ITFI20090155A1 - SYSTEM TO ENRICH HYDROGEN THE POWER OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES POWERED IN AMMONIA DURING THE STARTING PHASE AND DURING THE RUN. - Google Patents
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Description
APPARATO PER ARRICCHIRE D’IDROGENO L’ALIMENTAZIONE DI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA ALIMENTATI AD AMMONIACA DURANTE LA FASE DI AVVIAMENTO E DURANTE LA MARCIA EQUIPMENT TO ENRICH WITH HYDROGEN POWER SUPPLY OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES FUELED WITH AMMONIA DURING THE START-UP PHASE AND DURING RUNNING
Campo dell’invenzione Field of the invention
L’invenzione attiene al campo degli apparati per la co-alimentazione d’idrogeno in motori a combustione interna, alimentati ad ammoniaca. The invention relates to the field of equipment for the co-supply of hydrogen in internal combustion engines, powered by ammonia.
Stato dell’Arte State of the art
L’utilizzo diretto di ammoniaca come combustibile in motori a combustione interna richiede lo sviluppo di metodologie che ne accelerino la combustione, soprattutto nella fase iniziale di avviamento, laddove la temperatura del motore non è tale da consentire un’efficiente e pronta combustione. Uno di tali metodi, descritto in US 2,140,254, prevede l’addizione di idrogeno il quale, avendo un’energia di ignizione molto bassa, promuove l’ignizione deH’ammoniaca stessa. The direct use of ammonia as a fuel in internal combustion engines requires the development of methodologies that accelerate combustion, especially in the initial start-up phase, where the engine temperature is not such as to allow efficient and prompt combustion. One of these methods, described in US 2,140,254, involves the addition of hydrogen which, having a very low ignition energy, promotes the ignition of ammonia itself.
La concentrazione di idrogeno nel combustibile finale costituisce uno dei fattori critici per il funzionamento ottimale di un motore a combustione interna ad ammoniaca. La concentrazione minima per un motore operante mediamente a 1200 rpm varia dallo 0.8 al 4% in peso. The concentration of hydrogen in the final fuel is one of the critical factors for the optimal operation of an internal combustion engine running on ammonia. The minimum concentration for an engine operating on average at 1200 rpm varies from 0.8 to 4% by weight.
Negli ultimi anni è stata oggetto di studio anche la miscelazione di idrogeno a combustibili fossili come metano, gasolio o diesel per aumentare la velocità di combustione. In seguito all’aggiunta di idrogeno aumenta la potenza in uscita, otteniamo una drastica riduzione delle emissioni e il consumo di carburante è consistentemente ridotto. Inoltre nei motori diesel alimentati con ammoniaca l’idrogeno contribuisce a ridurre il rapporto aria-combustibile necessario per la combustione, consentendo in tal modo l’impiego di miscele “magre” e riducendo conseguentemente le emissioni. Il concetto di motore ad combustione interna alimentato mediante miscele ammoniaca/idrogeno è descritto anche nel brevetto W02008/150901. In questo caso però non vi è alcuna indicazione né riguardante la sorgente di idrogeno né sulla possibilità di produrre l'idrogeno necessario direttamente all’interno del veicolo. In recent years the mixing of hydrogen with fossil fuels such as methane, gas oil or diesel to increase the combustion rate has also been studied. Following the addition of hydrogen, the output power increases, we obtain a drastic reduction in emissions and fuel consumption is consistently reduced. Furthermore, in diesel engines fueled with ammonia, hydrogen helps to reduce the air-fuel ratio necessary for combustion, thus allowing the use of "lean" mixtures and consequently reducing emissions. The concept of an internal combustion engine powered by ammonia / hydrogen mixtures is also described in the patent W02008 / 150901. In this case, however, there is no indication either regarding the source of hydrogen or the possibility of producing the necessary hydrogen directly inside the vehicle.
L’idrogeno può essere prodotto a partire da molteplici fonti, come ad esempio combustibili fossili (mediante reazioni di reforming), per cracking termico deH’ammoniaca o pervia elettrolitica. Una delle fonti più economiche di idrogeno è l'acqua. Hydrogen can be produced from multiple sources, such as fossil fuels (by reforming reactions), by thermal cracking of ammonia or by electrolyte. One of the cheapest sources of hydrogen is water.
L'ottenimento di idrogeno mediante cracking termico all'interno di un motore a combustione interna è particolarmente conveniente in quanto, durante il funzionamento a regime, i gas di scarico riscaldano il catalizzatore per dissociare l’ammoniaca in idrogeno ed azoto. Obtaining hydrogen by thermal cracking inside an internal combustion engine is particularly convenient since, during normal operation, the exhaust gases heat the catalyst to dissociate ammonia into hydrogen and nitrogen.
D’altro canto la produzione mediante elettrolisi dell’acqua è, tra le metodologie utilizzabili, quella che consente di ottenere gas ad elevata purezza e, qualora la fonte energetica per l’elettrolisi provenga da fonti rinnovabili, a basso impatto ambientale. On the other hand, the production by electrolysis of water is, among the methods that can be used, the one that allows to obtain high purity gas and, if the energy source for the electrolysis comes from renewable sources, with low environmental impact.
Gli elettrolizzatori attualmente in commercio per la produzione di idrogeno hanno strutture differenti a seconda della quantità e della purezza di idrogeno da ottenere. Quelli a livello industriale consistono in due semicelle contenenti gli elettrodi (costituiti nelle strutture più semplici da dischi di acciaio), separate attraverso un setto poroso all’interno del quale circola l’elettrolita (nel caso di elettrolizzatori alcalini è generalmente KOH) e che non consente una netta separazione fisica dell’idrogeno e dell’ossigeno prodotti. I gas vengono unicamente polarizzati dalla corrente agli elettrodi. Pertanto volendo produrre idrogeno direttamente compresso nell’elettrolizzatore è necessario bilanciare perfettamente la pressione dei due gas e mantenere un flusso di corrente perfettamente costante, per evitare la formazione di una miscela tonante (e quindi la conseguente deflagrazione). Queste condizioni non sussistono a bordo di un veicolo, in quanto i flussi di corrente dell’alternatore sono variabili e il bilanciamento delle pressioni dei gas è problematico. The electrolysers currently on the market for the production of hydrogen have different structures depending on the quantity and purity of hydrogen to be obtained. Those at an industrial level consist of two half-cells containing the electrodes (made up in the simplest structures of steel discs), separated through a porous septum inside which the electrolyte circulates (in the case of alkaline electrolysers it is generally KOH) and which allows a clear physical separation of the hydrogen and oxygen produced. The gases are only polarized by the current at the electrodes. Therefore, if you want to produce hydrogen directly compressed in the electrolyser, it is necessary to perfectly balance the pressure of the two gases and maintain a perfectly constant current flow, to avoid the formation of a thundering mixture (and therefore the consequent deflagration). These conditions do not exist on board a vehicle, as the alternator current flows are variable and the balancing of gas pressures is problematic.
Elettrolizzatori per la produzione di idrogeno da impiegare in motori a combustione interna ad ammoniaca sono descritti ad esempio nel brevetto W02009/024185, depositato dalla stessa Richiedente. In quel caso tuttavia a causa delle condizioni operative del sistema, che richiede una periodica inversione della polarità degli elettrodi, si ottengono miscele idrogeno/azoto 3:1, richiedendo quindi volumi per lo stoccaggio dell'idrogeno maggiori. Ulteriori svantaggi legati al dispositivo descritto nel brevetto sopra citato sono legati all’ottenimento di gas umidi contenenti tracce di elettroliti come ad esempio l’idrossido di potassio, che potrebbe rovinare le componenti meccaniche normalmente costituite da alluminio. Inoltre nel caso descritto in quel brevetto per sopperire alla richiesta di idrogeno necessaria nella fase di avvio del motore è imprescindibile la presenza di batterie ausiliarie che forniscano l’energia richiesta dalla reazione di elettrolisi e un tempo di “induzione” sufficiente a produrre la quantità minima di idrogeno tale da avviare la reazione di combustione dell’ammoniaca. Electrolyzers for the production of hydrogen to be used in ammonia internal combustion engines are described for example in the patent W02009 / 024185, filed by the same Applicant. In that case, however, due to the operating conditions of the system, which requires a periodic inversion of the polarity of the electrodes, 3: 1 hydrogen / nitrogen mixtures are obtained, thus requiring larger volumes for the storage of hydrogen. Further disadvantages related to the device described in the aforementioned patent are related to obtaining humid gases containing traces of electrolytes such as potassium hydroxide, which could damage the mechanical components normally made of aluminum. Furthermore, in the case described in that patent, to meet the hydrogen demand necessary in the engine start-up phase, the presence of auxiliary batteries that supply the energy required by the electrolysis reaction and an "induction" time sufficient to produce the minimum quantity is essential. of hydrogen such as to start the ammonia combustion reaction.
Un sistema alternativo per la produzione di idrogeno, utilizzabile anche a bordo di veicoli, è il cracking termico deN’ammoniaca, ottenendo in tal modo miscele azoto/idrogeno (composizione 1:3 vol/vol), come descritto nei brevetti US7,037,484 e IT FI2008A000210. Tuttavia tale reazione ha luogo quando la temperatura del letto catalitico è superiore a 400 °C, ma per ottenere alte conversioni sono necessari almeno 500 °C. Anche in questo caso tuttavia si presentano nella fase di avvio del motore le stesse problematiche osservate nel caso della produzione di idrogeno mediante elettrolisi: il riscaldamento del letto catalitico necessita di batterie ausiliarie e di un tempo sufficientemente lungo per raggiungere la soglia termica richiesta dalla reazione. Inoltre tale metodo non si presta a produrre idrogeno compresso e quindi l'idrogeno non può essere stoccato in serbatoio a pressione per l’utilizzo in fase di avviamento. An alternative system for the production of hydrogen, which can also be used on board vehicles, is the thermal cracking of ammonia, thus obtaining nitrogen / hydrogen mixtures (composition 1: 3 vol / vol), as described in patents US7,037,484 and IT FI2008A000210. However, this reaction takes place when the temperature of the catalytic bed is higher than 400 ° C, but at least 500 ° C is required to obtain high conversions. Even in this case, however, the same problems occur in the engine start-up phase as observed in the case of hydrogen production by electrolysis: the heating of the catalytic bed requires auxiliary batteries and a sufficiently long time to reach the thermal threshold required by the reaction. Furthermore, this method is not suitable for producing compressed hydrogen and therefore the hydrogen cannot be stored in a pressure tank for use in the start-up phase.
Lo scopo della presente invenzione è fornire un apparato, utilizzabile anche a bordo di veicoli, per alimentazione di un motore a combustione interna con miscele di combustibile arricchite con idrogeno. The object of the present invention is to provide an apparatus, which can also be used on board vehicles, for powering an internal combustion engine with fuel mixtures enriched with hydrogen.
Sommario dell’invenzione Summary of the invention
La presente invenzione risolve i problemi suddetti grazie un sistema per l’ottimizzazione delle prestazioni di un motore a combustione interna alimentato con ammoniaca, mediante l'aggiunta di idrogeno come promotore della combustione sia nella fase di avvio che durante tutta la marcia. The present invention solves the aforementioned problems thanks to a system for optimizing the performance of an internal combustion engine fueled with ammonia, by adding hydrogen as a combustion promoter both in the start-up phase and throughout the run.
Oggetto della presente invenzione è un apparato per la co-alimentazione d’idrogeno in motori a combustione interna, alimentati ad ammoniaca, detto apparato comprendente: The subject of the present invention is an apparatus for the co-supply of hydrogen in internal combustion engines, powered by ammonia, said apparatus comprising:
- un dispositivo catalitico per la produzione d’idrogeno mediante cracking termico deH'ammoniaca; - a catalytic device for the production of hydrogen by thermal cracking of ammonia;
- un dispositivo elettrolitico per la produzione d’idrogeno direttamente pressurizzato, secco e privo di contaminanti acidi e basici; e - an electrolytic device for the production of hydrogen directly pressurized, dry and free of acid and basic contaminants; And
- un contenitore contenente idrogeno pressurizzato. - a container containing pressurized hydrogen.
Breve descrizione delle figure Brief description of the figures
FIG. 1. mostra lo schema funzionale di un motore a combustione interna alimentato da miscele ammoniaca-idrogeno, nella fase di partenza. FIG. 1. shows the functional diagram of an internal combustion engine fueled by ammonia-hydrogen mixtures, in the starting phase.
FIG. 2. mostra lo schema funzionale di un motore a combustione interna alimentato da miscele ammoniaca-idrogeno, nella fase marcia a pieno regime. FIG. 2. mostra lo schema funzionale di un motore a combustione interna alimentato da miscele ammoniaca-idrogeno, nella fase di ricarica del serbatoio di idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua, durante la marcia a pieno regime. FIG. 2. shows the functional diagram of an internal combustion engine fueled by ammonia-hydrogen mixtures, in the running phase at full speed. FIG. 2. shows the functional diagram of an internal combustion engine powered by ammonia-hydrogen mixtures, in the phase of refilling the hydrogen tank by electrolysis of the water, while running at full capacity.
Descrizione dettagliata dell’invenzione. Detailed description of the invention.
Detto apparato comprende quindi due dispositivi per la produzione d’idrogeno da co-alimentare al motore: un dispositivo che genera idrogeno per via elettrolitica ed un dispositivo che genera idrogeno mediante cracking dell’ammoniaca. Said apparatus therefore includes two devices for the production of hydrogen to be co-powered by the engine: a device that generates hydrogen electrolytically and a device that generates hydrogen by ammonia cracking.
L’apparato della presente invenzione preferibilmente impiega un elettrolizzatore 11 innovativo per il quale la stessa Richiedente ha contestualmente depositato domanda per brevetto per invenzione IT FI2009A000153; detto elettrolizzatore innovativo consente la produzione d’idrogeno direttamente pressurizzato da soluzioni alcaline, ed è costituito da almeno una cella elettrolitica in cui: The apparatus of the present invention preferably uses an innovative electrolyser 11 for which the same Applicant has simultaneously filed an application for a patent for invention IT FI2009A000153; said innovative electrolyser allows the production of hydrogen directly pressurized from alkaline solutions, and consists of at least one electrolytic cell in which:
- le due semicelle, la anodica e la catodica, sono separate da una membrana a scambio anionico la cui la superficie in contatto con la semicella catodica è un assemblato membrana-elettrodo, e - the two half-cells, the anodic and the cathodic, are separated by an anionic exchange membrane whose surface in contact with the cathodic half-cell is an assembled membrane-electrode, and
- la soluzione alcalina è presente esclusivamente nella semicella anodica. L’elettrolizzatore 11 può essere costituito da una cella singola o da una pluralità (o stack) di celle per elettrolisi. - the alkaline solution is present exclusively in the anodic half-cell. The electrolyser 11 can consist of a single cell or a plurality (or stack) of cells for electrolysis.
Nelle celle per l’elettrolisi dell’elettrolizzatore 11, per consentire un intimo contatto tra la membrana e l’elettrodo catodico; è preferibile che il catodo sia costituito da elettrocatalizzatori catodici depositati direttamente sulla membrana a scambio ionico, ottenendo in tal modo un dispositivo assemblato Membrana-Elettrodo (MEA). In the electrolysis cells of the electrolyser 11, to allow intimate contact between the membrane and the cathode electrode; it is preferable that the cathode consists of cathode electrocatalysts deposited directly on the ion exchange membrane, thus obtaining an assembled Membrane-Electrode (MEA) device.
Nella semicella anodica dell’elettrolizzatore 11 gli elettrocatalizzatori possono essere depositati su idonei supporti conduttivi, come ad esempio reti metalliche di varia natura e tessitura, o in alternativa direttamente sulla membrana a scambio ionico. In the anode half-cell of the electrolyser 11 the electrocatalysts can be deposited on suitable conductive supports, such as metal nets of various nature and texture, or alternatively directly on the ion exchange membrane.
Nell’elettrolizzatore 11 la soluzione alcalina è posta esclusivamente nella semicella anodica. Grazie alla sua idrofilicità, la membrana a scambio anionico utilizzata è completamente imbevuta d’acqua, fino allo strato superficiale in contatto con la semicella catodica. Tale quantità di acqua è sufficiente a garantire la formazione di idrogeno, ad una velocità tale da consentire esclusivamente la reazione di elettrolisi e non l’evaporazione dell’acqua stessa. In tal modo l’idrogeno ottenuto è ad elevata purezza ed asciutto. Gli ioni OH<">formatisi in seguito alla semireazione catodica migrano quindi, attraverso la membrana stessa, verso l’altra semicella, garantendo il mantenimento delle condizioni di equilibrio elettrolitico. In the electrolyser 11 the alkaline solution is placed exclusively in the anodic half-cell. Thanks to its hydrophilicity, the anion exchange membrane used is completely soaked in water, up to the surface layer in contact with the cathodic half-cell. This amount of water is sufficient to ensure the formation of hydrogen, at a speed that allows only the electrolysis reaction and not the evaporation of the water itself. In this way the hydrogen obtained is of high purity and dry. The OH <"> ions formed as a result of the cathodic half-reaction then migrate, through the membrane itself, to the other half-cell, ensuring the maintenance of electrolytic equilibrium conditions.
Tale dispositivo elettrolitico, grazie alla presenza di una membrana a scambio anionico opportunamente catalizzata, consente di ottenere idrogeno secco pressurizzato fino a 100 bar che viene stoccato in un serbatoio a pressione. This electrolytic device, thanks to the presence of a suitably catalyzed anion exchange membrane, allows to obtain pressurized dry hydrogen up to 100 bar which is stored in a pressure tank.
Grazie all’innovativo elettrolizzatore descritto sopra l’idrogeno può essere immaganizato direttamente in un serbatoio a pressione, asciutto e privo di contaminanti acidi o basici, che comporterebbero la corrosione delle componenti metalliche del motore. Thanks to the innovative electrolyser described above, hydrogen can be stored directly in a pressure tank, dry and free of acid or basic contaminants, which would lead to corrosion of the metal components of the engine.
Preferibilmente il dispositivo catalitico è uno scambiatore gas-gas le cui celle attraversate da flusso di ammoniaca sono rivestite di un catalizzatore adatto a promuovere il cracking deH’ammoniaca e riscaldato dai gas di scarico, detto scambiatore è quindi in realtà uno scambiatore/reattore 23. Preferably the catalytic device is a gas-gas exchanger whose cells crossed by ammonia flow are coated with a catalyst suitable for promoting ammonia cracking and heated by the exhaust gases, said exchanger is therefore in reality an exchanger / reactor 23.
Nell'apparato della presente invenzione, durante la fase di avvio del motore 20 la combustione d’ammoniaca è promossa in maniera efficiente mediante coalimentazione di ammoniaca ed idrogeno dal contenitore 16 contenente idrogeno pressurizzato. In the apparatus of the present invention, during the start-up phase of the engine 20, the combustion of ammonia is promoted efficiently by coalescing ammonia and hydrogen from the container 16 containing pressurized hydrogen.
Nell’apparato dell’Invenzione i fumi di scarico del motore vengono fatti passare dallo scambiatore/reattore che quindi si riscalda; quando raggiunge una temperatura di 450°C la fase di avvio si considera conclusa ed inizia la fase di funzionamento a pieno regime in cui lo scambiatore/reattore è riscaldato a sufficienza per produrre idrogeno mediante cracking termico dell’ammoniaca, la miscela idrogeno/azoto così prodotta viene co-alimentata insieme all’ammoniaca al motore. Alla fine della fase di avvio la co-alimentazione d’idrogeno dal contenitore 16 viene interrotta. In the apparatus of the invention, the engine exhaust fumes are passed through the exchanger / reactor which then heats up; when it reaches a temperature of 450 ° C the start-up phase is considered completed and the phase of operation at full capacity begins in which the exchanger / reactor is heated sufficiently to produce hydrogen by thermal cracking of the ammonia, the hydrogen / nitrogen mixture thus produced is co-fed with ammonia to the engine. At the end of the start-up phase, the co-supply of hydrogen from container 16 is interrupted.
L'elettrolisi avviene mediante l’elettrolizzatore 11 durante la marcia a regime, e preferibilmente l’elettrolizzatore è alimentato elettricamente mediante l’alternatore elettrico di bordo 21 connesso al motore a combustione interna (20). Preferibilmente l’elettrolizzatore 11 è alimentato con acqua contenuta nel contenitore 12 e preferibilmente, al fine di evitare il rifornimento di acqua, questa è ottenuta per condensazione dei fumi di scarico, costituiti esclusivamente da azoto gassoso e vapor d’acqua. L’idrogeno ottenuto è convogliato all’interno di un contenitore 16, pressurizzato direttamente dall’elettrolizzatore stesso senza necessità di compressori ausiliari (fino ad una pressione massima di 100 bar), e quindi utilizzato nella successiva fase di avviamento del motore. In questo modo, avendo a disposizione una scorta di idrogeno in pressione, l’avvio del motore può essere istantaneo, senza tempi morti e senza sorgenti elettriche ausiliarie. Electrolysis takes place through the electrolyser 11 while running at full speed, and preferably the electrolyser is electrically powered by the on-board electric alternator 21 connected to the internal combustion engine (20). Preferably the electrolyser 11 is fed with water contained in the container 12 and preferably, in order to avoid the supply of water, this is obtained by condensation of the exhaust fumes, consisting exclusively of gaseous nitrogen and water vapor. The hydrogen obtained is conveyed inside a container 16, pressurized directly by the electrolyser itself without the need for auxiliary compressors (up to a maximum pressure of 100 bar), and then used in the subsequent engine start-up phase. In this way, having a supply of pressurized hydrogen available, engine start-up can be instantaneous, without downtime and without auxiliary electrical sources.
Il sistema dell’invenzione comprende quindi preferibilmente un condensatore 26 in cui vengono convogliati i fumi di scarico mediante la valvola 25 ed un recipiente 12 per la raccolta dell’acqua condensata dal condensatore 26. The system of the invention therefore preferably comprises a condenser 26 in which the exhaust fumes are conveyed by means of the valve 25 and a container 12 for collecting the condensed water from the condenser 26.
Nelle Figure 1-3 è rappresentata schematicamente una forma realizzativa dell’apparato della presente invenzione e il suo principio di funzionamento nelle tre diverse fasi di funzionamento: la fase di avviamento del motore a combustione interna (FIG. 1), la marcia a regime con co-alimentazione d’idrogeno dallo scambiatore reattore (FIG. 2) e la produzione di idrogeno mediante elettrolisi durante la marcia a regime (FIG. 3). Figures 1-3 schematically show an embodiment of the apparatus of the present invention and its operating principle in the three different operating phases: the starting phase of the internal combustion engine (FIG. 1), running at full speed with co-supply of hydrogen from the reactor exchanger (FIG. 2) and the production of hydrogen by electrolysis during running (FIG. 3).
Nella fase di avvio del motore (Figura 1) l’idrogeno, stoccato fino ad una pressione massima di 100 bar nel contenitore 16, passa attraverso un flussimetro 18 e viene alimentato a motore a combustione interna 20. Parallelamente l’ammoniaca contenuta sotto forma di liquido pressurizzato a 8-9 bar nel contenitore 28 passa attraverso una valvola di non ritorno 29 ed una valvola di espansione 30, per confluire quindi nel motore a combustione interna 20. Qui si combina con l’idrogeno alimentato e dà luogo al processo di combustione. I fumi di scarico del processo di combustione (costituiti da vapor d’acqua ed azoto gassoso alla temperatura di circa 600 °C) sono fatti passare attraverso uno scambiatore gasgas 23 di geometria e lunghezza opportuna (ad esempio ma non soltanto di tipo honey-comb), allo scopo di portarlo alla temperatura necessaria per effettuare la reazione di cracking termico deH’ammoniaca (non inferiore a 450°C, preferibilmente superiore a 500 °C). Le celle dello scambiatore attraversate dal flusso di ammoniaca sono rivestite da uno strato di catalizzatore attivo riguardo alla reazione di cracking termico. Dopo aver attraversato lo scambiatore, i fumi di scarico sono convogliati in atmosfera. During the engine start-up phase (Figure 1), the hydrogen, stored up to a maximum pressure of 100 bar in the container 16, passes through a flow meter 18 and is fed to the internal combustion engine 20. At the same time, the ammonia contained in the form of liquid pressurized at 8-9 bar in the container 28 passes through a non-return valve 29 and an expansion valve 30, to then flow into the internal combustion engine 20. Here it combines with the supplied hydrogen and gives rise to the combustion process . The exhaust fumes from the combustion process (consisting of water vapor and gaseous nitrogen at a temperature of about 600 ° C) are made to pass through a gasgas exchanger 23 of suitable geometry and length (for example, but not only of the honey-comb type ), in order to bring it to the temperature necessary to carry out the ammonia thermal cracking reaction (not lower than 450 ° C, preferably higher than 500 ° C). The cells of the exchanger crossed by the ammonia flow are coated with a layer of active catalyst with regard to the thermal cracking reaction. After passing through the exchanger, the exhaust fumes are conveyed into the atmosphere.
La fase di funzionamento a regime inizia non appena lo scambiatore/reattore 23 ha raggiunto la temperatura necessaria per la reazione di cracking termico dell’ammoniaca. La temperatura dello scambiatore 23 è monitorata mediante una sonda di temperatura 22 associata alla valvola termocontrollata 19. Quando la temperatura dello scambiatore 23 ha raggiunto almeno 450 °C la valvola 19 interrompe l’alimentazione di idrogeno proveniente dal serbatoio 16. A questo punto la valvola 24 parzializza il flusso di ammoniaca proveniente dal serbatoio 28, mandandone una parte direttamente al motore a combustione interna 20 e una parte allo scambiatore/reattore 23. Nello scambiatore 23 avviene la reazione di cracking termico, che fornisce l’idrogeno necessario alia promozione della reazione di combustione dell’ammoniaca (in associazione all’azoto ottenuto come coprodotto). Il rapporto relativo dei due flussi di ammoniaca parzializzati deve essere tale da fornire una composizione finale Idrogeno (derivante dal cracking deH’ammoniaca)/Ammoniaca (alimentata direttamente dal serbatoio) compresa tra 0.5 e 4% in peso di Idrogeno. The steady state operation phase begins as soon as the exchanger / reactor 23 has reached the temperature necessary for the ammonia thermal cracking reaction. The temperature of the exchanger 23 is monitored by means of a temperature probe 22 associated with the thermocontrolled valve 19. When the temperature of the exchanger 23 has reached at least 450 ° C, the valve 19 interrupts the supply of hydrogen coming from the tank 16. At this point the valve 24 chokes the ammonia flow coming from the tank 28, sending a part of it directly to the internal combustion engine 20 and a part to the exchanger / reactor 23. The thermal cracking reaction takes place in the exchanger 23, which supplies the hydrogen necessary to promote the reaction combustion of ammonia (in association with nitrogen obtained as a co-product). The relative ratio of the two partialized ammonia streams must be such as to provide a final composition of Hydrogen (resulting from the cracking of ammonia) / Ammonia (fed directly from the tank) of between 0.5 and 4% by weight of Hydrogen.
Un’ulteriore fase di funzionamento del dispositivo oggetto di questa invenzione consiste nella ricarica del serbatoio di idrogeno ausiliario, mediante reazione di elettrolisi dell’acqua (Figura 3). Tale fase ha luogo durante la marcia a regime del veicolo, non richiedendo quindi batterie o sorgenti elettriche ausiliarie per realizzare l’elettrolisi. L’acqua di alimentazione dell’elettrolizzatore è ottenuta dalla condensazione dei fumi di scarico del processo di combustione nel motore, costituiti esclusivamente da azoto gassoso e acqua. È noto infatti che gli eventuali ossidi di azoto formatisi reagiscono ulteriormente con l’ammoniaca, dando anche questi come prodotti azoto ed acqua. Invece di scaricare i fumi direttamente in atmosfera la valvola 25 li convoglia verso un condensatore 26. L’acqua condensata è alimentata mediante una pompa 27 al serbatoio 12, mentre l'azoto gassoso è scaricato in atmosfera. Il serbatoio 12 è dotato di un controllo di livello 31 che, quando è raggiunta la quantità di acqua necessaria, agisce sulla valvola 25 e ne blocca l’afflusso. L’acqua raccolta è alimentata mediante una pompa 13 al compartimento anodico dell’elettrolizzatore 11. L’elettrolizzatore è elettricamente alimentato mediante l’alternatore elettrico 21 connesso al motore 20. L’idrogeno prodotto è convogliato verso il contenitore pressurizzato 16, facendolo fluire attraverso la valvola di non ritorno 14. Quando il controllo di pressione 17 segnala la pressione massima di esercizio necessaria per la successiva fase di avvio del motore, la valvola associata 15 blocca l'ulteriore afflusso di idrogeno verso il contenitore 16. A further operating phase of the device object of this invention consists in refilling the auxiliary hydrogen tank, by means of the water electrolysis reaction (Figure 3). This phase takes place while the vehicle is running at full speed, thus requiring no batteries or auxiliary electrical sources to carry out the electrolysis. The electrolyser feed water is obtained from the condensation of the exhaust fumes of the combustion process in the engine, consisting exclusively of gaseous nitrogen and water. In fact, it is known that any nitrogen oxides formed react further with ammonia, also giving these as products nitrogen and water. Instead of discharging the fumes directly into the atmosphere, the valve 25 conveys them to a condenser 26. The condensed water is fed through a pump 27 to the tank 12, while the gaseous nitrogen is discharged into the atmosphere. The tank 12 is equipped with a level control 31 which, when the required amount of water is reached, acts on the valve 25 and blocks its flow. The collected water is fed by means of a pump 13 to the anode compartment of the electrolyser 11. The electrolyser is electrically powered by means of the electric alternator 21 connected to the engine 20. The hydrogen produced is conveyed towards the pressurized container 16, making it flow through the non-return valve 14. When the pressure control 17 signals the maximum operating pressure necessary for the subsequent starting phase of the engine, the associated valve 15 blocks the further flow of hydrogen towards the container 16.
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