ITUD20100061A1 - METHOD AND DEVICE FOR CONSUMPTION HYDROGEN PRODUCTION. - Google Patents
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Description
TITOLO: “ METODO E DISPOSITIVO PER PRODUZIONE DI IDROGENO A CONSUMO", TITLE: "METHOD AND DEVICE FOR PRODUCTION OF HYDROGEN FOR CONSUMPTION",
STATO DELLA TECNICA STATE OF THE TECHNIQUE
Disponendo di energia elettrica si può ottenere assai facilmente la decomposizione elettrolitica dell'acqua nei suoi componenti gassosi, costituiti da idrogeno e ossigeno. Esistono diverse tecnologie nel campo deH'elettrolisi, legate al tipo di elettrolita, dal più classico alcalino fino all'ossido solido ad alta temperatura che consente di impiegare anche energia termica riducendo l'apporto di energia elettrica. Le efficienze di conversione sono di solito piuttosto elevate, spesso sopra al 90%, ed i gas sono prodotti solitamente già in pressione, a circa 30÷40 bar, con successivo stoccaggio, sia esso in forma gassosa, liquida o solida come ad esempio gli idruri metallici. Le limitazioni sono soprattutto quelle connesse ai costi e sistemi di produzione dell'energia elettrica ed il rendimento globale di conversione risente del passaggio termoelettrico » elettrico » idrogeno, con prospettive di un rendimento globale non superiore al 36%. Questo valore deve essere poi messo in relazione alla taglia del sistema: il consumo di energia e le perdite non sono proporzionali alla taglia e quindi i sistemi più piccoli risultano ulteriormente penalizzati. Non sono noti sistemi che producano idrogeno elettrolitico in modo direttamente connesso ed utilizzabile per il consumo immediato, senza sistemi di stoccaggio, con produzione quindi a bassa pressione, inferiore a 2 bar, produzione direttamente correiabile in termini quantitativi e produttivi alle richieste quantitative di immediato utilizzo, in tempo reale, con efficienze e rese quantitative parametrate uguali o superiori a 50 litri/minuto per corrispondenti bassi assorbimenti elettrici di soli 0,8 kW di alimentazione elettrica e generati su soli 3 litri di liquido elettrolitico. By having electricity, the electrolytic decomposition of water into its gaseous components, consisting of hydrogen and oxygen, can be obtained very easily. There are different technologies in the field of electrolysis, linked to the type of electrolyte, from the more classic alkaline to the high-temperature solid oxide which also allows the use of thermal energy by reducing the supply of electrical energy. Conversion efficiencies are usually quite high, often above 90%, and the gases are usually produced already under pressure, at about 30 ÷ 40 bar, with subsequent storage, be it in gaseous, liquid or solid form such as metal hydrides. The limitations are above all those connected to the costs and systems of electricity production and the overall conversion efficiency is affected by the thermoelectric »electric» hydrogen transition, with prospects of a global efficiency not exceeding 36%. This value must then be related to the size of the system: energy consumption and losses are not proportional to the size and therefore smaller systems are further penalized. There are no known systems that produce electrolytic hydrogen in a directly connected and usable way for immediate consumption, without storage systems, with production therefore at low pressure, less than 2 bar, production that can be directly corrected in quantitative and productive terms to quantitative requests for immediate use. , in real time, with efficiencies and quantitative yields equal to or greater than 50 liters / minute for corresponding low electrical absorption of only 0.8 kW of electrical power and generated on only 3 liters of electrolytic liquid.
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Il nuovo sistema e il relativo impianto attuativo ha lo scopo di ottenere elettroliticamente una produzione di idrogeno e/o ossigeno auto-controllata dalla richieste di loro immediato consumo a valle, così da evitare la necessità di stoccaggio temporaneo, la necessità di utilizzare alte pressioni per lo stoccaggio, la necessità di strutturare tutta la catena di contenimento e gestione del gas ad alta pressione, la necessità di strutturare adeguate conformazioni della sicurezza dell’alta pressione e di materiale gassoso stoccato. Altro importante scopo è quello di ottenere alte rese produttive di gas per unità di energia assorbita e per dimensionamenti volumetrici delle celle elettrolitiche e i per tempi di attività, con bassi costi d’esercizio. Altro importante scopo è quello di utilizzare i gas prodotti per generare energia elettrica che poi venga in minima parte asservita all’alimentazione della cella elettrolitica stessa e in massima parte resa disponibile per l’utilizzo esterno. Altro importante scopo è avere una massima sicurezza d’esercizio particolarmente per le potenzialità e pericolosità dei gas coinvolti. The new system and the related implementation plant has the purpose of electrolytically obtaining a production of hydrogen and / or oxygen that is self-controlled by the requests for their immediate consumption downstream, so as to avoid the need for temporary storage, the need to use high pressures for storage, the need to structure the entire chain of containment and management of high pressure gas, the need to structure adequate conformations for the safety of high pressure and stored gaseous material. Another important purpose is to obtain high production yields of gas per unit of energy absorbed and for the volumetric sizing of the electrolytic cells and for operating times, with low operating costs. Another important purpose is to use the gases produced to generate electricity which is then minimally subservient to the power supply of the electrolytic cell itself and mostly made available for external use. Another important purpose is to have maximum operating safety, particularly due to the potential and danger of the gases involved.
Il nuovo trovato, denominato metodo e dispositivo per la produzione di idrogeno a consumo, è così schematicamente costituito nei suoi elementi essenziali: una cella elettrolitica, un motore a combustione, un generatore elettrico, un sistema di raffreddamento della cella e un sistema di alimentazione elettrica della cella a impulsi. Inizialmente viene messo per primo in moto il motore a combustione, per esempio di tipo a benzina, che produce, tramite connessione meccanica al generatore elettrico, una certa quantità di elettricità. Una parte inferiore al 15% di questa energia elettrica prodotta dal generatore viene poi erogata alla cella elettrolitica per la sua attività intrinseca, mentre il rimanente 85% è disponibile per l’utilizzo in attività esterne al sistema qui descritto. Il sistema produce quindi un surplus energetico elettrico di oltre Γ85%, al netto dell’autoconsumo. La cella elettrolitica viene realizzata in un privilegiato ma non esclusivo modello esecutivo mediante uno o più contenitori chiusi, in cui sono posizionati gli elettrodi immersi nell’acqua bi-distillata e con soluzione alcalina. L’interno della cella è rivestito di materiale non attaccabile dall’attività elettrolitica, come ad esempio non limitativo il polipropilene omopolimero MRS 100 (PP-H 100). L’erogazione di energia elettrica determina la nota formazione di gas agli elettrodi, con produzione di idrogeno H2 al catodo e produzione di ossigeno 02 all’anodo, in ragione proporzionale di 2H2 02. La corrente viene erogata alla frequenza di 50 Hz e a impulsi in successione, gestiti da apposita centralina. Una frequenza esemplificativa ma non limitativa è di 5 impulsi al secondo. I due gas prodotti salgono con pressione inferiore a 1 bar sulla parte superiore della cella elettrolitica e vengono convogliati attraverso apposite condotte al gorgogliatore, passando attraverso valvole di non ritorno. Il gorgogliatore è un contenitore riempito di acqua o di altro liquido non combustibile dove i gas vengono immessi con la condotta direzionata verso il fondo, da cui risalgono in bolle per essere nuovamente riconvogliati da condotte con valvole di non ritorno verso il motore a combustione, dove ne costituiscono l’alimentazione primaria. Il gorgogliatore di sicurezza impedisce un eventuale ritorno di gas o di fiamma verso i generatori elettrolitici, sommandosi alle sicurezze delle valvole di non ritorno. Un altro sistema combinato di sensori di idrogeno con sonde collocate dentro la cella elettrolitica e fuori in prossimità, rileva bilocalmente la presenza del gas, costituendo un terzo ulteriore elemento di controllo e di sicurezza. Un adeguato sistema di raffreddamento a liquido viene predisposto attorno alle celle elettrolitiche, in modo tale da mantenerne la temperatura interna tra i 40°C e i 50°C. Un aspetto strutturale e funzionale importante è il frazionamento delle celle elettrolitiche, che ripartisce la volumetria di attività in dimensionamenti frazionali; invece di una cella grande abbiamo più celle piccole, in un esempio applicativo ma non limitativo, di circa 3-4 litri ciascuna. Ciò consente sia l’attività propria qui descritta sia la gestione incrementale/decrementale della produzione quantitativa, mediante The new invention, called the method and device for the production of hydrogen on consumption, is thus schematically constituted in its essential elements: an electrolytic cell, a combustion engine, an electric generator, a cell cooling system and an electrical power supply system. of the pulse cell. Initially, the combustion engine, for example of the petrol type, is started up first, which produces a certain amount of electricity through mechanical connection to the electric generator. Less than 15% of this electricity produced by the generator is then delivered to the electrolytic cell for its intrinsic activity, while the remaining 85% is available for use in activities outside the system described here. The system therefore produces an electrical energy surplus of over 85%, net of self-consumption. The electrolytic cell is made in a privileged but not exclusive executive model by means of one or more closed containers, in which the electrodes immersed in bi-distilled water and with an alkaline solution are positioned. The inside of the cell is coated with material that cannot be attacked by electrolytic activity, such as, for example, the non-limiting polypropylene homopolymer MRS 100 (PP-H 100). The supply of electrical energy determines the known formation of gas at the electrodes, with the production of hydrogen H2 at the cathode and the production of oxygen 02 at the anode, in proportion to 2H2 02. The current is supplied at a frequency of 50 Hz and in pulses in succession, managed by a special control unit. An exemplary but not limiting frequency is 5 pulses per second. The two gases produced rise with a pressure of less than 1 bar on the upper part of the electrolytic cell and are conveyed through special ducts to the bubbler, passing through non-return valves. The bubbler is a container filled with water or other non-combustible liquid where the gases are introduced with the pipeline directed towards the bottom, from which they rise in bubbles to be re-conveyed by pipelines with non-return valves to the combustion engine, where they constitute its primary power. The safety bubbler prevents a possible return of gas or flame towards the electrolytic generators, adding to the safety devices of the non-return valves. Another combined system of hydrogen sensors with probes located inside the electrolytic cell and outside in proximity, bilocally detects the presence of the gas, constituting a third additional control and safety element. An adequate liquid cooling system is arranged around the electrolytic cells, in such a way as to keep the internal temperature between 40 ° C and 50 ° C. An important structural and functional aspect is the fractionation of the electrolytic cells, which divides the activity volume into fractional sizing; instead of a large cell we have more small cells, in an application but not limiting example, of about 3-4 liters each. This allows both the own activity described here and the incremental / decremental management of quantitative production, by means of
Γ attivazione di un numero crescente/decrescente di celle a seconda delle esigenze del consumo. Quando i gas idrogeno e ossigeno arrivano al motore un apposito sensore che ne rileva la presenza di flusso blocca Γ alimentazione della benzina, così continuando poi a funzionare il motore passando alla sola alimentazione a gas. Come esempio applicativo, non limitativo, e per chiarire i rapporti dimensionali e parametrali tra i diversi componenti e le reciproche attività e rendimenti, abbiamo un dimensionamento di motore a benzina/gas di 400 cc di cilindrata, una cella elettrolitica di 3-4 litri che produce 50 litri al minuto di gas complessivo (2 H2 02), un generatore che produce 5,5 kW di corrente alternata, di cui 0,8 kW vengono assorbiti dalla cella elettrolitica, preventivamente trasformati da un inverter in corrente continua e i rimanenti 4,7 kW sono disponibili per Γ utilizzo esterno. L’ottimizzazione produttiva è anche conferita dalla associazione tra il sistema di raffreddamento della cella che mantiene i valori della temperatura di processo elettrolitico tra 40°C e 50°C e l’erogazione della corrente in frequenza di 50 Hz ad impulsi in sequenza. In questo modo abbiamo anche la configurazione standardizzata di un gruppo elettrogeno funzionante a gas idrogeno/ossigeno. Tutto il gas H2 e 02 prodotto viene direttamente e immediatamente consumato dal motore con utilizzo di pressione di generazione e di flusso inferiore a 1 bar. Quando il motore viene spento si blocca in automatico l’erogazione di corrente alla cella elettrolitica e la generazione dei gas nella stessa. Γ activation of an increasing / decreasing number of cells according to consumption needs. When the hydrogen and oxygen gases reach the engine, a special sensor that detects the presence of flow blocks the petrol supply, thus continuing to run the engine by switching to gas supply only. As a non-limiting application example, and to clarify the dimensional and parametric relationships between the different components and the reciprocal activities and efficiencies, we have a sizing of a petrol / gas engine of 400 cc of displacement, an electrolytic cell of 3-4 liters which produces 50 liters per minute of total gas (2 H2 02), a generator that produces 5.5 kW of alternating current, of which 0.8 kW are absorbed by the electrolytic cell, previously transformed by an inverter into direct current and the remaining 4, 7 kW are available for Γ outdoor use. Production optimization is also conferred by the association between the cooling system of the cell which maintains the temperature values of the electrolytic process between 40 ° C and 50 ° C and the supply of the current at a frequency of 50 Hz in sequential pulses. In this way we also have the standardized configuration of a generator set running on hydrogen / oxygen gas. All the H2 and 02 gas produced is directly and immediately consumed by the engine with the use of generation pressure and flow lower than 1 bar. When the engine is turned off, the supply of current to the electrolytic cell and the generation of gases in the same automatically stops.
I sistemi di generazione elettrolitica dei gas, di flusso, erogazione e di consumo dei gas vengono gestiti, in una opportuna e preferita modalità realizzativa, mediante PLC che controlla e gestisce passo-passo quanto sopra, attraverso appropriati dispositivi di rilievo e misurazione delle pressioni, delle temperature, anche esterne, dei flussi dei gas e di mantenimento a livello dei liquidi delle celle elettrolitiche, anche in caso di funzionalità separate, discontinue e/o modulari delle celle multiple. The electrolytic gas generation, flow, supply and consumption systems of gases are managed, in an appropriate and preferred implementation mode, by means of a PLC that controls and manages the above step-by-step, through appropriate pressure relief and measurement devices, of the temperatures, including external ones, of the gas flows and maintenance at the liquid level of the electrolytic cells, even in the case of separate, discontinuous and / or modular functions of the multiple cells.
Come abbiamo potuto vedere dalla descrizione del sistema e del relativo dispositivo attuatore, tutti gli scopi prefissati sono stati raggiunti, in particolare si è potuto: As we have been able to see from the description of the system and of the relative actuator device, all the pre-established purposes have been achieved, in particular it has been possible to:
- realizzare un sistema per la produzione di idrogeno e/o di ossigeno auto-controllata e guidata dalla richieste di loro immediato consumo, - create a system for the production of hydrogen and / or oxygen that is self-controlled and guided by the requests for their immediate consumption,
- evitare la necessità di stoccaggio temporaneo e la necessità di utilizzare alte pressioni per lo stoccaggio e la necessità di strutturare tutta la catena di contenimento e gestione del gas ad alta pressione, la necessità di strutturare adeguate conformazioni della sicurezza dell’alta pressione e di materiale gassoso stoccato, - avoid the need for temporary storage and the need to use high pressures for storage and the need to structure the entire chain of containment and management of high pressure gas, the need to structure adequate conformations of high pressure and material safety stored gas,
l’ottenimento di alte rese produttive di gas per unità di energia assorbita dalla cella elettrolitica, obtaining high production yields of gas per unit of energy absorbed by the electrolytic cell,
- la generazione di un elevato surplus di energia elettrica disponibile per l’utilizzo esterno al sistema, - the generation of a high surplus of electricity available for use outside the system,
- l’ottenimento di ridotti dimensionamenti volumetrici delle celle elettrolitiche in relazione all’alta capacità produttiva, - obtaining reduced volumetric sizing of electrolytic cells in relation to high production capacity,
- l’ottenimento della modulazione dell’adeguamento produttivo mediante frazionamento in più celle, - obtaining the modulation of production adjustment by splitting into several cells,
- l’ottenimento di brevi tempi di attività in relazione alla produzione unitaria quantitativa, - obtaining short lead times in relation to quantitative unit production,
- l’ottenimento di bassi costi d’esercizio, - obtaining low operating costs,
- l’ottenimento di un elevato sistema di sicurezza polifunzionale, multifocale, a logiche differenziate e a intreccio di tre o più livelli di controllo. - obtaining a high multi-purpose, multifocal security system, with differentiated logics and intertwining of three or more levels of control.
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- 2010-04-01 IT IT000061A patent/ITUD20100061A1/en unknown
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