30 % como electrolito en cada tanque de separación gas-líquido 72 y en el electrolizador bipolar 50. La bomba de tubo 71 hizo que el electrolito circulara a través de los compartimentos del ánodo 5a del electrolizador bipolar 50, el tanque de separación gas-líquido 72 para el ánodo y los compartimentos del ánodo 5a, y a través de los compartimentos del cátodo 5c del electrolizador bipolar 50. el tanque de separación gas-líquido 72 para cátodo, y los compartimentos del cátodo 5c. Se ajustó la temperatura a 90 °C.

En el dispositivo de electrólisis, se recuperó el gas separado en cada tanque de separación gas-líquido 72 a través de un manómetro 78, una válvula de control de presión 80, un medidor de concentración de oxígeno 75 o un medidor de concentración de hidrógeno 76. Además, la energía eléctrica se podía controlar mediante el rectificador 74. Además, se proporcionaron medidores de flujo 77 y un intercambiador de calor 79 en el paso del electrolito en circulación. Las flechas en la FIG. 5 indican las direcciones en las que fluyen el líquido en circulación (electrolito) y el gas.

En el paso de circulación se usó un sistema de tuberías de acero al carbono SGP 20A con tratamiento de la superficie interior del revestimiento de Teflón® aplicado a aquellas partes que estaban en contacto con el electrolito (Teflon es una marca registrada en Japón, otros países o ambos). El tanque de separación gas-líquido 72 usado tenía una altura de 1400 mm y un volumen de 1 m3.

La cantidad de líquido en cada tanque de separación gas-líquido 72 era de aproximadamente un 50 % del volumen de diseño.

La FIG. 3 ilustra esquemáticamente la dirección del flujo del electrolito en un dispositivo de electrólisis en un electrolizador bipolar de tipo cabecera interna usado para medir el voltaje de celda. Como se ilustra en la FIG. 3, cuando el elemento bipolar se ve en vista en planta, se hizo fluir el electrolito en la dirección desde las cabeceras de entrada hacia las cabeceras de salida en las proximidades del ánodo y del cátodo. En la sección transversal del electrolizador bipolar, se hizo fluir el electrolito en la dirección a lo largo de la pared divisoria (FIG. 4).

Se suministró una corriente desde el rectificador 74 al electrolizador bipolar 50 a densidades de corriente de 6 kA/m2 en las áreas geométricas del cátodo y del ánodo. La superficie del electrodo (superficie portadora de corriente) era de 500 mm * 500 mm y, por tanto, se proporcionó una corriente de 1,5 kA.

Se aplicó corriente continuamente durante 100 horas a una densidad de corriente de 6 kA/m2 en el dispositivo electrolítico anterior para realizar la electrólisis del agua. Se midieron los voltajes de las respectivas celdas y se calculó la media aritmética V de los voltajes de las celdas.

Los resultados de la evaluación de los Ejemplos B se enumeran en la Tabla 3.

Como se enumera en la Tabla 3, los electrolizadores bipolares de los Ejemplos B no presentaron incrementos en los voltajes de las celdas y presentaron rendimientos admisibles para los electrolizadores usados en entornos reales. Por el contrario, los voltajes de las celdas se incrementaron en los Ejemplos comparativos B, que no estaban dentro del intervalo admisible como electrolizadores para entornos reales.

Aplicabilidad industrial

De acuerdo con la presente divulgación, en la electrólisis de agua alcalina se suprime un incremento del voltaje de celda incluso en operaciones con fuentes de energía variable, tales como energías renovables, por ejemplo. La presente divulgación incrementa significativamente la densidad de corriente que se proporcionará a un dispositivo de electrólisis, incrementa el rendimiento de una instalación de electrólisis, lo que permite reducir el coste de construcción de las instalaciones de electrólisis y mejorar la huella.

Lista de signos de referencia

1 Pared divisoria

2 Electrodo

2a Ánodo

2c Cátodo

2e Cuerpo elástico conductor

2r Colector de corriente

3 Marco exterior

4 Membrana

5 Compartimento de electrodo

5a Ánodo

5c Cátodo

5i Entrada de electrolito

5o Salida de electrolito

5ai Entrada de electrolito del ánodo

5ao Salida de electrolito del ánodo

5ci Entrada de electrolito del cátodo

5co Salida de electrolito del cátodo

6 Rectificador de flujo (nervadura)

6a Rectificador de flujo del ánodo (nervadura del ánodo)

6c Rectificador de flujo del cátodo (nervadura del cátodo)

7 Empaquetadura

10 Cabecera

10ai Cabecera de entrada del ánodo

ao Cabecera de salida del ánodo

ci Cabecera de entrada del cátodo

co Cabecera de salida del cátodo

1 Cabecera interna

O Cabecera externa

Oai Cabecera de entrada del ánodo (manguera del lado de entrada del ánodo) Oao Cabecera de salida del ánodo (manguera del lado de salida del ánodo) Oci Cabecera de entrada del cátodo (manguera del lado de entrada del cátodo) Oco Cabecera de salida del cátodo (manguera del lado de salida del cátodo) Conducto

ai Tubo dispensador del ánodo

ao Tubo de recogida del ánodo

ci Tubo dispensador del cátodo

co Tubo de recogida del cátodo

Oai Tubo dispensador del ánodo

Oao Tubo de recogida del ánodo

Oci Tubo dispensador del cátodo

Oco Tubo de recogida del cátodo

Electrolizador bipolar

g Cabezal rápido, cabezal suelto

i Placa aislante

a Elemento terminal del ánodo

c Elemento terminal del cátodo

r Tirante

Elemento bipolar

Celda de electrólisis

Dispositivo de electrólisis

Bomba de tubo

Tanque de separación gas-líquido

h Tanque de separación de hidrógeno

o Tanque de separación de oxígeno

Rellenador de agua

Rectificador

75 Medidor de la concentración de oxígeno

76 Medidor de la concentración de hidrógeno

77 Medidor de flujo

78 Manómetro

79 Intercambiador de calor

80 Válvula de control de presión

D1 Dirección dada a lo largo de la pared divisoria (dirección del paso del electrolito)

A Longitud del compartimento de electrodo en la dirección dada a lo largo de la pared divisoria B Longitud del compartimento de electrodo en dirección ortogonal a la pared divisoria C Intervalo entre rectificadores de flujo

P Longitud longitudinal de la placa acrílica

Q Longitud lateral de la placa acrílica

R Grosor de la placa acrílica

Z Estructura "zero-gap"

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un electrolizador (50), que comprende:

una pluralidad de elementos (60) superpuestos entre sí con una membrana (4) interpuesta entre ellos, comprendiendo cada elemento un ánodo (2a), un cátodo (2c), una pared divisoria (1) que separa el ánodo (2a) del cátodo ( 2c), y un marco exterior (3) que bordea la pared divisoria (1), estando la membrana (4) en contacto con el ánodo (2a) y el cátodo (2c) para formar una estructura "zero-gap" (Z); y

una pluralidad de rectificadores de flujo (6) que se disponen para que sean paralelos entre sí en compartimentos de electrodo (5) para que sean paralelos a una dirección dada a lo largo de la pared divisoria (1), estando definido cada compartimento de electrodo (5) por la pared divisoria (1), el marco exterior (3) y la membrana (4),

en el que la longitud A del compartimento de electrodo (5) en la dirección dada es de 0,40 m o más y de 4,0 m o menos, una longitud B del compartimento de electrodo (5) en la dirección ortogonal a la pared divisoria (1) es de 0,0030 m o más y de 0,030 m o menos, y el intervalo C entre la pluralidad de rectificadores de flujo (6) es de 0,050 m o más y de 0,1 m o menos, y

en el que el área de sección transversal D del compartimento de electrodo (5) en el plano ortogonal a la dirección dada es de 0,00050 m2 o más y de 0,0050 m2 o menos, y el valor de {(2 * D) / (B C)} es de 0,015 m o más y de 0,050 m o menos.

2. El electrolizador (50) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que al menos una parte de los rectificadores de flujo (6) son conductores, y cada rectificador de flujo (6) está conectado física y eléctricamente al electrodo correspondiente.

3. El electrolizador (50) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en el que una empaquetadura (7) que tiene la membrana (4) está interpuesta entre los marcos exteriores (3) de elementos contiguos (60), teniendo la empaquetadura (7) un grosor de 3,0 mm a 10 mm, y un módulo elástico al 100% de deformación de 1,0 MPa a 10 MPa.

4. El electrolizador (50) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que se proporcionan un cuerpo elástico conductor (2e) y un colector de corriente entre el ánodo (2a) o el cátodo (2c) y la pared divisoria (1) de modo que el cuerpo elástico conductor (2e) está intercalado entre el ánodo (2a) o el cátodo (2c) y el colector de corriente.

5. Electrolizador (50) de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el cuerpo elástico conductor (2e) es una estera acolchada hecha de níquel.

6. El electrolizador (50) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que la pluralidad de elementos (60), cada uno de los cuales comprende el ánodo (2a) y el cátodo (2c), están superpuestos entre sí, teniendo la membrana (4) interpuesta entre ellos, siendo la membrana (4) una membrana porosa,

el electrolizador (50) comprende un complejo catódico que incluye el cátodo (2c) y un cuerpo elástico conductor (2e) y un colector de cátodo (2r) dispuesto en un lado del cátodo (2c) opuesto a la membrana (4), y/o un complejo de ánodo que incluye el ánodo (2a) y un cuerpo elástico conductor (2e) y un colector de ánodo dispuesto en un lado del ánodo (2a) opuesto a la membrana (4),

la distancia entre el ánodo (2a) y el colector de corriente catódica (2r) y/o una distancia entre el cátodo (2c) y el colector de corriente anódica son de 1,0 mm o más y de 6,0 mm o menos,

la densidad del cuerpo elástico conductor (2e) es de 0,1 g/cm3 o más y de 4,5 g/cm3 o menos, y

la presión superficial que se aplica entre la membrana (4) y el ánodo (2a) y/o el cátodo (2c) es de 8 kN/m2 o más y de 100 kN/m2 o menos en la estructura "zero-gap" Z.

7. El electrolizador (50) de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el cuerpo elástico conductor (2e) tiene un diámetro de alambre de 0,1 mm o más y de 0,5 mm o menos.

8. El electrolizador (50) de acuerdo con la reivindicación 6 o 7, en el que la membrana (4) tiene un tamaño de poro promedio de permeación de agua de 0,01 |jm o más y de 1,0 |jm o menos, y/o

en el que la membrana (4) tiene un grosor de 100 jm o más y de 600 jm o menos, y/o

en el que la membrana (4) tiene una proporción de apertura superficial de un 30%o más y de un 70%o menos.

9. El electrolizador (50) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 6-8, en el que se unen una pluralidad de nervaduras (6) para fijar el cátodo (2c) y el ánodo (2a), siendo el paso de las nervaduras (6) de 50 mm o más y de 150 mm o menos.

10. El electrolizador (50) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 6-9, en el que el área S1 de una superficie portadora de corriente del elemento (60) es de 0,1 m2 o más y de 10 m2 o menos.

11. El electrolizador (50) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 6-10, en el que el grosor 'd' del elemento es de 10 mm o más y de 100 mm o menos.

12. El electrolizador (50) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 6-11, en el que el electrolizador (50) tiene 50 o más y 500 o menos celdas de electrólisis.

13. Un dispositivo de electrólisis (70) que comprende:

el electrolizador (50) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-12;

una bomba de tubo (71) configurada para hacer circular un electrolito;

un tanque de separación gas-líquido (72) configurado para separar el hidrógeno y/u oxígeno del electrolito; y

un rellenador de agua (73) configurado para reponer el agua.

14. Un procedimiento de electrólisis de agua que comprende:

realizar la electrólisis usando el dispositivo de electrólisis (70) de acuerdo con la reivindicación 13 haciendo circular un electrolito de modo que el número de Reynolds del electrolito calculado a partir de la siguiente fórmula (1) sea de 10 a 1800:

Fórmula (1): Re = Q / (número de rectificadores de flujo (6) por cada compartimento de electrodo (5)

1 )x{(2x D )/(B C )}/(vxD ),

donde Q es el caudal (m3/segundo) del electrolito por cada compartimento de electrodo (5) y v es la viscosidad cinemática (m2/segundo) del electrolito.

15. El procedimiento de electrólisis del agua de acuerdo con la reivindicación 14, en el que la temperatura del electrolito en el electrolizador (50) es de 80 °C a 130 °C.

16. Un procedimiento de producción de hidrógeno para producir hidrógeno electrolizando agua que contiene un álcali en el electrolizador (50) como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1-12.