ELECTRÓLISIS Y PROCEDIMIENTOS DE MINIMIZACIÓN DE LA DEGRADACIÓN DEL STACK Y MÁXIMA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO

CON DICHO SISTEMA

DESCRIPCIÓN

OBJETO DE LA INVENCIÓN Es objeto de la presente invención, tal y como el título de la invención establece, un sistema para la monitorización y control de un Stack o apilamiento de celdas para electrólisis. El término Stack para los electrolizadores es un término reconocido en el sector y es el término que emplearemos a lo largo de la memoria.

Dicho sistema permite aplicar dos procedimientos, uno de ellos para minimizar la degradación del Stack y otro para lograr la máxima producción de hidrógeno con tan solo variar los parámetros de control del sistema. Caracteriza a la presente invención el hecho de contar con varios lazos de control y medios para controlar la densidad de corriente de manera que un usuario final pueda elegir dos modos de operación diferentes en función de las necesidades que tenga en ese momento, y todo ello con el mismo sistema de monitorización y control.

Por lo tanto, la presente invención se circunscribe dentro del ámbito de los medios de control y de los Stacks de electrólisis.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los Stacks PEM (Polymer Electrolyte Membrane), para la producción de hidrógeno, rara vez fallan de manera catastrófica, más bien suelen "morir" lentamente. La vida de los Stacks suele expresarse como una degradación aceptable de la eficiencia en μν/h, aunque es muy extraño encontrarlo en las hojas técnicas de los fabricantes. Una degradación lineal de 1 μν/h, por ejemplo, se traduce en un consumo eléctrico adicional de aproximadamente 2 kWh/kg H2 producido después de 60.000 horas de operación continua. La literatura establece que la degradación del Stack depende de numerosos factores como son el ΔΤ al que se somete el Stack, la densidad de corriente o la conductividad del agua que circula a través del mismo.

En el estado de la técnica se conocen diferentes documentos que buscan establecer un modelo para la degradación de un Stack en función de diferentes parámetros.

- Durable Membrane Electrode Assemblies for Protón Exchange Membrane Electrolyzer Systems Operating at High Current Densities P.Lettenmeier, R. Wang, R.Abouatallah, S.Helmly et al.

- Fuel cell micro-CHP techno-economics: Part 2 - Model application to consider the economic and environmental impact of stack degradation A.D. Hawkes, D.J.L. Brett, N.P. Brandon.

- A model for solid oxide fuel cell (SOFC) stack degradation

Añil V. Virkar.

- US2008292927 que busca un cátodo controlable en cuanto a su humedad con objeto de prevenir la degradación debido a la sequedad del cátodo. Sin embargo, ninguno de los documentos anteriores permite a un usuario poder seleccionar unos valores de los parámetros de control de un Stack de manera que pueda elegir entre establecer un procedimiento de funcionamiento, que permita minimizar la degradación de un Stack, o bien elegir un procedimiento de funcionamiento que permita la máxima producción de hidrógeno, y todo ello con el mismo sistema y medios dispuestos, desarrollando un sistema y procedimientos como los que a continuación se describen. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Es objeto de la presente invención un sistema que permite la monitorización y control de un Stack, además de poder establecer dos procedimientos de funcionamiento con dicho sistema que permiten a un usuano elegir entre un modo de funcionamiento que minimiza la degradación del Stack, o un modo de funcionamiento que permite la máxima producción de hidrógeno.

Los parámetros que intervienen en el funcionamiento, rendimiento y duración de un Stack son:

- La temperatura: un aumento de temperatura es beneficioso desde un punto de vista termodinámico ya que reduce la electricidad requerida pues a mayor temperatura de operación más energía térmica demanda el proceso endotérmico y menos electricidad (trabajo). El problema es que las membranas no aguantan temperaturas superiores a 70°C.

- La densidad de corriente, ya que al trabajar a mayor densidad de corriente el Stack se degrada más rápidamente presentando entonces una menor eficiencia y un mayor consumo de electricidad para producir la misma proporción de hidrógeno.

- La calidad del agua de recirculación, en particular su conductividad, ya que cuanto mayor sea mayor es la degradación del Stack.

También otro factor importante que se ha de tener en cuenta para valorar el funcionamiento del Stack es la diferencia de temperatura entre la salida y entrada del Stack, de manera que no se debe superar un determinado gradiente sino se quiere acelerar la degradación del mismo.

Gracias a la combinación simultánea de control de todas las anteriores variables (temperatura a la entrada del Stack, diferencia de temperatura entre la salida y entrada del Stack, conductividad del agua y densidad de corriente) y en función de los parámetros de control que se establezcan, se pueden conseguir diferentes modos de funcionamiento; un primer modo que busca minimizar la degradación del Stack, y una segunda forma de funcionamiento que busca maximizar la producción de hidrógeno, todo ello con el mismo sistema implementado y tan solo cambiando los parámetros de control. El control de la temperatura a la entrada del Stack, la diferencia de temperatura entre la salida y entrada del Stack, y la conductividad del agua se realiza mediante lazos de control independientes asociados con los medidores, transmisores y actuadores necesarios. En general, se suele actuar sobre un variador de frecuencia que modifica la velocidad de un ventilador, en el caso de la temperatura de entrada del Stack, de una bomba en el caso de la diferencia de temperatura entre la salida y entrada del Stack y de otra bomba de circulación para el control de la conductividad del agua.

Salvo que se indique lo contrario, todos los elementos técnicos y científicos usados en la presente memoria poseen el significado que habitualmente entiende un experto normal en la técnica a la que pertenece esta invención. En la práctica de la presente invención se pueden usar procedimientos y materiales similares o equivalentes a los descritos en la memoria.

A lo largo de la descripción y de las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus vanantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. EXPLICACION DE LAS FIGURAS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: En la figura 1 , podemos observar una representación de un primer lazo de control encargado de que la temperatura a la entrada del Stack no supere una determinada temperatura. En la figura 2, podemos observar un segundo lazo de control que buscan controlar que la diferencia de temperatura entre la salida del ánodo del Stack y la entrada no sea superior a un determinado valor.

En la figura 3, se muestra un tercer lazo de control que busca que la conductividad del agua esté dentro de unos determinados valores.

En la figura 4, se muestra una representación general del sistema de monitorización y control del Stack de electrólisis. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN.

A la vista de las figuras se describe seguidamente un modo de realización preferente de la invención propuesta. En la figura 1 podemos observar un primer lazo de control (2) de un Stack (1 ) de un electrolizador que busca controlar que la temperatura de entrada al Stack no supere una determinada temperatura y que comprende un primer medidor y transmisor (3) de la temperatura (T1 ) que mediante un primer controlador de temperatura (17) actuará sobre un variador de frecuencia (no representado) de un ventilador (4) asociado a un intercambiador de calor (5) montado en serie con la entrada al Stack (1 ).

En la figura 2 podemos observar un segundo lazo de control (6) que busca que la diferencia de temperatura entre la salida del Stack y la entrada no sea superior a un determinado valor, este segundo lazo de control (6) comprende un segundo medidor y transmisor (7) de temperatura (T2) montado a la salida del Stack (1 ), el primer medidor y transmisor (3) de temperatura (T1 ) montado a la entrada del Stack, un segundo controlador de temperatura (18) al que están conectados los medidores y transmisores (7) y (3) de temperatura y cuya salida está conectada con un vanador de frecuencia (9) de una primera bomba (10) dispuesta a la entrada del Stack.

En la figura 3 se muestra un tercer lazo de control (15) que controla la calidad del agua de recirculación, en particular la conductividad, y que comprende un medidor y transmisor (13) de la conductividad del agua a la salida de un tanque (1 1 )y que dicho medidor y transmisor (13) está conectado a un controlador de conductividad (19) que actúa sobre un segundo vanador de frecuencia (16) de una segunda bomba (12), de manera que se modifique el caudal de agua que pasa por unas resinas (14) (figura 4), las cuales hacen que disminuya la conductividad a mayor caudal de agua. El objetivo de este tercer lazo de control es el de que la conductividad del agua desionizada a la entrada del Stack no supere un determinado valor durante la operación normal.

En la figura 4 se muestra el esquema general donde se pueden apreciar:

- el primer lazo de control (2), encargado de que la temperatura a la entrada del Stack no supere una determinada temperatura.

- el segundo lazo de control (6), encargado de que la diferencia de temperatura entre la salida y entrada del Stack no supere un determinado valor.

- el tercer lazo de control (15), encargado de que la conductividad del agua no supere un determinado valor.

También cabe destacar la presencia de un separador de hidrógeno (20) conectado a la salida del Stack (1 ) y con el tanque de agua (1 1 ). El hidrógeno procedente del separador (20) circula a través de un enfriador (21 ) y a continuación, por un sistema de purificación (22). Adicionalmente, el Stack (1 ) está alimentado eléctricamente desde un rectificador (23). Este sistema descrito permite realizar dos procedimientos de operación diferentes:

- un primer procedimiento que busca la minimización de la degradación del Stack que trabaja de forma automática en el punto de menor degradación del Stack, siendo los valores de control de los diferentes lazos de control del sistema los siguientes:

- primer lazo, que busca que la temperatura de entrada al Stack no supere los 65°C.

- segundo lazo, que busca controlar que la diferencia de temperatura entre la salida y entrada del Stack no supere los 5°C.

- tercer lazo, que busca que la conductividad del agua desionizada no supere a la entrada del Stack 0, 1 pS/cm durante la operación normal.

- por otro lado, se controla que la densidad de corriente aplicada al Stack esté dentro de los valores dados por el fabricante, es decir, que el Stack trabaje siempre entre el 10% y un 100% de la carga.

Este modo de operación es el mayoritariamente usado en todos los electrolizadores PEM del mercado y es el recomendado por el fabricante para una operación normal, ya que el Stack será más longevo y, por lo tanto, los costes de reemplazo serán menores.

- un segundo procedimiento que busca y garantiza la máxima producción de hidrógeno, siendo los valores de control de los diferentes lazos de control del sistema los siguientes:

- El primer lazo establecerá un valor de control de la temperatura tal que la temperatura a la entrada del Stack no supere los 70°C. - El segundo lazo de control controla que la diferencia de temperatura entre la salida y la entrada del Stack no supere los 6°C.

- El tercer lazo de control establece como valor máximo de la conductividad del agua 0,2 pS/cm más de 5 minutos.

- En cuanto a la densidad de corriente, se fijará de manera que el Stack siempre trabaje al 100% para producir la máxima cantidad de hidrógeno. Este modo de operación es muy útil de manera puntual en el caso en el que el precio de la energía eléctrica (€/kWh) sea muy bajo y se requiera producir grandes cantidades de hidrógeno de forma muy económica.

Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, se hace constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba, siempre que no altere, cambie o modifique su principio fundamental.