BR102013013857A2 - ozonizador eletroquímico e gerador de hidrogênio - Google Patents

Abstract

"ozonlzador eletroquim|co- e gerador de hidrogenio", onde 0 ozonizador eletroquimicocompreende pelo menos uma célula, cada consistindo em uménodo, um cétodo e uma érea total interposta, membrana decondugao de cétion que é quimicamente estével ao ozénio comoum eletrélito sélido, é caracterizado pelo fato de que a membranaconecta de forma condutiva 0 énodo e 0 cétodo enquanto forma oscanais de fluxo para a égua que séo separados entre si comocémaras de énodo e cétodo.

Description

OZONIZADOR ELETROQUÍMICO E GERADOR DE HIDROGÊNIO" Sob um primeiro aspecto, a presente invenção refere-se à estrutura de um ozonizador eletroquímico que consiste em ânodo, cátodo e membrana de área total disposta entre os mesmos. Uma célula com uma câmara dual ativa, consistindo em câmara de ânodo e câmara de cátodo, pode aqui ser formada por contato direto, e as camadas adicionais também podem ser criadas ao inserir camadas de eletrodo condutivas interpostas como camadas ativas por eletrólise com potenciais escalonados de voltagem. Os espaços intermediários são formados por elementos de membrana de área total que são somente condutivos para prótons, íons de hidrogênio positivamente carregados H+ e íons de ozônio correspondentes H30+. Esses elementos de membrana estabelecem uma conexão condutiva por cátion entre os eletrodos, e garantem condições muito distintas de fluxo. Os elementos de membrana são representados por um eletrólito sólido tendo canais de fluxo modelados, que, como o condutor de próton é condutivo a uma reação eletroquímica.

Um segundo aspecto da invenção refere-se à estrutura de um gerador de hidrogênio ou uma célula de combustível, respectivamente, com um modo de operação reversível. A geração de ozônio eletroquímica na água é com base em dois fatores essenciais: 1. Excesso de OH’ no ânodo e deficiência de H+ ou H30 2. Superfície catalítica no ânodo, em que 03 é formado e não 02 conhecido: dióxido de chumbo PB02/camada de diamante cristalina dopada por boro BDD/... isso resulta em uma reação estável, onde o ozônio é formado no ânodo: As reações intermediárias que ocorrem por catalisador escondidas da vista na superfície do ânodo serão aqui mencionadas parcialmente: Os produtos de hidrogênio e intermediários são produzidos no cátodo: Os depósitos de dureza também ocorrem na presença dos agentes de produção de dureza na água.

Os ozonizadores eletrolíticos que foram até agora conhecidos no setor de água pura operam com eletrodos porosos, ou eletrodos não-estanques, que são normalmente implementados como metais expandidos. Esses são grampeados contra o outro com um eletrólito sólido com a camada ativa de forma eletroquímica, normalmente camada de carbono semelhante a diamante DLC que é produzida por deposição de vapor químico CVD ou deposição de vapor físico PVD e que é condutiva, normalmente a camada de diamante dopada por boro BDD. Ver DE29504323 UI, DE19606606 C2, DE 10025167 B4, DE20318754 U1 eDE 102004015680A1.

Uma membrana de condução de cátion que é quimicamente estável com relação ao ozônio, preferivelmente uma membrana sulfonada de tetrafluoroetileno (PTFE), p.ex., uma membrana DuPont Nafion PFSA, é usada como o eletrólito sólido.

Essa membrana de eletrólito sólido é firmemente grampeada entre os eletrodos.

Consequentemente, as aplicações de água ultrapura possuem a desvantagem que o fluxo não atinge ordenadamente a camada de ânodo que é quimicamente ativa para geração de ozônio, pois os próprios eletrodos estão em contato direto com o eletrólito sólido e apresentam um obstáculo. Isso impede uma remoção ordenada do produto de reação, aqui ozônio 03, e age contra a reação.

Além do mais, o campo de condução elétrica somente é operativo entre as membranas, e a parte predominante dos produtos de início de reação, da água, está assim na área mais fraca do campo elétrico que é, entretanto, separado pela área de placa neutra do campo elétrico forte na superfície efetiva designada à membrana. Isso é mostrado na Fig. 1 na parte esquerda.

Além do mais, a fixação necessária dos eletrodos, na maior parte implantados via uma conexão de parafuso, é particularmente complexa, pois isso é realizado em pares e exige penetrações dos eletrodos.

Os eletrodos são fixados em uma distância quando usados no setor de água suja.

Consequentemente, embora o campo elétrico totalmente atue sobre a água, o processo eletroquímico é ativado e mantido por voltagens superiores devido à distância relativamente grande. A desvantagem é aqui que o espaço intermediário formado pelo eletrólito entre os eletrodos deve ser superado com a voltagem superior exigida. t Neste caso, também, a fixação dos eletrodos é muito complexa.

De acordo com a invenção, uma estrutura celular é sugerida, que organiza o eletrólito sólido de modo que o referido eletrólito conecta de forma condutiva os eletrodos planares, porém simultaneamente representa os canais de fluxo e separa a câmara de ânodo e a câmara de cátodo entre si sobre toda a área. O campo elétrico é assim mantido até as superfícies efetivas, resultando em uma eficiência muito alta.

Uma estrutura esquemática é mostrada na Fig. 1.

Preferivelmente, o material transportador dos eletrodos planares consiste em nióbio que é revestido com uma camada de diamante dopada por boro.

Para obter membranas com um alto rendimento de ozônio junto com uma longa vida útil de serviço, o ácido polisulfônico fluorado (PFSA) mostrou ser um material útil de base de membrana.

Entretanto, para aumentar a vida útil de serviço da membrana, substâncias adicionais, p.ex., montmorilonita, e/ou também ceróxido, e/ou também óxido de manganês, devem ser adicionadas em forma de pó em uma razão de cerca de 2% à substância de base de membrana preferivelmente granulada PFSA. A montmorilonita, entre outros, melhora a absorção de água dentro da membrana e assim reduz a gradiente de concentração; o ceróxido e óxido de manganês aumentam a resistência à oxidação da membrana ao ozônio.

As medições demonstraram que rendimentos de muita alta potência são possíveis.

Uma densidade de embalagem muito alta é atingida ao mesmo tempo, que minimiza o espaço exigido. Isso será ilustrado em mais detalhes abaixo. A estrutura permite uma extensibilidade modular simples permitindo uma alta flexibilidade econômica. O ozonizador de acordo com a invenção pode ser inserido em uma linha de um sistema de fornecimento de água pura, p.ex., para dispositivos de diálise, de modo a matar germes possivelmente existentes, etc., em água corrente, ou oxidar substâncias orgânicas. O hidrogênio que também é produzido pode aqui desgaseificar em um tanque de alimentação ou semelhante, se necessário, se o limite de solubilidade for excedido. A estrutura de acordo com a invenção pode ser implantada por uma membrana de eletrólito sólido que está presente na forma de uma função de dente de serra, trapézio ou retângulo entre o ânodo e o cátodo. Os próprios formatos podem aqui ser arredondados para uma curva de seno. As grades podem ser aqui usadas nas quais a membrana é rosqueada ou colocada, ou que fornece à membrana seu formato.

Ver Fig. 2a Da mesma forma, os tecidos unidirecionais podem ser usados que fornecem à membrana seu formato.

Ver Fig. 2b Outra possibilidade consiste em implantar uma membrana de eletrólito sólido que tem elevações de contato encostando-se ao ânodo e cátodo, e assim forma canais distintos de fluxo. Diversos formatos otimizáveis são aqui concebíveis; esses podem ser configurados na forma de botões ou como suportes.

Ver Fig. 3 Um influxo transverso com eletrodos perfurados no caso de um eletrólito de área parcial, conforme sugerido em DE 1020040156801 A1, também seria concebível, porém o fluxo é de importância menor, por meio do qual a separação da membrana de área total de acordo com a invenção com uma conexão condutiva simultânea é prejudicada. A estrutura celular de acordo com a invenção permite um empilhamento, que multiplica a área ativa sem qualquer contato adicional entre os dois eletrodos externos aos quais a voltagem é aplicada. A voltagem deve ser aqui multiplicada de forma correspondente.

Ver Fig. 4a O empilhamento com polaridade alternada também é possível.

Ver Fig. 4b Essa pilha pode ser integrada de uma forma bem simples em um alojamento de isolamento que direciona o influxo e efusão e fornece as conexões hidráulicas, bem como, elétricas.

Ver Fig. 5, que mostra um bloco com uma conexão de grampo e uma possível estrutura.

Devido ao design sugerido, a membrana de eletrólito sólido também pode ser usada como um “espaçador” de grau de enrolamento, assim permitindo uma estrutura de célula como um módulo de enrolamento. Isso pode ser realizado com uma polaridade alternada das camadas de eletrodo, com eletrodos contínuos, ou seja, eletrodos que são contínuos sobre diversos enrolamentos; nesta instância, cada eletrodo teria que ser contatado. Também é concebível contatar somente o tubo externo e interno se os eletrodos intermediários flexíveis forem usados que são condutivos não mais do que o comprimento de enrolamento de uma parte da circunferência. Isso permite a produção econômica de grandes quantidades de ozônio.

Ver Fig. 6. A figura não mais mostra os canais de fluxo em detalhe.

Todas as estruturas que foram até agora mostradas permitem uma alteração na polaridade e são assim adequadas para lençol d’água e água de superfície, porém também para tratamentos de água de esgoto. Em uma configuração que não é adequada para alterações na polaridade, a estrutura também pode ser usada, separada da produção de ozônio, para descarregar e explorar o hidrogênio em desenvolvimento.

Ver Figs. 7a e b. A Fig. 7a mostra um módulo de enrolamento; nesta instância, p.ex., com quatro bolsos de coleta de hidrogênio que são enroladas com início do tubo interno. O tubo interno e o tubo externo representam os eletrodos por meio dos quais o campo elétrico é criado.

Os bolsos de coleta são fornecidos em um lado com peças de ânodo interrompidas de forma circunferencial, ou seja, peças de ânodo que somente são condutivas em segmentos, para a parte externa com uma camada de catalisador. Os segmentos de ânodo são colados entre si firmemente, porém de uma forma isolante. Os outros lados dos bolsos são formados em direção a outra parte externa com a membrana de eletrólito sólido. Na parte externa, ele fornece o plano de fluxo, p.ex., canais de fluxo para a água, e os eletrólitos líquidos, respectivamente, e uma conexão condutiva com o quase “lado de cátodo” dos anodos condutivos para a parte interna.

Nos bolsos, uma malha não tecida condutiva, p.ex., de aço inoxidável, também pode garantir o fluxo de gás ao tubo de coleta interno.

Na Fig. 7b, o tubo interno é, p.ex., escolhido como um cátodo, e um segmento de bolso é cortado aberto.

Na parte direita da figura, a membrana de eletrólito sólido é cortada aberta. As formações externas de fluxo, aqui: suportes elevados podem ser vistas. Essa membrana é colada na borda aos segmentos de ânodo. Os segmentos de ânodo podem ser representados por folhas condutivas, p.ex., folhas de nióbio revestidas por diamante BDD unilateralmente, outras folhas com uma superfície cataliticamente ativa, ou ainda filmes plásticos condutivos que possuem uma camada catalítica efetiva. O enrolamento de acordo com a invenção, a variante com os segmentos de ânodo, corresponde a um circuito em série ou pilha com somente o contato externo. Um enrolamento de acordo com a invenção com eletrodos de contato de forma contínua, que corresponde a um circuito paralelo, será sugerido abaixo.

Sob o segundo aspecto da invenção, uma estrutura de módulo de enrolamento é sugerido que pode ser operado tanto como um gerador de hidrogênio e como uma célula de combustível, dependendo do excesso de energia ou falta de energia. A Fig. 8 resume tal estrutura.

No caso de voltagens principais em excesso, um sistema eletrônico de sobreposição comuta para operação do gerador de hidrogênio. No caso de voltagem deficiente, o sistema comuta para operação de célula de combustível. A Fig. 8a mostra um esboço de diagrama de bloco correspondente. A Fig. 8b mostra tal módulo de enrolamento. A Fig. 8c escolhe um elemento de área de módulo de enrolamento.

Durante a operação do gerador, a energia de entrada é consumida para produzir hidrogênio.

Uma bomba que bombeia o hidrogênio produzido em um tanque de fornecimento de gás mantém um baixo nível de pressão no tubo de coleta médio. Como um resultado, o hidrogênio flui para fora dos bolsos de membrana de eletrólito sólido e lá coleta.

Neste caso, os bolsos são cheios com uma grade de aço inoxidável condutiva que serve como um plano de fluxo poroso e é conectada de forma condutiva ao tubo interno ao mesmo tempo.

As grades que são posicionadas nos bolsos trabalham em ambos os lados como um cátodo e tiram das áreas adjacentes de eletrólito sólido os prótons que são obtidos no ânodo como um produto de reação, e doam os elétrons a elas, por meio do qual o hidrogênio é gerado.

Os bolsos de membrana de eletrólito sólido são estruturados em ambos os lados de modo que são sempre orientados à parte externa e estão cada em contato com a próxima área de ânodo. A estrutura garante um fluxo do eletrólito, na água pura de operação do gerador, p.ex., com uma condutividade de 1-5pS ou menos. As áreas de ânodo possuem uma camada cataliticamente ativa para gerar oxigênio ou também ozônio. Isso é imposto por uma voltagem aplicada para fora como um processo, e a energia elétrica é assim consumida. O ozônio produzido ou oxigênio é removido do circuito de água pura e consumido em um processo superior, também armazenado ou descarregado de forma intermediária à atmosfera.

Na operação de célula de combustível, o hidrogênio é bombeado para fora do tanque de fornecimento no tubo de coleta e é transmitido em uma pressão leve na área porosa da grade de aço inoxidável até as pontas de bolso. Em tal local, o hidrogênio é dividido nos pontos de contato com o eletrólito sólido com a doação de dois elétrons nos prótons que migram via o eletrólito sólido às moléculas de oxigênio enriquecidas na água e oxidam com o mesmo com a absorção dos elétrons na água. A área atuando no processo de gerador como um ânodo é aqui ativada como um cátodo que aglutina cataliticamente o oxigênio que está presente e enriquecido na água, e converte-a com os prótons presentes no eletrólito sólido na água. A invenção será agora explicada com referência aos seguintes desenhos, em que: Figs. 1a e 1b. - Esquema da estrutura celular com curva de voltagem e curva potencial.

Fig. 1a. Esquema de uma célula de ozônio de acordo com a arte anterior. A voltagem aplicada (1) atua via o eletrodo (2) e o contra eletrodo (3) no meio que flui além no espaço intermediário (4). O eletrodo (2) e o contra eletrodo (3) são parafusados relativos entre si com uma membrana interposta de eletrólito sólido (5). Os recessos ou também poros nos eletrodos permitem um fornecimento e transporte dos materiais de partida e os produtos de reação. A diferença de voltagem sempre é operativa entre as placas através das respectivas distâncias, por meio das quais o campo elétrico correspondente atua nos íons como uma força de acionamento. Conforme pode ser visto, o campo elétrico de acionamento está sujeito a uma lacuna na área de placa. A área efetiva de ânodo para a geração de ozônio existe três vezes.

Fig. 1b. Esquema de uma célula de ozônio tendo uma estrutura de acordo com a invenção. A voltagem aplicada (1) atua via o eletrodo (2) e o contra eletrodo (3) no meio que flui além no espaço intermediário (4). O eletrodo (2) e o contra eletrodo (3) são conectados de forma condutiva relativos entre si à membrana interposta de eletrólito sólido (5). Os canais de fluxo na membrana disposta permitem um fornecimento e transporte dos materiais de partida e os produtos de reação. A diferença de voltagem é a cada vez operativa entre as placas via a respectiva distância, por meio das quais o campo elétrico correspondente atua sobre os íons como a força de acionamento. A referida força de acionamento é operativa sem interrupção até o plano de reação ativo. Os produtos de reação são fornecidos e transportados para longe de uma forma de promoção de reação pelo fluxo diretamente atuante. A alta densidade de embalagem é aqui claramente visível de modo que, no mesmo número de eletrodos, a área efetiva de eletrodo é aumentada de 3 a 5.

Figs. 2 e 3 - Estrutura esquemática de uma única célula de acordo com a invenção com uma visão na direção de fluxo A Fig. 2a com a membrana formada por grade adicional (6) A Fig. 2b com a membrana formada por inserções de tecido (7) A Fig. 3 com a membrana que, como tal, é configurada como um perfil modelado (5).

Fig. 4 - pilha de célula, vista na direção de fluxo Fig. 4a - pilha de célula com contato de somente os eletrodos externos. Os eletrodos médios assumem potenciais interpostos de acordo com uma disposição de série. Os fluxos de corrente por meio de todas as células e voltagens somam para formar a voltagem total.

Fig. 4b - pilha de célula com contato alternado contínuo, conformando com um circuito paralelo com a mesma voltagem sobre todas as células e adição da corrente.

Fig. 5a - gerador de ozônio (10) de acordo com a invenção com pilha de células em uma visão lateral, consistindo em tampa de bloco (11), parte inferior de bloco (12), grampo de entrada (13) e grampo de saída (14). Ao invés da conexão de grampo, o bloco também pode ser fornecido com uma conexão de flange, conexão do tipo de plugue, conexão com porca união, conexão rosqueada ou outros tipos de conexões.

Fig. 5b - O gerador com uma visão de forma oblíqua por cima. O que pode ser visto é o grampo de saída (14) com assento de anel O visível (16), as prensas de cabo à prova de respingo (15), e a pilha de célula (17). A Fig. 5c mostra uma seção por meio de um gerador de ozônio com pilha de célula posicionada de forma oblíqua (17). O líquido é aqui guiado via a reversão de líquido (60) através dos canais de fluxo (70) da membrana (5) de modo que não existe nenhuma formação de gás, especificamente formação de hidrogênio, dentro do gerador de ozônio (10). A pilha de célula é pressionada junta pelas placas de travamento de gerador (67) ajustadas à forma, resultando em conexões íntimas entre os eletrodos (2) e as membranas (5). Para reduzir a resistência de fluxo no gerador de ozônio (10), as placas de travamento de gerador (67) podem ser configuradas com canais laterais de líquido (aqui não mostrados) que são opostos à pilha de célula. O fornecimento de energia de eletrodo é conduzido via a conexão (61) que é preferivelmente configurado como um material redondo e montado de forma condutiva na face do eletrodo (2).

Com relação à vedação de líquido das conexões de eletrodo (61), um selo (62) com placa de pressão de selo (63) e parafusos de placa de pressão (64) é usado. A Fig. 5f mostra a posição e montagem das placas de travamento de gerador (67) por meio dos parafusos de placa de travamento (69). A instalação ajustada à forma das placas de travamento no gerador de ozônio também pode ser vista aqui. A Fig. 5g mostra os canais de fluxo estendendo-se para cima de forma oblíqua (70) da membrana (5), cuja estrutura é mostrada na Fig. 5h. A Fig. 5i mostra a pilha de célula montada (68) tendo conexões de eletrodo (61) projetando-se na câmara de fiação (71). O fechamento é realizado com a tampa (65).

As Figs. 5j e 5k mostram a pilha de célula montada (68) no lado e um eletrodo (2) com a conexão (61), respectivamente.

Está dentro do significado da invenção configurar o ângulo de inclinação da pilha ou as conexões dos eletrodos também de outra forma de vedação. Além do mais, um tipo hidráulico de conexão diferente da conexão de grampo conforme mostrada aqui é, p.ex., possível com todas as técnicas disponíveis de conexão hidráulica.

Fig. 6 - módulo de enrolamento esquemático com um bolso de enrolamento Fig. 7a - módulo de enrolamento aberto com (4) bolsos, tubo interno (21), bolsos de coleta de hidrogênio (22), tubo externo (23).

Fig. 7b - bolso de módulo de enrolamento de acordo com a invenção em estado cortado aberto. O que podem ser vistos são os segmentos condutivos de ânodo (24) que são firmemente colados, porém em uma distância e assim de uma forma isolante relativa entre si (25). Esses também são firmemente colados nas bordas (26) contra a membrana de eletrólito sólido (27). A membrana de eletrólito sólido (27) é evidentemente fornecida com perfis de fluxo que permitem um fluxo na direção de fluxo (28) e, não obstante, possuem uma conexão condutiva ao próximo plano de enrolamento, assim, nas partes externas do bolso dos segmentos de ânodo (24).

Dentro dos bolsos, uma conexão condutiva é estabelecida com o lado (29) dos segmentos de ânodo, que atua como um cátodo via perfis não tecidos condutivos ou estendendo-se de forma tangencial, que simultaneamente garantem uma efusão do hidrogênio.

Fig. 8 - H2-02/03 - células / estrutura de gerador Fig. 8a - esboço de diagrama de bloco É mostrada na figura a operação do gerador e indicada entre parênteses a operação da célula de combustível. Durante a operação do gerador, o hidrogênio é bombeado com uma bomba (41) para fora do enrolamento de célula (40) de acordo com a invenção no tanque de hidrogênio (42). Neste processo, a corrente (43) flui devido à voltagem externa aplicada do tubo de revestimento externo (44) ao tubo de coleta interno (45). Ao mesmo tempo, a água pura é bombeada para fora do tanque de água pura (46) via a bomba de água pura (47) através do enrolamento de célula (40). No tanque de água pura, o oxigênio ou ozônio é depositado como uma fase de gás, e é bombeado com uma bomba (48) no tanque de oxigênio/ozônio (49). Uma válvula de liberação de gás com redutor de pressão a jusante para tanto o hidrogênio (50) quanto oxigênio (51) é fechada.

Um monitor de nível de enchimento de água pura sinaliza o limite de armazenamento de energia superior.

Na operação da célula de combustível (52), as válvulas de liberação de gás (50) e (51) permitem o transporte de gás via os redutores de pressão. O oxigênio/ozônio é fornecido atomizado via um tubo de Venturi (53) ao fluxo de água pura.

Fig. 8b - módulo de enrolamento com eletrodos de contato de forma contínua está aberto.

Os quatro bolsos (54) podem ser vistos; esses terminam na parte externa e embutidos entre os mesmos os ânodos (55) em contato com o tubo externo.

Fig. 8c - bolso de módulo de enrolamento no estado cortado aberto. O bolso de módulo de enrolamento (54) consiste em dois planos de eletrólito sólido que possuem perfis de fluxo (55) relativos à parte externa do bolso e são firmemente colados entre si na parte externa na borda (57) ou são dobrados a partir de um tubo flexível com reforço. Dentro dos bolsos, o cátodo (58) estabelece um plano de fluxo de gás e a conexão condutiva ao tubo de coleta interno (45). O cátodo pode consistir em grade de fio ou condutor sintético tecido ou não tecido.

REIVINDICAÇÕES

Claims (7)

1. "UM OZONIZADOR" eletroquímico compreendendo pelo menos uma célula, cada consistindo em um ânodo, um cátodo e uma área total interposta, membrana de condução de càtion que é quimicamente estável ao ozônio como um eletrólito sólido, caracterizado pelo fato de que a membrana (5) conecta de forma condutiva o ânodo (2) e o cátodo (3) enquanto forma os canais de fluxo para água que são separados entre si como câmaras de ânodo e cátodo.

2. "O OZONIZADOR" eletroquímico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a membrana estende-se no formato de um dente de serra, trapézio, retângulo ou seno entre o ânodo (2) e o cátodo (3).

3. "O OZONIZADOR" eletroquímico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o formato da extensão da membrana (5) é criado por um transportador, preferivelmente uma grade (6) ou um tecido unidirecional (8), em cujo caso os fios de urdidura e fios tramados diferem entre si em sua espessura em uma extensão muito grande, e aplicadas na membrana (5).

4 ,,q OZONIZADOR" eletroquímico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a membrana é modelada para ser autossustentável.

5. "O OZONIZADOR" eletroquímico de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o ozonizador tem uma estrutura multicamada com uma pluralidade de células que são empilhadas lado a lado.

6. "O OZONIZADOR" eletroquímico de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a célula é configurada como um módulo de enrolamento com um tubo externo (23) e um tubo interno (21).

7. "O OZONIZADOR" eletroquímico de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o módulo de enrolamento compreende pelo menos um bolso de coleta de hidrogênio (22).