RO125541A2

RO125541A2 - Sistem electrocatalitic de generare a hidrogenului din apă şi din hidrocarburi lichide

Info

Publication number: RO125541A2
Application number: ROA200800976A
Authority: RO
Inventors: Marin Radu; Florica Radu; Valentin Radu; Daniela Radu
Original assignee: Centrul De Cercetare Pentru Materiale Macromoleculare Şi Membrane S.A.
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2010-06-30
Also published as: RO125541B1

Abstract

Invenţia se referă la un sistem electrocatalitic de producere a hidrogenului din apă sau din hidrocarburi lichide, care apoi este utilizat drept combustibil cu care este alimentat un motor sau o instalaţie pentru producerea de energie. Sistemul conform invenţiei cuprinde un corp (1) cu structură tip vas cilindric, realizat din material plastic, cu un capac superior (11) în care sunt prevăzute nişte racorduri tubulare (a şi b), pentru alimentare cu apă şi evacuare a hidrogenului, precum şi un racord pentru conectarea la o sursă electrică de curent continuu, permiţând, totodată, fixarea unei incinte (E) de generare a hidrogenului a unui modul (5) de generare a hidrogenului, cu structură cilindrică, prevăzut cu nişte capace (3 şi 9) inferior şi superior, şi având ca suprafaţă (c) laterală o sită din oţel inoxidabil, iar la capete câte un electrod disc (4 şi 4') realizat din carbură metalică complexă, izolat electric de restul incintei (E) şi prevăzut cu contact pentru cuplarea la o sursă de curent continuu: nişte contacte (2 şi 3) inferior şi superior şi un contact (6) electric pentru suprafaţa (c) laterală, şi o încărcătură (12) din cărbune activ granular, care umple interiorul incintei (E) menţionate, un alt vas (F) cilindric, realizat din material plastic, inserat în circuitul de apă al corpului (1), apa din acesta jucând rolul de membrană lichidă, pentru separarea grosieră ahidrogenului generat, o membrană polimerică (G) cu mare selectivitate pentru hidrogen, instalată în capacul superior (11) al vasului (F) cu apă, pentru purificarea hidrogenului generat, o conductă (J) pentru transportul hidrogenului generat la o pompă (D) de circulaţie pentru apa din sistemul de generare a hidrogenului, şi un sistem electronic pentru reglarea potenţialului electrozilor şi schimbarea intermitentă a polarităţii acestora, precum şi pentru reglarea debitului de apă, pentru adaptarea cantităţii de hidrogen produse la cerinţele unui consumator, şi o sursă de curent continuu (A).

Description

OFICIUL DE STAT PENTRU INVENȚII Șl MĂRCI!;

Cerere de brevet de invenție

Sistem electrocatalitic de generare a hidrogenului din apa-și

1 -12- 2008

Invenția se referă la un sistem electrocatalitic de producere a hidrogenului din apă și din hidrocarburi lichide în vederea utilizării drept combustibil în diverse motoare sau instalații energetice printr-un sistem electrocatalitic de generare a hidrogenului la temperatură ambiantă.

în domeniul energeticii, pentru a concilia circumstanțele conflictuale legate de aspectele economice și cele privind mediul înconjurător, este necesară elaborarea unor tehnologii eficiente și puțin costisitoare bazate pe hidrogen. Hidrogenul este combustibilul cel mai curat din punctul de vedere al mediului înconjurător și, totodată, purtătorul de energie cel mai eficient.

Hidrogenul poate fi produs pornind de la materii prime diverse, utilizând o varietate de procese tehnologice. Compușii care conțin hidrogen, cum sunt combustibilii fosili, biomasa și chiar apa, pot constitui o sursă de hidrogen. Pentru a produce hidrogen din biomasă și din combustibili fosili, cum sunt cărbunii, gazele naturale și petrolul, se pot folosi procese termochimice. Electricitatea obținută din energie solară, eoliană sau nucleară poate fi folosită pentru a produce hidrogen pe cale electrolitică. Radiația solară se poate utiliza pentru producerea directă a hidrogenului din apă, prin fotoliză, folosind procese fotoelectrochimice și fotobiologice avansate.

în prezent, metoda cea mai folosită pentru producerea hidrogenului (circa 75% din hidrogenul produs în prezent se obține prin această metodă) constă în reformarea catalitică, cu abur, a metanului din gazele naturale. Această metodă implică o reacție puternic endotermă a metanului cu abur la presiuni mari (până la 35 atm) și temperaturi înalte (800-1000 °C), în prezența unui catalizator metalic. Reformarea catalitică a metanului este o opțiune viabilă pe termen scurt, la capacități mari de producție, dar nu poate fi acceptată ca soluție pe termen lung, întrucât nu soluționează problema gazelor cu efect de seră și nici aspectele privind securitatea energetică.

Eforturi importante se concentrează pe tehnologiile de producere a hidrogenului din gazul de sinteză derivat din cărbune, urmărindu-se cogenerarea hidrogenului și a energiei electrice în centrale de mare eficiență, fără emisii de noxe.

Electroliza apei este folosită pe scară largă pentru generarea hidrogenului, dar costurile hidrogenului astfel obținut sunt deocamdată necompetitive (cira 8 USD/kg). Sînt disponibile comercial două tipuri de tehnologii pentru electroliza apei la temperaturi apropiate de cea ambiantă. Primul tip, și cel mai răspândit, utilizează un electrolit alcalin (25-30% KOH sau NaOH) cu o diafragmă de separare între electrozi (de regulă, din azbest). Celălalt tip utilizează doar apă și membrane polimerice conducătoare de protoni. Electrolizoarele existente consumă, de regulă, în jur de 4 kWh pentru un Nm³ de hidrogen, utilizând o tensiune continuă de 1,6-2,0 volți și curenți de zeci sau chiar sute de arnperi.

Sunt în curs și cercetări de amploare vizând dezvoltarea la scară comercială a producerii hidrogenului prin folosirea căldurii și/sau a electricității generate în sistemele energetice nucleare, studiindu-se cicluri termochimice la temperaturi înalte și electroliza la temperaturi înalte.

Problemele legate de protecția mediului înconjurător impun elaborarea de tehnologii avansate de producere a hidrogenului utilizând resurse energetice regenerabile. Aceste tehnologii includ electroliza, conversia termochimică a biomasei, sistemele microbiologice fotolitice și fermentative, sistemele fotoelectrochimice și cele bazate pe cicluri chimice de descompunere a apei la temperaturi înalte.

în stadiu de cercetare fundamentală se află descompunerea fotoindusă a apei, utilizând energia solară pentru a separa hidrogenul și oxigenul din apă în materiale semiconductoare sau în ansambluri fotocatalitice. Pentru producerea hidrogenului cu o eficiență mai mare și un cost competitiv se consideră necesare cercetări fundamentale privind cataliza, membranele și separarea gazelor.

0—2008-00976- ¹ 1 -Κ- 2008

Este cunoscută o tehnologie modulară recent inventată (cerere de brevet WO2008016355A2) care revendică producerea eficientă a hidrogenului de mare puritate atât pentru utilizare în aplicații energetice staționare, cât și pentru utilizare în transporturi, la autovehicule, putând fi realizată la scara dorită. Aceasta se referă la o celulă electrochimică pentru cogenerarea hidrogenului și a electricității, având un compartiment anodic în care se află im combustibil cărbunos solid, un compartiment catodic care conține abur și o membrană ceramică cu rol de electrolit solid care transportă ioni oxidici la anod, unde este oxidat carbonul și se pun în libertate electronii, cu generare de electricitate. Celula funcționează la temperatură înaltă.

Deși revendică ameliorări considerabile ale eficienței energetice, comparativ cu electroliza convențională a aburului, întrucât valorifică caracterul exoterm al oxidării carbonului, procedeul descris presupune un consum important de căldură pentru generarea aburului, iar valorile ridicate ale temperaturii de funcționare (între 500 și 1300 °C) impun restricții asupra materialelor structurale utilizate.

Este cunoscută, de asemenea, invenția privind un aparat de electroliză a apei încorporabil la un motor cu ardere internă căruia îi furnizează, drept combustibil, un amestec de hidrogen și oxigen rezultat din descompunerea apei (cerere de brevet WO2008063967A2). Acest aparat are ca noutate includerea unuia sau a mai multor radiatoare de energie electromagnetică, cu o putere între 1 W și 1000 W, conectate la câte un oscilator extern care funcționează la frecvențe diferite (între 620 Hz și 100 kHz). Se o utilizează o sursă de curent continuu cu tensiunea de 8-48 V. Autorul acestei invenții nu precizează avantajele acesteia în raport cu soluțiile tehnice anterioare. Sunt însă evidente dezavantajele legate de complexitatea sistemului conceput și de consumul suplimentar de energie pentru generarea radiațiilor electromagnetice.

O invenție similară care încorporează un aparat de electroliză a apei la un motor cu ardere internă (cerere de brevet WO2008051479A1) folosește în locul radiatoarelor de energie electromagnetică un generator de unde sonore cu profil rectangular, în scopul intensificării procesului de electroliză prin slăbirea legăturilor moleculare la moleculele de apă.

Sistemul electrocatalitic de generare a hidrogenului conform prezentei invenții, utilizabil deopotrivă la instalații energetice staționare și la motoarele autovehiculelor, elimină dezavantajele sistemelor descrise anterior, oferind o soluție constructivă simplă și cu eficiență mare, fără să fie necesare mijloace suplimentare consumatoare de energie pentru intensificarea electrolizei.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția este aceea de a realiza un sistem modular, cu o capacitate adaptabilă în funcție de nevoi, pentru generarea cu costuri mici a hidrogenului din apă sau din hidrocarburi lichide, la temperatură ambiantă, în vederea utilizării drept combustibil.

Sistemul conform invenției rezolvă această problemă tehnică prin aceea că cuprinde următoarele componente:

- un vas cilindric din material plastic, al cărui capac are prevăzute racorduri pentru alimentarea cu apă și evacuarea apei, precum și pentru conectarea la o sursă electrică de curent continuu, permițând, totodată, fixarea incintei de generare a hidrogenului;

- o incintă de generare a hidrogenului, cu structură cilindrică, având ca suprafață laterală o sită din oțel inoxidabil, iar la capete câte un electrod în formă de disc, din carbură metalică complexă P30 conținând 9,1% cobalt, 5,5% titan și restul carbură de wolfram, izolat electric de restul incintei și prevăzut cu contact pentru cuplarea la sursa de curent continuu;

- o încărcătură din cărbune activ granular care umple interiorul incintei menționate;

- un alt vas cilindric din material plastic, inserat în circuitul de apă al vasului menționat anterior, apa din acest vas jucând rolul de membrană lichidă pentru separarea grosieră a hidrogenului generat;

^-2008-00976-1 1 -12- 2008

- o membrană polimerică cu mare selectivitate pentru hidrogen, instalată în capacul vasului cu apă pentru purificarea hidrogenului generat;

- o conductă pentru transportul hidrogenului generat la camera de ardere a unui motor cu ardere internă sau a unei instalatii energetice staționare (ex. cazan de abur);

- o pompă de circulație pentru apa din sistemul de generare a hidrogenului;

- un sistem electronic pentru reglarea potențialului electrozilor și schimbarea intermitentă a polarității acestora, precum și pentru reglarea debitului de apă, pentru adaptarea cantității de hidrogen produse la cerințele consumatorului.

Invenția prezintă avantajul că permite obținerea cu costuri mici a hidrogenului din apă sau din hidrocarburi lichide, la temperatură ambiantă, în vederea utilizării drept combustibil.

Invenția este prezentată pe larg în continuare în legătură și cu figurile 1-3, care reprezintă: -fig.l, secțiune longitudinală printr-un modul al sistemului electrocatalitic de generare a hidrogenului din apă;

- fig.2-vedere în secțiune longitudinală a părții superioare a unui modul al sistemului, în altă variantă constructivă;

- fig.3-vedere în secțiune transversală a unui modul al sistemului;

- fig.4-schema de ansamblu a sistemului electrocatalitic de generare a hidrogenului, revendicat Sistemul conform invenției rezolvă problema tehnică a producerii hidrogenului din apă și din hidrocarburi lichide la temperatura mediului ambiant, prin aceea că cuprinde următoarele componente:

- un corp 1 tip vas cilindric din material plastic, cu un capac superior 11 ce are prevăzute racorduri tubulare a, b, pentru alimentarea cu apă și evacuarea hidrogenului, precum și pentru conectarea la o sursă electrică de curent continuu, permițând, totodată, fixarea incintei de generare a hidrogenului (E);

- un modul generator 5 în formă de incintă de generare a hidrogenului, cu structură cilindrică, cu un capac inferior 3 și unul superior 9 și având ca suprafață laterală o sită c din oțel inoxidabil, iar la capete câte un electrod-disc 4, 4’ în formă de pastilă, din carbură metalică complexă P30 conținând 9,1% cobalt, 5,5% titan și restul carbură de wolfram, izolat electric de restul incintei și prevăzut cu contact pentru cuplarea la sursa de curent continuu: un contact inferior 2 și un contact superior 12 în formă de tijă și un contact electric 6 pentru sita c prelungit cu o bornă de contact 15;

- o încărcătură din cărbune activ granular 17 care umple interiorul incintei menționate;

- un alt vas cilindric din material plastic, (F) inserat în circuitul de apă al vasului 1, apa din acest vas jucând rolul de membrană lichidă pentru separarea grosieră a hidrogenului generat;

- o membrană polimerică (G) cu mare selectivitate pentru hidrogen, instalată în capacul superior 11 al vasului cu apă pentru purificarea hidrogenului generat;

- o conductă (J) pentru transportul hidrogenului generat la camera de ardere a unui motor cu ardere internă sau a unei instalații energetice staționare (ex. cazan de abur - K);

- o pompă de circulație pentru apa din sistemul de generare a hidrogenului, (D);

- un sistem electronic pentru reglarea potențialului electrozilor și schimbarea intermitentă a polarității acestora, precum și pentru reglarea debitului de apă, pentru adaptarea cantității de hidrogen produse la cerințele consumatorului, (B);

- o sursă de curent continuu, (A).

Restul reperelor menționate pe figurile 1-3 sunt: 2-legătură de contact electric; 7; 14-piuliță; 8; 10-gamitură; 13; 16-șaibă.

La sistemul de generare a hidrogenului conform invenției, sita c în interiorul căreia se află încărcătura de cărbune activ 17 este menținută la același potențial ca și catodul, asigurându-se astfel o distribuție a liniilor de câmp electric în toată masa ocupată de cărbunele activ și apa care străbate sita și umple spațiile dintre granulele de cărbune. Această configurație electrică, asociată cu efectul catalitic al cărbunelui activ, manifestat pe aria foarte ο^-ϊ 008-00976 1 î -12- 2008 mare a interfeței dintre apă și cărbune, asigură o eficiență foarte mare a procesului de descompunere a apei și de generare, pe această cale, a hidrogenului.

Prin schimbarea intermitentă a polarității electrozilor 6, 12 și prin aportul continuu de apă de alimentare proaspătă se evită acumularea la electrozi a unor impurități care ar reduce eficiența procesului de electroliză. Ionii de oxigen și de hidrogen rezultați din descompunerea apei interacționează cu granulele de cărbune și cu apa, formându-se o serie de gaze (monoxid de carbon, dioxid de carbon, alcool metilic, alcool etilic, metan, aldehidă formică) antrenate de apa care circulă prin incinta de generare a hidrogenului și reținute de al doilea vas al sistemului. Abundența de electroni liberi asigurată de configurația electrică menționată favorizează și atașarea acestora de ionii de hidrogen, generându-se hidrogen atomic și ulterior hidrogen molecular, prin asocierea atomilor de hidrogen. Odată format, hidrogenul molecular trebuie doar separat de celelalte gaze și dirijat la camera de ardere, constituind combustibilul curat dorit.

Principiul de funcționare este similar cu cel al celulei umane, pentru care hidrogenul produs de celula umană constituie combustibilul vieții.

Tensiunea minimă folosită este de 10-12V, iar puterea minimă-de 24W, pentru o capacitate minimă a vasului 1 de 1,51, pentru care se obțin cca 2dm³H2/minut. Se poate ajunge, cu creșterea capacității modulului generator 5, până la parametrii de curent: 25V-40A pentru autoturisme și 60V-250A pentru obținerea hidrogenului necesar centralelor termice.

Sistemul poate cuprinde mai multe module generatoare cuplate în serie sau paralel la aceeași sursă de tensiune și la același sistem electronic de reglare. Raportul energetic : energie electrică consumată/energie calorică produsă prin arderea hidrogenului obținut, este de 1/34-1/5. Perioada optimă a ciclului de funcționare este de: 40sec. tensiune directă, 20sec tensiune inversă,.

Intr-o altă variantă, se pot utiliza ca sursă de curent, condensatori de mare capacitate (1005000pF) încărcați de către sursa de tensiune și descărcați periodic după încărcare prin circuitul electric al modulului generator, cu un ciclu de funcționare: 30sec. încărcare+descărcare.

Exemplu de realizare:

Intr-un exemplu concret de realizare, s-a folosit un modul generator 5 pentru generarea hidrogenului, cu capacitatea de 31 apă, electrozii de inox și de carbură fiind conectați la o sursă de tensiune de 12 V și de putere de 50W, cu electrozii +— pe electrozii din carbură metalică , electrodul-sită c din inox fiind conectat la potențial negativ, inițial, după care polaritatea este inversată după cca 40s și menținută inversată cca 20s. Debitul rezultat de hidrogen este în acest caz de 4dmc/min .

Claims

Α-~2 Ο Ο 8 - Ο Ο 9 7 6 ~ 1 1 -12- 2008

Revendicare

Sistem electrocatalitic de generare a hidrogenului din apă și din hidrocarburi lichide, la temperatură ambiantă, caracterizat prin aceea că cuprinde următoarele componente:

- un corp (1) tip vas cilindric din material plastic, cu un capac superior (11) ce are prevăzute racorduri tubulare (a, b), pentru alimentarea cu apă și evacuarea hidrogenului, precum și pentru conectarea la o sursă electrică de curent continuu, permițând, totodată, fixarea incintei de generare a hidrogenului;

- un modul generator (5) în formă de incintă de generare a hidrogenului, cu structură cilindrică, cu un capac inferior (3) și imul superior (9) și având ca suprafață laterală o sită (c) din oțel inoxidabil, iar la capete câte un electrod-disc (4, 4’) în formă de pastilă, din carbură metalică complexă P30 conținând 9,1% cobalt, 5,5% titan și restul carbură de wolfram, izolat electric de restul incintei și prevăzut cu contact pentru cuplarea la sursa de curent continuu: un contact inferior (2) și un contact superior (12) în formă de tijă și un contact electric (6) pentru sita (c) ;

- o încărcătură din cărbune activ granular (17) care umple interiorul incintei menționate;

- un alt vas cilindric din material plastic (F), inserat în circuitul de apă al vasului (1), apa din acest vas jucând rolul de membrană lichidă pentru separarea grosieră a hidrogenului generat;

- o membrană polimerică (G) cu mare selectivitate pentru hidrogen, instalată în capacul superior (11) al vasului cu apă pentru purificarea hidrogenului generat;

o conductă (J) pentru transportul hidrogenului generat la camera de ardere a unui motor cu ardere internă sau a unei instalații energetice staționare tip cazan de abur (K);

- o pompă de circulație (D) pentru apa din sistemul de generare a hidrogenului;

- un sistem electronic pentru reglarea potențialului electrozilor și schimbarea intermitentă a polarității acestora, precum și pentru reglarea debitului de apă, pentru adaptarea cantității de hidrogen produse la cerințele consumatorului (B);

- o sursă de curent continuu (A).