PT2394953E - Sistema para o controlo de produção de hidrogénio in situ da procura, utilizando um reagente de metal líquido reciclável e método utilizado no sistema - Google Patents

Sistema para o controlo de produção de hidrogénio in situ da procura, utilizando um reagente de metal líquido reciclável e método utilizado no sistema Download PDF

Info

Publication number
PT2394953E
PT2394953E PT101627719T PT10162771T PT2394953E PT 2394953 E PT2394953 E PT 2394953E PT 101627719 T PT101627719 T PT 101627719T PT 10162771 T PT10162771 T PT 10162771T PT 2394953 E PT2394953 E PT 2394953E
Authority
PT
Portugal
Prior art keywords
metal
reagent
reactor
hydrogen
vacuum
Prior art date
Application number
PT101627719T
Other languages
English (en)
Inventor
Amalio Garrido Escudero
Original Assignee
Amalio Garrido Escudero
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Amalio Garrido Escudero filed Critical Amalio Garrido Escudero
Publication of PT2394953E publication Critical patent/PT2394953E/pt

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/06—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents
    • C01B3/08—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents with metals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J10/00—Chemical processes in general for reacting liquid with gaseous media other than in the presence of solid particles, or apparatus specially adapted therefor
    • B01J10/005—Chemical processes in general for reacting liquid with gaseous media other than in the presence of solid particles, or apparatus specially adapted therefor carried out at high temperatures in the presence of a molten material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J4/00—Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices
    • B01J4/008—Feed or outlet control devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J4/00—Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices
    • B01J4/02—Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices for feeding measured, i.e. prescribed quantities of reagents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/06—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents
    • C01B3/10—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents by reaction of water vapour with metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H01M8/04208—Cartridges, cryogenic media or cryogenic reservoirs
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/16—Controlling the process
    • C01B2203/169—Controlling the feed
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
  • Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)
  • Gas Separation By Absorption (AREA)

Description

1
DESCRIÇÃO "SISTEMA PARA O CONTROLO DE PRODUÇÃO DE HIDROGÉNIO IN SITU DA PROCURA, UTILIZANDO UM REAGENTE DE METAL LÍQUIDO RECICLÁVEL E MÉTODO UTILIZADO NO SISTEMA."
ÁREA TÉCNICA DA INVENÇÃO A presente invenção insere-se na área técnica da produção química de hidrogénio, utilizando metais alcalinos e metais alcalino-terrosos e a recuperação de metais alcalinos e metais alcalino-terrosos dos hidróxidos correspondentes. A invenção é particularmente útil na produção de hidrogénio em quantidades controladamente formadas em resposta à variação da procura existente, por exemplo, em veículos com motores de combustão interna, turbinas ou células de hidrogénio, como os veículos de locomoção por terra, ar ou água, etc. e quaisquer outros dispositivos que necessitem da procura da formação de hidrogénio para qualquer efeito.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO 0 hidrogénio pode ser utilizado como combustível não poluente em células de combustível, motores de combustão interna ou turbinas, assim como em qualquer outro sistema onde o hidrogénio gasoso é utilizado como combustível. Obviamente, os sistemas de produção de energia gue utilizam o hidrogénio como combustível necessitam que o hidrogénio seja produzido por um processo de formação. De modo geral, o hidrogénio produzido por esses processos de formação é armazenado como gás ou líquido em tanques a partir dos quais é conduzido para os sistemas de produção de energia (por exemplo, na patente US2006/011659A1). Estes sistemas são equivalentes aos sistemas de transporte convencional utilizados para os combustíveis fósseis não renováveis.
Existe um número alargado de sistemas de formação de hidrogénio, tal como, entre outros, a reforma catalítica de 2 hidrocarbonetos como o etanol, como divulgado nas patentes US-6245309-B1 E US-6461408-B2, a electrólise da água, como divulgado na patente US2004/0065542A1, hidretos, como divulgado nas patentes US2005/0036941A1 e US200910274595A1, metais e ácidos, como divulgado na patente US-4988486, metais e alcalinos ou boranos de amónia, como divulgado na patente US-7052658-B2.
De acordo com o Departamento de Energia dos EUA (US Department of Energy - "DOE")^ a densidade da energia é "o rácio de energia disponível por libra", ou seja, por unidade de peso (cf. Glossário Solar: http://wwwl.eere.energy.gov/solar/solar_glossary.html#E).
Na tabela seguinte encontra-se a lista de algumas substâncias de interesse como combustíveis:
Tabela I
Substância Densidade de energia por massa (MJ/kg) Densidade de energia por volume (MJ/L) Hidrogénio líguido 143.00 10.10 Hidrogénio em gás comprimido a 700 bar 143.00 5.60 Hidrogénio em gás 143.00 0.01 Borohidreto de Litio 65.20 43.40 Metano (1,013 bar; 15°C)* 55.60 0.04 Propano - Gás de Petróleo Liquefeito ("GPL") 19.60 25.30 Butano - Gás de Petróleo Liquefeito ("GPL") 49.10 27.70 Gasolina* 46.40 34.20 Diesel* 46.20 37.30 3 (continuação)
Substância Densidade de energia por massa (MJ/kg) Densidade de energia por volume (MJ/L) Lítio 43.10 23.00 Querosene* 42.80 33.00 Magnésio 24.70 43.00 Cálcio 15.90 24.60 Sódio 13.30 12.80 Biodiesel* 42.20 33.00 Liga de lítio/sódio (80/20) 37.14 20.96 Liga de lítio/magnésio (80/20) 39.42 27.00 Bioetanol* 26.00 35.60 Antracite* 32.50 72.40 Carvão mineral* 24.00 20.00 Madeira* 18.00 Bateria de iões de lítio 0.72 0.90 Bateria de chumbo (automóvel) 0.14 0.36 As substâncias marcadas com * formam dióxido de carbono quando utilizadas como combustível.
Como é notório, a densidade por volume de hidrogénio em gás é extremamente baixa, pelo que o armazenamento em tanques de veiculos ou tanques fixos levanta problemas de eficácia. Por este motivo, foram investigadas formas de produzir hidrogénio in situ da procura.
Para ser competitiva com os combustíveis convencionais ou baterias elétricas, a densidade da energia dos sistemas de propulsão a hidrogénio deve ser equivalente ou superior. A produção de hidrogénio através de um processo químico oferece esta possibilidade. Além dos documentos de patentes 4 acima mencionados, são divulgados outros sistemas do mesmo tipo nas patentes US-4156635, US-4498927, US-4980136 e US2006/0117659A1, bem como na patente US-3985866, a qual divulga um método de produção de hidrogénio em gás por reação de um combustível com composto de alumínio, como componente principal, e metal alcalino ou metal alcalino-terroso como componente minoritário, com água. Vários sistemas conhecidos de produção química de hidrogénio utilizam processamentos de hidretos de metal ou não metal, além de reações de metais com ácidos ou alcalinos. Na tabela seguinte, são comparados vários combustíveis, incluindo gasolina e diesel como combustíveis não renováveis, quando utilizados em motores de veículos:
Tabela II
Combustível Tipo de motor Consumo Volume do tanque necessário 400 km (L) Peso do tanque necessário para armazenar combustível para 400km Emissões (g C02/km) (L/lOOkm) (kg/L) Gasolina Combustão interna 8 5, 84 32 23, 36 170 Diesel Combustão interna 6 5,1 24 20,4 110 Hidrogénio Liquido Combustão interna 46 3, 26 184 13, 04 0 Hidrogénio Líquido Célula de combustível 23, 93 1,7 95, 72 6, 8 0 Lítio Combustão interna 21,34 11, 31 85, 36 45, 24 0 Lítio Célula de combustível 11,11 5, 89 44,44 23, 56 0 Sódio Combustão interna 38, 63 37, 47 154,52 149,88 0 Sódio Célula de combustível 20,12 20, 12 80,48 80, 48 0 5 A maioria dos sistemas convencionais de produção de hidrogénio exigem catalisadores e/ou sistemas de ignição que: são dispendiosos relativamente à reciclagem do combustível utilizam substâncias altamente tóxicas. Embora a maior parte destes sistemas seja suscetível de serem instalados em veículos motorizados, continuam a ser tecnicamente complexos ou envolvem desvantagens técnicas, económicas ou ambientais, especialmente no que respeita a proporcionar a precisão e a sensibilidade adequadas para produzir um fluxo de hidrogénio que possa permitir uma resposta imediata à exigência energética para, por exemplo, a injeção direta para motores de combustão interna ou para uma turbina e relativamente à reciclagem do combustível utilizado. Assim, existia uma necessidade no desenvolvimento de um sistema de produção de hidrogénio que pudesse superar essas desvantagens.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO A presente invenção destina-se a ultrapassar as desvantagens acima mencionadas dos conhecimentos atuais, proporcionando uma nova forma de produção de hidrogénio através de uma reação entre um metal alcalino liquefeito, um metal alcalino-terroso ou uma liga de quaisquer destes metais e água, além de uma forma melhorada da reciclagem desses metais ou ligas, após a formação de hidrogénio. Para proporcionar a consciencialização deste especificação e das reclamações correspondentes, o metal alcalino, o metal alcalino-terroso e as ligas derivadas serão referenciadas em conjunto como "reagente de metal". 0 resíduo do reagente de metal, produzido após a formação de hidrogénio, será referenciado como "hidróxido de metal". Em particular, a invenção refere-se a um sistema para o controlo de produção de hidrogénio in situ da procura, utilizando um reagente de metal líquido reciclável, um método utilizado para a produção de hidrogénio in situ da procura, utilizando o reagente de metal líquido, além do respetivo processamento 6 e um dispositivo e o processo para recuperação do reagente de metal do hidróxido de metal após a formação de hidrogénio. 0 sistema de formação de hidrogénio para o controlo da produção de hidrogénio in situ da procura, de acordo com a invenção, inclui o primeiro meio de armazenamento para um primeiro reagente que é um reagente de metal selecionado de metais alcalinos, metais alcalino-terrosos, ligas de metais alcalinos compostas por metais alcalinos, metais alcalino-terrosos, ligas de metais alcalino-terrosos compostas por metais alcalinos-terrosos e ligas compostas por metal alcalino e metal alcalino-terroso, de forma segura e sob as condições de preservação adequadas, em ambiente criado substancialmente sem oxigénio, por exemplo, por vácuo ou atmosfera de gás inerte, e o segundo meio de armazenamento para um segundo reagente, ou seja, água desmineralizada, um reator em que os agentes se destinam a reagir para produzir hidrogénio gasoso. 0 reator inclui entradas do reagente e uma saída do reator, meio de separação ligado à saída do reator para separar o hidrogénio gasoso de um produto de reação residual, ou seja, hidróxido de metal selecionado de hidróxidos de metal alcalino e hidróxidos de metal alcalino-terroso, ligas de metal alcalino e ligas compostas por metal alcalino e metal alcalino-terroso, como produzido no reator e meio para receção de hidrogénio ligados ao primeiro meio de separação para receber o hidrogénio gasoso extraído do primeiro meio de separação. Os reagentes de metal especialmente adequados são Li, Na, K e Mg, os reagentes de metal preferencialmente adequados são Na e Li, e o reagente de metal particularmente preferencial é Na, dado o seu relativamente baixo ponto de fusão e por ser abundante. Uma liga especialmente interessante é de 5/95 Li/Na, que tem uma intensidade energética superior à de Na isoladamente e um ponto de fusão (=89°C) que é 10°C inferior ao de Na. Outras ligas úteis incluem, por exemplo, 7 potássio e sódio, em que a liga de 56/44 Na/K tem o ponto de fusão a 6,8°C ou a de litio e estrôncio, cuja liga de 12/88 Li/Sr tem o ponto de fusão a 132°C.
De acordo com a invenção, o sistema de produção de hidrogénio inclui reagente de metal para injeção controlada de fluxo de reagente de metal liquido aquecido acima do seu ponto de fusão para o reator, um sistema de injeção de água para injeção, em cada momento, de um volume estequiométrico de água, preferencialmente fria, relativamente ao volume de reagente de metal que é injetado no reator para que seja mantido um rácio controlado de reagente de metal/água no reator, meio para conservar o meio de armazenamento, o meio para injeção do reagente de metal, o sistema de injeção de água, o reator, o meio de separação e o meio para receção de hidrogénio sem oxigénio, proporcionando vácuo no sistema 0 reagente de metal liquido pode ser injetado num fluxo de água desmineralizada ou o fluxo de água desmineralizada pode ser injetada num fluxo de reagente de metal liquido, em condições de fluxo desordenado, laminar ou segmentado. A escolha das condições de fluxo dependem de: a. a liga de metal/metal utilizada b. a superfície ativa comum reativa necessária para prosseguir a reação em condições controladas; e c. massa da liga de metal/metal liquido por unidade de volume 0 rácio "superfície comum em ambos os reagentes (água desmineralizada e metal líquido/liga de metal/massa de metal líquido por unidade de volume" impele o nível de controlo sobre a reação e a segurança e desempenho do processo de produção de hidrogénio. Este rácio pode ser configurado pela otimização, entre outros, do diâmetro dos tubos de injeção, do comprimento do reator, da velocidade do fluxo, das pressões da circulação do fluxo e das temperaturas. As condições de fluxo laminar dispõem da vantagem de a produção de hidrogénio ser normalmente mais fácil de controlar do que em condições de fluxo desordenado.
Numa materialização preferencial da invenção, o primeiro meio de armazenamento está ligado a entrada do primeiro reagente através de um sistema de alimentação de reagente de metal que inclui, pelo menos, um dispositivo de injeção de reagente de metal para injeção controlada de um fluxo do reagente de metal em estado liquido no reator, um tubo de injeção de metal ligando o dispositivo de injeção à entrada do primeiro reagente, meio de aquecimento do reagente para aquecimento do reagente de metal para uma temperatura superior ao ponto de fusão do reagente de metal, para transformar o reagente de metal nesse estado liquido antes de entrar no reator. 0 sistema de alimentação do reagente de metal também inclui meio para criação de vácuo para a produção seletiva de vácuo no primeiro sistema de alimentação do meio de armazenamento, o sistema de injeção de água, o reator, o meio de separação e o meio para receção de hidrogénio sem oxigénio, para garantir as condições de armazenamento adequadas e o arranque do processo. É proporcionado um meio de válvula de controlo do fluxo para controlo do fluxo do reagente de metal no reator e o meio de refrigeração para manter o reator à temperatura de funcionamento. 0 meio da válvula de controlo do fluxo pode ser inserido no tubo de injeção do metal e inclui uma válvula de controlo da pressão instalada entre a saída do reagente e a entrada do primeiro reagente e uma válvula de verificação instalada entre a válvula de controlo da pressão e a entrada do primeiro reagente, para evitar refluxos de reagentes do reator.
Em conformidade com esta materialização preferencial, o segundo meio de armazenamento está ligado a uma entrada do segundo reagente através de um sistema de alimentação da água que inclui um tubo de injeção de água que liga à 9 entrada do segundo reagente, ao meio para dosagem da água, para dosear a água a injetar no reator e ao meio de injeção da água ligado à entrada do segundo reagente. 0 meio da válvula de controlo do fluxo e o meio da dosagem da água são controlados pelo meio de controlo do rácio para gue o meio de dosagem da água proporcione sempre um volume esteguiométrico de água relativamente ao volume do reagente de metal a ser injetado no reator para gue seja mantido no reator um rácio de reagente de metal/água controlado. 0 reator está concebido e dimensionado para conservar o reagente de metal e a água durante um período de tempo suficiente para garantir uma reação completa do reagente de metal e da água, em conformidade com o fluxo de reagente de metal e água em cada momento injetado e que os produtos extraídos da reação são apenas hidrogénio e o produto de reação.
Como é notório, a invenção baseia-se nos esquemas de reação conhecidos per se de metais alcalinos e metais alcalinos-terrosos com água, como representado pela fórmula:
Me + H20 — MeOH + ^ H2 Me: metal alcalino
Mt + 2H20 — Mt (OH) 2 + H2 Mt: metal alcalino-terroso É conhecido que estas reações são fortemente exotérmicas e dado que ocorrem muito rapidamente, quase imediatamente quando o metal alcalino ou o metal alcalino-terroso contactam com a água e é libertado o hidrogénio. A presente invenção utiliza a rapidez da reação. Embora estas reações sejam, por si, violentas quando um reagente de metal sólido é colocado em contacto com a água, de acordo com a presente invenção, o reagente de metal está no seu estado líquido para ser facilmente doseado para que reaja com a água de forma estequiométrica num ambiente sem oxigénio, pelo que uma reação violenta com o oxigénio do 10 ambiente é excluída. Por exemplo, um vácuo inferior a 300 mm/Hg é normalmente suficiente para evitar que o hidrogénio produzido expluda, dado que o hidrogénio produzido no reator já se encontra sob pressão devido ao hidrogénio produzido. O calor produzido por esta reação exotérmica pode ser utilizado para aquecer o reagente de metal que será injetado no reator, por exemplo, ligando termicamente o meio de refrigeração do reator ao primeiro e/ou segundo meio de aquecimento do reagente. O calor produzido também pode ser utilizado para fornecer energia térmica a células de combustível ou a um motor de combustão.
Assim, através do sistema da presente invenção, a produção de hidrogénio pode ser aumentada, reduzida ou totalmente parada, em conformidade com o volume da procura de hidrogénio em cada momento. O meio para receção do hidrogénio pode ser, por exemplo, um tanque de hidrogénio a partir do qual o hidrogénio é fornecido a uma célula de combustível, a um motor de combustão a hidrogénio, a uma turbina a hidrogénio e/ou a admissão de hidrogénio de uma célula de combustível, um motor de combustão a hidrogénio ou uma turbina a hidrogénio.
Dado que o reagente de metal é fluido, pode ser facilmente injetado no reator, juntamente com os volumes estequiométricos correspondentes de água desmineralizada, em volumes de taxas rapidamente variáveis, com o que pode ser produzido um fluxo variável de hidrogénio adaptado às variações de procura de hidrogénio. Assim, o sistema de alimentação do reagente de metal e o sistema de alimentação da água podem ser controlados para funcionarem normalmente a taxas de produção de hidrogénio adaptadas para satisfazer, em cada momento, a procura de energia de um motor, por exemplo, e para aumentar a produção de hidrogénio para encher um tanque com a capacidade mínima suficiente para fornecer hidrogénio para reiniciar o motor e/ou fornecer hidrogénio suplementar quando são 11 momentaneamente necessários volumes extra de hidrogénio para satisfazer necessidades acrescidas de energia para o motor. Além disso, o sistema de alimentação do reagente de metal e o sistema de alimentação da água podem ser controlados para alimentarem normalmente um tanque com uma taxa de produção de hidrogénio com "ponto base" substancialmente constante para encher um tanque de hidrogénio a partir do qual é normalmente retirado o hidrogénio, em conformidade com as necessidades momentâneas de um motor, por exemplo, até a um determinado limite máximo e uma produção de hidrogénio acrescida para fornecer hidrogénio suplementar diretamente ao motor quando ocorrerem picos de consumo de hidrogénio superiores a esse limite máximo e/ou quando for necessário para encher o tanque de hidrogénio.
Os pontos de fusão dos metais alcalinos e metais alcalinos-terrosos e outras caracteristicas, são fornecidos na tabela seguinte:
Metal Peso Atómico (u) Ponto de Fusão (°C) Ponto de Ebulição (°C a 760 mmHg) Densidade (g cm-3) Lítio 6, 041 180 1.342 0.53 Sódio 22,990 97 883 0.97 Potássio 39,098 63 759 0.89 Rubidio 85,468 39 688 1.53 Césio 132,905 28 671 1.93 Magnésio 24,305 650 1.107 1,738 Cálcio 40,078 839 1.484 1.55 Estrôncio 87,620 764 1.384 2.54 Bário 137,327 725 1.140 3.59
Numa materialização do sistema, o dispositivo de injeção do reagente de metal inclui um tambor cilíndrico e uma câmara na cabeça para alojar o reagente de metal no 12 estado líquido ou sólido, uma saída do reagente ligada ao tubo de injeção do reagente de metal, uma entrada do reagente ligada ao primeiro meio de armazenamento através de um tubo de alimentação do reagente de metal e uma válvula da alimentação do reagente de metal ligada entre a entrada do reagente e o primeiro meio de armazenamento. Nesta materialização, o dispositivo de injeção do reagente de metal inclui ainda uma porta de vácuo ligada ao meio para formação de vácuo e um pistão móvel no tambor cilíndrico para uma primeira posição pela qual o reagente de metal é aspirado para a câmara da cabeça através da entrada do reagente e para uma segunda posição pela qual o fluxo de metal é expelido da câmara da cabeça através da saída do reagente para o tubo de injeção do metal. Neste caso, o meio para formação de vácuo pode incluir um sistema de vácuo ligado à porta de vácuo através de um tubo de vácuo e uma válvula de vácuo inserida no tubo de vácuo. Além disso, o meio de aquecimento do reagente pode incluir o primeiro meio de aquecimento do reagente instalado para aquecer, no mínimo, a câmara da cabeça do dispositivo de injeção do reagente de metal, bem como o segundo meio de aquecimento do reagente instalado no tubo de injeção do metal.
De acordo com a invenção, o meio de separação pode incluir o primeiro meio de separação, como um separador de gás/líquido, ligado à saída do reator e incluindo uma entrada ligada à saída do reator para receção de uma mistura de hidrogénio e o produto da reação residual formado no reator, uma primeira saída ligada ao meio para receção do hidrogénio e uma segunda saída ligada ao meio para receção do hidróxido de metal fornecido para receber o produto de reação residual extraído do primeiro meio de separação. 0 primeiro meio de separação pode ser um separador estático com uma câmara interna com divisórias inclinadas instaladas para formar um caminho labiríntico 13 entre a entrada e a primeira saída para permitir a passagem do hidrogénio em gás leve para a parte superior da câmara interna e para conservar o hidróxido de metal alcalino na parte inferior da câmara interna. 0 primeiro meio de separação também pode incluir uma porta de aspiração ligada ao sistema de vácuo e uma válvula de arranque do vácuo interligada entre a porta de aspiração e o sistema de vácuo. Dado que o hidrogénio separado presente na câmara interna se encontra sob pressão, deve ser conservado um nível hidráulico de hidróxido de metal na parte inferior da câmara interna, para evitar que o hidrogénio em gás escape quando o hidróxido de metal estiver a ser retirado. A saída do reator pode ser ligada a um bocal de vaporização, para vaporizar a referida mistura no primeiro meio de separação. 0 primeiro meio de separação também pode incluir uma porta de aspiração ligada ao sistema de vácuo e uma válvula de arranque do vácuo interligada entre a porta de aspiração e o sistema de vácuo. Também podem ser utilizados outros separadores de gás/líquido. 0 sistema também pode incluir um segundo meio de separação interligado entre o meio para receção de hidrogénio e a primeira saída do primeiro meio de separação, sendo o segundo meio de separação um desumidificador incluindo uma entrada de gás/vapor ligada à primeira saída do primeiro meio de separação, uma saída de hidrogénio ligada ao meio para receção do hidrogénio e uma saída de hidróxido de metal ligada ao meio para receção do hidróxido de metal. Pode ser interligado um dispositivo de filtragem de hidrogénio entre o desumidificador e o meio para receção do hidrogénio.
De acordo com a invenção, o sistema também pode incluir um sistema de recolha para recuperação dos reagentes de metal selecionados entre Li, Na, K, Mg e ligas provenientes do produto de reação residual contendo esses elementos ou ligas. 0 sistema de recolha inclui, então, um 14 reator de redução de hidróxido-metal, incluindo uma câmara de reação, uma entrada de residuos para alimentação do produto de reação residual, incluindo, no minimo, um hidróxido de metal para a câmara de reação para promover o contacto do produto de reação residual com um agente de redução, composto pela liga de ferro e silicone e óxido de cálcio, uma saida para extração do reator para a extração seletiva de humidade e reagente de metal vaporizado da câmara de reação. Pode ser proporcionada uma entrada para o agente de redução para alimentação de uma mistura muito fina da liga de ferro e silicone e óxido de cálcio para a câmara de reação.
Os meios para aquecimento do reator são proporcionados para o aquecimento seletivo da câmara de reação para uma temperatura de desidratação para extrair a humidade do produto de reação residual, para uma temperatura de calcinação para converter o hidróxido de metal desidratado em óxido de metal e para uma temperatura de vaporização que é superior ao ponto de ebulição do reagente de metal presente no produto de reação residual, para obter o reagente de metal vaporizado.
Um sifão de vácuo está interligado numa conduta de vácuo que liga a saida de extração do reator e o meio para formação de vácuo. 0 sifão de vácuo inclui uma saida da condensação situada na sua parte inferior e ligada a uma válvula de extração da condensação e a uma saida de ventilação situada na sua parte superior e ligada a uma válvula de ventilação. Além disso, uma válvula de extração de humidade está interligada na conduta de vácuo, entre a saida de extração e o sifão de vácuo, e são proporcionados meios para refrigeração da humidade presente no sifão de vácuo, até à temperatura de condensação da humidade. Uma conduta de extração está ligada à saida de extração do reator e a um reservatório do reagente de metal e estão instalados meios para refrigeração do reagente de metal na 15 conduta de extração para liquefazer o metal alcalino vaporizado que entra na conduta de extração, refrigerando-o até uma temperatura superior ao ponto de fusão do reagente de metal, para que o reagente de metal liquido seja disponibilizado no reservatório do reagente de metal. 0 reservatório do reagente de metal pode ser equipado com meios para aquecimento do reservatório para conservar o reagente de metal liquido no estado liquido. 0 reservatório do reagente de metal pode ser o primeiro meio de armazenamento referido anteriormente.
Os hidróxidos de metal alcalino e os hidróxidos de metal alcalino-terroso são conhecidos por serem fortemente corrosivos. Por este motivo, todos os elementos do sistema que estão em contacto com estes hidróxidos de metal devem ser feitos de e/ou recuperados com materiais resistentes à corrosão. 0 método da produção controlada de hidrogénio in situ da procura, de acordo com a invenção, é composto pela reação de um reagente de metal selecionado de metais alcalinos, metais alcalinos-terrosos, ligas de metal alcalino compostas por metais alcalinos, ligas de metal alcalino-terroso compostas por metais alcalinos-terrosos e ligas compostas por metal alcalino e metal alcalino-terroso, com água, para obter hidrogénio e um produto de reação residual composto por hidróxido de metal selecionado de hidróxidos alcalinos e hidróxidos alcalinos-terrosos; e separação de hidrogénio do produto de reação residual. Em particular, o método inclui as fases de: liquefação do reagente de metal por aquecimento para obter um reagente de metal liquido em condições de vácuo; injeção do reagente de metal liquido num reator através de meios de injeção do reagente de metal e, simultaneamente, injeção através de um sistema de injeção de água de um volume estequiométrico de água desmineralizada relativamente ao volume do reagente de metal liquido 16 injetado no reator, para que seja mantido um rácio controlado de reagente de metal/água no reator; transferência de hidrogénio e do produto de reação residual, do reator para o meio de separação; separação do hidrogénio do produto de reação residual; transferência do hidrogénio separado para o meio para receção de hidrogénio e transferência do produto de reação residual para o meio para receção de hidróxido de metal, pelo que o meio de injeção do reagente de metal, o sistema de injeção de água no reator, o meio de separação e o meio para receção de hidrogénio são mantidos sem oxigénio através da aplicação seletiva de vácuo no sistema. 0 método pode incluir adicionalmente um processo para recuperação dos reagentes de metal selecionados entre Li, Na, K, Mg e ligas provenientes do produto de reação residual, reduzindo o hidróxido de metal num reator de redução de hidróxido de metal com um agente de redução, incluindo: transferência do produto de reação residual do meio para receção de hidróxido de metal para o reator de redução de hidróxido de metal; formação de vácuo no reator de redução de hidróxido de metal contendo o produto de reação residual; sujeição do produto de reação residual a desidratação térmica no vácuo; extração da água evaporada do reator de redução de hidróxido de metal para libertar a humidade do produto de reação residual e, opcionalmente, reciclagem da água evaporada para utilizar no método de produção de hidrogénio; calcinação do produto de reação residual para converter o hidróxido de metal em óxido de metal; redução do óxido de metal, em condições de vácuo, com o agente de redução composto por uma mistura muito fina desidratada da liga de ferro e silicone e óxido de cálcio 17 desidratado através de aquecimento do óxido de metal a uma temperatura superior ao ponto de ebulição do reagente de metal presente no óxido de metal, proporcionando, desta forma, uma redução estequiométrica do óxido de metal para obtenção do reagente de metal vaporizado; extração do reagente de metal vaporizado do reator de redução e transferência do reagente de metal vaporizado para um condensador; liquefação do reagente de metal vaporizado no condensador, refrigerando-o para uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal alcalino, para obter reagente de metal liquido; transferência do reagente de metal liquido para um reservatório do reagente de metal. 0 reagente de metal liquido pode ser conservado no estado liquido no reservatório do reagente de metal. 0 metal alcalino contido no reservatório do reagente de metal pode ser injetado para o referido reator através de um dispositivo de injeção do reagente de metal ou armazenado para consumo posterior no estado sólido.
Como é notório, de acordo com a presente invenção, a recolha do reagente de metal do produto de reação residual permite a reciclagem eficaz do reagente de metal do hidróxido de metal que estiver presente no produto de reação residual produzido quando é formado o hidrogénio. A recolha baseia-se no seguinte esquema de reação que, embora especificamente referente a metais alcalinos, também é aplicável a Mg por analogia: (i) Desidratação Térmica, ou seja, calcinação de um hidróxido de metal alcalino em vácuo para obter óxido de metal alcalino e água: 2MeOH —>Me20 + H20 (ii) redução estequiométrica do óxido de metal alcalino com óxido de cálcio e liga de ferro e silicone em vácuo, para obter metal alcalino bruto, além de silicato de cálcio e ferro como subprodutos: 18 2Me20 + CaO + FeSi ->Fe + CaSi03 + 4Me (g) (iii) destilação e purificação do metal alcalino em bruto para obter metal alcalino puro:
Me (g) -> Me d, A redução estequiométrica tem sido, como tal, amplamente utilizada na indústria em ligação com a produção de metal magnésio a partir de magnésia pelo processo Pidgeon, onde a presença de oxigénio não exerce influência negativa e, assim, o processo Pidgeon não é útil para a obtenção de metais alcalinos, dado que a presença de oxigénio no ambiente iria oxidar novamente o metal alcalino ou originar a presença de água como subproduto. Por este motivo, a redução estequiométrica, de acordo com a presente invenção, é realizada em vácuo para evitar a presença de oxigénio no ambiente e, depois de desidratação térmica prévia, para evitar qualquer contacto da água produzida com o metal alcalino durante a produção. Assim, o volume do sifão de vácuo utilizado deve ser suficientemente amplo para reter toda a água produzida quando o produto de reação residual é desidratado no reator de redução.
Embora a redução estequiométrica seja termodinamicamente desfavorável, de acordo com o Principio de Chatelier, o equilíbrio pode ser orientado para o adequado, através do fornecimento contínuo de calor e a remoção de um dos produtos da reação. De acordo com a invenção, o produto da reação retirado é o metal reagente que é retirado pela destilação a uma temperatura superior ao seu ponto de ebulição. A temperatura à qual o ponto de ebulição é alcançado, é reduzida pelo vácuo aplicado em conformidade com a presente invenção, como se indica na seguinte tabela comparativa: 19
Metal Ponto de ebulição (2C a 760 mmHg) Calor de vaporização (KJ/mo!) Ponto de ebulição (2C a 20 mmHg) Ponto de ebulição (2C a 5 mmHg) Lítio 1.342 147.1 939 834 Sódio 883 96.96 574 496 Potássio 759 79.87 467 395 Rubidio 688 64 403 339 Magnésio 1.107 127.4 766 676 Cálcio 1.484 153.6 1. 031 914 Bário 1.140 140.3 809 721 0 óxido de cálcio, como adicionado em conformidade com esta invenção, tem um objetivo duplo, nomeadamente, para reagir com a sílica para formar o silicato de cálcio, retirando, desse modo, um produto da reação e para ceder calor produzido pela natureza exotérmica da reação, contribuindo, desta forma, para orientar o equilíbrio da reação para o adequado. 0 valor total previsto de energia necessária para a recolha do reagente de metal ascende a um mínimo teórico de 6,7 MWh/ton de metal a 75 MWh/ton de metal, sendo que a maioria dos metais se inclui na amplitude de 25/55 MWh/ton. Não são produzidos gases com impacto no efeito de estufa. 0 sistema da invenção pode ser concebido para a produção de hidrogénio adequado para veículos, dispositivos que necessitam de entrada de energia ou em instalações fixas autónomas, como as centrais elétricas. 0 sistema de produção de hidrogénio pode ser implementado em veículos motorizados ou noutros sistemas, isoladamente ou em conjunto com o sistema de recolha.
Assim, numa estação de serviço, o reagente de metal pode ser aquecido e bombeado no estado líquido para o primeiro meio de armazenamento e/ou diretamente num ou mais 20 cilindros do sistema de alimentação do reagente de metal, onde pode ser permitido que solidifique. Neste último caso, as câmaras das cabeças dos cilindros podem atuar como primeiros meios de armazenamento. O primeiros meio de aquecimento do reagente está, neste caso, concebido para aquecer e liquefazer uma parte do reagente de metal que se encontra próximo da saída do reagente da cabeça do cilindro. A parte liquefeita é pressionada pelo pistão através da saída e, assim, alimenta o reator. O primeiro meio de aquecimento pode ser, por exemplo, uma resistência elétrica colocada para aquecer a parte da frente da câmara da cabeça do cilindro. O hidrogénio produzido pode ser armazenado num tanque para consumo ou usado diretamente na célula de combustível, motor ou turbina. Quando o sistema para, é permitido que o reagente de metal arrefeça e solidifique.
Quando também é implementado um sistema de recolha no veículo ou outro sistema ou dispositivo que necessite de entrada de energia, o reagente de metal recuperado pode ser utilizado para a produção de hidrogénio. Neste caso, o reagente de metal recuperado pode ser transferido para o primeiro meio de armazenamento, ou seja, para um depósito separado a partir do qual é fornecido em estado liquido para a cabeça do cilindro ou diretamente na cabeça de um cilindro que não esteja a ser utilizado nesse momento para a injeção do reagente. O reservatório do reagente de metal também pode ser o mesmo elemento como primeiro meio de armazenamento ou o reagente de metal pode ser um tanque separado que pode ser removido do veículo. Numa materialização do sistema de recolha, o agente de redução é previamente carregado no reator de redução de hidróxido, por exemplo, como um briquete em forma de tubo com uma abertura interna através da qual o reagente de metal flui após a desidratação e calcinação do hidróxido de metal.
Uma vantagem do sistema da presente invenção, quando 21 implementado num veículo, é o peso do sistema ser bastante constante, na medida em que o hidróxido de metal produzido tem um peso muito similar ao do reagente de metal. Assim, quando o sistema de recolha não está implementado no veículo, o peso do reagente de metal limpo alimentado no primeiro meio de armazenamento é praticamente equivalente ao do hidróxido de metal que é removido, enquanto que, quando o sistema de recolha também está implementado no veículo, o peso do reagente de metal recolhido é praticamente equivalente ao peso do hidróxido de metal produzido.
Como é notório pela descrição anterior, a presente invenção ultrapassa as desvantagens dos conhecimentos atuais através de um novo sistema e método.
DESCRIÇÃO BREVE DOS ESQUEMAS A seguir, são descritos aspetos e materializações da invenção, com base nos esquemas, em que: A figura 1 é um diagrama de fluxo de uma materialização do processo de produção de hidrogénio de acordo com a invenção; A figura 2 apresenta uma materialização de um sistema para produção de hidrogénio de acordo com o processo apresentado na figura 1; A figura 3 é uma visualização mais detalhada do sistema apresentado na figura 2; A figura 4 apresenta uma materialização de um sistema para recolha do reagente de metal do hidróxido de metal por destilação térmica, de acordo com uma materialização da invenção.
Nestas imagens, existem referências para identificação dos seguintes elementos 1 primeiro meio de armazenamento 2 segundo meio de armazenamento 3 reator 3a entrada do primeiro reagente 22 entrada do segundo reagente saída do reator primeiro meio de separação entrada primeira saída segunda saída porta de aspiração câmara interna divisórias meio para receção de hidrogénio meio para receção de hidróxido de metal dispositivo de injeção do reagente de metal tambor cilíndrico câmara da cabeça saída do reagente entrada do reagente porta de vácuo pistão tubo de alimentação do reagente de metal válvula da alimentação do reagente de metal tubo de injeção do reagente de metal primeiro meio de aquecimento do reagente segundo meio de aquecimento do reagente sistema de vácuo tubo de vácuo válvula de vácuo válvula de controlo da pressão válvula de verificação tubo de injeção de água meio de dosagem da água meio de injeção da água bocal de vaporização meio de refrigeração segundo meio de separação entrada de gás/vapor saída de hidrogénio saída de hidróxido de metal 23 19 dispositivo de filtragem de hidrogénio 20 válvula de controlo da pressão de hidrogénio 21 a primeira válvula de extração 21 b segunda válvula de extração 22 manómetro do nível 23 válvula de arranque do vácuo 24 reator de redução de hidróxido 24a câmara de reação 24b entrada do agente de redução 24c entrada de resíduos 24d saída da extração do reator 25 meio de aquecimento do reator 26a conduta de vácuo 26b meio de formação de vácuo 26c válvula de extração da humidade 27 sifão de vácuo 27a saída da condensação 27b saída de ventilação 28 válvula de extração da condensação 29 válvula de ventilação 30 meio de refrigeração da humidade 31 conduta de extração 32 reservatório do reagente de metal 32a saída do reservatório 33 meio para refrigeração do reagente de metal 34 meio para aquecimento do reservatório 35 motor/célula de combustível/turbina 36 separadores de hidrogénio secundários 37 par termoelétrico 38 sensor de pressão 39 sensor de pressão de hidrogénio 40 válvula do reagente 41 válvula da saída do metal 24
MATERIALIZAÇÕES DA INVENÇÃO
As figuras 1 a 3 demonstram os passos básicos e os elementos da produção de hidrogénio, de acordo com uma materialização da invenção.
Os passos básicos desta materialização estão demonstrados na figura 1 e serão explicados com base num metal alcalino, como o litio ou sódio, utilizado como primeiro reagente, embora esses passos também possam ser analogamente seguidos com utilização de um metal alcalino-terroso ou ligas desses metais. 0 metal alcalino incluído no primeiro meio de armazenamento (1) é aquecido pelo primeiro meio para aquecimento do reagente (9a) a uma temperatura superior ao seu ponto de fusão e esse metal alcalino liquefeito é injetado no reator (3) através do dispositivo de injeção do reagente de metal (7). Simultaneamente, a água desmineralizada proveniente do segundo meios de armazenamento (2) também é injetada no reator (3) através do meio de injeção da água (15). 0 meio de injeção da água (15) é controlado para que forneça um fluxo de água que é sempre proporcional ao fluxo de reagente de metal injetado. Desta forma, o fluxo de água injetada é aumentado quando também aumenta o fluxo do reagente de metal, em resposta a um aumento na procura de hidrogénio e reduz quando o fluxo do reagente de metal é reduzido, em resposta a uma redução na procura de hidrogénio. A mistura de hidrogénio em gás e do produto de reação residual composto por hidróxido de metal alcalino obtido no reator (3) , é vaporizada para o primeiro meio de separação (4), onde o hidrogénio é separado do produto de reação residual. 0 produto de reação residual é retirado do primeiro meio de separação (4) e transferido para o meio de receção de hidróxido de metal (6) , que pode ser, por exemplo, um tanque ou um reator de redução como o que abaixo se descreve em referência à figura 4. 0 hidrogénio extraído é conduzido para passar por 25 um desumidificador (18) para separar a eventual presença de hidróxidos de metal alcalino ou água, depois através de um dispositivo de filtragem de hidrogénio (19) e recebido pelo meio para receção de hidrogénio (5), por exemplo, um tanque para armazenamento de hidrogénio ou um depósito de hidrogénio ligado a um motor, célula de combustível ou turbina (35) ou diretamente no motor, célula de combustível ou turbina (35) . Os vapores ou a água libertada do motor (35) , depois da produção de energia baseada no hidrogénio, são alimentados para um separador de hidrogénio secundário (36) , onde o hidrogénio remanescente nos vapores é separado da água. 0 separador de hidrogénio secundário (36) destina-se a recolher, essencialmente como medida de segurança, o hidrogénio que não reagiu quando a energia foi produzida, por exemplo, nas células de combustível. 0 hidrogénio remanescente é recolocado em circulação pelo desumidificador (18) e a água é alimentada para o segundo meio de armazenamento (2).
As figuras 2 e 3 demonstram o sistema utilizado para cumprir os passos básicos representados na figura 1 de forma mais detalhada. Como é notório, o sistema apresentado nas figuras 2 e 3 inclui o primeiro meio de armazenamento (1) para guardar um metal alcalino, como o sódio ou o lítio, o segundo meio de armazenamento (2) para guardar água desmineralizada e o reator (3), onde o metal alcalino e a água reagem para produzir hidrogénio gasoso. 0 reator (3) inclui entradas do reagente (3a, 3b) e uma saída do reator (3c), meios de separação (4, 18) ligados à saída do reator (3c) para separar o hidrogénio gasoso de um produto de reação residual composto por hidróxido de metal alcalino produzido no reator (3). 0 meio para receção de hidrogénio (5) está ligado ao primeiro meio de separação (4) para a receção do hidrogénio gasoso extraído do primeiro meio de separação (4) . 0 primeiro meio de armazenamento (1) está ligado a um 26 primeiro reagente (3a) através de um sistema de alimentação de reagente de metal gue inclui um dispositivo de injeção de metal alcalino (7) para injeção controlada de um fluxo do reagente de metal em estado liquido no reator (3) , um tubo de injeção de metal alcalino (8) ligando o dispositivo de injeção (7) à entrada do primeiro reagente (3a) e meios de aquecimento do reagente de metal (9a, 9b) para aquecimento do reagente de metal para uma temperatura superior ao ponto de fusão do reagente de metal, para transformar o reagente de metal nesse estado liquido antes de entrar no reator (3). Os meios de aquecimento do reagente (9a, 9b) incluem o primeiro meio de aquecimento do reagente (9a) instalado para aquecer, no minimo, a câmara da cabeça (7b) do dispositivo de injeção do reagente de metal alcalino, bem como o segundo meio de aquecimento do reagente (9b) instalado num tubo de injeção do metal alcalino (8) . 0 sistema de alimentação do reagente de metal também inclui meios de formação de vácuo (10a, 10b, 10c) para a formação seletiva de vácuo no primeiro sistema de alimentação, o meio da válvula de controlo do fluxo (11, 12) para controlar o fluxo do reagente de metal no reator (3) e o meio de refrigeração (1) para manter o reator (3) à temperatura de funcionamento. Os meios da válvula de controlo do fluxo (11, 12) podem ser inseridos no tubo de injeção do metal alcalino (8) e incluem uma válvula de controlo da pressão (11) instalada entre a saida do reagente (7c) e a entrada do primeiro reagente (la) e uma válvula de verificação (12) instalada entre a válvula de controlo da pressão (11) e a entrada do primeiro reagente (la), para evitar refluxos do reator (3). Os meios para formação de vácuo (10a, 10b, 10c) também incluem um sistema de vácuo (10a) ligado à porta de vácuo (7d) através de um tubo de vácuo (10b) e uma válvula de vácuo (10c) inserida no tubo de vácuo (10b). 27 0 segundo meio de armazenamento (2) está ligado a uma entrada do segundo reagente (3b) através de um sistema de alimentação de água que inclui um tubo de injeção de água (13) que liga o segundo meio de armazenamento (2) à entrada do segundo reagente (3b), ao meio de dosagem da água (14) para doseamento da água a injetar no reator (3) e ao meio de injeção da água (15) ligado à entrada do segundo reagente. 0 meio da válvula de controlo do fluxo (11) e o meio da dosagem da água (14) são válvulas controladas pelo meio de controlo do rácio para que o meio de dosagem da água (14) proporcione sempre um volume estequiométrico de água relativamente ao volume do reagente de metal a ser injetado no reator (3) para que seja mantido no reator (3) um rácio de reagente de metal/água controlado. A válvula de controlo do fluxo (11) e a válvula de dosagem da água (14) mantêm, desta forma, um relacionamento de "Mestre/Escravo" (M/S), onde a válvula de controlo do fluxo (11) é "mestre" e a válvula de dosagem da água (14) é "escravo". 0 dispositivo de injeção de metal alcalino (7) inclui um tambor cilindrico (7a) e a câmara da cabeça, acima mencionada (7b), para alojar o reagente de metal liquido e uma sarda do reagente (7c) , ligada ao tubo de injeção do metal alcalino (8). Uma entrada do reagente (7d) está ligada ao primeiro meio de armazenamento (1) através de um tubo de alimentação do reagente (7g) e uma válvula de alimentação do reagente (7 i) ligada entre a entrada do reagente (7c) e o primeiro meio de armazenamento (1) . 0 dispositivo de injeção do metal alcalino inclui ainda uma porta de vácuo (7e) ligada aos meios para formação de vácuo (10a, 10b, 10c) e um pistão (7f) móvel no tambor cilindrico (7a) para uma primeira posição pela qual o metal alcalino é aspirado para a câmara da cabeça (7b) através da entrada do reagente (7e) e para uma segunda posição pela qual o fluxo do metal alcalino liquido é expelido da câmara da cabeça 28 (7b) através da saída do reagente (7c) para o tubo de injeção do metal alcalino (8).
Os meios de separação (4, 18) incluem o primeiro meio de separação (4) ligado à saída do reator (3) e incluem também uma entrada (4a) ligada à saída do reator (3c) para receção de uma mistura de hidrogénio e o produto da reação residual formado no reator, uma primeira saída (4b) ligada ao meio para receção do hidrogénio (5) e uma segunda saída (4c) ligada ao meio para receção do hidróxido de metal (6) fornecido para receber o produto de reação residual extraído do primeiro meio de separação (4). Na materialização apresentada nas figuras 2 e 3, o primeiro meio de separação (4) inclui um separador estático com uma câmara interna (4e) com divisórias inclinadas (4f) instaladas para formar um caminho labiríntico entre a entrada (4a) e a primeira saída (4b) para permitir a passagem do hidrogénio em gás leve para a parte superior da câmara interna (4a) e para conservar o hidróxido de metal alcalino na parte inferior da câmara interna (4a) . 0 primeiro meio de separação (5) inclui ainda uma porta de aspiração (4d) ligada ao sistema de vácuo (10a) e uma válvula de arranque do vácuo (23) interligada entre a porta de aspiração (4d) e o sistema de vácuo (10a) , pelo que, quando é iniciada a produção de hidrogénio, todo o sistema fica em condições de vácuo. Depois de iniciada a produção de hidrogénio, o hidrogénio formado aumenta progressivamente a pressão no sistema, pelo que é criada uma atmosfera de hidrogénio a partir do reator para o meio de receção de hidrogénio (5) e para o motor, células de combustível ou turbina, conforme aplicável. Em caso de emergência, o hidrogénio presente no sistema de formação de hidrogénio pode ser evacuado através do sistema de vácuo. A saída do reator (3c) está ligada a um bocal de vaporização (16), para vaporizar a referida mistura no primeiro meio de separação (4). 29 0 sistema também inclui um segundo meio de separação (18) interligado entre o meio para receção de hidrogénio (5) e a primeira saida (4b) do primeiro meio de separação (4), sendo o segundo meio de separação (18) um separador de gotículas que inclui uma entrada de gás/vapor (18a) ligada à primeira saída do primeiro meio de separação (4), uma saída de hidrogénio (18b) ligada ao meio para receção do hidrogénio (5) e uma saída de hidróxido de metal (18c) ligada ao meio para receção do hidróxido de metal (6). Um dispositivo de filtragem de hidrogénio está interligado entre o separador de gotículas (19) e o meio para receção de hidrogénio (5). A produção de hidrogénio com o sistema descrito, relativamente às figuras 1-3, pode ser executado como se segue.
Quando o pistão (7 f) do dispositivo de injeção de metal (7) está na sua primeira posição, a válvula de vácuo (10c) está aberta, enquanto que a válvula de alimentação do reagente (7i) e a válvula de controlo da pressão (11) estão fechadas, pelo que o vácuo é formado na câmara da cabeça (7b), na entrada do reagente (7d), na saída do reagente (7c) , no tubo de vácuo (10b) e na parte do tubo de injeção do reagente de metal (8), compreendida entre a saida do reator (7c) e a válvula de controlo da pressão (11). Nesta fase, a válvula de controlo da pressão do hidrogénio (20), a primeira válvula de extração (21a) e a segunda válvula de extração (21b) estão fechadas e também é formado vácuo no reator (3), no primeiro meio de separação (4), no separador de gotículas (18), no dispositivo de filtragem do hidrogénio (19) e nas condutas e tubos que ligam estes elementos, abrindo a válvula de arranque do vácuo (23) . 0 vácuo é formado pelo sistema de vácuo (10a).
Depois de o vácuo formado no sistema, a válvula de vácuo (10c) fecha, a válvula de alimentação do reagente (7i) abre e o pistão (7f) é deslocado para a sua segunda 30 posição, para que o metal alcalino liquido fundido seja aspirado do primeiro meio de armazenamento (1), através do tubo de alimentação do reagente /7g) e da entrada do reagente (7d), para a câmara da cabeça (7b). Em simultâneo, os meios de aquecimento (9a, 9b), respetivamente, aqueçam a câmara da cabeça (7b) e o tubo de injeção do reagente de metal (8), para manter a condição líquida do metal alcalino antes de entrar no reator (3) . A temperatura é controlada por par termoelétrico (37).
Ao deslocar o pistão (7 f) parta a sua primeira posição, um fluxo controlado de metal alcalino líquido é pressionado através do tubo de injeção do reagente de metal (8) e injetado através da entrada do primeiro reagente (3a) no reator (3). O fluxo do metal alcalino líquido é controlado pela válvula de controlo da pressão (11) e os retrocessos do reator (3) são evitados pela válvula de verificação (12). Simultaneamente, um volume controlado de água desmineralizada do segundo meio de armazenamento (2) é injetado por ação de uma bomba de injeção (não representada nos esquemas) através do tubo de injeção de água (13) e a entrada do segundo reagente (3b) para o reator (3) . O volume de água injetada é doseado pelo meio de dosagem da água (14), ou seja, uma válvula de dosagem, pelo que o volume de água injetado é sempre estequiométrico relativamente ao fluxo do metal alcalino líquido injetado. Para este objetivo, a válvula de controlo da pressão (11) e a válvula de dosagem (12) são controladas pelo sistema M/S anteriormente descrito. Ao injetar simultaneamente o metal alcalino e a água, é formada uma mistura de reação homogénea. A duração no reator (3), ou seja, o tempo em que os reagentes se mantêm no reator (3) para um determinado nível de produção de hidrogénio, depende do reagente de metal ou liga utilizado. A reação é praticamente instantânea ou, pelo menos, muito rápida e a pressão produzida no reator pela reação é 31 controlado por um sensor de pressão (38), pelo que, quando a pressão no reator (3) excede um limite predeterminado, como, por exemplo, na eventualidade de obstrução do bocal de vaporização (16), o fornecimento de metal alcalino liquido e de água é parado. 0 hidrogénio e o hidróxido de metal que se mantêm no reator (3) podem ser removidos através de descarga de água no reator (3) . 0 excesso de calor produzido no reator (3) pela reação exotérmica do metal alcalino líquido com água, é eliminado pelo meio de refrigeração (17), quando, por exemplo, um circuito com fluido de refrigeração, como a água, pode ser ligado a outros elementos do sistema, como o primeiro e/ou segundo meio de aquecimento do reagente de metal (9a, 9b), para transmitir a respetiva energia térmica. A mistura de hidrogénio e do hidróxido de metal alcalino vaporizado deixa o reator (3) através da saída do reator (3c) e é vigorosamente vaporizada pelo bocal vaporizador (16) através da entrada (4a) para o separador estático (4) . 0 hidrogénio em gás é recolhido na parte superior da câmara interna (4e) do separador estático, enquanto o metal alcalino vaporizado arrefece e, desta forma, adquire o estado líquido e, por este motivo, acumula-se principalmente na parte inferior da referida câmara interna (4a), a partir de onde é transferido para o meio de receção de metal (6) através da abertura da segunda válvula de extração (21b) quando o manómetro do nível (22) deteta que o nível do hidróxido de metal alcalino excede um limite predeterminado. Na operação do sistema de produção de hidrogénio, um nível hidráulico predeterminado de hidróxido de metal alcalino é mantido na parte inferior da câmara interna (4e) para evitar que o hidrogénio pressurizado presente na câmara interna (4e) escape, quando o hidróxido de metal alcalino é retirado. sao 0 hidrogénio e o eventualmente existente metal alcalino vaporizado recolhido na parte superior 32 transferidos através da primeira saída (4b) pela entrada de gás/vapor (18a) para o separador de gotículas (18) , onde o ainda existente metal alcalino vaporizado é liquefeito e, assim, separado do hidrogénio e transferido o meio de receção do hidróxido de metal (6), abrindo a segunda válvula de extração (21b). 0 hidrogénio separado no separador de gotículas (18) é extraído e conduzido através do meio de filtragem de hidrogénio (19) para o meio de receção de hidrogénio (5) abrindo a válvula de pressão do hidrogénio (20) que controla o fluxo de hidrogénio sob controlo de um sensor da pressão de hidrogénio (39). A figura 4 demonstra uma materialização de um sistema de recolha para recuperação do metal alcalino do produto de reação residual. O sistema de recolha inclui um reator de redução de hidróxido de metal (24), incluindo uma câmara de reação (24a) com uma entrada de agente de redução (24b) para alimentação de um agente de redução, incluindo uma mistura muito fina de liga de ferro e silicone e óxido de cálcio para a câmara de reação (24a) , uma entrada de resíduos (24c) para alimentação do produto de reação residual, incluindo, no mínimo, um hidróxido de metal alcalino para a câmara de reação (24a), uma saída de extração do reator (24d) para a extração seletiva de humidade e de metal alcalino vaporizado da câmara de reação (24a). O reator de redução (24) está equipado com o meio para aquecimento do reator (25) para o aquecimento seletivo da câmara de reação (24a) para uma temperatura de desidratação para extrair a humidade do produto de reação residual, para uma temperatura de calcinação para converter o hidróxido de metal alcalino desidratado em óxido de metal alcalino e para uma temperatura de vaporização que é superior ao ponto de ebulição do metal alcalino presente no produto de reação residual, para obter o metal alcalino vaporizado. 33
Um sifão de vácuo (27) está interligado numa conduta de vácuo (26a) entre a saida de extração (24d) e o meio para formação de vácuo (26b) . 0 sifão de vácuo (27) inclui uma saida da condensação (27a) situada na sua parte inferior e ligada a uma válvula de extração da condensação (28) e uma saida de ventilação (27b) situada na sua parte superior e ligada a uma válvula de ventilação (29) . Uma válvula de extração de humidade (26c) está interligada na conduta de vácuo (26a), entre a saida de extração (24a) e o sifão de vácuo (27), e são proporcionados meios para refrigeração da humidade (30) presente no sifão de vácuo (24), até à temperatura de condensação da humidade. Uma conduta de extração (31) está ligada à saída da extração do reator (24d) e a um reservatório de metal alcalino (32). O meio de refrigeração do metal alcalino (33) está instalado na conduta de extração (31) para liquefazer o metal alcalino vaporizado que entra na conduta de extração (31), refrigerando-o até uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal alcalino, para que esse metal alcalino líquido seja disponibilizado no reservatório do metal alcalino (32). O reservatório do metal alcalino (32) está equipado com meio para aquecimento do reservatório (34) para conservar o material alcalino líquido no estado líquido. O reservatório de metal alcalino pode ser o primeiro meio de armazenamento (1) aqui referido relativamente às figuras 1-3. A recuperação do metal alcalino com o sistema de recolha, de acordo com a materialização demonstrada na figura 4, é realizada da seguinte forma: O hidróxido alcalino residual é colocado na câmara de reação (24a) do reator de redução de hidróxido (24) . Com a válvula de condensação (28), a válvula de ventilação (29) e a válvula de alimentação do reagente (7 i) permanecendo fechadas, a válvula de extração da humidade (26c) é aberta, pelo que, por ação do bomba de vácuo 34 (26b), pode ser criado um vácuo no sistema de recolha. A temperatura no reator (24) é então aumentada por ação do meio de aquecimento do reator (25) em 100°C, para destilar totalmente qualquer humidade como a água cristalizada ou a humidade absorvida do hidróxido de metal alcalino. Assim, a humidade evapora-se através da saida de extração do reator (24d) e é conduzida através da conduta de vácuo (26a) para o sifão do vácuo (27) e ai condensada por ação do meio de refrigeração da humidade (30), pelo que a água liquida se acumula na parte inferior do sifão do vácuo (27) . A água liquida pode ser extraída quebrando o vácuo, através da abertura da válvula de ventilação (29) e a abertura da válvula de extração da condensação (28), para que a água possa fluir através da saída de condensação (27a). O volume do sifão do vácuo (27) deve ser suficiente para alojar toda a humidade destilada do hidróxido de metal alcalino colocado no reator de redução de hidróxido (24).
Depois de a desidratação estar concluída, o hidróxido de metal alcalino desidratado é, então, calcinado para óxido de metal alcalino. Uma mistura homogénea de liga de ferro e silicone muito fina e desidratada e de óxido de cálcio é introduzida no reator (24), abrindo a válvula do reagente (24), para que a mistura possa fluir através da entrada do agente de redução do reator (24b) para a câmara de reação (24a). Depois de alcançado um vácuo predeterminado na câmara de reação (24a), a válvula de extração da humidade (26c) e a bomba de vácuo (26b) são paradas. A temperatura na câmara de reação (24a) é, então, aumentada pelo meio de aquecimento do reator (25) para uma temperatura superior ao ponto de ebulição do metal alcalino incluído no óxido de metal alcalino à pressão de trabalçho de vácuo existente na câmara do reator (24a), pelo que este metal alcalino vaporiza através da saída de extração do reator (24d) para a conduta de extração (31), onde o metal 35 alcalino extraído é arrefecido pelo meio de refrigeração do metal alcalino (30) para uma temperatura ligeiramente superior ao ponto de fusão do metal alcalino, originando, desta forma, que o metal alcalino vaporizado condense até se liquefazer. 0 metal alcalino líquido desce para o reservatório do metal alcalino (32) e acumula-se na respetiva parte inferior, onde é conservado na sua condição líquida pelo meio de aquecimento do reservatório (34) e a partir de onde pode ser extraído através da saída do reservatório (32a), abrindo a válvula de saída do metal (41) .
Como se demonstra na figura 4 pelos números de referência colocados entre parêntesis, o reservatório do metal alcalino (32) pode ser o primeiro meio de armazenamento (1), dado que a saída do reservatório (32a) e a válvula de saída do metal (41) funcionam, respetivamente, como tubo de alimentação do reator (7 g) e válvula de alimentação do reagente (7i) anteriormente referida com referência às figuras 2 e 3, pelo que o sistema de recolha de metal apresentado na figura 4 é integrado no sistema de produção de hidrogénio apresentado nas figuras 1-3.
Numa materialização alternativa do reator de redução (24), o agente de redução é previamente carregado no reator de redução do hidróxido (24) como um briquete em forma de tubo feito de uma mistura homogénea de liga de ferro e silicone e de óxido de cálcio. O briquete tem uma abertura axial que liga a entrada dos resíduos (24c) à saída da extração do reator (24d). O hidróxido de metal alcalino é inserido na abertura axial. A desidratação e a calcinação são realizadas na abertura axial, como anteriormente descrito com referência à figura 4. O óxido de metal alcalino obtido após a calcinação é, então, aquecido para que ocorra a redução química térmica de silicone e para ser obtido o reagente de metal vaporizado. Dado que o óxido de metal alcalino está em contacto com a superfície da 36 abertura axial, o óxido de metal alcalino reage com a liga de ferro e silicone e o óxido de cálcio e é convertido em metal alcalino que é extraido através da saida de extração do reator (24), no estado de vaporização. Assim, a abertura axial atua como câmara de reação (35) , aquecida pelo meio de aquecimento do reator (25) . 0 subsequente processamento da humidade obtida pela desidratação e calcinação e pelo metal alcalino vaporizado é análogo ao descrito anteriormente com referência à figura 4.
Depois de concluída a redução química térmica de silicone, os subprodutos resultantes, Fe e CaSi03, podem ser removidos da abertura axial pela "descarga" de um fluxo controlado de ar comprimido na abertura axial. 37
REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO A lista de referências citadas pelo titular destina-se apenas à comodidade do leitor. Não é parte integrante do documento de Patente Europeia. Apesar do grande cuidado aplicado na compilação das referências, não pode ser excluída a possibilidade de ocorrência de erros ou omissões e a EPO renuncia a qualquer responsabilidade relacionada com este facto.
Documentos de patentes US 2006011659A1 [0002] US 6245309 BI [0003] US 6461408 B2 [0003] US 20040065542 Al [0003] US 20050036941 Al [0003] US 200910274595 Al [0003] US 4988486 A [0003] citadas na descrição US 7052658 B2 [0003] US 4156635 A [0006] US 4498927 A [0006] US 4980136 A [0006] US 20060117659A1 [0006] US 3985866 A [0006]

Claims (21)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Um sistema de produção de hidrogénio para produção controlada de hidrogénio in situ da procura, composto por primeiro meio de armazenamento (1), para guardar um primeiro reagente e um segundo meio de armazenamento (2) para guardar água desmineralizada como segundo reagente; um reator (3) , onde os reagentes são colocados para reagirem, produzindo hidrogénio gasoso, sendo o reator (3) composto por entradas de reagentes (3a, 3b) e uma saida do reator (3c); meios de injeção (7, 8) para a injeção controlada do fluxo do primeiro reagente aquecido acima do seu ponto de fusão no reator (3); um sistema de injeção de água (13, 14, 15) para injeção da água desmineralizada no reator (3) ; meios de separação (4, 18) ligados à saida do reator (3c) para separar o hidrogénio gasoso de um produto de reação residual, produzido pelo reator (3); e meio para receção de hidrogénio (5) ligado ao primeiro meio de separação (4) para receção do hidrogénio gasoso extraído do primeiro meio de separação (4); caracterizado por o primeiro reagente é um reagente de metal selecionado de metais alcalinos, metais alcalinos-terrosos, ligas de metal alcalino compostas por metais alcalinos, ligas de metal alcalino-terroso compostas por metais alcalinos-terrosos e ligas compostas por metal alcalino e metal alcalino-terroso e o produto de reação residual composto por hidróxido de metal selecionado de hidróxidos de metal alcalino e hidróxidos de metal alcalino-terroso; os meios de injeção (7, 8) são meios de injeção de reagente de metal (7, 8); o sistema de injeção de água (13, 14, 15) destina-se à injeção, em cada momento, de um volume estequiométrico de água, relativamente ao volume de reagente de metal que é injetado no reator (3) para que seja mantido um rácio controlado de reagente de metal/água no reator (3); 2 e por incluir ainda meios (10a, 10b, 10c) para conservar os meios de armazenamento (1, 2), os meios de injeção de reagente de metal (7, 8), o sistema de injeção de água (13, 14, 15), o reator (3), os meios de separação (4, 8) e o meio para receção de hidrogénio (5) , sem oxigénio, através do fornecimento seletivo de vácuo no sistema.
2. Um sistema de produção de hidrogénio, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o primeiro meio de armazenamento (1) está ligado a uma entrada do primeiro reagente (3a) através de um sistema de alimentação de reagente de metal composto por pelo menos, um dispositivo de injeção de metal (7) para injeção controlada de um fluxo do reagente de metal em estado liquido no reator (3) , um tubo de injeção de reagente de metal (8), que liga o dispositivo de injeção (7) à entrada do primeiro reagente (3a) ; meios de aquecimento do reagente (9a, 9b) para aquecimento do reagente de metal para a referida temperatura superior ao ponto de fusão do reagente de metal, para transformar o reagente de metal nesse estado liquido antes de entrar no reator (3); meios de formação de vácuo (10a, 10b, 10c) para formação seletiva de vácuo no primeiro sistema de alimentação, os meios de armazenamento (1, 2), o sistema de injeção da água (13, 14, 15), o reator (3), os meios de separação (4, 18) e o meio para receção de hidrogénio (5), sem oxigénio; meios de válvula de controlo do fluxo (11, 12) para controlar o fluxo do reagente de metal no reator (3); meio de refrigeração (17), para manutenção do reator (3) à temperatura de funcionamento; o segundo meio de armazenamento (2) está ligado a uma entrada do segundo reagente (3b) através de um sistema de alimentação de água que inclui um tubo de injeção de água 3 (13) que liga o segundo meio de armazenamento (2) à entrada do segundo reagente (3b), ao meio de dosagem da água (14) para doseamento da água a injetar no reator (3) e ao meio de injeção da água (15) ligado à entrada do segundo reagente (3b); o meio da válvula de controlo do fluxo (11) e o meio da dosagem da água (14) são controladas pelo meio de controlo do rácio para que o meio de dosagem da água (14) proporcione sempre o referido volume estequiométrico de água para que seja mantido esse rácio de reagente de metal/água controlado no reator (3).
3. Um sistema de produção de hidrogénio, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo meio de refrigeração (17) do reator (3) estar termicamente ligado ao primeiro e/ou ao segundo meio de aquecimento reativo (9a, 9b), através de um circuito com um fluido refrigerante, pelo que o calor produzido no reator (3) é utilizado para aquecer o reagente de metal antes de ser injetado no reator (3).
4. Um sistema de produção de hidrogénio, de acordo com as reivindicações 2 ou 3, caracterizado por dispositivo de injeção de metal (7) composto por um tambor cilíndrico (7a), câmara da cabeça (7b) para alojar o reagente de metal líquido e composta por uma saída de reagente (7c), ligada ao tubo de injeção de metal (8), uma entrada de reagente (7d) ligada ao primeiro meio de armazenamento (1) através do tubo de alimentação do reagente de metal (7 g) e uma válvula de alimentação do reagente de metal (7i) ligada entre a entrada do reagente (7d) e o primeiro meio de armazenamento (1); porta de vácuo (7e) ligada aos meios de formação de vácuo (10a, 10b, 10c); pistão (7 f) amovível no tambor cilíndrico (7a) para a primeira posição, onde o reagente de metal é aspirado para 4 a câmara da cabeça (7b) através da entrada do reagente (7e) e para uma segunda posição, onde o fluxo do reagente de metal é expelido da câmara da cabeça (7b) através da saida do reagente (7c) para o tubo de injeção do reagente de metal (8).
5. Um sistema de produção de hidrogénio, de acordo com as reivindicações 3 ou 4, caracterizado pelos meios da válvula de controlo do fluxo (11, 12) estarem inseridos no tubo de injeção do reagente de metal (8) e composto por válvula de controlo da pressão (11) instalada entre a saida do reagente (7c) e a entrada do primeiro reagente (3a); válvula de verificação (12) instalada entre a válvula de controlo da pressão (11) e a entrada do primeiro reagente (3a), para evitar refluxos do reator (3).
6. Um sistema de produção de hidrogénio, de acordo com as reivindicações 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelos meios de formação de vácuo (10a, 10b, 10c), composto por um sistema de vácuo (10a) ligado à porta de vácuo (7e) através de um tubo de vácuo (10b) e uma válvula de vácuo (10c) inserida no tubo de vácuo (10b).
7. Um sistema de produção de hidrogénio, de acordo com as reivindicações 4-6, caracterizado pelos meios de aquecimento do reagente (9a, 9b), composto pelo meio de aquecimento do primeiro reagente (9a) instalado para aquecer, pelo menos, a câmara da cabeça (7b) do dispositivo de injeção do reagente de metal (7).
8. Um sistema de produção de hidrogénio, de acordo com qualquer das reivindicações 4-7, caracterizado pelos meios de aquecimento do reagente (9a, 9b), composto pelo meio de aquecimento do segundo reagente (9b) instalado no tubo de injeção do reagente de metal (8). 5
9. Um sistema de produção de hidrogénio, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado pelos meios de separação (4, 18) compostos pelo primeiro meio de separação (4) ligado à saida do reator (3c) e que incluem uma entrada (4a) ligada à saida do reator (3c) para receção de uma mistura de hidrogénio e o produto da reação residual formado no reator, uma primeira saida (4b) ligada ao meio para receção do hidrogénio (5) e uma segunda saida (4c) ligada ao meio para receção do hidróxido de metal (6) fornecido para receber o produto de reação residual extraído do primeiro meio de separação (4).
10. Um sistema de produção de hidrogénio, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pela saída do reator (3c) estar ligada a um bocal de vaporização (16) para vaporizar a referida mistura no primeiro meio de separação (4).
11. Um sistema de produção de hidrogénio, de acordo com as reivindicações 9 ou 10, caracterizado pelo primeiro meio de separação (4) ser composto por uma porta de aspiração ligada ao sistema de vácuo (10a) e uma válvula de arranque do vácuo (23) interligada entre a porta de aspiração 84d) e o sistema de vácuo (10a).
12. Um sistema de produção de hidrogénio, de acordo com as reivindicações 9, 10 ou 11, caracterizado por incluir um segundo meio de separação (18) interligado entre o meio para receção de hidrogénio (5) e a primeira saída (4b) do primeiro meio de separação (4) , sendo o segundo meio de separação (18) um separador de gotículas que inclui uma entrada de gás/vapor (18a) ligada à primeira saída do primeiro meio de separação (4), uma saída de hidrogénio (18b) ligada ao meio para receção do hidrogénio (5) e uma saída de hidróxido de metal (18c) ligada ao meio para receção do hidróxido de metal (6). 6
13. Um sistema de produção de hidrogénio, de acordo com as reivindicações 9, 10 ou 11, caracterlzado por incluir um dispositivo de filtragem de hidrogénio (19) interligado entre o separador de goticulas (18) e o meio para receção do hidrogénio (5) .
14. Um sistema de produção de hidrogénio, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por incluir, ainda, um reator de redução de hidróxido-metal (24), composto por uma câmara de reação (24a), uma entrada de resíduos (24c) para alimentação do produto de reação residual, incluindo, no mínimo, um hidróxido de metal para a câmara de reação (24a) para promover o contacto do produto de reação residual com um agente de redução, composto por liga de ferro e silicone e óxido de cálcio, uma saída para extração do reator (24d) para a extração seletiva de humidade e reagente de metal vaporizado da câmara de reação (24a); meios para aquecimento do reator (25) para o aquecimento seletivo da câmara de reação (24a) para uma temperatura de desidratação para extrair a humidade do produto de reação residual, para uma temperatura de calcinação para converter o hidróxido de metal desidratado em óxido de metal e para uma temperatura de vaporização que é superior ao ponto de ebulição do reagente de metal alcalino presente no produto de reação residual, para obter o metal alcalino vaporizado; conduta de vácuo (26a) ligada à saída de extração (24d) a ao meio de formação de vácuo (26b); sifão de vácuo (27) interligado na conduta de vácuo (26a) entre a saída de extração (24d) e o meio de formação de vácuo (26b), o sifão de vácuo (27) composto por uma saída da condensação (27a) situada na sua parte inferior e ligada a uma válvula de extração da condensação (28) e uma saída de ventilação (27b) situada na sua parte superior e ligada 7 a uma válvula de ventilação (29) ; válvula de extração de humidade (26c) interligada na conduta de vácuo (26a), entre a sarda de extração (24a) e o sifão de vácuo (27); meios de refrigeração de humidade (30) para arrefecer a humidade presente no sifão de vácuo (24) até à temperatura de condensação da humidade; conduta de extração (31) ligada à saída da extração do reator (24d) e a um reservatório de metal alcalino (32); meio de refrigeração do metal alcalino (33) instalado na conduta de extração (31) para liquefazer o metal alcalino vaporizado que entra na conduta de extração (31), refrigerando-o até uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal alcalino, para que esse metal alcalino líquido seja disponibilizado no reservatório do metal alcalino (32) .
15. Um sistema de produção de hidrogénio, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo reservatório do metal alcalino estar equipado com meio de aquecimento do reservatório (34) para manutenção do material alcalino líquido no estado líquido.
16. Um sistema de produção de hidrogénio, de acordo com as reivindicações 14 ou 15, caracterizado pelo reservatório do metal alcalino (32) ser considerado o primeiro meio de armazenamento (1).
17. Um sistema de produção de hidrogénio, de acordo com as reivindicações 14, 15 ou 16, caracterizado pelo reator de redução de hidróxido de metal (24) ser composto por uma entrada do agente de redução (24b) para alimentação de uma mistura muito fina da liga de ferro e silicone e de óxido de cálcio para a câmara de reação (24a). 8
18. Método da produção controlada de hidrogénio in situ da procura, é composto pela reação de um reagente de metal selecionado de metais alcalinos, metais alcalinos-terrosos, ligas de metal alcalino, compostas por metais alcalinos, ligas de metais alcalino-terroso compostas por metais alcalinos-terrosos e ligas compostas por metal alcalino e metal alcalino-terroso, com água, para obter hidrogénio e um produto de reação residual composto por hidróxido de metal selecionado de hidróxidos alcalinos e hidróxidos alcalinos-terrosos; e separação de hidrogénio do produto de reação residual; caracterizado pelo método ser composto por liquefação do reagente de metal por aquecimento, para obter um reagente metal liquido em condições de vácuo; injeção do reagente de metal liquido num reator (3) através de meios de injeção do reagente de metal (7, 8) e, simultaneamente, injeção através de um sistema de injeção de água (13, 14, 15) de um volume estequiométrico de água desmineralizada relativamente ao volume do reagente de metal liquido injetado no reator (3), para que seja mantido um rácio controlado de reagente de metal/água no reator (3) ; transferência de hidrogénio e do produto de reação residual, do reator (3) para os meios de separação (4, 18); separação do hidrogénio do produto de reação residual; transferência do hidrogénio separado para o meio para receção de hidrogénio (5) e transferência do produto de reação residual para o meio para receção de hidróxido de metal (6), pelo que os meios de injeção do reagente de metal (7, 8) , o sistema de injeção de água no reator (13, 14, 15), os meios de separação (4, 18) e o meio para receção de hidrogénio (5) são mantidos sem oxigénio através da aplicação seletiva de vácuo no sistema.
19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo metal alcalino recolhido do hidróxido de 9 metal alcalino presente no produto de reação residual, através da redução do hidróxido de metal alcalino para o reator de redução de hidróxido de metal (24), com uma variedade de agentes de redução, através de um processo composto por: transferência do produto de reação residual do meio para receção de hidróxido de metal (6) para o reator de redução de hidróxido de metal (24) ; formação de vácuo no reator de redução de hidróxido de metal (24) contendo o produto de reação residual; sujeição do produto de reação residual à desidratação térmica no vácuo; extração da água evaporada do reator de redução do hidróxido (24) para conservar o produto de reação residual sem humidade; calcinação do produto de reação residual para converter o hidróxido de metal em óxido de metal; redução do óxido de metal, em condições de vácuo, com o agente de redução composto por uma mistura muito fina desidratada da liga de ferro e silicone e óxido de cálcio desidratado através de aquecimento do óxido de metal no reator (24) a uma temperatura superior ao ponto de ebulição do reagente de metal presente no óxido de metal, proporcionando, desta forma, uma redução estequiométrica do óxido de metal para obtenção do reagente de metal vaporizado; extração do metal alcalino vaporizado do reator de redução do hidróxido (24) e transferência do metal alcalino vaporizado para um condensador; liquefação do metal alcalino vaporizado no condensador, refrigerando-o para uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal alcalino, para obter metal alcalino líquido; transferência do metal alcalino líquido para um reservatório de metal alcalino (32).
20. Método, de acordo com a reivindicação 19, 10 caracterizado pelo material alcalino ser conservado no estado líquido no reservatório de metal alcalino (32) .
21. Método, de acordo com as reivindicações 19 ou 20, caracterizado pelo metal alcalino contido no reservatório de metal alcalino (32) ser injetado no referido reator (3) por um dispositivo de injeção do reagente de metal (7) .
PT101627719T 2010-05-13 2010-05-13 Sistema para o controlo de produção de hidrogénio in situ da procura, utilizando um reagente de metal líquido reciclável e método utilizado no sistema PT2394953E (pt)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP10162771A EP2394953B1 (en) 2010-05-13 2010-05-13 A system for controlled on demand in situ hydrogen generation using a recyclable liquid metal reagent, and method used in the system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
PT2394953E true PT2394953E (pt) 2012-12-04

Family

ID=42756869

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PT101627719T PT2394953E (pt) 2010-05-13 2010-05-13 Sistema para o controlo de produção de hidrogénio in situ da procura, utilizando um reagente de metal líquido reciclável e método utilizado no sistema

Country Status (14)

Country Link
US (1) US8696936B2 (pt)
EP (1) EP2394953B1 (pt)
JP (1) JP5834069B2 (pt)
KR (1) KR20130100055A (pt)
CN (1) CN102933488B (pt)
AU (1) AU2011252133B2 (pt)
BR (1) BR112012029030A2 (pt)
CA (1) CA2799124A1 (pt)
CO (1) CO6640273A2 (pt)
ES (1) ES2392939T3 (pt)
MX (1) MX2012013208A (pt)
PT (1) PT2394953E (pt)
RU (1) RU2555022C2 (pt)
WO (1) WO2011141413A1 (pt)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106744679A (zh) * 2016-12-29 2017-05-31 云南靖创液态金属热控技术研发有限公司 制氢方法及机构

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9376317B2 (en) * 2010-01-06 2016-06-28 Yasuo Ishikawa Method of generating hydrogen
DK2712945T3 (en) * 2012-09-28 2018-06-25 H Tec Systems Gmbh Electrolysis Device
CN103979488B (zh) * 2013-02-07 2016-04-06 北京华泰天成科技发展有限公司 采用金属镁连续生产氢气和氢氧化镁的工艺
CN103979489B (zh) * 2013-02-07 2016-04-06 北京华泰天成科技发展有限公司 采用金属镁或铝连续制氢的热电联供工艺
AT516101A1 (de) * 2014-07-25 2016-02-15 Tech Universität Graz Verfahren
ES2716423T3 (es) 2015-05-20 2019-06-12 Drage & Mate Int S L Un sistema y un procedimiento para generar hidrógeno
US20180370795A1 (en) * 2016-06-22 2018-12-27 Earl Lorenzo Hamm Apparatus and method for hydrogen production from an alkali metal and hydrogen dioxide
WO2018194442A1 (en) * 2017-04-22 2018-10-25 Galaxy Fct Sdn. Bhd. Device for generating hydrogen gas
CN107285276A (zh) * 2017-06-29 2017-10-24 中国科学院理化技术研究所 一种制氢系统及其方法
CA2996961A1 (fr) 2018-03-01 2019-09-01 Hydro-Quebec Inhibiteur pour metaux alcalins et alcalino-terreux
DE102022119806A1 (de) 2022-08-05 2024-02-08 Metaliq GmbH Verfahren und System zur Natriumcarbonatherstellung
WO2024069211A1 (en) * 2022-09-28 2024-04-04 Volvo Truck Corporation Oxidization reactor for hydrogen fuel cell vehicle
CN116688867B (zh) * 2023-08-07 2023-10-20 内蒙古默锐能源材料有限公司 一种液体金属微量定量进料装置及其使用方法

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3287085A (en) * 1963-10-15 1966-11-22 Du Pont Conversion of sodium or potassium to its hydroxide of cyanide
FR2167352A5 (pt) * 1972-01-13 1973-08-24 Gaz De France
US3985866A (en) * 1974-10-07 1976-10-12 Hitachi Shipbuilding And Engineering Co., Ltd. Method of producing high-pressure hydrogen containing gas for use as a power source
JPS5142284A (ja) * 1974-10-07 1976-04-09 Hitachi Shipbuilding Eng Co Koatsugasuhatsuseihoho
US4156635A (en) 1978-03-29 1979-05-29 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Electrolytic method for the production of lithium using a lithium-amalgam electrode
US4254089A (en) * 1979-10-29 1981-03-03 Lockheed Missiles & Space Company, Inc. Product recovery from alkali metal wastes
US4498927A (en) 1983-03-10 1985-02-12 Aluminum Company Of America Thermal reduction process for production of magnesium using aluminum skim as a reductant
US4988486A (en) 1985-08-02 1991-01-29 The Boeing Company Hydrogen generator
US4980136A (en) 1989-07-14 1990-12-25 Cyprus Foote Mineral Company Production of lithium metal grade lithium chloride from lithium-containing brine
JP3197109B2 (ja) * 1993-04-21 2001-08-13 株式会社日本製鋼所 合金製品の製造方法
JPH08109001A (ja) * 1994-10-12 1996-04-30 Japan Steel Works Ltd:The 水素発生方法及び装置
US6461408B2 (en) 1995-11-06 2002-10-08 Robert E. Buxbaum Hydrogen generator
US5867978A (en) * 1995-12-04 1999-02-09 The Penn State Research Foundation System for generating hydrogen
FR2757499B1 (fr) 1996-12-24 2001-09-14 Etievant Claude Generateur d'hydrogene
JP3057321B1 (ja) * 1999-02-02 2000-06-26 日本磁力選鉱株式会社 アルカリ金属を含む金属酸化物からの有価金属の回収方法
CA2415876A1 (en) * 2000-07-13 2002-01-24 Hydrogen Energy America Llc Method and apparatus for controlled generation of hydrogen by dissociation of water
JP2003226502A (ja) * 2002-02-06 2003-08-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 水素発生装置及び方法
JP4073703B2 (ja) * 2002-04-23 2008-04-09 本田技研工業株式会社 高圧容器への水素充填方法
US20040065542A1 (en) 2002-09-25 2004-04-08 Alexander Fairfull Hydrogen generator
JP2004182496A (ja) * 2002-11-29 2004-07-02 Toshiba Corp 水素製造装置
US7052658B2 (en) 2003-01-29 2006-05-30 Hewlett-Packard Development Company, Lp. Hydrogen generation cartridge and portable hydrogen generator
JP2004298946A (ja) * 2003-03-31 2004-10-28 Toranosuke Kawaguchi 水素発生材料の製造方法、水素発生材料の製造装置、水素発生材料、水素発生方法及び水素発生装置。
US7344571B2 (en) 2003-08-14 2008-03-18 The Gillette Company Hydrogen generator
DE102005009294A1 (de) 2004-07-13 2006-02-16 Ing. Erich Pfeiffer Gmbh Spender für Medien
US7678479B2 (en) 2004-11-29 2010-03-16 Angstrom Power Incorporated Hydrogen fuel delivery systems
JP5124728B2 (ja) * 2005-03-18 2013-01-23 国立大学法人東京工業大学 水素生成装置、レーザ還元装置、エネルギー変換装置、水素生成方法および発電システム
US20070036711A1 (en) 2005-08-11 2007-02-15 Ardica Technologies Inc. Hydrogen generator
CN101296859A (zh) * 2005-10-31 2008-10-29 日立麦克赛尔株式会社 制造氢的装置以及使用该装置的燃料电池系统
TW200811034A (en) * 2006-08-29 2008-03-01 Liung Feng Ind Co Ltd Method for producing hydrogen by using magnesium scrap and apparatus thereof
RU2356830C2 (ru) * 2007-06-26 2009-05-27 ОАО Научно-производственное предприятие "Квант" Способ получения водорода
JP2010163286A (ja) * 2008-12-18 2010-07-29 Masahide Ichikawa 金属ナトリウムを用いた水素ガス発生方法およびその装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106744679A (zh) * 2016-12-29 2017-05-31 云南靖创液态金属热控技术研发有限公司 制氢方法及机构

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013530912A (ja) 2013-08-01
US8696936B2 (en) 2014-04-15
CO6640273A2 (es) 2013-03-22
RU2012153784A (ru) 2014-06-20
WO2011141413A1 (en) 2011-11-17
CN102933488B (zh) 2015-04-08
EP2394953A1 (en) 2011-12-14
KR20130100055A (ko) 2013-09-09
RU2555022C2 (ru) 2015-07-10
BR112012029030A2 (pt) 2016-08-02
ES2392939T3 (es) 2012-12-17
JP5834069B2 (ja) 2015-12-16
US20130064756A1 (en) 2013-03-14
CN102933488A (zh) 2013-02-13
MX2012013208A (es) 2013-04-29
AU2011252133A1 (en) 2013-01-10
EP2394953B1 (en) 2012-08-22
CA2799124A1 (en) 2011-11-17
AU2011252133B2 (en) 2014-10-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
PT2394953E (pt) Sistema para o controlo de produção de hidrogénio in situ da procura, utilizando um reagente de metal líquido reciclável e método utilizado no sistema
US7951349B2 (en) Method and system for storing and generating hydrogen
EP1355849B1 (en) Storage, generation, and use of hydrogen
US20030121481A1 (en) Fuel system
CA2750720C (en) Method, device and fuel for hydrogen generation
US10981785B2 (en) Installation and method for carbon recovery and storage, without the use of gas compression
CN102616740A (zh) 甲醇水蒸气重整制氢设备及利用该设备制备氢气的方法
WO2009086541A1 (en) Hydrogen production system using dosed chemical hydrbdes
KR20070106737A (ko) 수소 발생 시스템 및 그 방법
CN101786603A (zh) 一种水解制氢装置
KR101943114B1 (ko) 수소화 폴리실란에 의한 연료 전지 작동용 수소의 발생
WO2016029603A1 (zh) 汽车发电及制冷一体化的系统及方法
WO2017066313A1 (en) System and method to produce hydrogen
US20030198843A1 (en) Hydrocarbon fueled liquid gallium fuel generator system
CN105371521A (zh) 一种发电及制冷一体化的系统及方法
CN204176957U (zh) 汽车发电及制冷一体化的系统
CN204176956U (zh) 一种发电及制冷一体化的系统
RU2181331C1 (ru) Энергетическая установка подводной лодки