ES1300240U - Dispositivo generador de hidrógeno - Google Patents

Abstract

Dispositivo generador de hidrógeno, que siendo del tipo de los constituidos a partir de una pareja de placas paralelas ((9),(9')), entre las que se disponen una pluralidad de placas bipolares (2) determinantes de celdas, formando una estructura tipo sándwich, conjunto que se alimenta eléctricamente a través de una pareja de bornes ((10),(10')), y estando esta estructura tipo sándwich así como las placas paralelas ((9),(9')) afectada de orificios enfrentados para paso de varillas (5) de apriete del conjunto, está caracterizado por que presenta unas tuercas perforadas (4) de forma que cada tuerca perforada (4) está roscada en la extremidad de una varilla (5) de apriete en, al menos, una de las placas paralelas ((9), (9')) del dispositivo, y donde el dispositivo generador de hidrógeno está provisto de unos hilos de alambre metálico (7) rígido que vinculan a una pareja de tuercas a través de sus perforaciones, de forma que un extremo del hilo de alambre metálico (7) rígido está abrazado a una de las tuercas de la pareja en el sentido de apriete y el extremo opuesto está abrazado a la otra tuerca de la pareja en el sentido de apriete.

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo generador de hidrógeno

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se refiere a un dispositivo generador de hidrógeno - entendido como el núcleo o conjunto de celdas de un electrolizador - de tipo PEM (siglas en inglés de Proton Exchange Membrane o membrana polimérica protónica).

De forma más concreta, la esencia de la invención se centra en el mecanismo que impide que la presión ejercida por las varillas o pernos y arandelas sobre las diferentes celdas del núcleo del electrolizador pueda disminuir con el uso, de forma que las vibraciones del entorno afecten al conjunto, con las consecuentes pérdidas del hidrógeno generado.

El objeto de la invención es por tanto evitar pérdidas de eficiencia y fugas de hidrógeno con el tiempo y, opcionalmente, permitir la posibilidad de aplicar vibración mecánica localizada y selectiva a dicho núcleo para mejorar la eficiencia del conjunto.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Como consecuencia del grave problema medioambiental actual, unido a la gran crisis energética, las diferentes tecnologías de generación de hidrógeno verde y su desarrollo han tomado especial importancia, ya que éstas permiten crear un combustible totalmente libre de emisiones válido como vector energético sostenible.

Existen diferentes métodos para la generación de hidrógeno, sin embargo, no todos tienen una emisión nula de gases de efecto invernadero. Hoy en día la electrólisis del agua se presenta como el método a seguir para la producción de hidrógeno totalmente libre de emisiones. Existen diferentes técnicas para llevar a cabo esta producción, siendo la más utilizadas hoy en día la electrólisis alcalina y la electrólisis de tipo PEM (membrana de intercambio de protones). En los dispositivos de electrólisis tipo PEM, en adelante, electrolizador PEM, se da, por un lado, el inconveniente de las pérdidas de eficiencia asociadas a las vibraciones a las que puede estar sometido el electrolizador; y por otro, el problema de la acumulación de microburbujas en el interior que afectan negativamente al rendimiento.

Se han publicado numerosos estudios sobre los efectos negativos que tienen las vibraciones sobre el funcionamiento de la tecnología de electrólisis tipo PEM. A continuación, se mencionan algunos de ellos, en los que se exponen los resultados de estudios teóricos y experimentales sobre pilas de combustible PEM, con conceptos mecánicos iguales a los electrolizadores PEM:

- Effect of Vibrations on Performance of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (4th International Conference on Advances in Energy Research 2013, ICAER 2013)

- EFFECT OF VIBRATION ON THE LIQUID WATER TRANSPORT OF PEM FUEL CELLS (2009 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition)

- Vibration tests on a PEM fuel cell stack usable in transportation application (Centre for Fuel cell Technology (ARCI))

En los estudios anteriormente citados se puede comprobar que el principal efecto negativo derivado de las vibraciones externas es la pérdida de par de apriete en los pernos o varillas que mantienen unidas las diferentes celdas de electrólisis que componen el núcleo del electrolizador. Con el tiempo, la pérdida de este par conlleva una disminución en la presión ejercida tanto en los elementos de sellado como en la propia membrana o celda, lo que se traduce en una disminución de la eficiencia de la reacción y la aparición de fugas de hidrógeno al exterior. Estas fugas no solo implican una pérdida de combustible en términos de energía, si no que conllevan un alto riesgo de seguridad, al ser el hidrógeno un gas muy inflamable en contacto con el oxígeno del aire. Estos mismos efectos negativos son extrapolables a los electrolizadores PEM.

Hasta la fecha, en las uniones de las celdas, con el fin de evitar este desapriete ocasionado por vibraciones, se han utilizado diferentes elementos de fijación antivibración, siendo lo más comunes:

- Tuercas autoblocantes (DIN 985): tuercas con nylon que absorben las vibraciones y mitigan su efecto.

- Arandelas anti vibración (DIN 6798A, DIN 6798 V, DIN 127B, etc.): arandelas que hacen efecto muelle al apretarse ejerciendo presión extra que dificulta la disminución del par de apriete con el tiempo.

Sin embargo, estos componentes, aunque mitigan el efecto negativo de las vibraciones, no lo eliminan por completo y requieren de mantenimiento y reapriete periódicos. Por ello, el solicitante de la presente invención detecta la necesidad de ofrecer un dispositivo que elimine el efecto negativo de las vibraciones externas, asegurando una presión uniforme y estanqueidad durante la vida útil del dispositivo.

Una vez eliminada esta problemática, cobra sentido la aplicación de vibraciones localizadas a algunos elementos de la celda, con el objetivo de favorecer la eliminación de microburbujas que se generan en el interior y poder así evitar que se disminuya la superficie activa de la membrana y catalizadores donde tiene lugar la reacción.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El dispositivo generador de hidrógeno protegido contra vibración que se preconiza resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta, en base a una solución sencilla pero sumamente eficaz.

Para ello, la esencia de la invención radica en el uso de tuercas y racores perforados frenados con hilos de alambre metálico que impiden el movimiento de éstos, y por tanto su desapriete.

De forma más concreta, la invención parte de la estructuración convencional de este tipo de equipos, que se componen de un número de placas bipolares determinantes de celdas de electrólisis, unidas entre sí mediante una configuración de ensamblaje tipo sándwich entre dos placas paralelas. Esta estructura tipo sándwich así como las placas paralelas están afectas de orificios enfrentados para el paso de varillas de apriete del conjunto. Por otro lado, entre cada una de las celdas debe instalarse una lámina o junta de un material sellante que asegure que no existen prácticamente fugas de hidrógeno al exterior del equipo. Estas juntas requieren de una fuerte presión, ejercida por las placas bipolares del dispositivo, para que puedan comprimirse y hacer su función.

Además, esta presión es la que mantiene unido todo el núcleo de celdas y asegura un buen contacto de las placas bipolares con la membrana donde se sitúan los catalizadores que favorecen la reacción. Por tanto, es imprescindible para el correcto funcionamiento del electrolizador, que la tornillería que aplica esta presión (pernos o varillas de apriete, tuercas y arandelas) estén bien fijadas y no puedan perder su fuerza de apriete con el tiempo.

De acuerdo ya con la invención, el dispositivo, incorpora unas tuercas perforadas que se disponen en al menos uno de los extremos de las varillas de apriete, de forma que una vez apretadas las tuercas con el par de apriete necesario, se bloquean haciendo uso de un hilo de alambre metálico, generalmente acero inoxidable. Así, en al menos una de las dos placas paralelas entre las que se dispone el núcleo de celdas, cada pareja de tuercas se encuentra vinculada por un hilo de alambre metálico rígido que se introduce en las perforaciones de las tuercas, de forma que un extremo del hilo de alambre está abrazado a una de las tuercas de la pareja en el sentido de apriete, mientras que el otro extremo del hilo de alambre está abrazado a la otra tuerca de la pareja en el sentido de apriete (definiendo una forma de “S” ya que los extremos del hilo se vinculan a las tuercas por puntos opuestos y pasando entre ellas), haciendo que cada tuerca de la pareja bloquee el movimiento de la otra.

El bloqueo se puede llevar a cabo de distintas maneras, de acuerdo a distintos modos de realización de la invención.

Se dispone de un número par de tuercas perforadas asociadas por parejas a un alambre para su bloqueo, de manera que cuando una de ellas tiende a aflojarse, se produce una tensión en el alambre que genera unefecto de apriete en la otra tuerca perforada asociada mediante el alambre. Al ser un alambre rígido, esto evita que ninguna de las tuercas perforadas pueda moverse evitando por completo su afloje.

Obligatoriamente, cada tuerca perforada debe ir asociada a otra tuerca mediante el alambre, por ello el número de varillas, y por consiguiente el número de tuercas, debe ser par.

Paralelamente se ha previsto que, si el racor de entrada/salida de agua/hidrógeno es roscado, este deberá ir también vinculado a otro elemento, tal como una tuerca de la varilla adyacente, mediante alambre para evitar su rotación.

Estas tuercas perforadas se montan con unas arandelas planas de ala ancha que permiten distribuir de manera más uniforme la presión.

De acuerdo con una variante de realización de la invención, en electrolizadores donde el número de celdas sea muy reducido y por tanto el ancho del núcleo lo permita, se hará uso de varillas rematadas en cabezas hexagonales o tornillos de cabeza hexagonal, agujereados de forma similar a las tuercas y bloqueados por pares con alambre. En este ejemplo de realización, las cabezas hexagonales encajan en ventanas o huecos mecanizados en una de las placas paralelas, de forma que se impide el giro de las varillas o tornillos, y por tanto su desapriete.

Como alternativa, para facilitar la fabricación, también se puede hacer uso de tuercas perforadas a los dos lados del dispositivo, todas ellas frenadas mediante alambres.

De acuerdo con otra de las características de la invención, se ha previsto que el sistema cuente opcionalmente con uno o varios dispositivos de vibración mecánica para la aplicación de vibración localizada y selectiva. Estos podrán ir colocados en cada una de las placas bipolares en pestañas habilitadas para ello, o bien en otras piezas adaptadas para ello y unidas al dispositivo.

Mediante esta vibración localizada se pretende favorecer la eliminación de microburbujas del hidrógeno/oxígeno generados en el proceso de electrólisis del agua, microburbujas localizadas en cada una de las celdas, consiguiéndose de esta forma elevar la eficiencia global del electrolizador.

En tal sentido cabe destacar que los dispositivos de vibración tienen un consumo eléctrico insignificante en comparación con la potencia consumida por el electrolizador.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de planos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- Muestra una vista en perspectiva de un dispositivo generador de hidrógeno realizado de acuerdo con el objeto de la presente invención.

La figura 2.- Muestra una vista en alzado frontal del dispositivo de la figura anterior.

La figura 3.- Muestra un detalle en perspectiva del dispositivo de las figuras anteriores a nivel de una pareja de tuercas.

La figura 4.- Muestra una vista en perspectiva de una variante de realización de la invención, en la que participan varillas rematadas por uno de sus extremos en cabezas hexagonales, que encajan en ventanas mecanizadas de una de las placas del dispositivo.

La figura 5.- Muestra una vista en alzado frontal del dispositivo de la figura anterior.

La figura 6.- Muestra un detalle en perspectiva del dispositivo de la figura anterior, a nivel de uno de los racores de entrada/salida del dispositivo.

La figura 7.- Muestra una vista en perfil del dispositivo de las figuras 4 a 6.

La figura 8.- Muestra, finalmente, un detalle ampliado de la sección B que se representa en la figura 7.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las figuras reseñadas, puede observarse cómo el dispositivo de la invención se constituye, como es convencional, a partir de una pareja de placas paralelas [(9),(9’)], entre las que se disponen una pluralidad de placas bipolares (2) determinantes de celdas, formando una estructura tipo sándwich, placas bipolares (2) o celdas entre las que se instala una lámina o junta de un material sellante, conjunto que se alimenta eléctricamente a través de una pareja de bornes [(10),(10’)] estando esta estructura tipo sándwich así como las placas paralelas [(9),(9’)] afectada de orificios enfrentados para paso de la habitual tornillería (varillas (5), pernos o tornillos y arandelas) para aplicar presión al conjunto. El dispositivo presenta unas tuercas perforadas (4) roscadas en la extremidad de una varilla (5) de apriete en, al menos, una de las placas paralelas [(9),(9’)], así como unos hilos de alambre metálico (7) rígido que vinculan las tuercas perforadas (4) por parejas a través de sus perforaciones.

Pues bien, de acuerdo ya con una primera variante de realización de la invención, se ha previsto que los extremos de las varillas (5) pasantes por los orificios previstos en el conjunto formado por las placas bipolares (2) y ambas placas paralelas [(9),(9’)] extremas, se vinculen a las tuercas perforadas (4) que, una vez apretadas con el par de apriete necesario, se bloquean haciendo paso a través de dichas perforaciones del hilo de alambre metálico (7) rígido, preferentemente de acero inoxidable, de manera que un extremo del hilo de alambre metálico (7) rígido está abrazado a una de las tuercas (4) de la pareja en el sentido de apriete, mientras que el extremo opuesto del hilo de alambre metálico (7) está abrazado a la otra tuerca (4) de la pareja en sentido de apriete (formando el hilo de alambre metálico (7) una “S” entre dos tuercas (4) tal como se observa en las figuras 1,2 y 3).

De esta forma, la vinculación entre tuercas perforadas (4), se hará preferentemente desde puntos opuestos de una y otra tuerca (4), de manera que como se puede observar en el detalle de la figura 3, esto provoca que cuando una de las tuercas (4) tienda a aflojarse, se produce una tensión en el hilo de alambre metálico (7) que genera un efecto de apriete en la tuerca perforada (4) complementaria a la que está vinculada, al transmitirse la tensión por su zona opuesta, de manera que al ser un elemento rígido se evita que ninguna de las tuercas perforadas (4) pueda moverse, impidiendo por tanto su afloje.

Tal y como se ha dicho anteriormente, este sencillo pero muy efectivo sistema es igualmente aplicable a los racores de entrada/salida (1) cuando estos son roscados y ajustables mediante tuercas (13), en cuyo caso la tuerca (13) empleada estará igualmente afectada de orificios para paso del correspondiente hilo de alambre metálico (7) rígido que vinculará al racor (1) con una de las tuercas perforadas (4) adyacentes al mismo, tal y como se observa en las figuras 1 y 2. Así, un extremo del hilo de alambre metálico (7) rígido está abrazado a la tuerca (13) en el sentido de apriete, mientras que el otro extremo está abrazado a la tuerca (4) adyacente al racor (1) en el sentido de apriete.

De acuerdo con la variante de realización mostrada en las figuras 4 a 8, cuando el ancho del núcleo lo permita, es posible prescindir de las tuercas perforadas (4) asociadas a una de las placas (9’), de modo que sobre una de las placas (9) se disponen las tuercas perforadas (4) roscadas, así como los hilos de alambre metálico (7) que las vinculan por parejas, habiéndose previsto que las varillas (5) de apriete en este caso se rematen en cabezas hexagonales (11) que encajan sin posibilidad de giro en ventanas (12) previstas sobre la correspondiente placa (9’), es decir la placa opuesta a la placa (9).

En este caso, la tuerca (13) del racor (1) de la placa (9’) se vincula mediante el hilo de alambre metálico (7) a una protuberancia (6) presente en la cabeza hexagonal (11) de una de las varillas (5) adyacentes al racor (1), de forma que un externo del hilo de alambre metálico (7) rígido está abrazado a la tuerca (13) en el sentido de apriete y el extremo opuesto está abrazado a la protuberancia (6) de la cabeza hexagonal (11) en el sentido de apriete, tal como muestra la figura 6.

De acuerdo con lo que se representa en la figura 7, a los extremos libres de estas varillas (5) de cabeza hexagonal (11) y en correspondencia con la placa (9) opuesta se vincularán las correspondientes parejas de tuercas perforadas (4) y alambres metálicos (7) de forma análoga a como se ha descrito para la variante de realización de las figuras 1 a 3.

Solo resta señalar por último que, para mejorar la eficiencia del dispositivo, se ha previsto que en el mismo se apliquen uno o varios dispositivos de vibración mecánica (3), como por ejemplo colocados en cada una de las placas bipolares (2) en pestañas (8) habilitadas para ello y observables en detalle en la figura 8, o bien en otras piezas adaptadas para ello y unidas al dispositivo, lo que permite hacer vibrar únicamente las celdas de forma controlada, y de esta forma ayudar a desprender la práctica totalidad de las burbujas formadas sobre la superficie de cada celda, de manera que no se pierda superficie de reacción por el espacio que ocupan las burbujas.

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1§.- Dispositivo generador de hidrógeno, que siendo del tipo de los constituidos a partir de una pareja de placas paralelas [(9),(9’)], entre las que se disponen una pluralidad de placas bipolares (2) determinantes de celdas, formando una estructura tipo sándwich, conjunto que se alimenta eléctricamente a través de una pareja de bornes [(10),(10’)], y estando esta estructura tipo sándwich así como las placas paralelas [(9),(9’)] afectada de orificios enfrentados para paso de varillas (5) de apriete del conjunto, está caracterizado por que presenta unas tuercas perforadas (4) de forma que cada tuerca perforada (4) está roscada en la extremidad de una varilla (5) de apriete en, al menos, una de las placas paralelas [(9), (9’)] del dispositivo, y donde el dispositivo generador de hidrógeno está provisto de unos hilos de alambre metálico (7) rígido que vinculan a una pareja de tuercas a través de sus perforaciones, de forma que un extremo del hilo de alambre metálico (7) rígido está abrazado a una de las tuercas de la pareja en el sentido de apriete y el extremo opuesto está abrazado a la otra tuerca de la pareja en el sentido de apriete.

2§.- Dispositivo generador de hidrógeno, según reivindicación 1§, caracterizado por que las tuercas perforadas (4) así como los hilos de alambre metálico (7) rígido que las vinculan por parejas se disponen roscadas sobre ambas placas [(9),(9’)] del dispositivo, en correspondencia con los extremos de las varillas (5) de apriete.

3§.- Dispositivo generador de hidrógeno, según reivindicación 1§, caracterizado por que las tuercas perforadas (4) así como los hilos de alambre metálico (7) que las vinculan por parejas se disponen roscadas sobre una de las placas (9) del dispositivo; habiéndose previsto que las varillas (5) de apriete se rematen en cabezas hexagonales (11) que encajan sin posibilidad de giro en ventanas (12) previstas sobre la correspondiente placa (9’), opuesta a la placa (9).

4§.- Dispositivo generador de hidrógeno, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que presenta racores (1) de entrada/salida roscados y ajustables mediante tuercas (13), de forma que un hilo de alambre metálico (7) rígido vincula al racor (1) con la tuerca perforada (4) adyacente o con una protuberancia (6) presente en la cabeza hexagonal (11) de una de las varillas (5) adyacentes al racor (1), de forma que un extremo del hilo de alambre metálico (7) rígido está abrazado a la tuerca (13) en el sentido de apriete y el extremo opuesto está abrazado a la tuerca (4) o a la protuberancia (6) de la cabeza hexagonal (11) en el sentido de apriete.

5§.- Dispositivo generador de hidrógeno, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que está provisto de, al menos, un dispositivo de vibración mecánica (3).

6§.- Dispositivo generador de hidrógeno, según reivindicación 5§, caracterizado por que el dispositivo de vibración mecánica (3) está dispuesto en una pestaña (8) ubicada en alguna de las placas bipolares (2).