ITFO20100009A1 - HYDROGEN PRODUCTION THROUGH ELECTROLYSIS POWERED BY COMBUSTION ENGINES - Google Patents
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Description
PRODUZIONE DI IDROGENO ATTRAVERSO ELETROLISI ALIMENTATA DA MOTORI A COMBUSTIONE PRODUCTION OF HYDROGEN THROUGH ELECTROLYSIS POWERED BY COMBUSTION ENGINES
Questa domanda di brevetto industriale si inserisce all' interno della categoria di produzione di energia attraverso le fonti rinnovabili. Con questa domanda di brevetto si intende risolvere i problemi di produzione, stoccaggio e distribuzione dell' idrogeno, e alla produzione di energia elettrica. This industrial patent application is part of the category of energy production through renewable sources. With this patent application we intend to solve the problems of hydrogen production, storage and distribution, and the production of electricity.
È opportuno specificare lo stato dell<1>arte relativo alla produzione di idrogeno attraverso la scomposizione dell' acqua. It is advisable to specify the state of the art relating to the production of hydrogen through the breakdown of water.
La produzione dei gas derivati dall' acqua attraverso elettrolisi ha dei consumi di energia elettrica variabili. Questo à ̈ dovuto anche alla legge fisica che definisce come con Γ aumentare della temperatura dell' acqua Γ energia elettrica necessaria al processo dell' elettrolisi diminuisce, fino al momento in cui, raggiunta una temperatura di circa 3000 c°, Γ utilizzo dell' energia elettrica per il processo di scissione dei componenti dell' acqua non à ̈ più necessario. Il processo di scissione dell' acqua in questo caso viene chiamato termolisi. Questa diminuzione di energia elettrica necessaria a permettere la scissione dell' acqua ha fatto nascere anche una tecnologia che viene definita termoelettrolisi. Questa tecnologia permette di effettuare la scissione dell' acqua con un fabbisogno elettrico di 1,5 kwh ad una temperatura di circa 900 \ 1000 c°, con un rendimento che oscilla da 1 Nm3h ai 4 Nm3h. In realtà la termoelettroìisi in questione, a nostro avviso, non à ̈ altro che Γ applicazione della suddetta legge fisica, se non fosse per Γ utilizzo di materiali diversi da quelli idonei a supportare temperature più basse. Ulteriormente, Γ impiego di materiali diversi non determina a priori la possibilità di dare definizioni di tecnologie diverse da quelle che normalmente utilizzano energia elettrica per la scissione dell' acqua, e quindi il processo della termoelettrolisi . Anche la normale elettrolisi comunemente utilizzata utilizza materiali diversi (vedi celle pem) e anche le temperature di esercizio possono essere più elevate della temperatura ambientale e diversificate a seconda delle soluzioni adottate; ma non per questo all' elettrolizzatore che utilizza celle pem, o diverse temperature di esercizio, à ̈ stata assegnata la classificazione di diversa tecnologia. Come per quanto riguarda la definizione di gas ossidrogeno (ossigeno e idrogeno in percentuale stechiometrica) per cui alcuni ricercatori negano Γ esistenza stessa di questo elemento; anche per quanto riguarda la possibilità che utilizzando temperature diverse da quelle convenzionali, viene contestato che si possa dare una definizione di tecnologia a se stante, se non come linea di principio. Infatti nel caso in cui si potesse utilizzare una temperatura superiore a quella indicata nello stato dell' arte della termoelettrolisi (che utilizza i 1000 c°), come ad esempio 2000 c°, si renderebbe necessario trovare una nuova definizione che non sia la termoelettrolisi, e così dicendo passando attraverso i 2500 c° fino ad arrivare al punto minimo di utilizzo di energia elettrica che si determina avvicinandosi a temperature di esercizio di 3000 c°. Nella presente domanda si vuole intendere con il termine termoelettrolisi quell’ insieme di tecnologie che utilizzano delle alte temperature di esercizio, senza le limitazioni relative all' attuale stato dell’ arte. The production of gases derived from water through electrolysis has variable electricity consumption. This is also due to the physical law that defines how with Î "water temperature increase Î" the electrical energy necessary for the electrolysis process decreases, until the moment in which, once a temperature of about 3000 c ° is reached, Î "use electricity for the process of splitting the water components is no longer necessary. The process of splitting water in this case is called thermolysis. This decrease in electricity needed to allow the water to split has also given rise to a technology that is called thermoelectrolysis. This technology allows to carry out the splitting of water with an electrical requirement of 1.5 kwh at a temperature of about 900 \ 1000 c °, with a yield ranging from 1 Nm3h to 4 Nm3h. In reality, the thermoelectricity in question, in our opinion, is nothing more than the application of the aforementioned physical law, were it not for the use of materials other than those suitable for supporting lower temperatures. Furthermore, the use of different materials does not determine a priori the possibility of giving definitions of technologies other than those that normally use electricity for the splitting of water, and therefore the process of thermoelectrolysis. Even the normal electrolysis commonly used uses different materials (see pem cells) and also the operating temperatures can be higher than the ambient temperature and diversified according to the solutions adopted; but this does not mean that the electrolyser that uses pem cells, or different operating temperatures, has been assigned the classification of different technology. As with regard to the definition of oxyhydrogen gas (oxygen and hydrogen in stoichiometric percentage) for which some researchers deny the very existence of this element; also with regard to the possibility that by using temperatures other than conventional ones, it is disputed that a definition of technology can be given in its own right, if not as a principle. In fact, in the event that a higher temperature than that indicated in the state of the art of thermoelectrolysis (which uses 1000 c °), such as 2000 c °, could be used, it would be necessary to find a new definition that is not thermoelectrolysis, and so on, passing through 2500 c ° until reaching the minimum point of use of electricity which is determined by approaching operating temperatures of 3000 c °. In the present application the term thermoelectrolysis is intended to mean that set of technologies that use high operating temperatures, without the limitations relating to the current state of the art.
Per quanto riguarda la scienza e la tecnologia che sta alla base dei motori a combustione termica negli ultimi anni sono stati fatti notevoli passi avanti anche se molto à ̈ ancora da chiarire. Il punto meno chiaro, o che per molti non à ̈ ancora stato opportunamente verificato, riguarda l' istante di accensione della miscela di combustione che per alcuni può determinare la creazione temporanea del plasma (componente principale del sole). Considerable progress has been made in recent years as regards the science and technology behind thermal combustion engines, although much remains to be clarified. The less clear point, or which for many has not yet been properly verified, concerns the instant of ignition of the combustion mixture which for some may determine the temporary creation of plasma (the main component of the sun).
A parte queste ricerche in linea di massima il processo di combustione à ̈ abbastanza chiaro. Apart from these researches, the combustion process is generally quite clear.
Con 1' utilizzo del carburante e del comburente si determina un incendio con uno sviluppo di calore all' interno della camera a combustione, che produce un aumento di pressione e quindi energia meccanica. Il carburante à ̈ un elemento variabile (benzina, metano ecc.) mentre come comburente viene normalmente utilizzato Γ ossigeno presente in aria (con una percentuale di circa il 17 - 20 %). Ma Γ utilizzo del carburante e del comburente non à ̈ sufficiente al normale funzionamento dei motori a combustione tradizionali, in quanto non si può sottovalutare la funzione dei gas inerti (in particolare azoto) presenti nell' aria. I gas inerti nella miscela di combustione hanno la funzione di andare a diminuire, in maniera progressiva, le temperature di esercizio del motore. Prendendo in considerazione le temperature che si possono riscontrare di media vediamo come la temperatura massima al momento dell' incendio della miscela si aggira in una forbice di 2000 < 2500 c°; nel corso dell' espansione della fiamma, quando vengono rilasciati i gas combusti, la temperatura inizia a diminuire. La repentina diminuzione del calore à ̈ da attribuire anche alla presenza di gas inerti (Γ azoto presente in aria) che lo assorbono e lo disperdono. La presenza di gas inerti nella miscela di combustione non ha una funzione nel processo di combustione, ma viene resa necessaria per la conservazione dei materiali con cui à ̈ stato realizzato il motore. Infatti se ad esempio fosse utilizzata una miscela composta da metano e ossigeno in proporzione stechiometrica, senza Γ utilizzo di gas inerti, nel momento di accensione della miscela si produrrebbero sempre non più di 2500 c° (temperatura massima che viene generata dal metano), ma questa temperatura subirebbe una diminuzione trascurabile andando ad aumentare notevolmente la temperatura media di esercizio del motore. Infatti, nonostante che la temperatura massima risulti invariata, nel primo caso Γ utilizzo dei gas inerti permette delle temperature di esercizio dei componenti del motore relativamente basse (dai 200 c° della biella ai 900 c° della valvola di scarico) mentre nel secondo caso questi componenti dovrebbero lavorare a temperature maggiori. The use of fuel and comburent causes a fire with the development of heat inside the combustion chamber, which produces an increase in pressure and therefore mechanical energy. Fuel is a variable element (petrol, methane, etc.) while the oxygen present in the air is normally used as comburent (with a percentage of about 17 - 20%). But the use of fuel and comburent is not sufficient for the normal operation of traditional combustion engines, as the function of the inert gases (in particular nitrogen) present in the air cannot be underestimated. The inert gases in the combustion mixture have the function of progressively decreasing the operating temperatures of the engine. Taking into consideration the temperatures that can be found on average, we see how the maximum temperature at the time of the fire of the mixture is around a range of 2000 <2500 ° C; during the flame expansion, when the burnt gases are released, the temperature begins to decrease. The sudden decrease in heat is also attributable to the presence of inert gases (Î “nitrogen present in the air) which absorb and disperse it. The presence of inert gases in the combustion mixture does not have a function in the combustion process, but is made necessary for the conservation of the materials with which the engine was made. In fact, if, for example, a mixture composed of methane and oxygen in stoichiometric proportion were used, without the use of inert gases, at the moment of ignition of the mixture, no more than 2500 c ° would always be produced (maximum temperature generated by methane), but this temperature would undergo a negligible decrease, considerably increasing the average operating temperature of the engine. In fact, despite the fact that the maximum temperature is unchanged, in the first case Î "use of inert gases allows relatively low operating temperatures of the engine components (from 200 ° C of the connecting rod to 900 ° C of the exhaust valve) while in the second case these components should work at higher temperatures.
A parte le modifiche per Γ utilizzo di materiali con caratteristiche di resistenza al calore migliori, come la ceramica, 1' utilizzo dei gas inerti nella miscela di combustione à ̈ un valore assolutamente relativo, che può essere variato per determinare la temperatura dei gas di Apart from the changes for Î "use of materials with better heat resistance characteristics, such as ceramic, the use of inert gases in the combustion mixture is an absolutely relative value, which can be varied to determine the temperature of the combustion gases.
scarico. Utilizzando come combustibile una miscela stechiometrica di idrogeno ed ossigeno si I unload. Using a stoichiometric mixture of hydrogen and oxygen as fuel is
produrrebbe una temperatura massima di circa 2800 c°, che subirebbe una leggera it would produce a maximum temperature of about 2800 ° C, which would suffer a slight
diminuzione nel caso in cui a questa miscela non venissero aggiunti gas inerti. Utilizzando un decrease if no inert gases are added to this mixture. Using a
quantitativo minimo di gas inerti possiamo quindi vedere come la temperatura di combustione minimum quantity of inert gases we can therefore see as the combustion temperature
si possa allineare alle normali temperature di esercizio con un motore alimentato a benzina, can be aligned to normal operating temperatures with a gasoline-powered engine,
anche se la velocità progressiva di diminuzione della temperatura risulterebbe notevolmente even if the progressive rate of decrease of the temperature would be remarkably
inferiore. inferior.
L' innovazione alla base di questa domanda di brevetto ha lo scopo di andare a risolvere i The innovation underlying this patent application is aimed at solving the
problemi di stoccaggio, produzione, distribuzione ed utilizzo dell' idrogeno, e la produzione di problems of storage, production, distribution and use of hydrogen, and the production of
energia elettrica. electric energy.
L' oggetto ritrovato consiste nella possibilità di produrre idrogeno ed ossigeno attraverso Γ The found object consists in the possibility of producing hydrogen and oxygen through Π"
energia elettrica prodotta da parte di un motore a combustione che utilizzi per il suo electricity produced by a combustion engine that you use for your own
funzionamento i derivati dal processo di termoelettrolisi dell' acqua. In altri termini, il motore functioning of derivatives from the thermoelectrolysis process of water. In other words, the engine
a combustione termica utilizza per il proprio funzionamento i gas (idrogeno e ossigeno) thermal combustion uses gases (hydrogen and oxygen) for its operation
prodotto dalla termoelettrolisi permessa dall' energia elettrica e dai gas di scarico prodotti produced by the thermoelectrolysis permitted by electricity and by the exhaust gases produced
- ^ dallo stesso. In linea di principio questo à ̈ il metodo migliore di attuazione del procedimento. - ^ from the same. In principle this is the best method of carrying out the procedure.
Per poter avere un riscontro su come questo processo possa essere funzionante possiamo In order to have feedback on how this process can work we can
prendere ad esempio Γ utilizzo dell' idrogeno come combustibile nei motori a combustione take for example Î “use of hydrogen as a fuel in combustion engines
termica delle autovetture. car thermal.
L' evoluzione tecnologica in campo generale ha permesso che normali automobili alimentate a Technological evolution in the general field has allowed normal powered cars to
metano possano essere facilmente trasformate in automobili alimentate ad idrogeno. Questo methane can easily be converted into hydrogen-powered cars. This
comunque non significa che i risultati prodotti siano da ritenersi i migliori che si possono however, it does not mean that the results produced are to be considered the best they can be
ottenere: infatti Γ utilizzo del solo idrogeno, che debba richiedere 1' ossigeno presente nell' aria to obtain: in fact Î “use of hydrogen alone, which must require the oxygen present in the air
come comburente, non permette di avere risultati ottimali in quanto non permette di regolare as an oxidizing agent, it does not allow for optimal results as it does not allow for regulation
la presenza dei gas inerti per avere un aumento delle temperature di esercizio e di potenza erogata. Pertanto il seguente esempio à ̈ esclusivamente a titolo dimostrativo. the presence of inert gases to have an increase in operating temperatures and power output. Therefore the following example is for demonstration purposes only.
Proviamo quindi a vedere se già da questi dati può risultare fattibile il procedimento in questione. Da verifiche effettuate in officina e su banco su di una “FIAT multlipla 1600 BiPower†, adattata per Γ alimentazione ad idrogeno, si possono riscontrare le seguenti differenze in riferimento al tipo di combustibile utilizzato: So let's try to see if the procedure in question can already be feasible from these data. From checks carried out in the workshop and on the bench on a â € œFIAT multiple 1600 BiPowerâ €, adapted for hydrogen fueling, the following differences can be found in reference to the type of fuel used:
alimentazione a benzina alimentazione a metano alimentazione a idrogeno (C.) 38 lt 30 Nm3 24 Nm3 petrol powered methane powered hydrogen powered (C.) 38 lt 30 Nm3 24 Nm3
(A:) 300 km 400 km 170 km (A :) 300 km 400 km 170 km
(V.M.) 160 kmh 150 kmh 135 kmh (V.M.) 160 km / h 150 km / h 135 km / h
(Cv.) 92 80 48 (CV.) 92 80 48
( C. = capacità serbatoi ; A. = autonomia ; V.M. = velocità massima ; Cv. = cavalli ) (C. = tank capacity; A. = autonomy; V.M. = maximum speed; Cv. = Horsepower)
Possiamo quindi notare che nonostante si possano constatare importanti diminuzioni di potenza, Γ utilizzo dell' idrogeno permette comunque di avere una sufficiente energia prodotta (48 Cv. - 36 kw). We can therefore note that although significant decreases in power can be observed, the use of hydrogen still allows for sufficient energy produced (48 Cv. - 36 kw).
Entrando nel dettaglio possiamo rilevare come Γ autovettura abbia una autonomia di circa 4 ore (135 kmh a 6000 giri rpm equivalgono a 45 kmh a 2000 giri rpm da dividersi in una autonomia di 170 km, con una produzione a questo regime di circa 12 kwh, dal momento che ai massimi giri motore vengono prodotti 36 kwh ). Utilizzando 1' energia prodotta da questa autovettura nell' arco dell' autonomia a disposizione, che trasformata in energia elettrica equivalgono a 48 kw, per produrre idrogeno ed ossigeno, vedremo come sia possibile ottenere 32 Nm3 di H2 e 16 Nm3 di O, per un totale di 48 Nm3 di miscela. La produzione gassosa nell' arco delle 4 ore di autonomia à ̈ quindi sufficiente, e maggiore, per alimentare il motore. Going into detail, we can see how Î "car has an autonomy of about 4 hours (135 km / h at 6000 rpm are equivalent to 45 km / h at 2000 rpm to be divided into a range of 170 km, with a production at this speed of about 12 kwh , since 36 kwh are produced at maximum engine rpm). Using the energy produced by this car in the range of available range, which transformed into electricity are equivalent to 48 kw, to produce hydrogen and oxygen, we will see how it is possible to obtain 32 Nm3 of H2 and 16 Nm3 of O, for a total of 48 Nm3 of mixture. The gaseous production in the arc of the 4 hours of autonomy is therefore sufficient, and greater, to power the engine.
Se Γ utilizzo di energia elettrica viene limitato alla produzione del idrogeno necessario al funzionamento del motore termico vediamo come nell' arco di autonomia della vettura vengono prodotti 12 kw (48 kw prodotti - 36 kw utilizzati con la termoelettrolisi). If the use of electricity is limited to the production of the hydrogen necessary for the operation of the heat engine, we see how 12 kw are produced in the range of autonomy of the car (48 kw produced - 36 kw used with thermoelectrolysis).
Inoltre il concetto di autonomia dell' autovettura viene a questo punto superato, in quanto il processo appena descritto produce tutto il combustibile necessario a soddisfare tutto il fabbisogno del motore. Furthermore, the concept of autonomy of the car is at this point overcome, as the process just described produces all the fuel necessary to satisfy all the needs of the engine.
Possiamo notare come questo esempio si basa sui test effettuati in laboratorio su di una macchina alimentata a idrogeno e sulla base delle ricerche scientifiche effettuate sulla termoelettrolisi. Per quanto riguarda la temperatura dei gas di scarico, come abbiamo già visto, questo à ̈ un valore che può essere modificato a piacimento. Sappiamo come un motore alimentato a benzina può raggiungere temperature nella camera di scoppio di 2500 c° con temperature dei gas di scarico che possono arrivare a 970 c°. Ed anche la miscela di idrogeno ossigeno, andando a limitare o annullare la presenza di gas inerti nella miscela, può raggiungere e superare le succitate temperature riscontrate in un motore a benzina. We can see how this example is based on tests carried out in the laboratory on a hydrogen-powered machine and on the basis of scientific research carried out on thermoelectrolysis. As for the temperature of the exhaust gases, as we have already seen, this is a value that can be changed at will. We know how a petrol-powered engine can reach temperatures in the combustion chamber of 2500 ° C with exhaust gas temperatures of up to 970 ° C. And also the hydrogen-oxygen mixture, by limiting or eliminating the presence of inert gases in the mixture, can reach and exceed the aforementioned temperatures found in a petrol engine.
Questi risultati possono infine essere notevolmente migliorati andando ad utilizzare motori a combustione termica con migliori efficienze energetiche (un motore da 3000 centimetri cubici che produce, con una sovralimentazione a benzina, circa 300 cv. nello stesso ordine di marcia (1\3 dei giri massimi del motore) ha consumi di carburante inferiori rispetto alla fiat multipla summenzionata, ma con una generazione di cv. che à ̈ di 3 volte superiore. Finally, these results can be significantly improved by using thermal combustion engines with better energy efficiency (a 3000 cubic centimeter engine that produces, with a petrol supercharging, about 300 hp. In the same running order (1 \ 3 of the maximum rpm of the engine) has lower fuel consumption than the aforementioned fiat multipla, but with a hp generation that is 3 times higher.
Un ulteriore miglioramento nel funzionamento del procedimento in questione lo si potrebbe avere attraverso la possibilità di utilizzo di materiali con maggior resistenza. Nel caso in cui infatti si potessero avere delle temperature dei gas in uscita vicine alla temperatura massima prodotta in combustione vediamo come Γ impiego di energia elettrica vada notevolmente diminuendo. Arrivando a temperature di 2700 - 2800 c° sarebbe quindi necessaria una quantità minima di energia elettrica, oltre a questo la differenza termica necessaria al processo della termolisi si à ̈ talmente assottigliato, 200 - 300 c°, da poter far ipotizzare nuovi metodi di scomposizione dell' acqua: come ad esempio Γ impiego di impulsi a microonde per far salire la temperatura dell' acqua fino ai 3000 c° necessari nella termolisi. A further improvement in the functioning of the procedure in question could be obtained through the possibility of using materials with greater resistance. In fact, in the event that it could be possible to have the temperatures of the outgoing gases close to the maximum temperature produced in combustion, we can see how the use of electrical energy is considerably decreasing. Reaching temperatures of 2700 - 2800 c ° would therefore require a minimum amount of electricity, in addition to this the thermal difference necessary for the thermolysis process is so thinned, 200 - 300 c °, that new methods of decomposition can be hypothesized. of water: such as, for example, the use of microwave pulses to raise the temperature of the water up to the 3000 ° C required in thermolysis.
Una semplice illustrazione presente nella tavola dei disegni “tav.l†mostra nella fig.l generatore elettrico funzionante con motore a combustione ed alimentato dal una miscela di idrogeno ed ossigeno, la fig. 2 mostra un serbatoio per contenere piccoli quantitativi di gas, la Fig. 3 mostra un generatore di idrogeno ed ossigeno attraverso il processo di scomposizione dell' acqua, la Fig. 4 mostra una batteria elettrica. A simple illustration in the table of drawings â € œtav.lâ € shows in fig. 1 an electric generator operating with a combustion engine and powered by a mixture of hydrogen and oxygen, fig. 2 shows a tank to contain small quantities of gas, Fig. 3 shows a generator of hydrogen and oxygen through the process of breaking down the water, Fig. 4 shows an electric battery.
Come già largamente spiegato, noi vediamo come possiamo mettere in funzione il generatore elettrico (fig.l) utilizzando i gas stoccati nel serbatoio (fig.2). Per semplificazione viene illustrato un solo serbatoio, anche se potrebbe risultare opportuno avere un serbatoio dedicato per i due gas prodotti (idrogeno e ossigeno) ed un ulteriore serbatoio contenente gas inerti (come Γ azoto) nel caso in cui si volesse controllare la percentuale di utilizzo di questo materiale. Il quantitativo dei gas stoccati à ̈ minimo in quanto deve essere necessario a garantire il funzionamento del motore a combustione termica solo per pochi minuti, il tempo necessario a portare il macchinario alla temperatura di esercizio. I gas combusti prodotti dal motore vengono quindi immediatamente convogliati all' interno del dispositivo di scissione dell’ acqua (fig.3) e da questo quindi tornerebbero ad alimentare il motore a combustione ed a ricaricare il serbatoio (fig.2). Il dispositivo della fig.3 viene illustrato distaccato dal motore a combustione per migliorare la comprensione di questo procedimento ed evitare eventuali incomprensioni, tuttavia la possibilità di dotare lo stesso motore a combustione del dispositivo di scomposizione dell' acqua determinerebbe una minore diminuzione della temperatura dei gas di scarico e quindi una maggiore efficienza energetica del dispositivo stesso. Nella fig. 4 vediamo quindi un accumulatore di energia elettrica nel quale possiamo immagazzinare 1' energia in eccesso, anche se naturalmente non và esclusa la possibilità di collegare questo dispositivo ad una rete elettrica. As already widely explained, we see how we can put the electric generator into operation (fig.l) using the gases stored in the tank (fig.2). For simplification, only one tank is shown, although it might be appropriate to have a dedicated tank for the two gases produced (hydrogen and oxygen) and an additional tank containing inert gases (such as Î "nitrogen) in case you want to control the percentage of use of this material. The quantity of stored gases is minimal as it must be necessary to guarantee the operation of the thermal combustion engine for only a few minutes, the time necessary to bring the machinery to operating temperature. The combustion gases produced by the engine are then immediately conveyed inside the water splitting device (fig.3) and from this they would then return to power the combustion engine and refill the tank (fig.2). The device of fig. 3 is shown detached from the combustion engine to improve the understanding of this procedure and avoid any misunderstandings, however the possibility of equipping the combustion engine with the water decomposition device would result in a minor decrease in the temperature of the gases. and therefore greater energy efficiency of the device itself. In fig. 4 we therefore see an electrical energy accumulator in which we can store excess energy, although of course the possibility of connecting this device to an electrical network is not excluded.
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