BR112019012785B1 - Aparelho de energia, sistema de energia, método de armazenamento de energia elétrica e um ou mais entre hidrogênio e oxigênio com o aparelho de energia, e uso do aparelho de energia - Google Patents

Abstract

A invenção provê um método de armazenamento de energia elétrica variável ou intermitente e um ou mais entre hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) com um aparelho de energia, o método compreendendo: provisão do primeiro líquido aquoso de célula, do segundo líquido aquoso de célula e da energia elétrica a partir de uma fonte de energia externa para unidade funcional, provendo assim uma unidade de bateria funcional eletricamente carregada e um ou mais entre hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) armazenados no dito sistema de armazenamento, em que, durante pelo menos parte de um período de carregamento, a unidade funcional é carregada a uma diferença de potência entre o primeiro eletrodo de célula e o segundo eletrodo de célula de não mais que 1,37 V.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A invenção se refere a um aparelho para provisão de energia elétrica e/ou um portador de energia (como H2). A invenção também se refere a um sistema de energia que compreende tal aparelho. Além disso, a invenção se refere a um método para prover energia elétrica e/ou um portador de energia (como H2). Ainda, a invenção também se refere ao uso do aparelho e/ou do sistema de energia.

HISTÓRICO DA INVENÇÃO

[002] Os eletrolisadores são conhecidos na técnica.O documento US2015069836, por exemplo, descreve um método para controle de uma disposição de alimentação que possui uma instalação de energia eólica para alimentar a energia elétrica em um sistema de alimentação elétrica, que compreende as seguintes etapas: geração de energia elétrica usando a instalação de energia eólica proveniente do vento, alimentando uma primeira proporção da energia elétrica gerada no sistema de alimentação elétrica, fornecendo uma segunda proporção da energia elétrica gerada para um consumidor elétrico para consumo da segunda proporção fornecida da energia elétrica gerada e em que, dependendo de pelo menos um estado monitorado do sistema e/ou dependendo do vento prevalecente, a segunda proporção da energia elétrica gerada que é fornecida ao consumidor é total ou parcialmente reduzida e a primeira proporção da energia elétrica alimentada no sistema de alimentação elétrica é aumentada de forma correspondente, e para uma disposição de alimentação correspondente.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[003] Para acomodar quantidades crescentes de eletricidade renovável decorrente do vento e energia solar, é necessário o armazenamento de eletricidade de escala de rede em escalas diurnas e sazonais. A realização de soluções acessíveis para diferentes tipos de armazenamento sofre problemas de duração, baixas eficiências energéticas, perdas de conversão e/ou custo muito elevado levando em consideração o tempo operacional total limitado durante todo o ano devido ao fornecimento variável de eletricidade renovável.

[004] Portanto, é um aspecto da invenção prover um aparelho de energia alternativo, que preferencialmente evita ainda, pelo menos parcialmente, uma ou mais das desvantagens descritas acima. Ainda, também é um aspecto da invenção prover um sistema de energia alternativo que compreende tal aparelho de energia, o qual preferencialmente evita ainda, pelo menos parcialmente uma ou mais das desvantagens descritas acima. Além disso, também é um aspecto da invenção prover um método alternativo para armazenar e gerar novamente eletricidade e/ou um portador de energia, o qual preferencialmente evita ainda, pelo menos parcialmente, uma ou mais das desvantagens descritas acima. Ademais, também é um aspecto da invenção prover um sistema e aparelho flexíveis que possam prover uma grande liberdade no armazenamento de eletricidade e/ou gás de hidrogênio.

[005] O armazenamento diurno de eletricidade seria mais energicamente eficiente em baterias, enquanto as escalas de armazenamento sazonal exigem a conversão para combustíveis artificiais com base em elementos abundantes. Estas duas direções sempre foram tratadas como soluções separadas ou mesmo concorrentes.

[006] Aqui mostramos que a bateria de Ni-Fe pode ser modificada para operar como eletrolisador de bateria integrada altamente eficiente. Descobrimos que além da capacidade total da bateria, pode-se usar uma quantidade igual ou maior de carga para produzir hidrogênio a uma eficiência de energia geral de > 81%. Os eletrodos da bateria carregada que consistem em NiOOH nanoestruturado e Fe reduzido atuam como catalisadores de evolução eficientes de oxigênio e hidrogênio, respectivamente, gerando hidrogênio quando a bateria está cheia. Desta forma, o tempo operacional do dispositivo é estendida além do tempo de carga da bateria e, assim, ainda pode realizar armazenamento de energia útil na forma de produção de gás. Quando a produção de eletricidade renovável produzida diminui, a bateria está carregada e disponível para descarregar e fornecer eletricidade. Portanto, torna-se possível a operação completa do dispositivo, mesmo com fornecimento de eletricidade variável, em contraste com uma bateria singular ou um eletrolisador singular que não estão integrados em um dispositivo. Além disso, o calor dissipado nas superpotências da bateria é usado diretamente na geração de hidrogênio, especialmente quando aplica-se isolamento e gerenciamento térmico para reduzir a perda de calor ao ambiente. Note-se a este respeito que a produção de hidrogênio e oxigênio por separação de água eletrolítica exige o fornecimento de calor. O sistema de isolamento e gerenciamento térmicos pode incluir isolamento térmico em torno da bateria integrada e do eletrolisador, bem como resfriamento de forma opcional. Estes isolamento e gerenciamento térmicos possibilitam o aquecimento pelas correntes que sobem a, por exemplo, 60 °C durante os períodos de carga e evolução do hidrogênio e podem limitar a temperatura para permanecer abaixo de 60 °C. Assim, de forma especial o aparelho de energia pode incluir ainda um sistema de gerenciamento térmico configurado para manter a unidade funcional (vide também abaixo) a uma temperatura selecionada da faixa de 5 a 95°C, particularmente 10 a 75°C, como na faixa de 15 a 70°C, como no máximo de 60°C.

[007] Nossos resultados demonstram uma bateria e eletrolisador integrados com baseado nos elementos abundantes Fe, Ni e um eletrólito baseado em água KOH (opcionalmente com LiOH e NaOH) que aborda o armazenamento de eletricidade diurno e sazonal. Isto pode prover uma solução de armazenamento de energia em escala de rede robusta em m dispositivo flexível intrinsicamente de baixo custo que tem aplicabilidade próxima a tempo integral: como armazenamento de energia comutável ilimitado diurno, como fonte de eletricidade noturna.

[008] A bateria de Ni-Fe foi introduzida por Jungner e Edison. No eletrodo negativo está presente Fe(OH)2, que é reduzido para Fe na carga: Fe(OH)2 + 2 e- → Fe + 2OH- (- 0,877V vs SHE), enquanto no eletrodo positivo está presente Ni(OH)2, que na carga libera um próton: Ni(OH)2 + OH- → NiOOH + H2O + e- (+0,49V vs SHE). O potencial do circuito aberto da bateria é de 1,37 V, que é maior que o potencial mínimo exigido para separar a água do eletrólito KOH 6 M. Por este motivo, já há em operação normal um risco em separar água no hidrogênio e oxigênio, levando a perda de energia e uma perda lenta de eletrólito. No eletrodo positivo, pode ocorrer então a reação 4OH- → O2 + 2H2O + 4e- (+0,40 vs SHE), enquanto no eletrodo negativo pode ocorrer 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- (-0,83 vs SHE). A reação Fe + 2H2O → Fe(OH)2 + H2 também é conhecida por levar a auto-descarregamento espontâneo. O Ni(OH)2 e Fe(OH)2 são nanoestruturados para possibilitar as taxas de (des)carga mais rápidas. A capacidade teórica para armazenamento de H+ em Ni(OH)2 na reação acima corresponde a 289 mAh/g. A capacidade teórica para armazenamento de OH- em Fe(OH)2 corresponde a 596 mAh/g.

[009] Os eletrolisadores alcalinos podem ser usados para a geração de hidrogênio e oxigênio a uma eficiência típica de 71% (HHV (valor de aquecimento maior) de hidrogênio produzido dividido pela energia elétrica aplicada). Os principais componentes ativos são um eletrodo positivo à base de metal Ni e um eletrodo negativo de Ni (ou Fe revestido com Ni), que é separado por um diafragma ou separador que separa hidrogênio do oxigênio enquanto transmite os íons no eletrólito alcalino. Os eletrodos de metal possuem uma área de superfície aumentada de sua estrutura porosa (níquel de Raney) para taxas de produção de gás mais elevadas. Além disso, metais preciosos como Pt ou Pt-Ru podem ser incorporados no eletrodo negativo para reduzir as superpotências exigidas para a produção de hidrogênio de 200 mV a 50 mV nas correntes de 0,5 A/cm2 da superfície do eletrodo, por exemplo, a 80 °C. O diafragma pode ser um compósito cerâmico, enquanto o eletrólito é novamente uma solução fortemente alcalina, principalmente KOH. A eficiência do eletrolisador alcalino é limitada pelas superpotências de geração de O2 e H2, pelo transporte de carga e pelo transporte de gás e formação de bolha nas superfícies do eletrodo.

[0010] Portanto, em um primeiro aspecto, a invenção provê um aparelho de energia (aqui também indicado como “aparelho”), cujo aparelho pode ter principalmente uma funcionalidade de armazenamento de energia elétrica e/ou um funcionalidade de geração de hidrogênio e/ou uma funcionalidade de eletrólise, o aparelho de energia compreendendo uma ou mais unidades funcionais, cada unidade funcional compreendendo: - uma primeira célula que compreende um ou mais primeiros eletrodos de célula e uma ou mais primeiras aberturas de célula para um primeiro líquido aquoso de célula (básico) (“líquido” ou “primeiro líquido”) e para um primeiro gás de célula; - uma segunda célula que compreende um ou mais segundos eletrodos de célula e uma ou mais segundas aberturas de célula para um segundo líquido aquoso de célula (“líquido” ou “segundo líquido”) e para um segundo gás de célula; - um separador, em que a primeira célula e a segunda célula compartilham o separador, onde o separador é especialmente configurado para bloquear o transporte de um ou mais entre O2 e H2 de uma célula para outra enquanto apresenta permeabilidade para pelo menos um ou mais entre íons de hidróxido (OH-) sódio monovalente (Na+), lítio monovalente (Li+) e potássio monovalente (K+); em que o aparelho de energia compreende um ou mais entre (a) pelo menos dois ou mais primeiros eletrodos de célula e (b) pelo menos dois ou mais segundos eletrodos de célula, em que o aparelho de energia compreende ainda um elemento elétrico configurado para aplicação de um ou mais entre (a) uma ou mais diferenças de potência entre dois ou mais primeiros eletrodos de célula e (b) uma ou mais diferenças de potência entre dois ou mais segundos eletrodos de célula.

[0011] Com tal aparelho é possível descarregar e gerar H2 ao mesmo tempo. Além disso, com tal aparelho é possível armazenar eletricidade, ao carregar o aparelho, e gerar hidrogênio e oxigênio.

[0012] Como indicado acima, a invenção provê um aparelho de energia que pode ter principalmente uma funcionalidade de armazenamento de energia elétrica. Portanto, quando é provida energia elétrica ao aparelho, a energia elétrica pode ser armazenada. Alternativa ou adicionalmente, o aparelho pode ter funcionalidade de geração de hidrogênio. Com o presente aparelho é possível selecionar entre geração de hidrogênio e/ou armazenamento de energia elétrica e/ou descarregamento quando é necessária eletricidade, mas também é possível executar dois destes três ao mesmo tempo, por exemplo, dependente da diferença de potência que pode ser aplicada entre os primeiros eletrodos e os segundos eletrodos. Assim, de fato o time hidrogênio pode ser efetivamente armazenado e produzido ao mesmo tempo. Aqui, o termo “armazenamento efetivo” e termos similares indicam que ao reduzir, por exemplo, Fe, este Fe reduzido pode ser subsequentemente usado para gerar H2. Portanto, H2 é “armazenado” em, por exemplo, Fe e H2O.

[0013] Adicionalmente ainda, em outras realizações, o aparelho pode ter funcionalidade de eletrólise. Portanto, quando o aparelho é carregado com a função de eletrólise, a energia elétrica armazenada no aparelho pode ser usada para eletrolisar água e gerar, assim, hidrogênio. Obviamente, a energia elétrica armazenada também pode ser usada para prover energia elétrica, quando desejado.

[0014] O aparelho de energia compreende uma ou mais unidades funcionais. Nas realizações, o aparelho de energia pode incluir uma única unidade funcional; em outras realizações, o aparelho pode incluir uma pluralidade de unidades funcionais. As unidades funcionais podem ser paralelos acoplados ou em série. Cada unidade funcional compreendendo uma primeira célula, uma segunda célula e um separador. Especialmente, uma combinação funcional de uma primeira célula e uma segunda célula pode ser usada como bateria ou eletrolisador.

[0015] A primeira célula compreende um ou mais primeiros eletrodos de célula e uma ou mais primeiras aberturas de célula para um primeiro líquido aquoso de célula e para um primeiro gás de célula. Além disso, a segunda célula compreende um ou mais segundos eletrodos de célula e uma ou mais segundas aberturas de célula para um segundo líquido aquoso de célula e para um segundo gás de célula. Adicionalmente ainda, a unidade funcional compreende o separador. A primeira célula e a segunda célula compartilham o separador, em que o separador é especialmente configurado para bloquear o transporte de um ou mais entre O2 e H2 de uma célula para outra, enquanto apresenta permeabilidade para pelo menos um ou mais entre íons de hidróxido (OH-) sódio monovalente (Na+), lítio monovalente (Li+) e potássio monovalente (K+). Aqui, o termo “célula” pode se referir realmente a uma meia-célula.

[0016] Como indicado acima, o aparelho de energia compreende um ou mais entre (a) pelo menos dois ou mais primeiros eletrodos de célula e (b) pelo menos dois ou mais segundos eletrodos de célula. Esta configuração pode ser obtida com duas realizações principais, que também podem ser opcionalmente combinadas.

[0017] Nas primeiras realizações, a primeira célula ou a segunda célula, ou ambas a primeira célula e a segunda célula compreendem uma pluralidade de (primeiro ou segundo, respectivamente) eletrodos. Nas segundas realizações, duas ou mais primeiras células proveem os ditos dois ou mais primeiros eletrodos de célula, ou duas ou mais segundas células proveem os ditos dois ou mais segundos eletrodos de célula, respectivamente. Portanto, qualquer sistema inclui um primeiro eletrodo de célula e um segundo eletrodo de célula. O primeiro eletrodo de célula adicional para prover os dois primeiros eletrodos de célula também pode ser indicado como terceiro eletrodo. Da mesma forma, o segundo eletrodo de célula adicional para prover os dois (ou mais) segundos eletrodos de célula também pode ser indicado como terceiro eletrodo. Como ficará claro a partir do descrito acima, pode haver uma pluralidade de terceiros eletrodos.

[0018] Portanto, na invenção, os dois primeiros eletrodos de célula podem ser usados de formas idênticas ou os dois primeiros eletrodos de célula podem ser usados de formas diferentes. Em realizações específicas, como ao descarregar o aparelho e produzir gás de hidrogênio, as diferentes formas que os dois primeiros eletrodos de célula são usados podem ocorrer simultaneamente.

[0019] Da mesma forma, os dois segundos eletrodos de célula podem ser usados de forma idênticas ou os dois segundos eletrodos de célula podem ser usados de formas diferentes. Em realizações específicas, como ao descarregar o aparelho e produzir gás de hidrogênio, as diferentes formas que os segundos eletrodos de célula são usados podem ocorrer simultaneamente.

[0020] O número de primeiros eletrodos de célula não é necessariamente o mesmo número de segundos eletrodos de célula, especialmente quando, por exemplo, uma pluralidade de primeiros eletrodos de célula (maiores e menores), aos quais (duas) diferentes diferenças de potência podem ser aplicadas a dois diferentes subconjuntos de primeiros eletrodos de célula, é usada.

[0021] Como indicado ainda acima, o aparelho de energia compreende ainda um elemento elétrico configurado para aplicar um ou mais entre (a) uma ou mais diferenças de potência entre dois ou mais primeiros eletrodos de célula e (b) uma ou mais diferenças de potência entre dois ou mais segundos eletrodos de célula. Portanto, embora possa haver uma pluralidade de eletrodos que são indicados como primeiros eletrodos de célula ou segundos eletrodos de célula, respectivamente, o aparelho inclui a configuração que permite aplicação de diferentes diferenças de potência entre dois diferentes primeiros eletrodos de célula e segundo eletrodo de célula, ou permite aplicação de diferentes diferenças de potência entre dois diferentes segundos eletrodos de célula e o primeiro eletrodo de célula, ou permite aplicação de diferentes diferenças de potência entre dois diferentes primeiros eletrodos de célula e dois diferentes segundos eletrodos de célula, etc. Com estas configurações é possível descarregar e gerar H2 (e/ou O2) ao mesmo tempo.

[0022] Como indicado acima, nas realizações isto pode ser atingido com uma única unidade funcional ou com uma pluralidade de unidades funcionais, onde o efeito pode ser atingido em um ou mais destas pluralidades de unidades funcionais.

[0023] Portanto, nas realizações o aparelho de energia compreende pelo menos a unidade funcional, que compreende dois ou mais primeiros eletrodos de célula, e o dito elemento elétrico é configurado para aplicar uma diferença de potência entre um primeiro subconjunto de um ou mais primeiros eletrodos de célula e um segundo subconjunto de um ou mais primeiros eletrodos de célula. A frase “dito elemento elétrico é configurado para aplicar uma diferença de potência” pode indicar que, em um estágio específico, esta diferença de potência pode ser aplicada. Por exemplo, ao descarregar (apenas), a diferença de potência não será aplicada. No entanto, quando descarregar e ocorrer produção de hidrogênio, especialmente a diferença de potência pode ser aplicada. Além disso, nem sempre pode ser necessário gerar H2 e carregar, por exemplo, quando um volume máximo de H2 é necessário ou quando H2 não é necessário e toda ou a maior parte da energia elétrica pode ser usada para carregar o aparelho (ou seja, unidade funcional) até que esteja carregada (a carga adicional pode ser usada para geração de H2).

[0024] Como indicado acima, o aparelho de energia pode compreender ainda um elemento elétrico configurado para aplicar um ou mais entre (a) uma ou mais diferenças de potência entre dois ou mais primeiros eletrodos de célula e (b) uma ou mais diferenças de potência entre dois ou mais segundos eletrodos de célula. O elemento elétrico também pode ser configurado para aplicar uma diferença de potência entre um subconjunto de primeiros eletrodos e/ou para aplicar uma diferença de potência entre um subconjunto de segundos eletrodos. Portanto, o termo elemento elétrico pode, nas realizações, também se referir a uma pluralidade de (diferentes elementos elétricos).

[0025] Podem ser obtidos especialmente bons resultados nas realizações em que os primeiros eletrodos de célula do primeiro subconjunto e do segundo subconjunto compreendem eletrodos à base de ferro. Portanto, nestas realizações os primeiros eletrodos de célula podem ser essencialmente idênticos em propriedades. No entanto, nestas realizações os eletrodos do primeiro subconjunto também podem diferir em área de superfície de eletrodo e/ou espessura e/ou capacidade de armazenamento (em Ah), etc.

[0026] Os eletrodos dos subconjuntos também podem diferir essencialmente, como compreendendo diferentes materiais. Nestas realizações, um subconjunto pode, por exemplo, ser otimizado para carregar o aparelho e outro subconjunto pode ser otimizado para gerar H2. Portanto, nas realizações, os primeiros eletrodos de célula do primeiro subconjunto compreendem eletrodos à base de ferro, e os primeiros eletrodos de célula do segundo subconjunto compreendem eletrodos de geração por gás hidrogênio (diferentes dos primeiros eletrodos de célula do primeiro subconjunto). Os eletrodos do primeiro subconjunto podem diferir em material do segundo subconjunto. Por exemplo, nas realizações, os primeiros eletrodos de célula do segundo subconjunto compreendem um ou mais entre os tipos de materiais de platina (Pt), NiMo, NiFex, FeMox, NiCoFe, LaNi5 e LaNi5, como MmNi5-x-yCoxAly onde Mm representa uma mistura de dois ou mais lantanídeos, e sulfeto de molibdênio (MoSx). MmNi5-x-yCoxAly é um composto tipo LaNi5. Mm pode compreender especialmente um ou mais entre Ce, La, Pr e outros elementos terra-rara (inclusive Y). Além disso, x e y são escolhidos, como sabido na técnica, por serem iguais ou maiores que zero. Especialmente, um ou mais eletrodos do primeiro subconjunto compreendem Fe e um ou mais eletrodos do segundo subconjunto compreendem Pt. Outras opções podem ser sulfeto de tungstênio (WSx) ou selenieto (WSex), e sulfeto de molibdênio (MoSx). Aqui, x está especialmente na faixa de 1,9-2,1, ou 1 a 3. Especialmente, estes materiais podem ser usados como catalisadores (para adição a, por exemplo, eletrodos compreendendo Fe). Estes materiais de sulfeto são produzidos para ter uma área de superfície específica elevada maior que 1 m2/g ou 10 a 50 m2/g, ou até 500 m2/g.

[0027] Como indicado acima, o primeiro subconjunto pode ser compreendido por uma primeira unidade funcional e um segundo subconjunto pode ser compreendido por uma segunda unidade funcional. Em realização específica, o primeiro subconjunto e o segundo subconjunto são compreendidos pela mesma unidade funcional. O aparelho pode incluir uma pluralidade destas unidades.

[0028] Acima, são providos especialmente exemplos em que há uma pluralidade de primeiros eletrodos na unidade funcional, e pelo menos a segundo eletrodo. Pode haver um ou mais segundos eletrodos. Além disso, o número de primeiros eletrodos e segundos eletrodos pode ser idêntico. No entanto, o número de segundos eletrodos pode ser menor, incluindo até uma pluralidade de primeiros eletrodos (incluindo opcionalmente uma pluralidade de diferentes subconjuntos) e um único segundo eletrodo.

[0029] Quando há diferentes subconjuntos, isto permite diferentes potenciais com o uso do elemento elétrico. Portanto, nestas realizações em um estágio, todos os eletrodos podem ser configurados no mesmo potencial, de modo a prover H2, ao passo que em outras realizações os eletrodos de um primeiro subconjunto podem estar em diferentes potenciais que os eletrodos de um segundo subconjunto (medido em relação a um segundo eletrodo como “contra-eletrodo”), permitindo o carregamento e geração de H2.

[0030] No entanto, nas realizações o aparelho compreende pelo menos uma unidade funcional que compreende dois ou mais primeiros eletrodos de célula e dois ou mais segundos eletrodos de célula.

[0031] Particularmente, estas realizações podem ser úteis ao usar uma placa bipolar compreendendo o aparelho. Uma placa bipolar pode conectar e separar as células de diferentes unidades funcionais em série para formar uma pilha com a tensão necessária (ao descarregar, carregar ou gerar hidrogênio e oxigênio). A placa bipolar pode conduzir corrente elétrica do anodo de uma célula de uma unidade para o cátodo da célula seguinte de outra unidade funcional. Além disso, a placa bipolar pode facilitar o gerenciamento de água na unidade funcional e pode suportar a membrana e os eletrodos, etc. Portanto, nas realizações o aparelho de energia compreende pelo menos duas unidades funcionais, onde um primeiro eletrodo de uma primeira unidade funcional e um segundo eletrodo de uma segunda unidade funcional são separados um do outro por uma placa bipolar, onde a placa bipolar é eletricamente condutora.

[0032] Ainda em realizações adicionais, a placa bipolar compreende pelo menos duas seções de placa bipolar que são configuradas separadas eletricamente entre si, em que um ou mais primeiros eletrodos de célula estão associados a uma primeira seção de placa bipolar, em que um ou mais primeiros eletrodos de célula estão associados a uma segunda seção de placa bipolar, em que um ou mais segundos eletrodos de célula estão associados à dita primeira seção de placa bipolar e em que um ou mais segundos eletrodos de célula estão associados à dita segunda seção de placa bipolar. Isto permite o uso da placa bipolar para aparelho com seções de primeiros eletrodos e seções de segundos eletrodos. Desta forma, também pode-se aplicar o princípio da invenção com o aparelho baseado na placa bipolar.

[0033] Nas realizações acima, foram fornecidos alguns exemplos de aparelho onde um ou mais primeiros eletrodos são à base de ferro. Principalmente, pode-se obter bons resultados quando um ou mais segundos eletrodos são à base de níquel. Portanto, nas realizações, um ou mais segundos eletrodos de célula compreendem eletrodos à base de níquel.

[0034] O elemento elétrico que pode ser usado para prover diferentes diferenças de potência a diferentes primeiros eletrodos (e segundos eletrodos) pode ser uma alimentação de tensão variável ou um conversor de CD-CD potencial variável que pode fornecer potencial variável e/ou corrente variável. Portanto, nas realizações o elemento elétrico compreende uma alimentação de tensão variável. Nas realizações específicas, o elemento elétrico pode compreender uma pluralidade de alimentação de tensão variável. O elemento elétrico pode ser configurado para prover dois estados: - um em que não há diferença de tensão entre primeiros eletrodos (ou entre segundos eletrodos; ou mutuamente entre primeiros eletrodos e mutuamente entre segundos eletrodos, respectivamente). Este pode ser, por exemplo, obtido com o curto-circuito dos primeiros eletrodos (ou dos segundos eletrodos). Isto pode ser realizado com o elemento elétrico e/ou com um comutador (compreendido do elemento elétrico); - um em que aplica-se uma diferença de tensão entre primeiros eletrodos (ou entre segundos eletrodos; ou entre primeiros eletrodos e segundos eletrodos, respectivamente). Isto pode ser, por exemplo, obtido com o elemento elétrico.

[0035] Além disso, nas realizações específicas, o aparelho compreende um elemento conector, com o elemento conector compreendendo o dito elemento elétrico, com o elemento conector sendo comutável em uma primeira configuração em que os primeiros eletrodos do primeiro subconjunto e os primeiros eletrodos do segundo subconjunto são curto-circuitados, e uma segunda configuração em que podem existir diferentes diferenças de tensão e/ou diferentes correntes elétricas pode fluir entre (a) o segundo eletrodo e os primeiros eletrodos do primeiro subconjunto e (b) o segundo eletrodo e os primeiros eletrodos do segundo subconjunto.

[0036] Em uma realização específica, que também será esclarecida adicionalmente abaixo, do aparelho de energia pelo menos uma unidade funcional compreende: - uma primeira célula compreendendo uma pluralidade de primeiros eletrodos de célula e uma ou mais primeiras aberturas de célula para o dito primeiro líquido aquoso de célula e para o dito primeiro gás de célula, em que a pluralidade de primeiros eletrodos compreende eletrodos à base de ferro, em que a pluralidade de primeiros eletrodos de célula compreende um primeiro subconjunto dos primeiros eletrodos de célula e um segundo subconjunto dos primeiros eletrodos de célula; - uma segunda célula compreendendo do dito segundo eletrodo de célula e uma ou mais segundas aberturas de célula para o dito segundo líquido aquoso de célula e para o dito segundo gás de célula, em que o segundo eletrodo compreende um eletrodo à base de níquel; - o dito separador, em que a primeira célula e a segunda célula compartilham o separador, em que o separador é configurado para bloquear o transporte de um ou mais entre O2 e H2 de uma célula para outra enquanto apresenta permeabilidade para pelo menos um ou mais entre íons de hidróxido (OH-), sódio monovalente (Na+), lítio monovalente (Li+) e potássio monovalente (K+); - uma primeira conexão elétrica em conexão elétrica com um primeiro subconjunto dos primeiros eletrodos de célula, uma segunda conexão elétrica em conexão elétrica com um segundo subconjunto dos primeiros eletrodos de célula e uma terceira conexão elétrica em conexão elétrica com o segundo eletrodo de célula; e - um elemento conector, que compreende o dito elemento elétrico, comutável em uma primeira configuração em que os primeiros eletrodos do primeiro subconjunto e os primeiros eletrodos do segundo subconjunto são curto- circuitados, e uma segunda configuração em que diferentes diferenças de tensão pode existir e/ou diferentes correntes elétricas podem fluir entre (a) o segundo eletrodo e os primeiros eletrodos do primeiro subconjunto e (b) o segundo eletrodo e os primeiros eletrodos do segundo subconjunto. Note-se que os potenciais dos segundos eletrodos podem ser essencialmente idênticos.

[0037] Obviamente, nas realizações o elemento conector também pode ser comutável em uma primeira configuração em que os primeiros eletrodos do primeiro subconjunto e os primeiros eletrodos do segundo subconjunto são curto-circuitados, e uma segunda configuração em que diferentes diferenças de tensão podem existir e/ou diferentes correntes elétricas podem fluir entre (a) o segundo eletrodo e os primeiros eletrodos do primeiro subconjunto e (b) o mesmo segundo eletrodo e os primeiros eletrodos do segundo subconjunto. Portanto, nestas realizações, o segundo eletrodo é compartilhado. Assim, nas realizações há dois (ou mais) primeiros eletrodos (a partir de dois ou mais diferentes subconjuntos) e um único segundo eletrodo. Aplicam-se dois (ou mais) diferentes potenciais, mas em ambos os casos contra o mesmo segundo eletrodo ou entre os dois diferentes subconjuntos dos primeiros eletrodos.

[0038] Alternativa ou adicionalmente, o element elétrico também pode ser usado para fornecer um magnitude diferentes da corrente para os diferentes subconjuntos. Portanto, a corrente para geração de H2 pode ser maior ou menor que a corrente de descarga.

[0039] O elemento conector pode ser o elemento elétrico; também visto acima.

[0040] Para gerar uma diferença de tensão e/ou uma corrente diferente entre um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo, o aparelho pode compreender ainda uma fonte de energia. Portanto, nas realizações o aparelho de energia compreende ainda uma fonte de energia. A fonte de energia pode ser especialmente configurada para gerar uma diferença de tensão e/ou uma corrente diferente entre (a) o segundo eletrodo e os primeiros eletrodos do primeiro subconjunto e (b) o segundo eletrodo e os primeiros eletrodos do segundo subconjunto na segunda configuração. A fonte de energia pode ser outro battolyser, outra fonte de energia ou em uma realização com tensão CD-CD e conversores de corrente a capacidade de descarga do próprio aparelho carregado.

[0041] Obviamente, nas realizações a fonte de energia pode ser especialmente configurada para gerar uma diferença de tensão e/ou uma corrente diferente entre (a) o segundo eletrodo e os primeiros eletrodos do primeiro subconjunto e (b) o mesmo segundo eletrodo e os primeiros eletrodos do segundo subconjunto na segunda configuração. Portanto, nestas realizações o segundo eletrodo é compartilhado.

[0042] Como também indicado acima, nas realizações específicas, a capacidade e área de superfície dos eletrodos dos primeiros eletrodos podem ser essencialmente maiores que a capacidade e área de superfície do eletrodo dos segundos eletrodos. Em outras realizações, pode ocorrer o contrário. No entanto, as capacidades e áreas também podem ser essencialmente idênticas. No aparelho baseado em placa bipolar, as capacidades e áreas podem ser essencialmente idênticas, embora isto não seja necessariamente o caso. Em outras realizações, a capacidade e a área dos primeiros eletrodos podem ser essencialmente maiores que a capacidade e área de superfície do eletrodo dos segundos eletrodos. Como é sabido na técnica, a capacidade de um eletrodo é medida em capacidade de armazenamento de carregamento em [Ah], enquanto a área de superfície em [m2] do eletrodo segue de seu formato externo que envolve os materiais que possuem a capacidade de armazenamento.

[0043] Em realizações específicas, o segundo eletrodo possui uma segunda capacidade e uma área de superfície de eletrodo (indicados com um símbolo A2 para a área de superfície e indicado com Ah para a capacidade), e a pluralidade de primeiros eletrodos possui uma primeira capacidade de eletrodo do subconjunto integrada (Ah11) e área de superfície (A11) de todos os primeiros eletrodos dentro do primeiro subconjunto e uma segunda capacidade de eletrodo do subconjunto integrada (Ah12) e área de superfície (A12) de todos os primeiros eletrodos dentro do segundo subconjunto, em que os valores numéricos correspondentes para (capacidade e) área de superfície A1=A11+A12>A2, especialmente em que A11/A2 ^ 2 e em que A11/A12 ^ 1. Por exemplo, A11 representa a área de superfície do grande eletrodo de FeOH, A12 a área de superfície do menor eletrodo de FeH para a evolução de H2, e A2 representa a área de superfície do eletrodo de Ni.

[0044] No entanto, as capacidades e áreas de superfície do eletrodo dos eletrodos de diferentes subconjuntos também podem diferir. Por exemplo, para geração de hidrogênio durante o estágio de descarga, os eletrodos que são usados para a geração de hidrogênio podem, nas realizações, ser menores que aqueles para descarga. Durante o estágio de carga, os diferentes primeiros eletrodos podem ser curto-circuitados. Em realizações alternativas, pode ser aplicada uma diferença de tensão. Especialmente no início do estágio de carga, a tensão pode ser baixa e dificilmente haverá qualquer geração de hidrogênio. Uma diferença de tensão permitiria controlar a geração de hidrogênio.

[0045] Como também indicado acima, nas realizações específicas, a capacidade do eletrodo em Ah dos primeiros eletrodos pode ser essencialmente maior que a capacidade do eletrodo dos segundos eletrodos. Em outras realizações, pode ocorrer o contrário. No entanto, as capacidades também podem ser essencialmente idênticas. No aparelho baseado em placa bipolar, as capacidades podem ser essencialmente idênticas, embora isto não seja necessariamente o caso. Em outras realizações, a capacidade dos primeiros eletrodos pode ser essencialmente maior que a capacidade do eletrodo dos segundos eletrodos.

[0046] No entanto, as capacidades do eletrodo dos eletrodos de diferentes subconjuntos também podem diferir. Por exemplo, para geração de hidrogênio durante o estágio de descarga, os eletrodos que são usados para a geração de hidrogênio podem, nas realizações, ser menores em capacidade, mas com maior área de superfície que aqueles para descarga. Os eletrodos que geram hidrogênio também podem ter capacidade de descarga desprezível contanto que as capacidades de geração de hidrogênio sejam altas o bastante.Durante o estágio de carga, os diferentes primeiros eletrodos podem ser curto-circuitados para facilitar o carregamento e geração de hidrogênio por todos os primeiros eletrodos.

[0047] Em realizações específicas, o Segundo eletrodo possui uma segunda capacidade de eletrodo (Ah2), e a pluralidade de primeiros eletrodos possui uma primeira capacidade de eletrodo do subconjunto integrada (Ah11) de todos os primeiros eletrodos dentro do primeiro subconjunto e uma segunda capacidade de eletrodo do subconjunto integrada (Ah12) de todos os primeiros eletrodos dentro do segundo subconjunto, em que especialmente Ah1=Ah11+Ah12>Ah2, ainda mais especialmente em que Ah11/Ah2 ≥ 2 e em que Ah11/Ah12 ≥ 1.

[0048] Também como será descrito aqui, nas realizações específicas do aparelho de energia, o aparelho compreende uma primeira conexão elétrica em conexão elétrica com o primeiro eletrodo de célula, e uma segunda conexão elétrica em conexão elétrica com o segundo eletrodo de célula.

[0049] Conforme também será descrito ainda aqui, nas realizações específicas do aparelho de energia, o aparelho compreende um sistema de controle de líquido aquoso configurado para controlar a introdução de um ou mais entre o primeiro líquido aquoso de célula e o segundo líquido aquoso de célula na unidade funcional.

[0050] Conforme também será descrito adicionalmente aqui ainda, nas realizações específicas do aparelho de energia, o aparelho compreende um sistema de armazenamento configurado para armazenar um ou mais entre o primeiro gás de célula e o segundo gás de célula fora da dita unidade funcional.

[0051] Conforme também será descrito ainda aqui, nas realizações específicas do aparelho de energia, o aparelho compreende um sistema de pressão configurado para controlar um ou mais entre (a) uma pressão do primeiro gás de célula na unidade funcional, (b) uma pressão do primeiro gás de célula no sistema de armazenamento, (c) uma pressão do segundo gás de célula na unidade funcional e (d) uma pressão do segundo gás de célula no sistema de armazenamento.

[0052] Conforme também será descrito aqui ainda, nas realizações específicas do aparelho de energia, o aparelho compreende:

[0053] - uma unidade de controle de carga configurada para receber energia elétrica de uma fonte de energia elétrica externa e configurada para prover a dita energia elétrica para a dita unidade funcional durante pelo menos parte de um período de carregamento a uma diferença de potência entre o primeiro eletrodo de célula e o segundo eletrodo de célula de não mais que 1.37 V.

[0054] - uma primeira unidade conectora para acoplar funcionalmente um receptor para ser eletricamente alimentado e a conexão elétrica (51,52), e uma segunda unidade conectora para conectar funcionalmente um dispositivo a ser provido com um ou mais entre o primeiro gás de célula e o segundo gás de célula ao dito sistema de armazenamento; e

[0055] - um sistema de controle configurado para controlar o sistema de controle de líquido aquoso, o sistema de armazenamento, o sistema de pressão e a unidade de controle de carga.

[0056] Portanto, em um aspecto adicional, a invenção também provê um aparelho de energia (“aparelho”) que possui especialmente tanto uma funcionalidade de armazenamento de energia elétrica quanto uma funcionalidade de eletrólise, o sistema compreendendo uma unidade funcional, a unidade funcional compreendendo: - uma primeira célula, que compreende um primeiro eletrodo de célula e uma ou mais primeiras aberturas de célula para um (básico) primeiro líquido aquoso de célula (“líquido”) e para um primeiro gás de célula, em que o primeiro eletrodo compreende especialmente um eletrodo à base de ferro; - uma segunda célula, que compreende um segundo eletrodo de célula e uma ou mais segundas aberturas de célula para um (básico) segundo líquido aquoso de célula (“líquido”) e para um segundo gás de célula, em que o segundo eletrodo compreende especialmente um eletrodo à base de níquel; - um separador, em que a primeira célula e a segunda célula compartilham o separador, em que o separador é configurado para bloquear o transporte de um ou mais entre O2 e H2 de uma célula para outra, enquanto apresenta permeabilidade para pelo menos um ou mais entre hidróxido monovalente (OH-), sódio monovalente (Na+), lítio monovalente (Li+) e potássio monovalente (K+); - uma primeira conexão elétrica em conexão elétrica com o primeiro eletrodo de célula, e uma segunda conexão elétrica em conexão elétrica com o segundo eletrodo de célula;

[0057] o aparelho de energia compreendendo opcionalmente ainda um ou mais entre: - um sistema de controle de líquido aquoso configurado para controlar a introdução de um ou mais entre o primeiro líquido aquoso de célula e o segundo líquido aquoso de célula na unidade funcional; - um sistema de armazenamento configurado para armazenar um ou mais entre o primeiro gás de célula e o segundo gás de célula fora da dita unidade funcional; - um sistema de pressão configurado para controlar um ou mais entre (a) uma pressão do primeiro gás de célula na unidade funcional, (b) uma pressão do primeiro gás de célula no sistema de armazenamento, (c) uma pressão do segundo gás de célula na unidade funcional e (d) uma pressão do segundo gás de célula no sistema de armazenamento; - uma unidade de controle de carga configurada para receber energia elétrica de uma fonte de energia elétrica externa e configurada para prover a dita energia elétrica à dita unidade funcional durante pelo menos parte de um período de carregamento a uma diferença de potência entre o primeiro eletrodo de célula e o segundo eletrodo de célula de especialmente mais que 1,37 V, como mais de 1,48V e ainda até a 2,0 V; - uma primeira unidade conectora para acoplar funcionalmente a um receptor para ser eletricamente alimentado e a conexão elétrica, e uma segunda unidade conectora para conectar funcionalmente um dispositivo a ser provido com um ou mais entre o primeiro gás de célula e o segundo gás de célula com o dito sistema de armazenamento; e - um sistema de controle (“controlador”) configurado para controlar um ou mais entre (e especialmente todos entre) o sistema de controle de líquido aquoso, o sistema de armazenamento, o sistema de pressão e a unidade de controle de carga.

[0058] As principais vantagens de combinar uma bateria e eletrolisador em um dispositivo, como atualmente reivindicado, são inúmeras.

[0059] A bateria e eletrolisador integrados possui um alto fator de capacidade para operação econômica. Isto é realizado devido à quando o preço da eletricidade está baixo (grande fornecimento em comparação à demanda) carrega- se a bateria e quando a bateria está atingindo sua capacidade total, gera automaticamente mais hidrogênio. Quando preço da eletricidade está alto (baixo fornecimento em comparação à demanda), a bateria pode descarregar-se enquanto a eletrólise é interrompida automaticamente. O eletrolisador com bateria integrada está em todas as vezes em funcionamento, elevando o fator de capacidade, ao contrário, por exemplo, um único eletrolisador que só operará quando o preço da eletricidade está baixo, ou uma única bateria que não pode funcionar quanto já está cheia. Outra vantagem é que são providas duas funcionalidades por um único dispositivo que possui uma complexidade não superior de um eletrolisador alcalino.

[0060] Uma vantagem adicional é o aumento de eficiência: normalmente as superpotências aplicadas e a divisão de água são consideradas um fator de perda na operação de uma bateria de Ni-Fe. Aqui, faz-se uso desta energia no processo de eletrólise, resultando em eficiência geral mais elevada. O calor dissipou-se durante o carregamento da bateria e exige-se eletrólise da água para gerar hidrogênio e oxigênio. Isto exige que o calor seja resultado do aumento na entropia ao dividir a água líquida em H2 e O2 gasosos. O aumento na entropia dS corresponde a uma quantidade de calor TdS exigida para continuar a reação, próximo de fornecer dG de energia livre de Gibbs. Assim, no total a energia provida pelo sistema se iguala a dG + TdS = dH, onde dG é provido como energia elétrica e TdS como calor.

[0061] Além disso, ocorre produção de hidrogênio durante a redução química do eletrodo de ferro para o metal Fe e também continua por um período posterior desejado. Este hidrogênio é um produto útil e pretendido. Além disso, parece que a função da bateria opera reversivelmente melhor e atinge apenas sua capacidade total quando também permite-se a evolução de hidrogênio durante a sobrecarga como esta. As baterias originais de Ni-Fe, no entanto, não são intencionalmente carregadas totalmente, porque então a eficiência de energia é considerada menor devido às superpotências que ocorrem e ao gaseamento, e também ao eletrólito precisar de reenchimento. Aqui, faz-se intencionalmente (quando há fornecimento de eletricidade suficiente a cada ciclo), o que na verdade parece aumentar a vida útil do eletrolisador da bateria. Que tal supercarregamento seja permitido e intencionalmente realizada torna a eletrônica de potência também relativamente simples; para sistemas de bateria normal, a sobrecarga é evitada no nível de célula individual, tornando o gerenciamento de célula da mais exigente.

[0062] Além disso, para a funcionalidade de bateria exige-se números e volumes maciços de células de bateria para atingir um alto volume de armazenamento de energia (muito kWh ou MWh ou ainda maior). Isto resultas automaticamente em grande área de superfície ativa dentro da montagem de eletrodos, o que beneficia a funcionalidade de eletrólise.

[0063] Além disso, para eletrolisadores pode-se usar área de superfície maior, eletrodos à base de Ni porosos ou ásperos a fim de atingir altas densidades de corrente a superpotências não muito elevadas. Na prática, esta área de superfície porosa ou áspera será menor que aquelas possíveis em uma bateria que contém um quantidade maior de Ni para armazenamento de eletricidade. Também são incluídos metais preciosos como catalisadores em eletrolisadores alcalinos convencionais, mas não são necessários no eletrolisador da bateria.

[0064] Outra vantagem do eletrolisador da bateria é que ele pode gerar hidrogênio e oxigênio à pressão aplicada no eletrólito de líquido. Isto significa que pela baixa demanda de energia, pressurização de água e pequenas superpotências elétricas, pode ser produzido hidrogênio de pressão diretamente elevada. Observe que tal produção de hidrogênio eletroquímico é significativamente mais eficaz que a compressão mecânica de gás de hidrogênio e também não exige um compressão de gás grande e caro

[0065] As densidades de corrente dos eletrodos podem estar na faixa de 0,001 a 10 A/cm2 da área de superfície geométrica dos eletrodos, ou mais comumente 0,1 - 2 A/dm2. Observou-se ainda que para o eletrolisador da bateria as densidades de corrente atingidas são maiores para carga típica de bateria, uma vez que o (dimensionamento dos) eletrodos (seja tal que) eles se tornem totalmente carregados dentro de ~10 ou ~1 horas para uma corrente de 0,2 e 2A/dm2, respectivamente. Para densidades de corrente mais elevadas de até 400 mA/cm2 ou até 2000 mA/cm2, como usadas nos eletrolisadores, o battolyser pode ter eletrodos positivos e negativos que possuem espessura maior, ou seja, uma capacidade de armazenamento de até, por exemplo, 800 ou 4000 mAh/cm2 da superfície do eletrodo. Uma duração à carga total de aproximadamente 5 horas é compatível com a carga noturna da célula com eletricidade da energia solar, deixando ainda mais horas para produção de hidrogênio. As superpotências para eletrólise permanecem baixas nestas densidades de corrente, devido à grande área de superfície ativa disponível nos eletrodos da bateria. Isto resulta em eficiência de energia mais elevada (o eletrolisador típico opera a 2,0V, a bateria-eletrolisador, como aqui definido, opera na faixa de 1,48 a 2,0 V ao produzir hidrogênio). As superpotências restantes são necessárias para gerar o hidrogênio e oxigênio.

[0066] Além disso, não são necessários metais nobres como Pt/Ru no eletrodo negativo à base de Fe ou positivo à base de Ni (redução de custo). No entanto, quando desejado, um metal nobre pode ser aplicado.

[0067] Ademais, um dispositivo com bateria e eletrolisador possui a vantagem de ser flexível no armazenamento de energia. Quando a bateria está cheia, ainda mais energia pode ser armazenada no gás. Em um sistema de energia solar, claramente se dimensionaria a bateria apropriadamente para o uso exigido de eletricidade durante a noite e armazenar a eletricidade em excesso como gás, por exemplo, para uso posterior no inverno. Para a rede de eletricidade, a presença do eletrolisador da bateria possui a vantagem de que há agora um tanque de resposta rápida e fonte para corrente disponível. Quando há uma produção variável de energia solar e eólica, a estabilidade da rede de eletricidade exige que os ativos sejam flexíveis na absorção e fornecimento de energia quando há muita ou pouca energia gerada. O tempo de comutação para este dispositivo a partir da absorção de eletricidade até o fornecimento de eletricidade é particularmente curto, uma vez que possui uma funcionalidade de bateria. Ainda, também um benefício econômico de um dispositivo de finalidade dupla é de que o fator de tempo de enchimento (ou fator de capacidade) para seu uso possa ser muito elevado: a bateria pode funcionar de dia (carga) e de noite (descarga), e quando completamente carregado, o dispositivo não está ocioso, porque ele (ainda) gera hidrogênio e oxigênio. Para eletrolisadores que funcionam em energias renováveis, isto é sempre um entrave nos cálculos: quantas horas eles realmente serão usados, uma vez normalmente se carrega primeiro as baterias antes de converter para hidrogênio com a perda de eficiência associada e e só depois se liga o eletrolisador. Na bateria de Ni-Fe normal, a carga armazenada por peso de Ni(OH)2 é limitada ao máximo teórico de 289 mAh/grama, enquanto no eletrolisador da bateria, diversas daquela carga podem ser armazenadas também como hidrogênio, reduzindo o custo geral por unidade de energia armazenada.

[0068] Finalmente, o custo adicionado para conversão de uma bateria em um eletrolisador da bateria pode não ser tão elevado devido aos materiais do eletrodo terem de estar lá de alguma forma. O sistema de pressão e o separador/diafragma apresentarão custo adicional, no entanto, mas menos que ao construir baterias e eletrolisador separadamente. O sistema também pode exigir um conjunto de eletrônicos de potência em vez de dois, que pode ser usado continuamente.

[0069] Como indicado acima, o aparelho de energia possui uma funcionalidade de armazenamento de energia elétrica e uma funcionalidade de eletrólise. Portanto, o aparelho é uma combinação de uma bateria e um eletrolisador. Ao carregar a bateria, a bateria fica pronta para uso e ainda é produzido hidrogênio. Mesmo quando a bateria está cheia, a produção de hidrogênio pode ser continuada. Isto provê uma bateria carregada e hidrogênio, cuja produção, por exemplo, pode ocorrer quando não ocorre nenhum consumo de energia ou portador de energia do aparelho. O termo “energia” se refere especialmente à energia elétrica. O termo “portador de energia” se refere especialmente ao gás de hidrogênio (H2), o qual pode ser usado como combustível, por exemplo, para propulsão direta de um motor, mas que também pode ser usado indiretamente, por exemplo, em uma célula combustível para a geração de eletricidade. Portanto, o aparelho pode ser especialmente usado como ponto de carregamento para veículos para eletricidade e/ou hidrogênio (e/ou O2) (vide também abaixo).

[0070] O aparelho compreende uma unidade funcional. No entanto, em uma realização do aparelho de energia, o aparelho também pode compreender uma pluralidade de unidades funcionais. Duas ou mais das unidades funcionais podem ser dispostas (eletronicamente) em série, por exemplo, para aumentar a diferença de tensão. No entanto, duas ou mais das unidades funcionais também podem ser dispostas em paralelo, por exemplo, para aumentar a corrente. Além disso, quando há mais de duas unidades funcionais, também uma combinação de disposições em série e disposições paralelas podem ser aplicadas.

[0071] Especialmente, a unidade funcional que compreende uma primeira célula, compreendendo um primeiro eletrodo de célula e uma ou mais primeiras aberturas de célula para um primeiro líquido aquoso de célula e para um primeiro gás de célula, em que o primeiro eletrodo compreende especialmente um eletrodo à base de ferro, e uma segunda célula que compreende um segundo eletrodo de célula e uma ou mais segundas aberturas de célula para um segundo líquido aquoso de célula e para um segundo gás de célula, em que o segundo eletrodo compreende especialmente um eletrodo à base de níquel.

[0072] Cada células compreende pelo menos uma abertura para introdução dos respectivos líquidos aquosos. O líquido aquoso usado é especialmente um líquido aquoso básico, como compreendendo um ou mais entre KOH, LiOH e NaOH. Especialmente, a concentração de OH- é pelo menos 3 mol/L. Especialmente, a concentração do hidróxido (principalmente um ou mais entre KOH, NaOH e LiOH) na água está na faixa de 4,5 - 8,4 mol/L (25 a 47% em peso para KOH) . Portanto, estas aberturas podem ser, respectivamente, configuradas como entradas de eletrólito reciclado com água adicionada para manter a concentração escolhida de KOH, LiOH e/ou NaOH.

[0073] O primeiro líquido aquoso de célula e o segundo líquido aquoso de célula nas células são especialmente alcalinos, como pelo menos 0,1 mmol/L OH, especialmente pelo menos 3 mol/L OH, ainda mais especialmente pelo menos 3 mol/L OH, como pelo menos aproximadamente 6 mol/L OH. O líquido nas células pode ser complementado com líquidos do sistema de controle de líquido aquoso. A água dose não necessariamente pode ser alcalina, conforme o álcali nas células pode ser substancialmente não usado de modo eficaz. O “líquido aquoso de célula” também pode ser indicado como eletrólito.

[0074] Além disso, cada célula também pode compreender uma abertura adicional, especialmente configurada para remoção do líquido aquoso e/ou para remoção de gás. Ambos podem escapar da mesma abertura. O primeiro gás de célula compreende especialmente gás de H2; o segundo gás de célula compreende especialmente O2. O líquido aquoso na célula e o gás da célula podem escapar da mesma abertura. Alternativa ou adicionalmente, duas ou mais aberturas podem ser usadas, por exemplo, uma para remoção do líquido aquoso e uma para a remoção de gás.

[0075] Como cada células possui duas aberturas, o líquido aquoso pode fluir através de cada célula, onde o fluxo ajuda na remoção de gás, resfriamento (ou aquecimento) quando necessário, controle de concentração de eletrólito e reenchimento de água. Dependendo da corrente aplicada por cm2 de área de superfície de eletrodo, o fluxo (no volume/área/tempo) pode estar, por exemplo, na faixa de aproximadamente 0,3 μL/cm2/h - 3,5 mL/cm2/h (com o valor antigo correspondendo aproximadamente ao valor de 0,001 A/cm2, e o último valor correspondendo aproximadamente ao valor de 10A/cm2; vide em outro lugar aqui).

[0076] Além disso, cada célula compreende um eletrodo.

[0077] A primeira célula compreende o primeiro eletrodo, que compreende especialmente um eletrodo à base de ferro. O eletrodo à base de ferro pode compreender, em um estado carregado, essencialmente Fe (metal) e, em um estado descarregado, essencialmente Fe(OH)2, como foi o caso na bateria de Ni-Fe de Edison.

[0078] O eletrodo à base de ferro é produzido especialmente após o procedimento a seguir. Ferro é o primeiro dissolvido no H2SO4 diluído e para produzir sulfato ferroso. Este é purificado por recristalização e torrado a 1070 - 1120 K. A massa torrada é enxaguada completamente com água e então seca. O material seco é tratado com hidrogênio a 1020-1070 K para redução química e, novamente, submetido a oxidação parcial a 970-1070 K. Este último processo produz uma mistura de ferro em pó e magnetita. A mistura é combinada com agentes adicionais (carbono, Cu, FeS, HgO, NaS, etc.) e colocada em bolsos feitos de chapa de aço perfurado com níquel. Os bolsos são fixados sobre uma placa de aço niquelado adequada para formar o eletrodo negativo. Assim, especialmente o eletrodo à base de ferro é feito conforme descrito por Chakkaravarthy et al. no Jornal de Fontes de energia, 35 (1991) 21-35, o qual é aqui incorporado por referência, usando bolsos perfurados feitos de placa de aço de Ni. O material de ferro ativo pode ainda ser ligado por sinterização, ou pode alternativamente se ligado por PTFE ou polietileno. Alternativa ou adicionalmente, o primeiro eletrodo compreende aditivos condutores como carbono ou Ni. Em contraste com a bateria de Ni-Fe frequentemente descrita, os aditivos como sulfetos (FeS, sulfeto de bismuto, HgO, Na2S, K2S, etc.) ou outros para suprimir a evolução de hidrogênio não são usados, ou alternativamente alterados em concentração, uma vez que no eletrolisador da bateria a evolução de hidrogênio destina-se a ocorrer nas superpotências reduzidas. Os aditivos para reduzir a superpotência de geração de hidrogênio ainda podem ser uma pequena porcentagem de massa dos seguintes: Ni-Mo-Zn co- depositado com Fe, ou alternativamente Ni-S-Co, Ti2Ni, grafeno dopado com nitrogênio, Ni-Mo-N, dopação de Ni do Fe, nanopartículas de Ni(OH)2, Ni-Cr, Ni5P4 nanocristalino, Ru, RuO2, AgNi, MoSx, WSx, WSe2 ou os elementos nobres Pd, Pt, etc. A porosidade do eletrodo pode ser mantida durante a pressão dos eletrodos ao adicionar, por exemplo, NaCl ao eletrodo, pressionando e então lixiviando NaCl para introduzir a porosidade. A espessura total do eletrodo em seus bolsos é de 2 - 5 mm, mais particularmente aproximadamente 3,5 mm. O termo “primeiro eletrodo” também pode se referir a uma pluralidade de primeiros eletrodos.

[0079] A segunda célula compreende um segundo eletrodo, que compreende especialmente um eletrodo à base de níquel. O eletrodo à base de níquel pode compreender, em um estado carregado, essencialmente NiOOH e, em um estado descarregado, essencialmente Ni(OH)2.

[0080] O eletrodo à base de níquel é produzido especialmente na forma descrita para eletrodos Ni(OH)2 porosos sinterizados também no Jornal de Fontes de energia, ibid, o qual é pelo presente incorporado por referência. Os eletrodos sinterizados são destinados para cargas altas a extremamente altas. O níquel carbonílico em pó é incorporado bilateralmente em um substrato adequado e sinterizado em uma atmosfera de redução a aproximadamente 1120 K para produzir uma matriz porosa. O substrato pode ser um dos materiais a seguir: tela de níquel ou tela de aço leve niquelado, folha de níquel perfurada ou folha de aço leve perfurada niquelada, esteira de fibra de níquel ou esteira de fibra de aço niquelada. A incorporação bilateral do níquel carbonílico em pó é realizado antes da sinterização em condições secas usando um molde de grafite. Este processo é denominado uma “sinterização de pós seco” ou “sinterização solta”. “Sinterização de pasta úmida” é outra abordagem, em que utiliza-se uma pasta de níquel em pó de consistência adequada. As placas adequadas de espessura definida e 80 a 90% de porosidade são produzidas por estes métodos. O hidróxido de níquel e hidróxido de cobalto são incorporados nos poros das placas de níquel por impregnação a vácuo ou por método eletroquímico. Alternativa ou adicionalmente, o segundo eletrodo compreende nenhum ou quantidade reduzida de aditivo de Co em comparação às baterias de Ni-Fe normais; Co geralmente é adicionado nos eletrodos de Ni(OH)2 para as baterias de Ni-Fe para reduzir o potencial de equilíbrio e evolução de oxigênio, enquanto aqui esta supressão não seja necessária. Alternativa ou adicionalmente, o segundo eletrodo compreende aditivos condutores, como carbono ou Ni. O termo “segundo eletrodo” também pode ser a uma pluralidade de segundos eletrodos. Além disso, pode-se adicionar catalisadores da evolução de oxigênio próximos ao NiOOH do eletrodo para reduzir a superpotência para evolução de oxigênio. Estes podem ser de baixa porcentagem de peso do Co3O4 tipo espinélio, ou NiCo2O4 tipo espinélio ou Ni e La dopados com Co3O4, Li dopado com Co3O4, La0,5Sr0,5CoO3, Ni0,2Co0,8LaO3, (Pr0,5Ba0,5)CoO3-x, hidróxidos de Ni-Fe, como Ni1- xFex(OH)2, ou NiO/NiFe2O4. Alternativamente, também até 25% de substituição de Al de Ni em Ni(OH)2 podem ser realizados para produzir capacidade mais elevada e atividade eletroquímica, como relatado no Jornal de Fontes de energia 203 (2012) 177-183. Alternativamente, o eletrodo de Ni pode ter Fe substituindo Ni para formar Ni1-xFex(OH)2.

[0081] A primeira célula e a segunda célula compartilham um separador, mas são separadas entre si por este separador. Portanto, o líquido pode não fluir de uma célula para a outra através do separador. Além disso, o gás de hidrogênio e/ou gás de oxigênio pode não fluir de uma célula para outra através do separador. No entanto, o separador podem ser permeáveis a íons específicos, como pelo menos um ou mais entre íons de OH-, H2O neutro, sódio monovalente (Na+), lítio monovalente (Li+) e potássio monovalente (K+). Portanto, a primeira célula e a segunda célula compartilham o separador, em que o separador é configurado para bloquear o transporte de um ou mais entre O2 e H2 de uma célula para outra, enquanto apresenta permeabilidade para pelo menos um ou mais entre íons de OH-, H2O neutro, sódio monovalente (Na+), lítio monovalente (Li+) e potássio monovalente (K+), especialmente todos. Portanto, principalmente o separador pode ter uma condutividade iônica relativa elevada e uma resistência iônica relativamente baixa. Por exemplo, a resistência iônica é menor que <0,3 Q.cm2 em 30% em peso da solução de KOH (a 30 °C) . O separador pode, por exemplo, compreender uma membrana, como membranas de eletrólise conhecidas na técnica. Os exemplos de membranas podem, por exemplo, incluir membranas de polímero alcalino resistentes e membranas de compósito de polímero, como por exemplo uma membrana Zirfon (da Agfa). Esta membrana, por exemplo, pode consistir em uma matriz de polímero na qual são incorporadas micropartículas de cerâmica (óxido de zircônio). Este corpo é reforçado internamente com um tecido de malha feito de sulfeto de polifenileno de monofilamento (PPS) ou tecido de polipropileno (PP). E possui um tamanho de poro controlado de aproximadamente 0,15 μm e ponto de bolha (especialmente definido como pressão de gás contra um lado da membrana necessária para formar bolhas no outro lado onde há líquido) de aproximadamente 2 +/- 1 bar (sobrepressão). Esta membrana pode ser permanentemente hidrofílica, por partículas de óxido de metal incorporadas, perfeitamente molháveis em água e os eletrólitos mais comuns. Esta membrana pode ser estável em alcalino forte (até KOH 6 M) e até 110°C. O tamanho do poro pode estar, por exemplo, na faixa de aproximadamente 0,05-0,3 μm, como aproximadamente 0,15 μm; a espessura pode estar, por exemplo, na faixa de aproximadamente 100-1000 μm, como aproximadamente 500 μm. Entre o separador e cada eletrodo, pode ser configurado um respectivo espaçador. Estes espaçadores podem incluir aberturas para transporte dos líquidos aquosos e prover acesso destes líquidos ao respectivo eletrodo.

[0082] Desta forma, é provida uma unidade funcional, que é substancialmente fechada, exceto para as aberturas aqui indicadas. Para conexão elétrica, os eletrodos podem ser conectados a uma conexão elétrica, que também é acessível de fora da unidade funcional. Portanto, a unidade funcional pode compreender ainda uma primeira conexão elétrica em conexão elétrica com o primeiro eletrodo de célula, e uma segunda conexão elétrica em conexão elétrica com o segundo eletrodo de célula.

[0083] Para um bom processamento com a unidade funcional, o aparelho pode compreender um ou mais entre um sistema de controle de líquido aquoso, um sistema de armazenamento de gás, um sistema de pressão, uma unidade de controle de carga, uma primeira unidade conectora, uma segunda unidade conectora e uma unidade de controle. Além disso, o aparelho também pode compreender um sistema de gerenciamento térmico e/ou isolamento térmico. Especialmente, o aparelho de energia compreende todos estes itens.

[0084] Portanto, na realização o aparelho de energia pode compreender ainda um sistema de controle de líquido aquoso configurado para controlar a introdução de um ou mais entre o primeiro líquido aquoso de célula e o segundo líquido aquoso de célula na unidade funcional. Este sistema de controle de líquido aquoso pode incluir uma ou mais válvulas. Além disso, este sistema de controle de líquido aquoso pode - durante a operação - ser funcionalmente conectado a uma tubulação de fornecimento para a água. Em combinação ao sistema de pressão (vide também abaixo), o líquido aquoso também pode ser provido sob pressão à unidade funcional (vide mais também abaixo). Além disso, o sistema de controle de líquido aquoso pode incluir armazenamento para produtos cáusticos, como um ou mais entre NaOH, LiOH e KOH,especialmente pelo menos KOH. O sistema de controle de líquido aquoso pode prover de forma independente o líquido à primeira célula e à segunda célula. Ademais, o sistema de controle de líquido aquoso pode incluir um sistema de retorno, configurado para receber o líquido à jusante da primeira célula e/ou da segunda célula e reutilizar pelo menos parte do primeiro líquido e/ou segundo líquido. O termo “sistema de controle de líquido aquoso” pode também se referir a uma pluralidade de sistemas de controle de líquido aquoso.

[0085] Alternativa ou adicionalmente, o sistema de controle pode ser configurado para controlar a diferença de tensão(ões) e/ou corrente(s). Também adicionalmente, o sistema de controle pode ser configurado para controlar os parâmetro do processo, como diferença de tensão(ões), fluxo, etc., como função de demanda, como função de capacidade de armazenamento, como função de horário do dia, etc. Portanto, o controle pode, na realização, também pode ser acoplado a um sensor, como um sensor para medir um ou mais entre temperatura, corrente, tensão, fluxo, etc. O termo “sensor” também pode se referir a uma pluralidade de sensores, como uma pluralidade de sensor diferente, ou uma pluralidade de sensores em que um ou mais possuem a mesma função.

[0086] Além disso, em uma realização o aparelho de energia pode compreender ainda um sistema de armazenamento configurado para armazenar um ou mais entre o primeiro gás de célula e o segundo gás de célula fora da dita unidade funcional. Portanto, o armazenamento pode ser realizado fora da unidade funcional. Para esta finalidade, o aparelho pode compreender um sistema de armazenamento configurado para armazenar H2 e/ou um armazenamento configurado para armazenar O2. Pelo menos, o aparelho pode compreender um armazenamento configurado para armazenar H2. Em combinação com o sistema de pressão (vide também abaixo), o sistema de armazenamento também pode ser configurado para armazenar o um ou mais entre o primeiro gás de célula e o segundo gás de célula sob pressão (vide mais também abaixo). O termo “sistema de armazenamento” também pode se referir a uma pluralidade de sistema de armazenamentos.

[0087] Assim, em uma realização o aparelho de energia pode compreender ainda um sistema de pressão configurado para controlar um ou mais entre (a) uma pressão do primeiro gás de célula na unidade funcional, (b) uma pressão do primeiro gás de célula no sistema de armazenamento, (c) uma pressão do segundo gás de célula na unidade funcional e (d) uma pressão do segundo gás de célula no sistema de armazenamento. Para esta finalidade, o sistema de pressão pode compreender uma bomba, uma válvula, etc. Em uma realização, o sistema pressurizado compreende essencialmente uma ou mais válvulas. O termo “sistema de pressão” também pode se referir a uma pluralidade de sistemas de pressão. Especialmente quando dois ou mais tipos diferentes de fluidos foram pressurizados, dois ou mais sistemas de pressurização independente podem ser aplicados.

[0088] Ainda em uma realização adicional, o aparelho de energia pode compreender ainda uma unidade de controle de carga configurado para receber energia elétrica de uma fonte de energia elétrica externa (vide também abaixo) e ser configurado para prover a dita energia elétrica para a dita unidade funcional durante pelo menos parte de um período de carregamento na corrente (algumas vezes também indicada como “potência de corrente”) que resulta em uma diferença de potência entre o primeiro eletrodo de célula e o segundo eletrodo de célula de não mais que 1,55 V a 18 °C e 1,50V a 40 °C, ou seja, na prática, portanto, pelo menos 1,50 V. iniciando a partir do estado descarregado, a corrente é primeiramente aplicada para carregar principalmente a bateria; ao aplicar esta corrente, as tensões atingem até 1,65V a 18 °C e 1,55V a 40 °C antes de a bateria ser aproximadamente totalmente carregada, ou seja, na prática, assim, pelo menos 1,55 V. Progressivamente, é produzido mais hidrogênio após a capacidade da bateria ser atingida e a tensão pode então atingir até 1,75V (a 18°C) e 1,62V a 40 °C, ou seja, na prática, assim, pelo menos 1,62 V. A eficiência de energia do carregamento da funcionalidade da bateria e a produção de gás eletrolítico é calculada como integral da corrente de saída da bateria vezes sua tensão integrada ao longo do tempo de descarga mais o valor de aquecimento mais elevado (HHV) da quantidade de gás de hidrogênio produzida durante a carga e (auto)descarga no ciclo total, dividido pelo número inteiro da corrente de entrada vezes sua tensão ao longo do tempo de carga. Parece que são obtidos resultados muito bons em termos de eficiência de energia total, mesmo quando bem acima dos limites superiores da tensão normal de 1,65 (a 18°C) ou 1,55V (a 40°C) (ou seja, na prática, assim, pelo menos 1,55 V) para carga de Ni-Fe para carga nominal total, e especialmente quando a corrente de carga/inserção muito além da capacidade nominal dos eletrodos da bateria de Ni e Fe. A unidade de controle de carga pode incluir dispositivos eletrônicos para converter altas tensões à tensão necessária e/ou converter a tensão CA em tensão de CD. Especialmente, em uma realização do aparelho de energia, a unidade de controle de carga configurada para prover a dita energia elétrica à dita unidade funcional durante pelo menos parte de um período de carregamento a uma corrente que resulta em uma diferença de potência entre o primeiro eletrodo de célula e o segundo eletrodo de célula selecionados a partir da faixa de 1,4-1,75 V. Os melhores resultados em termos de reversibilidade eletroquímica da bateria, produção da quantidade de gás e eficiência geral de energia são obtidos para as correntes aplicadas que resultam em célula potenciais nesta faixa de tensão.

[0089] Para serem obtidos os melhores resultados de descarga quando a descarga é continuada a um nível preferencialmente não inferior a 1,10V para a célula. O sistema de controle, opcionalmente em combinação com a unidade de controle de carga, também pode ser configurado para controlar a descarga da unidade funcional. A descarga pode ser realizada para um objeto industrial ou veículo, etc., usando energia elétrica. No entanto, alternativa ou adicionalmente, a unidade funcional também pode ser descarregada em uma rede de eletricidade.

[0090] Além disso, a unidade de controle de carga pode ser configurada para prover a dita energia elétrica à dita unidade funcional durante pelo menos parte de um período de carregamento a uma corrente que corresponde à capacidade nominal da bateria C expressa em Ah dividido por um mínimo de 2h, ou seja, C/tempo com tempo > 2h. Estas correntes aplicadas podem levar a uma diferença de potência entre o primeiro eletrodo de célula e o segundo eletrodo de célula de especialmente mais de 1,37 V, mas especialmente não superior a no máximo 2,0 V

[0091] Como indicado acima, o aparelho pode incluir ainda isolamento térmico especialmente configurado para manter baixa a perda de energia térmica da unidade funcional. Além disso, o aparelho pode compreender um sistema de gerenciamento térmico, configurado para manter a temperatura da unidade igual ou abaixo de uma temperatura máxima predeterminada, por exemplo, igual ou abaixo de 95°C. Portanto, em uma realização, especialmente para sistemas grandes (como 10 kW ou mais), a temperatura das células é monitorada e as correntes aplicadas de carga e descarga são reduzidas quando a temperatura eleva acima do limite estabelecido de 60 °C. O sistema de gerenciamento térmico pode pelo menos ser parcialmente compreendido pelo sistema de controle, ou seja, em relação aos controles. Além disso, o isolamento térmico pode ser compreendido pelo sistema de gerenciamento térmico.

[0092] Como indicado acima, o aparelho de energia pode incluir uma pluralidade de elementos funcionais configurada eletricamente em série e/ou paralelo, de modo a aumentar a diferença de potência (em série) e/ou a carga (paralela) que pode ser provida.

[0093] Em uma realização o aparelho de energia pode compreender ainda uma primeira unidade conectora para se acoplar funcionalmente a um receptor a ser eletricamente alimentado e à conexão elétrica. Um exemplo de um dispositivo pode ser um carro (vide também abaixo). Portanto, especialmente o aparelho pode incluir um plugue (n elétrico) ou um soquete que pode ser conectado a tal dispositivo, o que pode, assim, incluir especialmente um soquete ou um plugue. O primeiro conector é especialmente configurado para transferir energia elétrica do aparelho para um receptor, como um dispositivo externo, como uma bateria deste dispositivo, ou para uma rede de eletricidade. O termo “primeira unidade conectora” também pode se referir a uma pluralidade de primeiras unidades conectoras.

[0094] Em uma realização o aparelho de energia pode compreender ainda uma segunda unidade conectora para conectar funcionalmente um dispositivo a ser provido com um ou mais entre o primeiro gás de célula e o segundo gás de célula com o dito sistema de armazenamento. Portanto, especialmente o aparelho pode incluir um plugue (de gás de hidrogênio n) ou um soquete, que pode ser conectado a tal dispositivo, o que pode assim incluir especialmente um soquete ou um plugue. O segundo conector é especialmente configurado para transferir gás de hidrogênio do armazenamento para um receptor, como um dispositivo externo, como uma unidade de armazenamento de hidrogênio de tal dispositivo ou para uma rede de gás. O termo “segunda unidade conectora” também pode se referir a uma pluralidade de segundas unidades conectoras. Observe que o receptor para o gás não é necessariamente o mesmo do receptor para a eletricidade.

[0095] Ainda, em uma realização o aparelho de energia pode compreender ainda um sistema de controle configurado para controlar um ou mais entre o sistema de controle de líquido aquoso (se disponível), o sistema de armazenamento (se disponível), o sistema de pressão (se disponível) e a unidade de controle de carga (se disponível). O sistema de controle é especialmente configurado para controlar o aparelho, e os elementos individuais, especialmente o sistema de controle de líquido aquoso, o sistema de armazenamento, o sistema de pressão e a unidade de controle de carga. Desta forma, o processo de carregamento e eletrólise pode ser otimizado à eficiência máxima, entre outros, por exemplo, dependente da disponibilidade de energia elétrica decorrente de uma fonte de energia elétrica externa e do consumo de energia elétrica e/ou gás de hidrogênio. Portanto, em uma realização específica do aparelho de energia, o sistema de controle é configurado para controlar a unidade de controle de carga como função de um estado de carga da unidade funcional e uma disponibilidade de energia elétrica decorrente da fonte de energia elétrica externa. Adicionalmente, o sistema de controle é configurado para controlar a unidade de controle de carga como função de um estado de carga da unidade funcional, o estado de um armazenamento de gás (total ou ainda preenchível), e uma disponibilidade de energia elétrica da fonte de energia elétrica externa. Opcionalmente, a unidade de controle de carga também pode ser configurada para alimentar eletricidade de volta na rede de eletricidade. O sistema de controle pode ser especialmente configurado para controlar as condições de operação do aparelho de energia como função de demanda de eletricidade e/ou demanda de gás de um ou mais clientes (como os dispositivos aqui indicados) e/ou disponibilidade de eletricidade (na rede). Portanto, o sistema de controle pode, entre outros, controlar um ou mais entre temperatura, fluxo de líquido, diferença de tensão, sinal de tensão, etc., como função da presença de demanda externa e/ou do tipo de demanda externa (H2 e/ou eletricidade).

[0096] Um importante fator determinante de custo no eletrolisador-bateria é o teor de metal de níquel (o níquel é substancialmente mais caso que o ferro). Por este motivo, em uma realização a quantidade de material de Ni(OH)2 pode ser reduzida significativamente em relação à capacidade nominal do eletrodo à base de Fe ativo. O cátodo à base de Ni pode, assim, ter uma capacidade de, por exemplo, 50% ou ainda de apenas 10% do eletrodo à base de Fe disponível na reação Portanto, em uma realização, o eletrodo à base de Ni possui uma capacidade na faixa de 80 a 10% do eletrodo à base de Fe. O resultado é que, durante a carga, a evolução de O2 começa mais cedo, enquanto no eletrodo negativo a reação ainda continua a produzir Fe. O potencial então aumenta para potencial de entrada superior anterior e mais oxigênio é produzido. O oxigênio é coletado para uso posterior durante a descarga quando no eletrodo Ni a reação normal ocorre, mas, além disso, também ocorre a reação de redução de oxigênio na superfície de NiOOH/Ni(OH)2. Esta reação ocorre a um potencial ligeiramente menor que a reação isoladamente, devido ao potencial de redox menor e às superpotências exigida reduzir o O2 molecular. Desta forma, uma quantidade menor de Ni no eletrodo é possível à custa de alguma eficiência de energia geral reduzida. Após que o excesso de Fe é formado, a produção do hidrogênio ocorre quando o Fe(OH) é reduzido, mas também por meio da ‘reação de autodescarga’ contínua de que também está presente. A escolha para a quantidade de Ni(OH)2 pode, portanto, ser uma consideração econômica do custo de materiais versus a eficiência de energia. A capacidade teórica para armazenar carga em Ni(OH)2 e Fe(OH)2 é de 289 mAh/g e 596 mAh/g, respectivamente. Portanto, em uma realização do aparelho de energia, o primeiro eletrodo possui uma primeira capacidade, dependendo da massa ativa do material do eletrodo à base de ferro e o segundo eletrodo possui uma segunda capacidade, dependendo da massa ativa de material do eletrodo à base de níquel, em que a segunda capacidade no eletrodo de níquel é inferior a 90% da primeira capacidade no eletrodo à base de ferro, enquanto em uma realização específica, o restante da capacidade deriva da redução de oxigênio para a água neste eletrodo à base de níquel.

[0097] Ainda em realizações adicionais, o aparelho de energia compreende a primeira célula, a segunda célula e uma célula adicional, compreendendo tanto (i) um primeiro eletrodo adicional para prover os dois ou mais primeiros eletrodos de célula, quanto (ii) uma segundo eletrodo adicional para prover os dois ou mais segundos eletrodos de célula. Em outras realizações, como descrito acima, o(s) eletrodo(s) adicional(is) está(ão) na mesma célula do primeiro eletrodo ou do segundo eletrodo.

[0098] Ainda, em um aspecto adicional, a invenção também provê um sistema que inclui o aparelho de energia, conforme aqui definido. Este sistema pode incluir ainda uma fonte de energia, especialmente uma fonte de energia elétrica. Portanto, um realização compreende um sistema de energia compreendendo o aparelho de energia, como aqui definido, e uma fonte de energia externa (elétrica). A fonte de energia pode ser usada para carregar a unidade funcional (ou seja, carregar a bateria). O aparelho pode ser conectado funcionalmente a uma fiação. No entanto, o aparelho também pode ser conectado funcionalmente a um gerador l °Cal de energia elétrica. Por exemplo, uma instalação que gere biomassa ou um l °Cal onde a biomassa é coletada pode incluir um dispositivo para converter a biomassa em eletricidade, o que pode ser usado para energização do aparelho. Da mesma forma, uma turbina eólica l °Cal ou turbinas eólicas l °Cais, ou uma fotovoltaica l °Cal ou fotovoltaicas l °Cais, ou uma turbina hidráulica l °Cal ou turbinas hidráulicas l °Cais, podem ser usados para prover energia elétrica ao aparelho. Obviamente, esta fonte de energia externa também pode ser integrada em uma infraestrutura de energia elétrica, que pode incluir diversas usinas de energia renováveis e convencionais. Portanto, em uma realização a fonte de energia externa compreende um ou mais entre uma célula fotovoltaica, uma turbina eólica e uma turbina hidráulica. Assim, o aparelho de energia pode ser compreendido em um ou mais entre uma rede de energia elétrica, uma rede de gás H2 e uma rede de gás O2.

[0099] O termo “aparelho de energia” também pode se referir a uma pluralidade de “aparelho de energia. Portanto, em uma realização o sistema de energia pode compreender uma pluralidade de aparelho de energia e uma pluralidade de fontes de energia externa. Este aparelho de energia e energias elétricas externa estão funcionalmente associadas, como por meio de uma rede de eletricidade. Por exemplo, em uma realização os aparelhos de energia são dispostos remotamente entre si ao longo de rodovias e estradas. O sistema de energia pode incluir ainda uma rede de eletricidade. Especialmente, as fontes de energia externa podem ser acopladas funcionalmente a esta rede de eletricidade. Além disso, indústria, residências, etc., podem ser acopladas funcionalmente a esta rede de eletricidade. Portanto, em uma realização o sistema de energia pode compreender uma pluralidade de aparelho de energia e uma pluralidade de fontes de energia externa e uma rede de eletricidade.

[00100] Além disso, em uma aspecto adicional, a invenção também provê um método de armazenamento de energia elétrica e um ou mais entre hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) com um único eletrolisador da bateria. Especialmente, a invenção também provê um método de armazenamento de energia elétrica e um ou mais entre hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) com o aparelho de energia, conforme aqui definido, o método compreendendo provisão do primeiro líquido aquoso de célula, do segundo célula líquido aquoso e energia elétrica de uma fonte de energia externa à unidade funcional, provendo assim uma unidade funcional eletricamente carregada e um ou mais entre hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) armazenada no dito sistema de armazenamento, em que, durante pelo menos parte de um período de carregamento, a unidade funcional é carregada a uma diferença de potência entre o primeiro eletrodo de célula e o segundo eletrodo de célula de especialmente mais de 1,37 V, ainda mais especialmente pelo menos 1,55 V. Ainda mais especialmente durante pelo menos parte de um período de carregamento, uma corrente é selecionada, resultando em uma diferença de potência entre o primeiro eletrodo de célula e o segundo eletrodo de célula que é selecionada a partir da faixa de 1,50-2,0 V, como 1,55-1,75 V, como pelo menos 1,6V. Além disso, uma densidade de corrente pode ser especialmente selecionada a partir da faixa de 0,001-10 A/cm2.

[00101] Portanto, em uma realização, durante pelo menos parte de um período de carregamento, uma corrente é selecionada, resultando em uma diferença de potência entre o primeiro eletrodo de célula e o segundo eletrodo de célula que é selecionada a partir da faixa de 1,50-2,0 V, como 1,55-1,75 V, como pelo menos 1,6V. Além disso, uma densidade de corrente pode ser especialmente selecionada a partir da faixa de 0,001-10 A/cm2, como 0,001-2 A/cm2. Portanto, em uma realização, a unidade de controle de carga configurada para prover a dita energia elétrica à dita unidade funcional durante pelo menos parte de um período de carregamento a uma diferença de potência entre o primeiro eletrodo de célula e o segundo eletrodo de célula selecionada a partir da faixa de 1,6-2,0 V e a uma densidade de corrente selecionada a partir da faixa de 0,001-10 A/cm2. Assim, a área se refere à área externa dos eletrodos, como conhecido na técnica. Por exemplo, um eletrodo que possui uma área de 1 cm2 com material de níquel ou material de ferro possui uma área externa de 1 cm2, não obstante o fato de que o material de níquel ou o material de ferro pode ter uma área de superfície muito elevada. Portanto, o termo área “externa” é usado. Especialmente, a área externa é definida apenas pela superfície fora dos bolsos de metal perfurados. Aqui, em vez do termo “área externa”, também o termo “área de superfície geométrica” pode ser aplicado. O material do eletrodo dentro é especialmente nanoestruturado e pode, assim ter uma grande área de superfície, por exemplo, na faixa de m2/g, mas aqui refere-se especialmente a uma área transversal (transversal paralelo ao plano do(s) eletrodo(s)). Especialmente, toda corrente também deve atravessar o separador, de modo que também possa ser usada como uma definição; ela possui aproximadamente a mesma área de superfície, como o formato externo dos respectivos bolsos de metal, ou seja, da superfície dos respectivos eletrodos.

[00102] Ainda em uma realização adicional, o método pode compreender manter uma primeira pressão na primeira célula e uma segunda pressão na segunda célula a uma pressão de pelo menos 10 bar, como pelo menos 30 bar, ou 150 bar, como pelo menos 200 bar, como na faixa de 10-800 bar, como 10-50 bar. Além disso, o método também pode compreender manter uma pressão no armazenamento acima de 1 bar, como na faixa de até 800 bar, especialmente 200 a 800 bar. Como indicado acima, as pressões na primeira célula e segunda célula podem ser controladas de forma independente entre si. Da mesma forma, ao armazenar H2 e O2, a pressão do H2 e O2 no armazenamento pode ser controlada de forma independente, quando desejado.

[00103] Ainda em realizações adicionais do método, o método pode compreender ainda descarregamento simultâneo do aparelho de energia e geração de hidrogênio (H2), ao aplicar um ou mais entre (a) uma ou mais diferenças de potência entre dois ou mais primeiros eletrodos de célula e (b) uma ou mais diferenças de potência entre dois ou mais segundos eletrodos de célula. Aqui, a frase “descarga do aparelho de energia” pode, por exemplo, referir-se à descarga um par de um eletrodo à base de ferro e um eletrodo à base de níquel. Simultaneamente, hidrogênio e/ou oxigênio podem ser gerados.

[00104] Ainda em realizações adicionais do método, o método pode compreender ainda aplicar uma diferença de potência entre um subconjunto de primeiros eletrodos de célula e/ou aplicar uma diferença de potência entre um subconjunto de segundos eletrodos de célula.

[00105] Nas realizações específicas, o método pode compreender ainda aplicar uma diferença de potência selecionada a partir da faixa de 0,001-0,5 V, como 0,01-0,5 V, especialmente 0,1-0,5 V entre pelo menos dois primeiros eletrodos de célula. Isto pode ser realizado especialmente durante um estágio de descarga, onde também é produzido H2 (e é provida eletricidade).

[00106] Como indicado acima, esta diferença de tensão pode ser aplicada entre dois primeiros eletrodos de duas diferentes unidades funcionais, mas esta diferença de tensão também pode ser aplicada entre dois primeiros eletrodos em uma unidade funcional. Portanto, ainda em realizações adicionais do método, o método pode compreender aplicar uma diferença de potência selecionada a partir da faixa de 0,001-0,5 V entre pelo menos dois primeiros eletrodos de célula em uma primeira célula.

[00107] Obviamente, pode haver uma pluralidade de primeiros eletrodos, provendo dois subconjuntos com cada pluralidade de eletrodos. Nestas realizações, o método pode compreender ainda aplicar uma diferença de potência entre um primeiro subconjunto de um ou mais primeiros eletrodos de célula e um segundo subconjunto de um ou mais primeiros eletrodos de célula, em que a dita diferença de potência é selecionada a partir da faixa de 0,001-0,5 V.

[00108] Durante a carga, especialmente a temperatura da unidade funcional é mantida a uma temperatura na faixa de -10 a +60°C, ainda mais especialmente a uma temperatura de pelo menos 10°C. Para esta finalidade, o aparelho de energia também pode incluir uma unidade de controle de temperatura. Especialmente, a unidade de controle pode ser configurada para limitar a temperatura do elemento funcional ao reduzir a corrente aplicada quando a temperatura se eleva acima dos limites estabelecidos. Além disso, o aparelho, especialmente a unidade funcional pode incluir isolamento térmico.

[00109] Nas realizações, o aparelho de energia e/ou o sistema de energia pode ser especialmente usado para prover um ou mais entre energia elétrica, hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) para um dispositivo. Por exemplo, este dispositivo pode ser uma bateria (para energia elétrica) ou um dispositivo que compreende esta bateria, como um carro. Este dispositivo pode ser uma unidade de armazenamento de hidrogênio ou um dispositivo que compreende esta unidade de armazenamento de hidrogênio. Além disso, este dispositivo pode ser um aparelho que usa oxigênio em um processo de produção. Portanto, em uma realização o aparelho de energia e/ou sistema de energia são usados para prover um ou mais entre energia elétrica, hidrogênio (H2) para um veículo motorizado que compreende um motor que deriva sua energia de propulsão de um ou mais entre uma fonte de hidrogênio e uma fonte energia elétrica. O veículo pode, por exemplo, ser um carro que exige hidrogênio, energia elétrica, ou ambos. No entanto, em outras realizações o dispositivo pode ser compreendido de um objeto industrial, como um aparelho usando oxigênio e/ou hidrogênio (hidrogenização química, síntese de amônia, redução química, etc.) em um processo de produção. Este objeto industrial é especialmente configurado para utilizar um ou mais entre energia elétrica, hidrogênio e oxigênio.

[00110] O aparelho de energia e/ou o sistema de energia também são usados especialmente para armazenar eletricidade na funcionalidade de bateria e também no hidrogênio. Desta forma, também é usado para captar energia elétrica em excesso de, por exemplo, fontes de eletricidade renovável variável, e fornecer a energia armazenada tanto como eletricidade quanto hidrogênio para demandas subsequentemente crescentes.

[00111] Portanto, entre outros, a invenção provê um método de armazenamento de energia elétrica variável ou intermitente e um ou mais entre hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) com um aparelho de energia, o método compreendendo: provisão do primeiro líquido aquoso de célula, do segundo líquido aquoso de célula e da energia elétrica de uma fonte de energia externa para a unidade funcional, provendo assim uma unidade de bateria eletricamente carregada e um ou mais entre hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) armazenados no dito sistema de armazenamento, em que durante pelo menos parte de um período de carregamento, a unidade funcional é carregada a uma diferença de potência entre o primeiro eletrodo de célula e o segundo eletrodo de célula de não mais que 1,37 V. Além disso, a invenção provê o uso do aparelho, como aqui definido, para geração simultânea de hidrogênio (H2), e possivelmente oxigênio (O2), e provisão ou armazenamento de energia elétrica

[00112] Nas realizações específicas, a unidade de controle de carga é configurada para receber energia elétrica de uma fonte de energia elétrica externa e configurada para prover a dita energia elétrica para a dita unidade funcional durante pelo menos parte de um período de carregamento a uma diferença de potência entre o primeiro eletrodo de célula e o segundo eletrodo de célula de não mais que o potencial da célula aberta. Ainda em outras realizações, a diferença de potência é menor que 1,48 V, como na faixa de 1,23-1,47 V, como na faixa de 1,30-1,47 V.

[00113] BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[00114] As realizações da invenção serão agora descritas, apenas por meio de exemplos, em referência aos desenhos esquemáticos anexos nos quais os símbolos de referência correspondentes indicam as partes correspondente, e nos quais: As Figuras1a-1e representam esquematicamente alguns aspectos da invenção; As Figuras 2a-2b mostram alguns resultados experimentais; e As Figura 3a-3d mostram alguns resultados experimentais adicionais. A Figura 4: Parte superior(I): potencial observado durante a inserção de corrente constante durante durações crescentes, seguida de uma descarga total a 1,1V; curva a indica a tensão (eixo y esquerdo), resultando das correntes aplicadas durante os tempos (dias) indicados no eixo x; curva b indica as correntes aplicadas (eixo direito) com taxa de carga C/5 e taxa de descarga C/10 ao longo do tempo (dias) (mesmo eixo x); Meio (II): evolução resultante normalizada de hidrogênio e oxigênio; curva c indica oxigênio (O2); e curva d indica hidrogênio (H2); “GP” (eixo y) indica produção normalizada de gás ao longo do tempo (dias) (eixo x); Parte inferior (III): desenvolvimento de temperatura (T) em°C para uma célula termicamente isolada ao longo do tempo (dias) (eixo x); Parte mais baixa (IV) utilização de carga do battolyser na bateria e da produção de H2 (expressa em quantidade de carga necessária para gerar o H2) dividido pela capacidade de descarga nominal de bateria de C=10Ah (medida a temperatura constante de T=30°C); CU/CB indica utilização de carga dividida pela capacidade nominal de descarga da bateria; CI/CB indica inserção de carga dividida pela capacidade nominal de descarga da nominal; curva a indica a carga de bateria + rendimento de H2; curva b indica o rendimento de H2; curva c indica a carga de bateria; referência d indica a produção flexível de H2; referência e indica a capacidade nominal de carga de bateria; A Figura 5: Parte superior (I): teste de uma célula da bateria- eletrolisador para muitos ciclos com, no eixo x, os número de ciclo (CN). Um ciclo é contado a partir da descarga total para descarga total com diversos programas de (super/des)carga total ou parcial intermediários; o eixo y indica CC/CB, que é a carga dividida pela capacidade nominal de descarga da bateria; curva a é a carga usada para eletrólise, curva b exibe a carga inserida, que é subsequentemente descarregada da bateria e a curva c exibe a carga total inserida dividida pela capacidade nominal de descarga da bateria; Meio (II): eficiência geral de energia como soma de bateria parcial mais eficiência de produção de gás de hidrogênio (vide também abaixo) (com, no eixo x, os números de ciclo (CN)). Dependendo das quantidades de inserção de carga, a produção de H2 varia de muito maior para muito menor que a carga de bateria. Consistentemente, a eficiência geral adiciona até acima de 80 a 90%; a curva d exibe a eficiência geral; a curva e indica a eficiência parcial da bateria e a curva f exibe a eficiência parcial do eletrolisador; PE/OE indica a eficiência parcial e geral; Parte inferior (III): carga cumulativa inserida e desagregação na carga e eletrólise da bateria, e a massa cumulativa de H2O para reabastecer o eletrólito expressa em relação à capacidade da bateria com, no eixo x, os números do ciclo (CN); o eixo y indica carga cumulativa CC/CB adicionada até para os diferentes ciclos divididos pela capacidade nominal de descarga da bateria; a curva g indica a carga cumulativa inserida, a curva h indica a descarga cumulativa da bateria, as curvas i (no número de ciclo sobre aproximadamente 150 discretamente acima) j indicam a massa de H2O adicionada expressa em carga equivalente e a produção de eletrólise expressa em carga equivalente, respectivamente; A Figura 6a (tempo do eixo x em horas): Parte superior (I): sequência de carga intermitente, descarga e etapas de descanso que mostra as capacidades de comutação de inserção de corrente seguido de retirada de corrente imediata, descansos e evolução de gás eletrolítico; com, no eixo y, a tensão (esquerda) ou a corrente (A) (direita), e a curva a indicando tensão e a curva b indicando a corrente; Meio (II): os rendimentos de hidrogênio e oxigênio normalizados medidos, com a curva c indicando o oxigênio e a curva d indicando a geração de hidrogênio, com, no eixo y, a produção normalizada de gás (GP); Parte inferior (III): a temperatura (T em°C) da células termicamente isolada seguida de aquecimento instantâneo a partir das perdas de superpotência residual devido às resistências Ohmic, com a curva e indicando a curva da temperatura. A Figura 6b: Dependência de potencial de eletrólise (Tensão (V) no eixo y) na corrente aplicada (eixo x) para diversas temperaturas. A área de superfície total externa do eletrodo é de 216 cm2. Nas densidades de corrente usadas (até 20 mA/cm2) o diafragma de separação de gás Zirfon leva à T baixa para uma pequena superpotência adicional e redução de eficiência de, no máximo, até 3%. Em T mais elevada, a resistência iônica diminui, mitigando estas perdas. A Figura 7a: carregando a 6 C em diversas taxas de carga; descarga à taxa de C/10; o tempo de teste em horas (h) e a tensão no eixo y em volt; A Figura 7b: ciclo do eletrodo de carga, taxa de carga C/3,33, taxa de descarga C/10. Inserção de carga parcial (11 vezes) de 0,9C é seguida de descarga (10 vezes) de 0,4 C; 0,4C de 0,9C são usados para carregar a bateria na parte restante, 0,5 C, para eletrólise; o tempo de teste está em horas (h), a tensão está em volt (eixo y); A Figura 7c. Teste de comutação no eletrodo carregado: primeiro carga de 5 horas à taxa de C/3,33, então comutação; sequência A-E: A: 30 min de carregamento à taxa constante de C/3,33; B: 5 ciclos de 5 min de carga seguido de 1 min de descarga; C: 2,5 min de carga seguido de 30 seg. de descarga; D: 50 se de carga seguido de 10 seg. de descarga; E: 25 seg. de carga seguido de 5 seg. de descarga; para B-E: taxa de carga de C/2,5 e taxa de descarga C/5, taxa média de C/3,33; descanso de um minuto entre programas A-E; o tempo de teste está em horas (h) (inserir gráfico está em minutos), a tensão está em volt (eixo y); A Figura 7d: Teste de comutação rápida contínua, 1000 ciclos de 50 seg. de inserção de carga (C/2,5) e 10 seg. de retirada de carga (C/5) concluídos por uma descarga final; o tempo de teste está em horas (h) (inserir está em minutos), a tensão está em volt (eixo y); As Figuras 8a-8e representam esquematicamente algumas realizações; As Figuras 9a-9d representam esquematicamente algumas realizações, especialmente de aparelho incluindo uma placa bipolar; As Figuras 10a-10c representam esquematicamente algumas realizações, especialmente de aparelho incluindo uma placa bipolar; As Figuras 11a-11d mostram alguns resultados; As Figuras 12a-12 representam esquematicamente uma comparação de um battolyser “padrão” (12a) e o battolyser como ainda (também) aqui descrito (Figura 12b); A Figura 13 representa esquematicamente uma realização de um eletrodo; A Figura 14 representa esquematicamente um aparelho de energia alternativo; A Figura 15 representa esquematicamente ainda um aparelho de energia alternativo adicional; A Figura 16 mostra esquematicamente uma comparação de diferentes sistemas. Os desenhos esquemáticos não estão necessariamente em escala.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS REALIZAÇÕES

[00115] A Figura 1a representa esquematicamente alguns aspectos de uma realização de uma unidade funcional 2. Mais detalhes são mostrados na realização da Figura 1b. A Figura 1a (e 1b) mostra esquematicamente a unidade funcional 2 que compreende: uma primeira célula 100, uma segunda célula 200, e um separador 30. A primeira célula 100 compreende um primeiro eletrodo de célula 120. Especialmente, o primeiro eletrodo 120 compreende um eletrodo à base de ferro. A segunda célula 200 compreende um segundo eletrodo de célula 220. O segundo eletrodo 220 compreende especialmente um eletrodo à base de níquel. Além disso, a primeira célula 100 e a segunda célula 200 compartilham o separador 30. O separador é configurado para bloquear o transporte de um ou mais entre O2 e H2 de uma célula para outra enquanto apresenta permeabilidade para pelo menos um ou mais entre OH, sódio monovalente (Na+), lítio monovalente (Li+) e potássio monovalente (K+). Como indicado acima, o separador 30 compreende especialmente uma membrana. Além disso, o separador 30 e os eletrodos 120 e 220 podem ser espaçados com um espaçador, indicado com referência 23. Este espaçador pode ser configurado para prover um espaçamento entre o eletrodo e o separador, mas também permite que o eletrólito à base de água entre em contato com o eletrodo no lado do separador do eletrodo. Portanto, o primeiro e segundo líquidos aquosos de célula 11, 21 podem passar em ambos os lados dos respectivos eletrodos 120, 220.

[00116] O separador 30 e os respectivos eletrodos 120, 220 podem ter substancialmente as mesmas áreas de superfície, ou seja, áreas de superfície externa, e pode assim formar uma pilha (especialmente com os espaçadores entre). Portanto, os eletrodos e o separador podem ter substancialmente as mesmas alturas (como aqui representado) e a mesma largura (aqui o plano perpendicular ao plano do desenho).

[00117] Especialmente, a unidade funcional 2 é uma unidade integrada circundada de forma substancialmente total pela contenção por pressão. Como ainda será também descrito abaixo, a unidade funcional pode compreender uma pluralidade de primeiras células e segundas células.

[00118] Durante a carga, a seguinte reação pode ocorrer no primeiro eletrodo 120:(-0,877 V vs SHE), seguido de SHE). Portanto, quando a bateria está carregada, Fe pode agir como um catalisador para a formação de H2. Além disso, durante a carga no segundo eletrodo 220, a seguinte reação pode ocorrer: SHE), seguido de vs SHE). Quando a bateria está carregada, o NiOOH age como o catalisador de evolução de O2 com a mesma superpotência em relação ao potencial de equilíbrio de evolução de O2.

[00119] A Figura 1a mostra reações de eletrólise. Quando as setas estão invertidas, são indicadas as reações de descarga. Portanto, o potencial de célula aberta (para descarga) é de 1,37 V. O potencial de equilíbrio para a eletrólise é de 1,23 V; no entanto, por ter superpotências de evolução significativas de O2 e H2 são necessários em relação aos potenciais de equilíbrio. Além disso, o potencial termoneutro para separação de água é de 1,48V, levando em consideração também o calor necessário caso isto deva ser gerado apenas a partir do potencial aplicado durante a eletrólise. Na presente invenção, no entanto, o calor também está disponível a partir das superpotências da carga de bateria, o que provê algum calor adicional. Na prática, durante a eletrólise, o potencial aumenta a pelo menos 1,55-1,75 V. O calor das superpotências, portanto, está disponível para a eletrólise. Um fato notável é que a bateria pode ser carregada primeiro, embora os níveis de energia potencial sejam muito próximos aos potenciais de evolução de H2 e O2.

[00120] A Figura 1b representa esquematicamente uma realização do aparelho de energia 1 que possui uma funcionalidade de armazenamento de energia elétrica e uma funcionalidade de eletrólise. O sistema 1 compreendendo a unidade funcional 2 (vide também abaixo). A primeira célula 100 compreende um primeiro eletrodo de célula 120 e uma ou mais primeiras aberturas de célula 110 para um primeiro líquido aquoso de célula 11 e para um primeiro gás de célula 12. A segunda célula 200 compreende um segundo eletrodo de célula 220 e uma ou mais segundas aberturas de célula 210 para um segundo líquido aquoso de célula 21 e para um segundo gás de célula 22, em que o segundo eletrodo 220 compreende um eletrodo à base de níquel.

[00121] Além disso, são representadas uma primeira conexão elétrica 51 em conexão elétrica com o primeiro eletrodo de célula 120, e uma segunda conexão elétrica 52 em conexão elétrica com o segundo eletrodo de célula 220. Estas podem ser usadas para prover contato elétrico dos eletrodos 120, 220 com o lado externo da unidade 2.

[00122] O aparelho de energia 1 compreende ainda um sistema de controle de líquido aquoso 60 configurado para controlar a introdução de um ou mais entre o primeiro líquido aquoso de célula 11 e o segundo líquido aquoso de célula 21 na unidade funcional 2. O sistema de controle de líquido 60, por meio de exemplo, compreende um primeiro sistema de controle de líquido 60a e um segundo sistema de controle de líquido 60b. o primeiro é funcionalmente conectado a uma primeira entrada 110a da primeira célula 100; o segundo é funcionalmente conectado a uma primeira entrada 210a da segunda célula 200. O sistema de controle de líquido aquoso 60 pode incluir recirculação do líquido aquoso (e também suprimento com líquido aquoso fresco (não mostrado em detalhes)).

[00123] Mais no geral, a referência 60 indica um sistema de controle que pode ser configurado para controlar um ou mais parâmetros de processamento, como quando o aparelho de energia está em uso. O sistema de controle 60 pode ser funcionalmente acoplado a um ou mais sensores (não representado), que monitora tais um ou mais parâmetros de processamento. O sistema de controle 60 pode ser configurado para controlar diferenças de potência, geração de H2, capacidade de armazenamento, etc.

[00124] Ainda, o aparelho 1 compreende um sistema de armazenamento 70 configurado para armazenar um ou mais entre o primeiro gás de célula 12 e o segundo gás de célula 22 fora da dita unidade funcional 2. O armazenamento, por meio de exemplo, compreende um primeiro armazenamento 70a e um segundo armazenamento 70b. O primeiro é funcionalmente conectado a uma primeira saída 110b da primeira célula 100; o último é funcionalmente conectado a uma primeira saída 210b da segunda célula 200. Observe que, por exemplo, apenas o primeiro armazenamento 70a pode estar disponível, ou seja, um armazenamento para gás de hidrogênio. A separação entre gás e líquido, à montante do armazenamento e/ou à jusante da primeira célula 100 ou da segunda célula 200, pode ser executada com uma válvula de H2 e/ou um secador de H2O e um deoxidador de O2, como são conhecidos na técnica, ou com uma válvula de O2 e/ou um condensador de H2O/H2, respectivamente.

[00125] O aparelho de energia 1 compreende ainda um sistema de pressão 300 configurado para controlar um ou mais entre uma pressão do primeiro gás de célula 12 na unidade funcional 2, b uma pressão do primeiro gás de célula 12 no sistema de armazenamento 70, c uma pressão do segundo gás de célula 22 na unidade funcional 2 e d uma pressão do segundo gás de célula 22 no sistema de armazenamento 70. O sistema de pressão pode, por exemplo, incluir diferentes sistemas de pressão, que podem ser independentes entre si ou podem ser conectados. Por meio de exemplo, é representado um primeiro sistema de pressão 300a, especialmente configurado para prover um ou mais entre o primeiro líquido 11 e o segundo líquido 21 sob pressão à primeira célula 100 e segunda célula 200, respectivamente. Além disso, outro sistema de pressão 300b pode ser configurado para controlar a pressão do armazenamento para o primeiro gás 12. Ainda, outro sistema de pressão 300c pode ser configurado para controlar uma pressão do armazenamento para o segundo gás 22. Além disso, o sistema de pressão 300 pode ser configurado para controlar a pressão na primeira célula 100 e/ou segunda célula 200. Para esta finalidade, o sistema de pressão pode incluir uma ou mais bombas, uma ou mais válvulas, etc.

[00126] Além disso, o aparelho nesta realização também compreende uma unidade de controle de carga 400 configurada para receber energia elétrica de uma fonte de energia elétrica externa (referência 910, vide ainda abaixo) e configurada para prover a dita energia elétrica à dita unidade funcional 2 durante pelo menos parte de um período de carregamento a uma diferença de potência entre o primeiro eletrodo de célula 120 e o segundo eletrodo de célula 220 de especialmente mais de 1,37 V durante a primeira carga da bateria e maior que 1,48V e até 2,0V durante eletrólise quando a bateria já está totalmente carregada.

[00127] Estão esquematicamente representadas também uma primeira unidade conectora 510 para se acoplar funcionalmente a um dispositivo 930 para ser eletricamente alimentado e a conexão elétrica 51, 52, bem como uma segunda unidade conectora 520 para conectar funcionalmente um dispositivo a ser provido com um ou mais entre o primeiro gás de célula 12 e o segundo gás de célula 22 ao dito sistema de armazenamento 70. Aqui, de fato são representados dois segundos conectores 520, um primeiro segundo conector 520a, funcionalmente conectado ao primeiro armazenamento 70a, e um segundo conector 520b, funcionalmente conectado ao segundo armazenamento 70b.

[00128] O aparelho pode ser controlado por um sistema de controle 80, que pode ser especialmente configurado para controlar pelo menos um entre o sistema de controle de líquido aquoso 60, o sistema de armazenamento 70, o sistema de pressão 300 e a unidade de controle de carga 400, e especialmente todos estes.

[00129] A Figura 1b também representa esquematicamente uma realização de um sistema de energia 5 que compreende o aparelho de energia 1 e uma fonte de energia externa 910, aqui, por meio de exemplo, compreendendo uma turbina eólica e uma fonte de geração de eletricidade fotovoltaica. O aparelho 1 ou o sistema de energia 5 pode ser usado para prover um ou mais entre energia elétrica, hidrogênio (H2) ao dispositivo 930, como um veículo motorizado que compreende um motor que deriva sua energia de propulsão de um ou mais entre uma fonte de hidrogênio e uma fonte de energia elétrica. Alternativa ou adicionalmente, o aparelho 1 ou o sistema de energia 5 pode ser usado por um objeto industrial 940 que compreende tal dispositivo 930. Aqui, por meio de exemplo, o objeto industrial usa O2 para, por exemplo, um processo químico. Portanto, alternativa ou adicionalmente, obviamente o primeiro armazenamento 70a também pode ser funcionalmente acoplado uma rede de gás; do mesmo modo que o segundo armazenamento 70b pode ser funcionalmente acoplado a uma rede de gás.

[00130] A Figura 1b também indica um sistema de retorno para o líquido aquoso (vide também abaixo).

[00131] As Figuras 1c-1d representam esquematicamente as realizações, em que o aparelho 1 compreende uma pluralidade de unidades funcionais 2, dispostas tanto em paralelo (1c) quanto em série (1d). além disso, as combinações de disposições em paralelo e em série podem ser aplicadas. Em referência à Figura 1c, em que as unidades 2 são configuradas paralelas, as unidades 2 podem ser configuradas em uma única banheira que compreende o eletrólito (ou seja, água compreendendo especialmente KOH), assim sem um separador 4. Em referência à Figura 1d, em que as unidades 2 são configuradas em série, pode ser necessário introduzir um separador 4. Este separador 4 pode, por exemplo, compreender uma placa bipolar, como placa bipolar revestida com níquel. O eletrólito pode conter, por exemplo, pelo menos KOH 5 M, como aproximadamente 6 M KOH. Embora os separadores 30 possam separar a primeira célula 100 e a segunda célula 200, nas realizações o eletrólito pode fluir da primeira célula para a segunda célula, ou vice-versa, ou de uma primeira célula de uma primeira unidade funcional para a segunda célula de uma segunda unidade funcional, ou vice- versa, etc.

[00132] Uma vantagem de dispor as unidades 2 em série é que a aplicação das conexões elétricas é muito mais fácil. Por exemplo, ao usar placas bipolares configuradas entre as unidades, uma pode precisar apenas de uma primeira conexão elétrica 51 com um primeiro eletrodo de célula (não representado) de primeira célula 100 de uma primeira unidade 2, e uma segunda conexão elétrica 52 com um segundo eletrodo de célula (não representado) de segunda célula 100 de uma última unidade 2. A corrente podem então percorrer uma placa bipolar 4 de uma (eletrodo de um) unidade 2 para outra (eletrodo de outra) unidade 2 (vide seta através da placa bipolar 4). Uma vantagem adicional da disposição em série é que o gerenciamento da bateria pode ser mais fácil que no caso de em paralelo, como a provisão de carga além da capacidade total de uma das células resulta na geração (desejada) de H2 de algum modo antes do que nas demais células, sem efeitos adversos. Descarregar além da capacidade total de uma célula individual, a queda de tensão pode ser monitorada para não ir além de 1,1V por célula individual e também O2 pode ser disponibilizado para redução no eletrólito no eletrodo à base de Ni, por exemplo, ao inserir O2 da entrada de água inferior da célula, borbulhando e difundindo no eletrodo. O O2 pode ser produzido e armazenado durante os períodos de carga anteriores do dispositivo.

[00133] A pluralidade de unidades funcionais pode ser configurada como pilhas. Especialmente em referência à pilha em série, uma construção pode ser provida compreendendo [ABACADAE]n, em que A se refere a um eletrólito e folha de distribuição de gás dissolvido (como um propileno de format poroso), B se refere ao primeiro eletrodo ou ao segundo eletrodo, C se refere a uma placa bipolar, como uma placa bipolar revestida com Ni, D se refere ao segundo ou ao primeiro eletrodo (com B/D), E se refere a uma membrana de separação de gás e n se refere a um número inteiro de 1 ou maior. Observe que de forma igualmente igual, a pilha pode ser definida como [CADAEABA]n ou [ADAEABAC]n, etc. A pilha inteira pode ser contida em uma contenção de pressão.

[00134] A Figura 1e representa esquematicamente uma realização de um sistema de energia 5, com uma rede de eletricidade 3, que pode prover eletricidade variável e/ou eletricidade de demanda. A eletricidade pode ser armazenada, indicada com e- e também um ou mais entre H2 e O2 pode ser armazenado, especialmente pelo menos H2. Isto pode ser consumido, por exemplo, por um objeto industrial 940, que pode usar especialmente H2. Além disso, isto pode ser usado, por exemplo, por um dispositivo 930, como um veículo motorizado configurado para ser energizado por um ou mais entre H2 e eletricidade. Obviamente, um ou mais entre H2 e O2 também pode ser transportado por meio de uma rede (gás).

[00135] Se desejado, parte do O2 também pode ser reintroduzido na unidade funcional (durante a descarga)(na segunda célula).

[00136] Três unidades funcionais foram construídas. Estas consistiram em 4 eletrodos à base de Ni(OH)2 eletricamente conectados em paralelos entre si como o polo positivo, com 3 eletrodos à base de Fe(OH)2 também eletricamente conectados em paralelo entre os 4 eletrodos de Ni como o polo negativo. Cada eletrodo é fabricado com o material ativo em bolso de aço niquelado com pequenas perfurações par permitir a entrada do eletrólito e liberação de gás. A área de superfície é de 30 mm x 100 mm, e a espessura completa do eletrodo é de 3 mm. Entre os eletrodos de Ni e Fe, está presente o separador Zirfon para separar os gases produzidos e separar eletricamente os eletrodos. O isolamento elétrico dos contatos é realizado usando peças de polietileno.

[00137] Os resultados obtidos foram quase idênticos para cada uma destas três unidades funcionais. Realizou-se o seguinte em um eletrolisador de capacidade de bateria de ~13Ah da bateria: • Potencial durante a carga de bateria de 13Ah ~ principalmente em torno de 1,52V (superpotência 1,52 - 1,37 = 0,15V, eficiência ~1,37/1,52 = 0,90) • Potencial durante a descarga de bateria de 13Ah: ~principalmente em torno de 1,2V (superpotência 1,37 - 1,2 = 0,17V, eficiência ~ 1,2/1,37= 0,88) • Eficiência de parte da bateria = 0,90 x 0,88 = 0,79. • Potencial durante produção de H2 de 10Ah: 1,65V (superpotência 1,65 - 1,48 = 0,17V, eficiência ~0,90 ) • Eficiência geral: (13Ah x 1,2 + 10Ah x 1,48) / (13Ah x 1,52V + 10Ah x 1,65V) = 0,838 • (assumindo que o H2 armazenado possui seu HHV total = 1,48 eV/H atom)

[00138] Como separador, usou-se Zirfon Perl UTP 500 (Agfa). As características de Zirfon Perl UTP 500 são: Permanentemente hidrofílico por partículas de óxido de metal incorporadas, perfeitamente molhável em água e eletrólitos mais comuns; Sem hidrofilização por tensoativos necessários; Muitos dos grupos OH em pH alcalino devido ao caráter anfotérico de ZrO2; Dimensionalmente estável (sem efeitos de encolhimento); Muito robusto (reforçado com um tecido); Estável em alcalino forte (até KOH 6 M) e até 110°C; Baixa resistência iônica, possibilita eletrólise em densidades de alta corrente; 0,3Q.cm2 (a 30°C, em 30% em peso de KOH); Resistência de pressão de gás pode ser de até 200 bar quando preenchido com eletrólito; Estrutura de poro interno simétrica; Porosidade 50 ± 10%; Dupla segurança por dupla camada de pele; Dimensão do poro 0,15 ± 0,05 μm; e espessura de 500 ± 50 μm.

[00139] A quantidade de hidrogênio (e oxigênio) produzidos adiciona até o peso total de água perdido durante a produção de H2: isto indica que nenhuma outra reação lateral foi detectada.

[00140] A Figura 2a mostra cinco ciclos representativos para uso de bateria-eletrolisador híbrido. A curva C/DC [C/CD] indica a corrente de carga e descarga (valores absolutos) (I-curva, linha sólida); a V-curva (linhas pontilhadas) mostra a tensão resultante. Pode-se observar o seguinte (da esquerda para direita): primeiras ~4 horas: a corrente aplicada de 2,5A é inserida no dispositivo a uma tensão entre ~1,54 e 1,65V, resultando principalmente em carregamento dos eletrodos da bateria, as medições mostram que há apenas ~10% da corrente convertida em produção de hidrogênio durante este momento. A partir das ~4-8 horas, há produção de hidrogênio enquanto a tensão aumenta para < 1,75V. Subsequentemente, a corrente é invertida a um nível de 1A, resultando em descarga da bateria nas tensões entre ~1,4 e ~1,15V. Subsequentemente, quatro ciclos mostram a estabilidade do dispositivo e padrões idênticos. No eixo y esquerdo, indica-se a tensão em volt; no eixo y direito, indica-se a corrente em ampere.

[00141] A Figura 2b mostra a capacidade de descarga da bateria de Ni-Fe e eficiência coulômbica (em uma escala de 0-1, ou de fato 0,4-0,9) para as três diferentes células do eletrolisador-bateria de Ni-Fe durante tipos de ciclos, com diferentes proporções de armazenamento da bateria para o armazenamento de energia da bateria + hidrogênio. A eficiência geral é a proporção da energia de descarga da bateria em Wh mais o Maior Valor de Aquecimento (HHV) do gás de hidrogênio produzido dividido por Wh inserido na bateria. A eficiência de bateria considera apenas a saída elétrica em Wh da bateria dividida pelo Wh total inserido eletricamente no dispositivo.

[00142] A eficiência geral é definida como a energia no maior valor de aquecimento do hidrogênio gerado mais a energia elétrica armazenada na bateria dividida pela entrada total de energia elétrica. A eficiência da bateria é calculada a partir do potencial de saída elétrica média da capacidade reversível da bateria dividida pelo potencial de entrada média com início no estado descarregado (assim incluindo a geração de hidrogênio). Notavelmente, a eficiência geral atinge >80%, que é maior que a bateria de Ni-Fe isoladamente atinge (~70%) devido a agora as perdas de hidrogênio durante a carga da bateria serem capturadas. A eficiência de um único eletrolisador alcalino também é de aproximadamente 65 a 70%, então aqui encontra-se muito um benefício na maior eficiência de eletrólise (devido aos menores potenciais exigidos no eletrolisador da bateria). As indicações C1O, C2O e C3O indicam os resultados da célula de eficiência geral para as células 1-3; as indicações C1B, C2B e C3B indicam a eficiência de bateria para as três diferentes células.

[00143] Durante os ciclos 33 a 38, apenas uma pequena quantidade de gás foi produzida; ou seja, no total menos entrada de carga e uma fração relativa grande da carga foram, portanto, armazenados na bateria. Durante os ciclos 61 a 67, as temperaturas são de 40°C. Lá encontra-se uma maior eficiência geral. Cinco ciclos posteriores, a temperatura é de 35°C, e 8 ciclos posteriores, a temperatura é de 30°C. para ciclos com uma eficiência de bateria indicada como aproximadamente 20%, a bateria foi totalmente carregada e, além disso, aproximadamente quatro vezes mais H2 foi produzido do que há de capacidade na bateria.

[00144] As superpotências para produção de hidrogênio e oxigênio foram determinadas em diferentes correntes de bateria-eletrolisador aplicadas, após a capacidade da bateria ter atingido totalmente. Para correntes entre 0,1 A e 4 A nas células teste, há uma relação linear entre a tensão exigida e o 10log da corrente. A inclinação corresponde a aproximadamente 155 mV por década na corrente aumentada a 20 °C. Menores superpotências foram realizadas a 40 °C devido a menores resistências internas e cinética mais rápida, isto corresponde a um aumento adicional de eficiência geral a ~ 86%.

[00145] Foram realizados muitos mais ciclos nas três células diferentes, com diferentes taxas de carga, quantidades totais de corrente e também com comutação da carga e descarga a cada 15 minutos. As eficiências gerais permaneceram elevadas acima de 81% também durante a comutação, e de fato devido à superpotência de carga e descarga da funcionalidade da bateria foi menor (possivelmente devido aos gradientes decrescentes na concentração de OH- no eletrólito, a eficiência aumentou discretamente durante a comutação.

[00146] A Figura 3a mostra diversos ciclos mostrando as tensões da célula durante a carga de 20 Ah mais geração de hidrogênio (com corrente de 2,5 A, linhas cinzas) e descarga de ~12,6Ah (corrente de 1A) realizada a 18°C. No mesmo gráfico, também ciclos realizados a 40° foram mostrados com carga de 16Ah mais geração de hidrogênio (corrente de 2,0A) e descarga de ~12,6 A (corrente de 1,0A).

[00147] A Figura 3b mostra um teste com cargas de carregamento rapidamente variável: inserção pulsada de carga com uma corrente de 3,5A, alternada com descarga de 1A, durante 15 minutos. A carga total inserida: 25Ah.Subsequentemente, obtém-se uma descarga total a 1A fornecendo ~14,4Ah durante aproximadamente 15 minutos. A diferença é quase totalmente convertida em hidrogênio (e oxigênio). Observe que as tensões de descarga durante os pulsos curtos permanecem relativamente elevadas em comparação à subsequente descarga continua; isto indica que tal comutação é possível a eficiência elétrica elevada para carga e descarga, enquanto ainda preenche a capacidade da bateria e gera hidrogênio. (correntes indicadas com linha pontilhada, tensões são indicadas com P (pulsado: 15 minutos: carga de 4A + H2; descarga de 1A); C indica a descarga contínua a 1A. Portanto, o aparelho pode ser carregado e descarregado intermitentemente com períodos de carga/descarga alternando rapidamente. Isto também pode aplicar que a obtenção de corrente ou provisão de corrente a uma rede pode ser realizada muito rápido, quando solicitado. Tais capacidades de comutação também foram testadas à carga de 4A, pulsos de descarga de 2A para estes dispositivos.

[00148] A Figura 3c mostra tensões de célula (Vc) de uma célula carregada do eletrolisador da bateria durante a geração de hidrogênio em diferentes correntes aplicadas e a 18 e 40 °C. Na temperatura mais elevada, os potenciais exigidos para manter a corrente são menores, indicando menores superpotências e maior eficiência para a geração H2. O potencial termoneutro para separação de água é de 1,48V; a 4A e 40°C uma eficiência eletrolítica pode, assim, ser realizada de 1,48/1,68 = 0,96.

[00149] A Figura 3d mostra a eficiência de energia (EE) definida como energia total armazenada (TT) em gás de hidrogênio e na bateria dividida pela entrada de energia elétrica total de uma única célula de ~10Ah. Cada ciclo (C) foi realizado com potenciais de carga / geração de hidrogênio abaixo de 1,75V, e as descargas reduziram para 1,1V. as diferenças resultam de diferentes níveis de carga de bateria em comparação a comparação de hidrogênio. (mais: eficiência total, quadrado: contribuição da bateria para a energia armazenada, círculo: contribuição de hidrogênio). A referência T indica a contribuição total. Os quadrados indicam a contribuição da bateria (BC) e os círculos indica a contribuição de H2 (HC).

[00150] Portanto, a invenção provê armazenamento de eletricidade com uma bateria de Ni-Fe alcalina e eletrolisador (“battolyser”). Desenvolvemos uma bateria- eletrolisador (“battolyser”) de ferro e níquel que combina a durabilidade das baterias de Ni-Fe e a eletrólise alcalina, enquanto sua integração leva à maior eficiência. Quando carregados, os eletrodos da bateria que consistem em NiOOH nanoestruturado e Fe reduzido agem como oxigênio eficiente e catalisador de evolução de hidrogênio, respectivamente, possibilitando a inserção de corrente sem degradação além da capacidade da bateria. Além disso, nossos resultados demonstram uma eficiência elevada constante notável e rápidas capacidades de comutação de corrente no dispositivo integrado. Previmos que o resultado seja o ponto de partida para uma solução de armazenamento de energia em escala de rede eficiente com dispositivo de baixo custo, baseado em elemento abundante, intrinsicamente flexível tema aplicabilidade próxima a tempo integral: como armazenamento de energia comutável ilimitado e produtor de combustível de hidrogênio e insumo.

[00151] Em um futuro de energia renovável, volumes diárias similares de armazenamento de eletricidade em baterias3 e na produção de combustíveis de hidrogênio podem ser necessários para adaptar o armazenamento adequado de energia em escalas de tempo diária e sazonal. Mostramos aqui que a integração da bateria de Ni-Fe e o eletrolisador alcalino leva a um conceito de dispositivo como esboçado na Figura 1. A variação em curto prazo em energia renovável é estabilizada usando a bateria, enquanto a produção de hidrogênio possibilita o armazenamento de energia em longo prazo e 'ecologização' dos processos químicos, como o processo de Haber-Bosch (NH3 de N2 e H2), de Sabatier (CH4 de H2 e CO2) e de Fischer-Tropsch (alcanos de CO/CO2 e H2).

[00152] Primeiramente, o dispositivo battolyser integrado é baseado na bateria de Ni-Fe, como introduzido por Jungner e Edison. A bateria de Ni-Fe é conhecida por sua robustez durante as descargas profundas intensivas e sobrecarga, e sua longevidade extrema. A bateria possui um eletrodo negativo, no qual Fe(OH)2 é reduzido a Fe mediante carga: Fe(OH)2 + 2e- → Fe + 2OH- (-0,877V vs SHE), considerando apenas o platô de descarga de Fe/Fe2+. O eletrodo positivo contém Ni(OH)2, que mediante carga libera um próton: Ni(OH)2 + OH- → NiOOH + H2O + e- (+0,49V vs SHE). O potencial do circuito aberto ( °CV) da bateria é de 1,37V, que é maior que o potencial mínimo exigido para separar a água do eletrólito aquoso. As baterias de Ni-Fe são conhecidas por sua eficiência de energia relativamente baixa (~50-70%)7,5, suas capacidades de taxa de carga limitadas e um potencial de comércio historicamente reduzido como resultado disto. No battolyser, no entanto, o hidrogênio se torna um produto regular da operação melhorando a eficiência da energia e possibilitando que taxas de carregamento maiores com maiores superpotências, e pode ser usada (maior) evolução associada de gás.

[00153] Em segundo lugar, o battolyser é baseado em eletrolisadores alcalinos; as tecnologias maduras em escalas industriais para a geração de hidrogênio e oxigênio a uma eficiência típica de 71% que é calculada a partir do maior valor de aquecimento (HHV) do hidrogênio produzido dividido pela energia elétrica aplicada. No eletrodo positivo, ocorre geração de oxigênio: 4OH- → O2 (g) + 2H2O + 4e- (1,23 -0,059 x pH vs SHE) e no eletrodo negativo, a geração de hidrogênio: 2H2O + 2e- → H2 (g) + 2OH- (0,00 – 0,059 x pH vs SHE).. Os principais componentes ativos são um eletrodo positivo à base de metal Ni, um eletrodo negativo de Ni (ou Fe revestido com Ni), e um separador de gás ou diafragma com eletrólito alcalino entre. O diafragma separa o hidrogênio do oxigênio enquanto transmite os íons de OH- entre os eletrodos. No eletrolisador normal, a produção de hidrogênio às correntes de superfície de eletrodo de 400 mA/cm2 e temperaturas típicas de 65 a 150 °C são necessários e os metais preciosos como Pt ou Pt-Ru podem ser incorporados no eletrodo negativo para vir à eficiência suficiente elevada e níveis de produção. O diafragma pode ser um compósito de polímero cerâmico, enquanto o eletrólito novamente é uma solução de KOH fortemente alcalina.

[00154] No battolyser, pela primeira vez a sinergia clara de escolhas de materiais dos eletrodos de bateria de Ni-Fe duráveis e o eletrolisador alcalino são explorados. Para separação de hidrogênio e oxigênio, o battolyser possui um diafragma comercial, como usado nos eletrolisadores alcalinos, que é conhecido por sua baixa resistência para transporte iônico e estabilidade de até 110 °C (Zirfon-Perl-UTP500). O battolyser é operado próximo à temperatura ambiente e com correntes correspondentes à massa ativa e área de superfície, atingindo até 20 mA/cm2. Estas mesmas correntes moderadas separam a água eficientemente a estados de carga maiores, sem quaisquer catalisadores de metal precioso e próximo à temperatura ambiente. As condições moderadas significarão vida útil prolongada para todos os componentes.

[00155] Portanto, nas realizações, durante a carga os eletrodos de Ni-Fe armazenam eletricidade da fonte de eletricidade, convertendo os materiais do eletrodo (Fe(OH)2+2e-→Fe + 2OH-) e Ni(OH)2+OH-→ NiOOH + H2O + e-, e quando carregados geram hidrogênio (2H2O+2e-→H2 (g) + 2OH-) e oxigênio (4OH- → O2(g) + 2H2O + 4e-) ao separar a água. O diafragma transmite OH- e separa O2 e H2. O battolyser pode ser aplicado como banheira e fonte para estabilizar a rede de eletricidade, para fornecer eletricidade e também H2 como combustível, e para H2 como insumo químico.

[00156] Na Figura 4, a capacidade flexível de armazenamento provida pelo battolyser é mostrada para ciclos com inserção de carga crescente. De fato, a duração crescente de inserção de corrente elétrica leva a carregamento crescente do eletrodo da bateria, e quando totalmente carregado, produção de gás eletrolítico crescente. O período de inserção de carga é toda vez seguido de uma descarga total dos eletrodos da bateria, mostrando a reversibilidade da bateria após a carga prolongada e separação da água. A evolução do hidrogênio se inicia imediatamente a pequenas taxas, ao passo que nenhuma evolução de oxigênio é detectada até a inserção de carga de 0,25C (C é a capacidade nominal reversível de descarga da bateria de 10Ah). Pode ser observado ainda que a evolução de oxigênio alcança e ultrapassa a evolução de hidrogênio a 0,75C. No geral, ocorre evolução de gás estoiquiométrico. Durante a descarga, observou-se uma rápida redução de evolução de gás a zero. Curiosamente, a evolução de gás não é constante durante a eletrólise. Atribuímos isto à temperatura crescente do dispositivo, que promove eletrólise e autodescarga, ambas levando à produção aumentada de gás (e capacidade de descarga reduzida).

[00157] Projetamos uma série de teste para simular diversas situações de vida real com (des)carga parcial e total, comutação rápida, sobrecarga contínua, bem como ciclos de 24 horas por meses (). Os resultados são mostrados na figure 5. A capacidade da bateria não é prejudicada pelos muitos ciclos que incluíram sobrecargas até 6 vezes a capacidade nominal, em pelas descargas profundas no término de cada ciclo. Isto mostra a natureza muito robusta do dispositivo. Foram realizados experimentos em três células separadas e provaram-se totalmente reprodutíveis entre as células. Durante o período de teste de 10 meses, a célula consumiu 823,4 g de água, onde espera-se 795,2 g (96,6%) devido à eletrólise, o restante é perdido por evaporação de água através das válvulas de exaustão junto à liberação de gás. Outras reações adversas levando a mais perda de peso não são observadas na análise de traço de gás. As células ainda operam com o eletrólito inicial, adicionou-se apenas água, assim não ocorreu nenhuma renovação de eletrólito.

[00158] O achado notável na Figure 5 (meio (II)) é a estabilidade geral da eficiência energética (energia armazenada na bateria mais hidrogênio dividido por entrada de energia, vide abaixo) a 80-90% sobre muitos tipos diferentes de ciclos, e também a estabilidade das capacidades reversíveis de descarga da bateria. Este achado está em concordância com o registro de rastro muito robusto de baterias de Ni-Fe e eletrolisadores alcalinos, mas nunca havia sido relatado antes para uma bateria-eletrolisador integrado em nosso conhecimento.

[00159] O potencial de eletrólise como uma função de corrente e temperatura é mostrado na Figura 6. Temperaturas maiores levam a resistência iônica e potencial menores, aumentando a eficiência. O potencial aumenta aproximadamente 140 mV para um fator 10 maiores de corrente; isto é um aumento similar, como observado para eletrolisadores alcalinos observados à baixa densidade de corrente de ~20 mA/cm2. Limitamos a temperatura teste a 40°C, evitando potenciais problemas de estabilidade reduzida em longo prazo do eletrodo de ferro. Nas mais baixas correntes, atingiram-se os potenciais abaixo do potencial termoneutro de 1,48V, mas acima do potencial de circuito aberto de 1,37V da bateria de Ni-Fe.

[00160] Como um teste adicional da operação do battolyser, aplicamos diversos ciclos de carga - descarga carregando rapidamente (Figura 6a e 7). Este teste pode imitar a aplicação como uma bateria de raspagem máxima e eletrolisador que apresenta uma entrada de eletricidade renovável variável (pico de carga/eletrólise) espaçada com demanda de eletricidade quando a eletricidade renovável possui carências (pico de descarga). Como pode ser observado na figure 6a, as funcionalidades da bateria e de produção de gás da célula seguem as alterações de corrente aplicada e inversões diretamente sem atraso, o que é um ativo em comparação a, por exemplo, eletrolisadores convencionais. De forma mais notável, os potenciais médios durante a carga e descarga se aproximam, o que significa uma eficiência elétrica maior nbateria durante estas correntes rapidamente variáveis; ou seja, sem efeitos adversos de comutação, mas sim um efeito positivo.

[00161] Os achados de durabilidade e flexibilidade são notáveis, uma vez que outros tipos de baterias serão rapidamente destruídos pela sobrecarga e/ou descarga profunda. Baterias de íon de lítio sofrem decomposição de eletrólito durante a sobrecarga, quanto as baterias de hidreto de níquel-metal e chumbo-ácido sofrem efeitos de corrosão nocivos durante a sobrecarga e descarga profunda . a estabilidade notável será relacionada ao fato de que os eletrodos à base de Ni e Fe estão operando entre as fases termodinamicamente estáveis em seus diagramas de Pourbaix. Aparentemente, durante o modo de eletrólise no eletrodo negativo, pode-se apenas reduzir a água para H2 ou óxidos de ferro reativos (quando formados durante a descarga profunda) para se tornarem Fe, enquanto no eletrodo positivo qualquer Ni(OH)2 que é oxidado a NiOOH ou supercarregado a y- NiOOH retornará rapidamente para Ni(OH)2 durante a descarga. Estes pontos intrínsecos estáveis de retorno durante a carga (Fe) ou descarga (Ni(OH)2) aumentam a estabilidade dos eletrodos durante a operação de eletrólise prolongada e descarga profunda.

[00162] Próximo aos materiais e à energia eficiência, pode-se encontrar relevância de uma bateria com longevidade integrada e eletrolisador em fatores econômicos. O battolyser integrado se enquadra na ordem de mérito de uso de eletricidade renovável: 1o usando-o diretamente, 2o armazenando o excedente nas baterias eficientes para curto prazo e 3o armazenando-o por períodos mais longos em combustíveis de hidrogênio às custas de perdas de conversão ao gerar eletricidade posteriormente. O battolyser integrado combina a 2a e 3a etapa na ordem de mérito e, desta forma, possui a vantagem de atingir altos fatores de capacidade e eficiência, armazenando na bateria, produzindo gás ou fornecendo eletricidade.

[00163] Em um exemplo, um eletrolisador da bateria integrado ou battolyser foi fabricado. Os eletrodos são separados entre si usando as membranas da técnica anterior (Zirfon da Agfa; ref. Agfa Specialty Products (www.agfa.com); Vermeiren, P., Moreels, J.P., Claes, A. & Beckers, H. Eletrodo diaphragm eletrode assembly for alkaline water eletrolizers. International Journal of Hydrogen Energy 34, 9305-9315 (2009)), que possuem uma resistência iônica baixa no regime de densidade de corrente que é usado, levando a uma superpotência adicional de 20-30 mV entre os eletrodos. A densidade de corrente limitada provavelmente também signifique uma vida útil prolongada das membranas, que é tema dos testes adicionais.

[00164] Realizamos experimentos de inserção e retirada intensivas de carga, vide Figura 7. A inserção de carga de corrente constante a 6 vezes a capacidade da bateria em diversas taxas mostra potencial estável de eletrólise (Figura 7a). O ciclo do eletrodo carregado indica a estabilidade da célula e a reprodutibilidade de subciclos (Figura 7b). Os padrões de carga-descarga rapidamente variáveis são um teste de imita a aplicação como uma bateria de raspagem de pico e eletrolisador que apresenta uma entrada de eletricidade renovável variável (pico de carga/eletrólise) espaçada com demanda de eletricidade quando a eletricidade renovável está ausente (pico de descarga). Como pode ser observado na Figura 7c, a funcionalidade da bateria da célula segue as correntes aplicadas diretamente sem atraso, que é um ativo em comparação a - por exemplo - eletrolisadores convencionais. O battolyser atua como banheira de bateria que responde instantaneamente e fonte de corrente, enquanto gera gás durante a inserção de carga. A tensão da inserção de carga é limitada pela eletrólise, como esperado, mas o potencial de descarga fica maior em durações de descarga mais curtas; até aproximadamente um ganho de 0,25 V estar presente entre as descargas mais curtas e descarga contínua prolongada. Por exemplo, na inserção da Figure 7c, a inserção de corrente ocorre a 1,7 V, enquanto a extração ocorre a ~1,55 V. Isto corresponde a uma eficiência de ~91% durante tais períodos curtos de carga/descarga, que é claramente favorável para, por exemplo, fins de operação de rede. Além disso, testou-se a comutação rápida contínua com 1000 ciclos curtos (Figura 7d). Todos estes experimentos estão incluídos na Figura 6 e não apresentam efeito nocivos no desempenho do dispositivo. Como um ciclo é contado a partir da descarga total para descarga total com diversos programas de (super/des)carga total ou parcial entre o ciclo, a capacidade de descarga pode exceder a capacidade normal de descarga da bateria. A eficiência de energia qtotal para cada carga e eletrólise e subsequente ciclo de descarga é calculada a partir das equações:

[00165] Vc, Ic são a tensão aplicada da célula e a corrente durante o ciclo de carga e eletrólise com duração tc, Vdc e Idc são a tensão de descarga e a corrente durante o tempo de descarga tdc, Iel a corrente para eletrólise (e evolução de hidrogênio induzida por autodescarga da bateria) com um rendimento de energia correspondendo ao potencial termoneutro Hel. O Hel se iguala a 1,48 V a temperature ambiente, enquanto 2eHel se iguala ao maior valor de aquecimento de hidrogênio de -286 kJ/mol H2. Iel resulta da diferença entre a corrente total inserida no eletrolisador da bateria e a corrente integrada subsequente durante a descarga:

[00166] Observe que o rendimento da eletrólise também inclui a produção de gás durante a (auto)descarga (caso haja). A autodescarga é relevante, uma vez que pode-se observar na Figure 4a que durante os períodos em que não há execução de corrente em torno de 14h do tempo teste, ou os curtos períodos de espera entre 15 e 21 horas, há alguma produção visível de gás de H2 e O2. Como não há execução de corrente e H2 e O2 detectados, as possíveis reações de autodescarga serão Fe + 2H2O ^ Fe + 2H2O → Fe(OH)2 + H2 (g)no eletrodo de Fe e 2NiOOH + H2O → 2Ni(OH)2 + ½O2 (g) no eletrodo de Ni.Esta autodescarga produz gás nos canais separados do battolyser, do qual o teor de energia pode ser usado, ou seja, não é perdido como em uma bateria. Estas reações de autodescarga também podem desempenhar um papel (menor) na realização observada de separação de água estoiquiométrica (2H2O → 2H2 + O2) durante as muitas centenas de ciclos de inserção de carga, retirada e de eletrólise. Na Figure 5 são mostrados os resultados de diferentes ciclos com a bateria, eletrolisador e eficiências totais, bem como a carga inserida no carregamento da bateria e eletrólise dividido pela capacidade nominal de descarga da bateria. A quantidade de água adicional quase corresponde à quantidade esperada para a separação geral de água.

[00167] Os canais separados de hidrogênio e oxigênio foram analisados durante a operação usando um sistema de análise de gás quantitativo calibrado com um Espectrômetro de Massa Quadrupolar oculto sensível série 3F- PIC para a detecção. Há praticamente nenhum O2 detectável no canal de hidrogênio, enquanto há uma pequena quantidade de H2 detectada no canal de O2. Isto é mais comumente observado em eletrolisadores. Em vista da resistência iônica baixa da membrana, pode-se fornecer espessura adicional para aumentar mais a qualidade de separação de gás, onde necessário.

[00168] Em uma realização, após carregar o aparelho (“bateria”) e produzir o ferro reduzido no eletrodo negativo, o líquido aquoso, especialmente pelo menos o líquido aquoso na primeira célula, pode ser pelo menos parcialmente, ainda mais especialmente removido de forma substancialmente total da unidade funcional. Isto pode evitar a autodescarga por meio das reações Fe + 2H2O ^ Fe(OH)2 + H2(g) no eletrodo negativo e 2NiOOH + H2O ^ 2Ni(OH)2 + 1/2O2(g). Além disso, a unidade funcional, especialmente a primeira célula, pode ser preenchida com um gás inerte, como, por exemplo, N2. Portanto, nas realizações, o sistema de controle de líquido aquoso 60 também pode ser configurado para remover um ou mais entre o primeiro líquido aquoso de célula 11 e o segundo líquido aquoso de célula 21 da unidade funcional 2. Ademais, o sistema de controle de líquido aquoso 60 também pode ser configurado para substituir um ou mais entre o primeiro líquido aquoso de célula 11 e o segundo líquido aquoso de célula 21 da unidade funcional 2 por um gás inerte. Adicionalmente, o sistema de controle de líquido aquoso 60 também pode ser configurado para substituir o gás inerte em um ou mais entre a primeira célula e a segunda célula a partir da unidade funcional 2 pelo primeiro líquido aquoso de célula 11 e o segundo líquido aquoso de célula 21, respectivamente. Estas realizações, em que, por exemplo, o líquido aquoso da célula é temporariamente removido do aparelho pode ser especialmente de relevância quando especialmente o primeiro eletrodo, eletrodo compreendendo Fe, possui uma massa de Fe ativa maior (proporcional à capacidade de armazenamento de corrente expressa em [Ah]) que o segundo eletrodo, tendo especialmente uma massa ativa pelo menos duas vezes tão grande, como pelo menos 10 vezes tão grande, ainda pelo menos 50 vezes tão grande, à massa ativa do segundo eletrodo, como mesmo até 150 vezes.

[00169] Ainda em uma realização adicional, o um ou mais entre o primeiro líquido aquoso de célula 11 e o segundo líquido aquoso de célula 21 pode compreender ainda um catalisador, especialmente um catalisador para gerar água a partir do H2 e O2. Isto pode remediar o problema de cruzamento de gases, o que nem sempre pode ser completamente evitado pelo separador. Especialmente, o segundo líquido aquoso de célula 21 pode compreender este catalisador. Um catalisador adequado pode ser, por exemplo, LaNi5 ou de forma equivalente um material de LaNi5 modificado como é usado em baterias de hidreto de metal níquel como ânodo. O catalisador pode ser provido como partículas em um filtro no escape do líquido ou ligado ao diafragma (para o compartimento do eletrodo negativo) ou ligado ao diafragma de separação (próximo ao eletrodo positivo, mas não em contato elétrico).

[00170] Alternativa ou adicionalmente, o separador pode incluir um separador oco com líquido no interior. Por exemplo, uma membrana tipo de sanduíche pode ser provida entre a qual um eletrólito pode fluir independentemente, retirando qualquer H2 ou O2 cruzado. Isto também pode reduzir o possível cruzamento de gases.

[00171] O battolyser precisa especialmente combinar a densidade de armazenamento de corrente da bateria de Ni-Fe (mAh/cm3) com a densidade de corrente do eletrolisador alcalino (mA/cm2 na superfície do eletrodo e do diafragma).

[00172] A densidade de armazenamento de carga é determinada pela densidade dos materiais. A densidade da energia também depende da diferença de potência da reações que ocorrem nos eletrodos negativos e positivos:Eletrodo negativo: Fe(OH)2 + 2 e- → Fe + 2OH- (- 0,877V vs SHE) [1] Eletrodo positivo: Ni(OH)2 + OH- → NiOOH + H2O + e (+0,49V vs SHE)[2] Potencial de circuito aberto = 0,49 + 0,877 = 1,37V.

[00173] A tabela abaixo indica as densidades de armazenamento de carga como resultado das reações químicas da bateria. Na tabela, indica-se β-Ni(OH)2, que é a forma mais termodinamicamente estável de hidróxido de níquel. Outra estrutura, a-Ni(OH)2, também pode ser formada (parcialmente) durante o ciclo eletroquímico. Isto possui uma densidade menor e precisa de algum espaço para expansão (a porosidade dos eletrodos práticos torna isto possível). A espessura dos eletrodos na direção perpendicular ao separador determina a densidade de corrente por unidade de superfície de eletrodo (em A/cm2), que é exigida para a (des)carga da capacidade de eletrodo da bateria por unidade de superfície do eletrodo (em Ah/cm2) em um determinado período. Fe(OH)2β-Ni(OH)2 Densidade [g/cm3] 3,4 4,10 Massa molar [g/mol] 89.859792.708 Densidade de armazenamento de carga [C/cm3] 72.984.268 Densidade de armazenamento de carga [Ah/cm3] 2.0271.186 Espessura mínima do eletrodo* a 0,8Ah /cm2: [cm] 0.400.68 Espessura prática do eletrodo** a 0,8Ah/cm2: [cm] 1,1 1,8 Espessura mínima do eletrodo*** a Z Ah /cm2: [cm] 0,40 (Z/0,8) 0,68 (Z/0,8) Espessura prática do eletrodo a Z Ah/cm2 : [cm] 1,1 (Z/0,8) 1,8 (Z/0,8)

[00174] 800 mAh/cm2 da superfície do eletrodo satisfaz tanto as necessidades da bateria (uma capacidade escolhida de 2h de carga com densidade máxima de corrente de 400 mA/cm2) quanto as necessidades de eletrólise (400 mA/cm2 contínua, a técnica anterior para eletrolisadores alcalinos). Em um future movido a energia solar, exige-se em média 1 a 2 h de armazenamento máximo de eletricidade na bateria mais 2 a 3 vezes eletrólise mais longa na energia máxima no verão (3 a 8h de inserção de carga no total durante o dia). A descarga à noite poderia ser realizada a taxas menores, por exemplo, em 6 a 8h.

[00175] **Densidades do eletrodo na literatura na prática: 37%, ou seja, menos que o máximo teórico, assim os eletrodos são porosos e se tornariam mais espessos, de forma adequada. Espessura para os eletrodos da ‘antiga bateria de Edison’: 6 mm = 0,6 cm. A porosidade pode variar.

[00176] *** O valor Z indica uma capacidade de carga arbitrária em [Ah]. A equação se refere à espessura do eletrodo. Z pode variar de 0,01 (10 mAh, eletrodo de bateria muito fino) a 4 (4000 mAh, muito espesso), e pode ter um valor maior para o eletrodo Fe que para o de Ni, como discutido anteriormente.

[00177] A densidade de armazenamento de energia [Wh/cm3] de uma configuração básica de ânodo-cátodo- eletrólito: este é o produto das densidades de armazenamento de carga vezes o potencial entre os eletrodos. A °CV, a ‘densidade de energia de bateria de célula única’ seria ~ 1,37V x 0,8Ah / (1,1 + 1,8 + 0,3 cm3) = 0,343 Wh/cm3 = 343 Wh/L. O (1,1 + 1,8 + 0,3 cm3) é a soma de ânodo, cátodo e algum eletrólito prático mais espessuras do diafragma. Nota: esta é uma densidade de energia volumétrica muito elevada para qualquer bateria graças à capacidade de armazenamento volumétrico elevado das baterias alcalinas e dos eletrodos de Fe e Ni em particular.

[00178] As Figuras 8a-8e representam esquematicamente algumas realizações. O dimensionamento dos eletrodos é indicativo de uma determinada de capacidade do eletrodo de Ni e uma capacidade maior dos eletrodos de Fe. Isto é realizado tanto pela capacidade específica mais elevada de Fe(OH)2 em comparação a Ni(OH)2, quanto também pela quantidade material do eletrodo por célula. A Figura 8a representa esquematicamente uma realização do aparelho de energia 1. O aparelho de energia 1 compreende uma ou mais unidades funcionais 2. Aqui, uma única unidade funcional 2 é presentada esquematicamente. Cada unidade funcional 2 compreende uma primeira célula 100, compreendendo um ou mais primeiros eletrodos de célula 120 e uma ou mais primeiras aberturas de célula não representadas para um primeiro líquido aquoso de célula não representado e para um primeiro gás de célula não representado, uma segunda célula 200, compreendendo um ou mais segundos eletrodos de célula 220 e uma ou mais segundas aberturas de célula 210 para um segundo líquido aquoso de célula não representado e para um segundo gás de célula não representado; e um separador 30, em que a primeira célula 100 e a segunda célula 200 compartilham o separador 30, em que o separador é configurado para bloquear o transporte de um ou mais entre O2 e H2 de uma célula para outra enquanto apresenta permeabilidade por pelo menos um ou mais entre íons de hidróxido (OH-), sódio monovalente (Na+), lítio monovalente (Li+) e potássio monovalente (K+).

[00179] O aparelho de energia 1 compreende um ou mais entre (a) pelo menos dois ou mais primeiros eletrodos de célula 120 e (b) pelo menos dois ou mais segundos eletrodos de célula 220. Aqui, o aparelho compreende um único segundo eletrodo de célula 220 e uma pluralidade de primeiros eletrodos de célula 120.

[00180] O aparelho de energia 1 compreende ainda um elemento elétrico 7 configurado para aplicar um ou mais entre (a) uma ou mais diferenças de potência entre dois ou mais primeiros eletrodos de célula 120 e (b) uma ou mais diferenças de potência entre dois ou mais segundos eletrodos de célula 220. Aqui, o elemento elétrico 7 é configurado para aplicar uma diferença de potência entre dois tipos de primeiros eletrodos de célula 120 e seguir uma corrente entre eles. Aqui, o elemento elétrico 7 é configurado para aplicar uma diferença de potência entre um primeiro subconjunto 1211 de um ou mais primeiros eletrodos de célula 120 e um segundo subconjunto 1212 de um ou mais primeiros eletrodos de célula 120. Observe que nem sempre esta diferença de potência tem que ser aplicada. Durante um estágio pode ter que ser aplicada esta diferença de potência; no entanto, em outros estágios, como quando há H2 suficiente, nenhuma diferença de potência precisa ser aplicada.

[00181] Por exemplo, os primeiros eletrodos de célula 120 do primeiro subconjunto 1211 e o segundo subconjunto 1212 compreendem eletrodos à base de ferro.

[00182] A Figura 8b representa esquematicamente uma realização em que os subconjuntos incluem diferentes eletrodos, como diferentes capacidades devido a uma área de superfície maior ou uma camada mais espessa, ou um material diferente. Portanto, na Figura 8b os primeiros eletrodos de célula (120) do primeiro subconjunto (1211) compreendem eletrodos à base de ferro e em que os primeiros eletrodos de célula (120) do segundo subconjunto (1212) compreendem eletrodos de geração por gás hidrogênio (1210).

[00183] Portanto, a Figura 8a representa esquematicamente uma única unidade funcional com eletrodos de Fe de tamanho igual. Os eletrodos de Fe possuem maior capacidade que os eletrodos de Ni. O extra corresponde à capacidade de armazenamento de H2 devido ao fato deles poderem ser descarregados. A Figura 8b representa esquematicamente uma única unidade funcional com grandes eletrodos de Fe e pequenos eletrodos de evolução de H2 (Fe ou Pt). Isto é possível também: basta manter os pequenos eletrodos sempre para evolução de H2. O material dos pequenos eletrodos também pode ser Fe ou um melhor catalisador de H2.

[00184] A Figura 8c representa esquematicamente essencialmente a mesma realização esquematicamente representada na Figura 8a. Quando o interruptor S é fechado: todos os eletrodos de Fe na célula se comportam apenas como um grande eletrodo de Fe: tudo carregado ou descarregado juntos. O potencial da célula entre Ni e Fe pode estar especialmente na faixa de ~1,6 - 1,8V para a eletrólise. Quando interruptor S está aberto e aplica-se corrente dos eletrodos para um dos subconjuntos aos eletrodos do outro subconjunto; quando os eletrodos de Fe estão carregados (assim contendo metal Fe): nos eletrodos de Fe relativos mais negativos: produção de H2; naqueles menos relativamente negativos: Fe oxida-se em Fe(OH)2. Precisamos de aproximadamente 0,2V entre os eletrodos de Fe carregados para tanto.

[00185] Nas Figuras 8a-8c, o elemento elétrico para aplicar um ou mais entre (a) uma ou mais diferenças de potência entre dois ou mais primeiros eletrodos de célula 120 e (b) uma ou mais diferenças de potência entre dois ou mais segundos eletrodos de célula 220 é indicado coma referência 7. Observe que o elemento elétrico 7, ou outro elemento elétrico pode assim estar presente para aplicar uma diferença de tensão entre o primeiro eletrodo de célula(s) e o(s) segundo eletrodo(s) de célula. Esta diferença de tensão pode ser aplicada a um modo de operação. Portanto, como indicado acima, o termo “elemento elétrico” também pode se referir a uma pluralidade de elementos elétricos e/ou a um elemento elétrico que é capaz de prover entre diferentes elementos diferentes diferenças de potência.

[00186] A Figura 8d representa esquematicamente na vista superior algumas unidades funcionais configuradas em paralelo. A referência 1211a pode, por exemplo, indicar uma eletrodo de FeOH eletrodo, grande capacidade (soma de armazenamento da bateria e extra de H2). Estes estão todos conectados e no mesmo potencial. A referência 1212a pode, por exemplo, indicar um eletrodo de FeH, pequena capacidade, ou um apenas um eletrodo catalisador de evolução de H2 (por exemplo, eletrodo de Pt). Estes estão todos conectados e seu potencial pode ser diferente do(s) eletrodo(s) de FeOH.

[00187] A Figura 8e representa esquematicamente, nas vistas laterais, as mesmas unidades funcionais como na figura 8d com eletrodos compreendendo Fe e eletrodos compreendendo Ni. À esquerda: direção da vista de baixo da figura 8d para cima, à direta: vista da direta para a esquerda na figura 8D.

[00188] A Figura 9a representa esquematicamente o esquema de descarga & H2 mais geração de O2 com transporte de elétrons e íons em uma configuração de placa bipolar.Observou-se ainda que os eletrodos que estão em diferentes potenciais participam de diferentes reações. O primeiro subconjunto de eletrodos (indicado com FeOH) e o segundo (indicado com FeH) do primeiro eletrodo pode ser trazido nos potenciais de, respectivamente, (0,0 + mxVcélula) e (0,0 + mxVcélula) + (0,0 até -0,3) V na célula mth da pilha configurada com placa bipolar, onde m = 0, 1, 2, ...n-1 para uma determinada pilha com um total de n células.

[00189] Vcélula é a tensão necessária para operar a célula individual na pilha, portanto acima de 1,37V para carregamento, e abaixo de 1,37V para descarregamento. Nesta pilha, o primeiro subconjunto de eletrodos (indicado com Ni OH) e o segundo (indicado com NiO) do segundo eletrodo podem ser trazidos aos potenciais de, respectivamente, (m+1)xVcélula e (m+1)xVcélula + (0,0 até 0,3) V na célula mth da pilhaconfigurada com placa bipolar, onde m = 0, 1, 2, .n-1 para uma determinada pilha de n células.

[00190] Pode-se indicar os subconjuntos da seguinte forma por seus nomes, potencial e a reações que ocorrem: NiO na (m+1)xVcélula + (0,0 até 0,3) V:2OH- → ½O2 + H2O + 2eFeOH a (0.0 + mxVcélula):Fe + 2OH- → Fe(OH)2 + 2e- NiOH a (m+1)xVcélula:2NiOOH + 2H2O + 2e- → 2Ni(OH)2 + 2OHFeH a (0,0 + mxVcélula) + (0,0 até -0,3) V:2H2O + 2e- → H2 + 2OH-

[00191] Estes subconjuntos de eletrodos são indicados na Figure 9A para fins de explicação, como separados na direção vertical e eletronicamente isolados entre si, mas conectados externamente por uma fonte de tensão. No dispositivo real, no entanto, os subconjuntos dos eletrodos estão se estendendo em cada proximidade um do outro, como indicado nas Figura 9C e Figura 10B.

[00192] Em uma variante na Figura 9a, a esquemática de descarga & geração de H2 mais O2; transporte de elétrons e íons, poderia ser provido com a corrente (A) desacoplada. O significado das correntes elétricas indicadas serve para mostrar que no nível da célula a carga flui em uma determinada forma do subconjunto de eletrodos para o subconjunto de eletrodos, e que a corrente é transmitida através das placas bipolares entre as células é parcialmente usada para descarga e parcialmente para geração de hidrogênio e oxigênio. Em seguida, “(1-a)x2e- @ nx1,37V” será substituído por “2e- @ nx1,37V”, e “(1-a)x2e- @ 0,0V” será substituído por “2e- @ 0,0V”, vide Figura 9b. A Figura 9c representa esquematicamente o aparelho 1 com placas bipolares 4 em mais detalhes. Nas Figuras 9a e outras, as indicações romanas I, II, III e IV são usadas para indicar ainda as diferentes incubações a fim de aumentar a compreensibilidade.

[00193] A Figura 9d representa esquematicamente o esquema de descarga & geração de H2 mais O2; transporte de elétrons e íons; corrente AxI produzida usando transformadores de CD-CD (ou conversores), indicado com a referência 17, que são acionados pela corrente de descarga I. Observou-se que: - Transformadores de CD-CD: VdentroxIdentro= VforaIfora (ao ignorar as perdas), portanto 0,1nx1,37xI=0,3xAIin; Corrente para descarga de bateria: Identro; Corrente para produção de H2: AxIdentro; e saída da Tensão do Sistema: por exemplo, 1,37Vxnx0,8; Potência de descarga usável como eletricidade: P=nx1,37x0,8xIin; Usada para geração de H2 para superar as superpotências: nx1,37x0,2xIin; O valor de 0,2 é escolhido devido a 0,3V/1,37V ~ 0,2 aproximadamente proporção direita entre a superpotência medida e o potencial de célula da bateria. Além disso, a referência ** se refere ao fato de que Vdentro é ajustável.

[00194] A Figura 10a representa esquematicamente em uma vista superior diversas unidades funcionais com configuração bipolar. Agora, o eletrodo de Ni também está em partes separadas, conectadas eletricamente à parte traseira das partes separadas de Fe. Uma conexão elétrica similar é necessária para acionar a liberação de H2 e O2. (Os eletrodos de FeH e NiO podem ser muito mais finos, ou seja, ter menos capacidade que FeOH e NiOH quando contêm catalisadores melhores).

[00195] A Figura 10b representa esquematicamente em uma vista lateral diversas células com configuração bipolar. As partes do eletrodo são um tipo de lamela que faz contato elétrico com a parte superior ou inferior da placa bipolar. A placa bipolar é dividida no meio com um isolador. Desta forma, as partes de Fe e Ni podem todas estar em uma configuração bipolar e também ainda o eletrodo de Ni e Fe pode ser dividido em duas partes eletricamente separadas (FeH, FeOH e NiO, NiOH). O eletrólito está entre as lamelas e transporta OH- entre os eletrodos nas células.

[00196] A Figura 10c representa esquematicamente em uma vista em perspectiva uma realização do aparelho 1, com as seções de placa bipolar com isolamento 53 entre (por exemplo, EPDM (monômero de etileno de propileno dieno) borracha, Teflon, PP outro eletrólito de KOH resistente e polímero hermético que seja eletronicamente isolante). A parte superior é conectada aos eletrodos de FeOH; a parte inferior é conectada aos eletrodos de FeH.

[00197] A Figura 11 a, c-d mostram os resultados das medições com uma unidade funcional que consistem em dois eletrodos de Ni e dois de Fe. Os eletrodos de Ni e Fe foram primeiramente carregados completamente. Em seguida, a fiação foi comutada e aplicou-se uma corrente de um Fe para outro, com valores de corrente como indicado na Figura 11a. A tensão que ocorre entre um Fe (+) e outro Fe (-) é registrada. A evolução de H2 ocorre no eletrodo negative (indicado por FeH) seguindo a 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-, enquanto, no eletrodo positivo (indicado por FeOH) ocorre a reação de descarga normal: Fe + 2OH- → Fe(OH)2 + 2e-. A área de superfície do eletrodo: 35,1 cm2 de modo eficaz, portanto 0,5A = 500 mA corresponde a 500/35,1 = 14,25 mA/cm2. A linha na Figura 11c indica que um fator de 10 da maior corrente aumenta o potencial em aproximadamente 0,22V nesta célula teste. Os símbolos abertos exibem dados corrigidos para a resistência Ohmic de alguma fiação interna. Desta forma, observamos o potencial real entre os eletrodos. (A fiação interna é fina no experimento no dispositivo real, ela deve ser espessa ou em uma configuração de placa bipolar com resistência muito baixa). A linha na figura direita indica que um fator de 10 da maior corrente aumenta o potencial em aproximadamente 0,22V para os dados não corrigidos (símbolos preenchidos) e com 0,185V para os dados corrigidos (símbolos abertos). A Figura 11d mostra tensões (referência P; a 0,5A de corrente aplicada, medido em V) que são medidas, mas agora para períodos mais longos, envolvendo H2 no eletrodo negativo mais longo. A Figura 11b representa esquematicamente a configuração dos eletrodos usados para este aparelho exemplar com a unidade funcional 2. Apenas a posição dos eletrodos de Ni e Fe são é mostrada. a corrente na figura 11A está seguindo entre o eletrodo positivo de Fe para o negativo, enquanto os eletrodos de Ni que foram usados durante a carga de ambos os eletrodos de Fe estão então em repouso.

[00198] As Figuras 12a-12 representam esquematicamente uma comparação de um battolyser “padrão” (12a) e o battolyser conforme descrito ainda (também) aqui (Figura 12b). Na última variante, a geração de H2 e a descarga podem ser acopladas.

[00199] A Figura 13 representa esquematicamente um realização de um eletrodo. Nas realizações, o(s) eletrodo(s) pode(m) ter uma morfologia de eletrodo com canais internos para exportar gás através do eletrodo. A inserção de eletrólito pode ocorrer através dos poros estreitos perpendiculares à superfície do eletrodo. Isto pode se aplicar aos primeiros eletrodos e/ou segundos eletrodos.

[00200] Em um exemplo, uma vez que os segundos eletrodos de Ni são aplicados, e como os primeiros eletrodos, um eletrodo compreendendo Fe com uma camada relativamente espessa (maior capacidade) e um eletrodo compreendendo Fe com uma camada relativamente fina (menor capacidade) são aplicados. Desta forma, uma célula monopolar pode ser provida com uma funcionalidade adicional de H2 (com o fino eletrodo contendo Fe). Em um exemplo adicional, uma pluralidade destas células monopolares pode ser configurada em paralelo. A diferença na espessura da camada pode ser de pelo menos um fator 2.

[00201] Em um exemplo, o primeiro eletrodo ou o segundo eletrodo compreende um material de eletrodo, e adicionalmente um catalisador. Por exemplo, um eletrodo compreendendo ferro pode compreender ainda um catalisador. O catalisador pode estar disponível como nanopartículas. As nanopartículas podem ser incorporadas em uma matriz eletricamente condutora (especialmente material de eletrodo). Alternativa ou adicionalmente, o catalisador pode ser aplicado como revestimento ao material do eletrodo. Os catalisadores adequados podem ser selecionados entre platina, NiMo, NiFe, FeMo, NiCoFe, um composto tipo LaNi5 indicado com MmNi5-x-yCoxAly, onde Mm representa uma mistura de lantanídeos, sulfeto de tungstênio (WSx) ou selenieto (WSex), e sulfeto de molibdênio (MoSx).

[00202] Em um exemplo, uma primeira célula possui eletrodos de Fe (negativos) e uma segunda célula possui um ou mais eletrodos de Ni (positivos). Ni pode ser um componente relativamente caro e pode determinar a capacidade da bateria. Fe é relativamente barato e pode, portanto, ser possivelmente dimensionado para ter uma capacidade maior. Portanto, um eletrodo compreendendo Fe de maior capacidade e área pode ser reduzido. Posteriormente, contra outro (pequeno) eletrodo compreendendo Fe, o maior eletrodo pode ser descarregado e H2 é produzido. Ao descarrega, um ou mais entre os eletrodos compreendendo Fe podem ser descarregados para prover H2 e,entretanto, um ou mais outros eletrodos compreendendo Fe também podem ser descarregados contra o Ni a fim de fornecer energia. No caso onde o eletrodo de Fe usado para descarga (FeOH) possui capacidade muito maior que os eletrodos de Ni, por exemplo, 2 a 5 ou 5 a 20 ou mesmo até 100 vezes de maior capacidade, a possibilidade está aberta para armazenar energia na forma de Fe reduzido nos eletrodos FeOH de grande capacidade e H2O, que podem liberar hidrogênio quando solicitado. Esta configuração pode ser adicionalmente projetada para possibilitar a remoção do eletrólito, substituindo-o por gás inerte, como nitrogênio ou argônio. Isso será relevante para limitar a autodescarga espontânea dos eletrodos após a reação Fe + 2H2O ^ Fe(OH)2 + H2. Quando subsequentemente exige-se hidrogênio, o eletrólito é reinserido nas células e o FeOH pode ser descartado contra os eletrodos de FeH para gerar H2. Desta forma, também o armazenamento de energia de duração mais longa se torna possível, por exemplo, durações de até 100 dias. Alternativamente, os eletrodos de capacidade muito grande também podem ser mantidos sob o eletrólito e as células de battolyser grande podem ser usadas para gerar H2 mais lentamente como resultado desta autodescarga. A autodescarga pode ser promovida também pela administração de calor disponível (resíduo) à célula. Dependendo das exigências para armazenamento de eletricidade e conversão para hidrogênio, também podem ser dispostos diferentes battolysers juntos para prover armazenamento de eletricidade fornecer e gerar hidrogênio e oxigênio.

[00203] Na Figure 14, é fornecido um exemplo de 6 battolysers diferentes em um circuito elétrico (número 1 a 6). Os números 1 e 2 podem aqui ter um número diferente n de células em sua pilha de placa bipolar e, assim, um diferente potencial de entrada e saída daqueles número de 3 a 6. Aqui, por exemplo, 1 e 2 podem ser carregados e descarregados independentemente de uma fonte de tensão, como indicado, e assim com 3 a 6. A fiação do circuito elétrico é tal como o conversor de CD-CD indicado, com a referência 17, que pode ser energizado pela saída dos números 3 a 6. Desta forma, um sistema pode ser configurado de modo que possua carga grande e capacidade de geração de hidrogênio de 1 a 6 juntos, mas que possa também manter a produção de H2 e O2 nos números 1 e 2 da eletricidade armazenada nos número 3 a 6. Esta operação pode ser importante para, por exemplo, fábricas movidas a energia solar que também precisam de hidrogênio e energia à noite. Há a possibilidade de muitas destas configurações com battolysers e também com battolysers que são internamente configurados para ter eletrodos que geram hidrogênio. A referência n1 indica que o circuito esquerdo inclui n1 battolysers, aqui 2, e n2 indica que o circuito direito incluir n2 battolysers, aqui 4. Uma vantagem deste sistema é a flexibilidade e o fato de que os eletrônicos são simples. A proporção dos eletrodos, como a proporção de eletrodos de Fe/Ni é fixa. Os battolysers usados neste sistema podem ser aparelho, como esquematicamente representado na Figura 1a-1b (e 1c e 1d).

[00204] A Figura 15 representa esquematicamente um sistema em que, por exemplo, também pode estar presente menos níquel. A Figura 15 mostra esquematicamente uma configuração de placa bipolar em que os eletrodos de FeH podem ser acionados independentemente para produzir maiores H2 ou não, durante a carga e descarga. Esta opção é baseada em um princípio similar ao esquematicamente representado na Figura 12B, em cada célula que é configurada em série. Os eletrodos que possuem formato similar e conexão com a parte superior e inferior das placas bipolares, como nas Figures 10A, B e C. Toda a pilha é configurada em uma configuração de placa bipolar, mas os eletrodos de Fe são separados em seções de eletrodos de FeOH e FeH. durante a descarga, uma parte da corrente de descarga podem ser fornecida à série de conversores de CD-CD que são conectado separadamente em cada célula separada e acionam uma corrente entre FeOH e FeH a uma diferença de potência entre estes eletrodos de até 0,3V. Desta forma, H2 será Gerado nos eletrodos de FeH, enquanto também toda a pilha é descarregada e fornece eletricidade para energizar outra aplicação (com o potencial indicado pela tensão nVcélula). A capacidade dos eletrodos de FeOH é maior que a capacidade dos eletrodos de FeH e NiOH para ser capaz de gerar mais H2 enquanto também descarrega. Quando a capacidade de FeOH é de até ~7 vezes (como 7=1+(1,2V/0,2V)) maior que a capacidade de NiOH, a capacidade total da bateria pode ser descarregada enquanto converte a corrente em hidrogênio. Quando também é usada a corrente de uma fonte externa para fornecer um potencial de nVcélula, também é possível ter maiores capacidades dos eletrodos de FeOH (mais de 7 vezes a capacidade de NiOH, até 50 vezes) a fim de gerar mais H2.

[00205] Os eletrodos na série da Figura 15, mas opcionalmente também de outras realizações aqui descritas, podem ser eletricamente oscilantes.

[00206] Os sistemas de energia renovável possuem o potencial de substituir os combustíveis fósseis, mas nos confrontam de forma inerente com o principal desafio de armazenamento. Os combustíveis fósseis, como gás, óleo ou carvão são fáceis de armazenar, e tornam a produção de energia muito fácil. A energia renovável, por outro lado, só está disponível quando o vento está soprando ou o sol está brilhando, enquanto o consumo privado segue oscilações características diurnas e sazonais. Em uma futura energia renovável, quantidades similares de armazenamento de eletricidade, em baterias e na produção de combustíveis de hidrogênio, podem ser exigidas anualmente para permitir o armazenamento de energia adequado de curto e longo prazo. As baterias são caracterizadas por uma alta eficiência de conversão, a eletricidade armazenada retorna como eletricidade, o que as torna adequadas para o armazenamento de energia em curto prazo. A produção de hidrogênio é considerada a melhor oportunidade para armazenamento de energia em longo prazo. Hidrogênio pode ser armazenado diretamente ou pode ser sintetizado para produzir combustíveis sintéticos. Além disso, a produção de hidrogênio possibilita a ‘ecologização’ de processos químicos e a produção de combustíveis neutros de carbono eficazes uma vez que o hidrogênio age como um insumo para processos subsequentes, como os processos de Sabatier CH4 de H2 e CO2, Fischer-Tropsch (alcanos de CO/CO2 e H2) e Haber-Bosch (NH3 de N2 para H2).

[00207] As baterias de níquel e ferro foram inventadas por Edison e Jungner e são conhecidas por sua extrema durabilidade. As baterias convencionais de ferro e níquel sofrem baixa eficiência de energia, hidrogênio indesejado é produzido e perde-se carga. Portanto, montamos e projetamos o battolyzer, uma combinação de bateria e eletrolisador. Hidrogênio é agora um produto, e nenhuma carga é perdida, o que torna o sistema de energia de níquel e ferro eficaz. No entanto, a produção de hidrogênio segue a intermitência renovável, enquanto a indústria favorece a operação contínua. Além disso, são necessárias instalações de armazenamento para amortecer as oscilações. A nova configuração do battolyser permite a produção controlada e armazenamento de hidrogênio, recursos necessários para a operação industrial contínua e armazenamento de energia em longo prazo. A nova configuração do battolyzer é representada na Figura 16c.

[00208] A nova configuração do battolyser consiste em um eletrodo positivo de “Níquel” e dois eletrodos negativos de “Ferro”, um para armazenamento e um para produção de hidrogênio. O eletrodo de níquel utiliza o par de hidróxido de níquel (Ni(OH)2)/oxihidróxido de níquel (NiOOH) e os eletrodos de “armazenamento” de Ferro, o par de hidróxido de ferro (Fe(OH)2)/ferro (Fe). Apenas um eletrodo de “armazenamento de Ferro” participa da operação da bateria enquanto o “eletrodo adicional de ferro” é mantido sob o potencial anódico que controla a taxa de produção de hidrogênio. O ferro é assim o catalizador da reação de evolução de hidrogênio (HER) ativo. Não há necessidade de aplicar um eletrodo de ferro para o HER, além dos catalisadores de HER mais eficazes poderem servir para esta finalidade, o que poderia aumentar a eficiência.

[00209] A reação geral para a operação da bateria é fornecida por:

[00210] No estado descarregado, um átomo de ferro armazena dois íons de hidroxila (OH-) e um átomo de níquel armazena um próton. Mediante carga, libera-se água e o catalisador para HER (Fe) e a reação de evolução de oxigênio (OER, NiOOH) são formados. O eletrodo positive geralmente é o eletrodo limitante e a estoiquiometria define a proporção de níquel para ferro como dois para as baterias de níquel e ferro. Certamente o ferro é mais abundante e mais barato que o níquel. Superdimensionar a capacidade do eletrodo de ferro faz com que, mediante inserção de carga, seja formado NiOOH, indo isoladamente com a evolução de oxigênio quando a capacidade de armazenamento para o eletrodo de níquel é atingida, enquanto no eletrodo de ferro Fe(OH)2 ainda está reduzida para o ferro (Fe). ocorre a reação a seguir:

[00211] A adição de um terceiro eletrodo para produção de hidrogênio ao sistema permite a produção controlada de hidrogênio. Apesar de hidrogênio ser produzido neste eletrodo, o eletrodo de armazenamento de ferro “superdimensionado” é descarregado:

[00212] As evoluções de hidrogênio e de oxigênio são desacopladas, hidrogênio é armazenado no eletrodo de ferro “superdimensionado” junto à água a partir do eletrólito. Além disso, pode ser produzido hidrogênio, mesmo ao descarregar a bateria. Portanto, o eletrodo de ferro “superdimensionado” provê armazenamento de eletricidade e hidrogênio. Uma organização equivalente com um eletrodo de níquel “superdimensionado” e eletrodo de evolução adicional de oxigênio é possível para controlar a produção de oxigênio.

[00213] A organização do battolyser permite o armazenamento de energia elétrica e eletrólise. A nova organização com esta configuração específica que consiste no armazenamento e nos eletrodos de eletrólise no l °Cal de hidrogênio possibilita a produção controlada e armazenamento de hidrogênio. O eletrodo de armazenamento sempre produzirá uma determinada quantidade de hidrogênio nas inserções de carga. A fração de elétrons que contribuem para a produção de hidrogênio aumenta com o estado de carga crescente do eletrodo e da taxa de carga. Nenhum hidrogênio será liberado na descarga.

[00214] Portanto, em referência ao sistema de bateria em que uma bateria pode ser carregada (vide Figura 16a) ou pode ocorrer eletrólise (Figura 16b), um terceiro eletrodo é adicionado à organização existente. Este eletrodo é conectado ao “eletrodo de armazenamento”, como um eletrodos de “armazenamento de ferro”. O novo eletrodo e o eletrodo de armazenamento podem estar localizados próximos entre si e submetidos no eletrólito. O circuito externo possibilita que o eletrodo de armazenamento de ferro seja descarregado e seja produzido hidrogênio no eletrodo de eletrólise. Ao fazê-lo, é possível armazenar hidrogênio no sistema. ocorre a reação a seguir: eletrodo de armazenamento de ferro (descarga): (Fe+2OH-) -> Fe(OH)2 + 2e-; eletrodo de eletrólise (carga): 2H2O+2e- -> H2 + 2OH-; geral: Fe + 2H2O -> Fe(OH)2 + H2; Portanto, nas realizações o eletrodo de armazenamento de ferro não é apenas usado como “eletrodo de bateria” mas também como eletrodo para armazenamento de hidrogênio. No geral, o sistema está equilibrado. Isto significa que a água é separada. Desenvolve-se imediatamente O2 quando o eletrodo de níquel está totalmente carregado. No entanto, neste momento, o carregamento ainda é contínuo no eletrodo de armazenamento de ferro, o hidrogênio é liberado quando necessário. ocorre separação de água estoiquiométrica geral. (2H2O -> 2H2 + O2).

[00215] Portanto, ao passo que em um eletrolisador normal estes gases são produzidos quando a carga está circulando no sistema, na(s) configuração(ões) atualmente proposta(s), primeiro os eletrodos da bateria podem ser carregados. Quando os eletrodos estão totalmente carregados, desenvolvem-se oxigênio e hidrogênio. O terceiro eletrodo permite que o eletrodo de ferro possa ser “superdimensionado” em relação ao eletrodo de níquel. O terceiro eletrodo possibilita usar esta capacidade extra para armazenar hidrogênio no eletrodo de ferro superdimensionado e liberá-lo quando desejado no eletrodo de eletrólise. Sem o terceiro eletrodo, o superdimensionamento não seria (muito) útil, devido ao hidrogênio armazenado não poder ser recuperado. Sem o terceiro eletrodo apenas eletricidade pode ser recuperada e a capacidade é limitada à menor capacidade dos eletrodos existentes. Apenas o eletrodo de eletrólise permite a utilização do hidrogênio armazenado no eletrodo superdimensionado. O conceito total torna mais fácil o armazenamento e produção de hidrogênio. Até o momento, a organização é testada com um eletrodo de ferro como eletrodo de eletrólise. Mas este eletrodo pode ser trocado por outro eletrodo mais eficaz para evolução de hidrogênio para aumentar a eficiência geral.

[00216] Na Figura 16a, a referência BC indica carregamento de bateria; a referência E na Figura 16b indica eletrólise. Por meio de exemplo, nas Figuras 16a-16b, o eletrodo esquerdo pode ser um eletrodo à base de níquel; o eletrodo direito pode ser um eletrodo à base de ferro. Este eletrodo à base de ferro pode ser superdimensionado, ou seja, este eletrodo pode ter uma área de superfície muito maior que o eletrodo de níquel. Na Figura 16c, o eletrodo adicional (“eletrodo adicional” ou “terceiro eletrodo”) à direita, onde H2 é formado, pode ser também um eletrodo à base de ferro.

[00217] Portanto, a invenção pode transpor a geração intermitente de eletricidade renovável e armazenamento de energia eficaz.

[00218] Observe que os sinais de tensão (-|+) aqui são apenas exibidos para indicar a presença de um elemento elétrico que pode impor uma diferença de tensão, independente do sinal desta diferença de tensão. Uma seta através deste sinal enfatiza a possibilidade de que tal elemento elétrico possa impor diferentes diferenças de tensão (como uma diferença de tensão variável) (independente do sinal desta diferença).

[00219] O termo “substancialmente” aqui, como em “substancialmente consiste”, será compreendido pelo técnico no assunto. O termo “substancialmente” pode também incluir realizações com “totalmente”, “completamente”, “todos”, etc.Portanto, nas realizações, os adjetivos podem ser substancialmente removidos. Quando aplicável, o termo “substancialmente” também pode se referir a 90% ou mais, como 95% ou mais, especialmente 99% ou mais, ainda mais especialmente 99,5% ou mais, inclusive 100%. O termo “compreende” inclui também realizações em que o termo “compreende” significa “consiste em”. O termo “e/ou” se refere especialmente a um ou mais entre os itens mencionados antes e após “e/ou”. Por exemplo, uma frase “item 1 e/ou item 2” e frases similares podem se referir a um ou mais entre item 1 e item 2. O termo “compreendendo” pode, em uma realização, referir-se a “consistindo em “ mas pode, em outra realização, também se referir a “contendo pelo menos as espécies definidas e opcionalmente uma ou mais outras espécies “.

[00220] Além disso, os termos primeiro, segundo, terceiro e similares na descrição e nas reivindicações s]ao usados para distinguir entre elementos similares e não necessariamente para descrever uma ordem sequencial ou cronológica. Deve ser compreendido que os termos assim usados são intercambiáveis em circunstâncias apropriadas e que as realizações da invenção aqui descritas são capazes de operação em outras sequências diferentes daquelas aqui descritas ou ilustradas.

[00221] Os dispositivos aqui, são entre outros, descritos durante a operação. Como ficará claro ao técnico no assunto, a invenção não está limitada a métodos de operação ou dispositivos em operação.

[00222] Deve ser observado que as realizações acima mencionadas ilustram em vez de limitar a invenção, e que os peritos no assunto serão capazes de projetar muitas realizações alternativas sem se desviar do escopo das reivindicações anexas. Nas reivindicações, quaisquer sinais de referência colocados entre parênteses não devem ser interpretados como limitantes da reivindicação. O uso do verbo “compreender” e suas conjugações não exclui a presença de elementos ou etapas diferentes daqueles declarados em uma reivindicação. O artigo “um” ou “uma” anterior a um elemento não exclui a presença de uma pluralidade destes elementos. A invenção pode ser implementada por meio de hardware que compreendem diversos elementos distintos, e por meio de computador adequadamente programado. Na reivindicação do dispositivo que enumera diversos meios, diversos destes meios podem ser incorporados por um e o mesmo item de hardware. O mero fato de que determinadas medidas serem mencionadas em reivindicações dependentes mutuamente diferentes não indica que uma combinação destas medidas não possa ser usada para ser aproveitada.

[00223] A invenção aplica-se ainda a um dispositivo que compreende um ou mais entre os recursos caracterizantes descritos na descrição e/ou mostrados nos desenhos anexos. A invenção pertence ainda a um método ou processo que compreende um ou mais entre os recursos caracterizantes descritos na descrição e/ou mostrados nos desenhos anexos.

[00224] Os diversos aspectos discutidos nesta patente podem ser combinados a fim de prover vantagens adicionais. Além disso, o técnico no assunto compreenderá que as realizações podem ser combinadas e que também mais de duas realizações podem ser combinadas. Além disso, alguns dos recursos podem formar a base para uma ou mais aplicações divisionais.

Claims (16)

1. APARELHO DE ENERGIA (1), o aparelho de energia (1) compreendendo uma ou mais unidades funcionais (2), sendo cada unidade funcional (2) caracterizada por compreender: - primeira célula (100) compreendendo um ou mais primeiros eletrodos de célula (120) e uma ou mais primeiras aberturas de célula (110) para um primeiro líquido aquoso de célula (11) e para um primeiro gás de célula (12); - segunda célula (200) compreendendo um ou mais segundos eletrodos de célula (220) e uma ou mais segundas aberturas de célula (210) para um segundo líquido aquoso de célula (21) e para um segundo gás de célula (22); - separador (30), em que a primeira célula (100) e a segunda célula (200) compartilham o separador (30), em que o separador é configurado para bloquear o transporte de um ou mais entre O2 e H2 de uma célula para outra enquanto apresenta permeabilidade para pelo menos um ou mais entre íons de hidróxido (OH-) sódio monovalente (Na+), lítio monovalente (Li+) e potássio monovalente (K+); em que o aparelho de energia (1) compreende um ou mais entre (a) pelo menos dois ou mais primeiros eletrodos de célula (120) e (b) pelo menos dois ou mais segundos eletrodos de célula (220), onde o aparelho de energia (1) compreende ainda um elemento elétrico (7) configurado para aplicação de um ou mais entre (a) uma ou mais diferenças de potência entre dois ou mais primeiros eletrodos de célula (120) e (b) uma ou mais diferenças de potência entre dois ou mais segundos eletrodos de célula (220).

2. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender pelo menos uma unidade funcional (2) compreendendo dois ou mais primeiros eletrodos de célula (120), e em que o dito elemento elétrico (7) é configurado para aplicação de uma diferença de potência entre um primeiro subconjunto (1211) de um ou mais primeiros eletrodos de célula (120) e um segundo subconjunto (1212) de um ou mais primeiros eletrodos de célula (120), em que os primeiros eletrodos de célula (120) do primeiro subconjunto (1211) compreendem eletrodos à base de ferro, e em que os primeiros eletrodos de célula (120) do segundo subconjunto (1212) compreendem tanto eletrodos à base de ferro ou eletrodos de geração por gás hidrogênio (1210).

3. APARELHO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por compreender pelo menos uma unidade funcional (2) que compreende dois ou mais primeiros eletrodos de célula (120) e um ou mais segundos eletrodos de célula (220).

4. APARELHO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por compreender pelo menos duas unidades funcionais (2), em que um primeiro eletrodo (120) de uma primeira unidade funcional (2) e um segundo eletrodo (220) de uma segunda unidade funcional estão separados um do outro por uma placa bipolar (4), em que a placa bipolar (4) é eletricamente condutora, em que a placa bipolar (4) compreende pelo menos duas seções de placa bipolar (1041, 1042) que são configuradas eletricamente separadas entre si, em que um ou mais primeiros eletrodos de célula (120) estão associados a uma primeira seção de placa bipolar (1041), em que um ou mais primeiros eletrodos de célula (120) estão associados a uma segunda seção de placa bipolar (1042), em que um ou mais segundos eletrodos de célula (220) estão associados à dita primeira seção de placa bipolar (1041), e em que um ou mais segundos eletrodos de célula (220) estão associados à dita segunda seção de placa bipolar (1042).

5. APARELHO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por compreender a primeira célula (100), a segunda célula (200) e uma célula adicional, que compreende tanto um primeiro eletrodo adicional (120) para prover os dois ou mais primeiros eletrodos de célula (120) quanto um segundo eletrodo adicional (220) para prover os dois ou mais segundos eletrodos de célula (220).

6. APARELHO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, sendo um ou mais segundos eletrodos de célula (220) caracterizado por compreender eletrodos à base de níquel.

7. APARELHO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo dito elemento elétrico (7) compreender uma alimentação de tensão variável, em que pelo menos uma unidade funcional (2) compreende: - primeira célula (100), compreendendo uma pluralidade de primeiros eletrodos de célula (120) e uma ou mais primeiras aberturas de célula (110) para o dito primeiro líquido aquoso de célula (11) e para o dito primeiro gás de célula (12), em que a pluralidade de primeiros eletrodos (120) compreende eletrodos à base de ferro, em que a pluralidade de primeiros eletrodos de célula compreende o primeiro subconjunto (1211) dos primeiros eletrodos de célula (120) e um segundo subconjunto (1212) dos primeiros eletrodos de célula (120); - segunda célula (200), compreendendo o dito segundo eletrodo de célula (220) e uma ou mais segundas aberturas de célula (210) para o dito segundo líquido aquoso de célula (21) e para o dito segundo gás de célula (22); - dito separador (30), em que a primeira célula (100) e a segunda célula (200) compartilham o separador (30), em que o separador é configurado para bloquear o transporte de um ou mais entre O2 e H2 de uma célula para outro enquanto apresenta permeabilidade para pelo menos um ou mais entre íons de hidróxido (OH-) sódio monovalente (Na+), lítio monovalente (Li+) e potássio monovalente (K+); - primeira conexão elétrica (1251) em conexão elétrica com o primeiro subconjunto (1211) dos primeiros eletrodos de célula (120), uma segunda conexão elétrica (1252) em conexão elétrica com o segundo subconjunto (1212) dos primeiros eletrodos de célula (120) e uma terceira conexão elétrica (52) em conexão elétrica com o segundo eletrodo de célula (220); e - elemento conector (1510), compreendendo o dito elemento elétrico (7), comutável em uma primeira configuração em que os primeiros eletrodos (120) do primeiro subconjunto (1211) e os primeiros eletrodos (120) do segundo subconjunto (1212) são curto-circuitados, e uma segunda configuração em que podem existir diferentes diferenças de tensão e/ou diferentes correntes elétricas podem fluir entre (a) o segundo eletrodo (220) e os primeiros eletrodos (120) do primeiro subconjunto (1211) e (b) o segundo eletrodo (220) e os primeiros eletrodos (120) do segundo subconjunto (1212).

8. APARELHO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por compreender ainda uma fonte de energia configurada para gerar uma diferença de tensão e/ou uma corrente diferente entre (a) o segundo eletrodo (220) e os primeiros eletrodos (120) do primeiro subconjunto (1211) e (b) o segundo eletrodo (220) e os primeiros eletrodos (120) do segundo subconjunto (1212) na segunda configuração, em que o dito elemento elétrico (7) compreende uma alimentação de tensão variável.

9. APARELHO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo primeiro eletrodo (120) ter uma primeira capacidade e em que o segundo eletrodo (220) tem uma segunda capacidade, em que a segunda capacidade é inferior a 90% da primeira capacidade, de preferência em que o segundo eletrodo (220) apresenta uma segunda capacidade de eletrodo (Ah2) e em que a pluralidade de primeiros eletrodos (120) apresenta uma primeira capacidade de eletrodo do subconjunto integrada (Ah11) de todos os primeiros eletrodos (120) no primeiro subconjunto (1211) e uma segunda capacidade de eletrodo do subconjunto integrada (Ah12) de todos os primeiros eletrodos (120) no segundo subconjunto (1212), em que Ah11/Ah2 > 2, em que Ah11/Ah12 >1 e Ah11+Ah12 > A2.

10. APARELHO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, sendo o aparelho de energia (1) caracterizado por compreender ainda um ou mais de: - primeira conexão elétrica (51) em conexão elétrica com o primeiro eletrodo de célula (120) e uma segunda conexão elétrica (52) em conexão elétrica com o segundo eletrodo de célula (220); - sistema de controle de líquido aquoso (60) configurado para controlar a introdução de um ou mais entre o primeiro líquido aquoso de célula (11) e o segundo líquido aquoso de célula (21) na unidade funcional (2); - sistema de armazenamento (70) configurado para armazenar um ou mais entre o primeiro gás de célula (12) e o segundo gás de célula (22) fora da dita unidade funcional (2); - sistema de pressão (300) configurado para controlar um ou mais entre (a) a pressão do primeiro gás de célula (12) na unidade funcional (2), (b) a pressão do primeiro gás de célula (12) no sistema de armazenamento (70), (c) a pressão do segundo gás de célula (22) na unidade funcional (2) e (d) a pressão do segundo gás de célula (22) no sistema de armazenamento (70).

11. APARELHO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, sendo o aparelho de energia (1) caracterizado por compreender ainda: - primeira conexão elétrica (51) em conexão elétrica com o primeiro eletrodo de célula (120) e uma segunda conexão elétrica (52) em conexão elétrica com o segundo eletrodo de célula (220); - sistema de controle de líquido aquoso (60) configurado para controlar a introdução de um ou mais entre o primeiro líquido aquoso de célula (11) e o segundo líquido aquoso de célula (21) na unidade funcional (2); - sistema de armazenamento (70) configurado para armazenar um ou mais entre o primeiro gás de célula (12) e o segundo gás de célula (22) fora da dita unidade funcional (2); - sistema de pressão (300) configurado para controlar um ou mais entre (a) a pressão do primeiro gás de célula (12) na unidade funcional (2), (b) a pressão do primeiro gás de célula (12) no sistema de armazenamento (70), (c) a pressão do segundo gás de célula (22) na unidade funcional (2) e (d) a pressão do segundo gás de célula (22) no sistema de armazenamento (70); - unidade de controle de carga (400) configurada para receber energia elétrica de uma fonte de energia elétrica externa e configurada para prover a dita energia elétrica à dita unidade funcional (2) durante pelo menos parte de um período de carregamento a uma diferença de potência entre o primeiro eletrodo de célula (120) e o segundo eletrodo de célula (220) de não mais que 1,37 Volt; - primeira unidade conectora (510) para se acoplar funcionalmente a um receptor para ser eletricamente alimentada e a conexão elétrica (51, 52) e uma segunda unidade conectora (520) para se conectar funcionalmente a um dispositivo a ser provido com um ou mais do primeiro gás de célula (12) e o segundo gás de célula (22) com o dito sistema de armazenamento (70); e - sistema de controle (80) configurado para controlar o sistema de controle de líquido aquoso (60), o sistema de armazenamento (70), o sistema de pressão (300) e a unidade de controle de carga (400).

12. SISTEMA DE ENERGIA (5), caracterizado por compreender o aparelho de energia (1), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 11 e uma fonte de energia externa (910).

13. MÉTODO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA E UM OU MAIS ENTRE HIDROGÊNIO (H2) E OXIGÊNIO (O2) COM O APARELHO DE ENERGIA (1), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por compreender: a provisão do primeiro líquido aquoso de célula (11), do segundo líquido aquoso de célula (21) e da energia elétrica de uma fonte de energia externa (910) à unidade funcional (2), provendo assim uma unidade funcional eletricamente carregada (2) e um ou mais entre hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) armazenados no dito sistema de armazenamento (70), em que, durante pelo menos parte de um período de carregamento, a unidade funcional é carregada a uma diferença de potência entre o primeiro eletrodo de célula (120) e o segundo eletrodo de célula (220) de não mais que 1,37 V.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por, durante pelo menos parte de um período de carregamento, uma diferença de potência entre o primeiro eletrodo de célula (120) e o segundo eletrodo de célula (220) ser selecionada a partir da faixa de 1,6 a 2,0 V, compreendendo ainda a manutenção de uma primeira pressão na primeira célula (100) e uma segunda pressão na segunda célula (200) a uma pressão de pelo menos 30 bar.

15. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 ou 14, caracterizado por compreender ainda simultaneamente o descarregamento do aparelho de energia (1) e geração de hidrogênio (H2) ao aplicar um ou mais entre (a) uma ou mais diferenças de potência entre dois ou mais primeiros eletrodos de célula (120) e (b) uma ou mais diferenças de potência entre dois ou mais segundos eletrodos de célula (220), compreendendo a aplicação de uma diferença de potência selecionada a partir da faixa de 0,001 a 0,5 V entre pelo menos dois primeiros eletrodos de célula (120) em uma primeira célula (100), preferencialmente compreendendo a aplicação de uma diferença de potência entre um primeiro subconjunto (1211) de um ou mais primeiros eletrodos de célula (120) e um segundo subconjunto (1212) de um ou mais primeiros eletrodos de célula (120), em que a dita diferença de potência é selecionada a partir da faixa de 0,001 a 0,5 V.

16. USO DO APARELHO DE ENERGIA (1), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 11, ou do sistema de energia (5), conforme definido na reivindicação 12, caracterizado por prover um ou mais entre energia elétrica, hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) a um receptor de preferência simultaneamente gerando hidrogênio (H2) e fornecendo ou armazenando energia elétrica e de preferência provendo um ou mais entre energia elétrica, hidrogênio (H2) a um veículo motorizado compreendendo um motor que deriva sua energia de propulsão de um ou mais entre uma fonte de hidrogênio e uma fonte de energia elétrica, em que o dispositivo (930) é compreendido de um objeto industrial (940) configurado para utilizar um ou mais entre energia elétrica, hidrogênio e oxigênio.