WO2024100197A1 - Hydrogen production method - Google Patents

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WO2024100197A1
WO2024100197A1 PCT/EP2023/081314 EP2023081314W WO2024100197A1 WO 2024100197 A1 WO2024100197 A1 WO 2024100197A1 EP 2023081314 W EP2023081314 W EP 2023081314W WO 2024100197 A1 WO2024100197 A1 WO 2024100197A1
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WO
WIPO (PCT)
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hydrogen
acid
chelating agent
magnesium
metal
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/081314
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French (fr)
Inventor
Soundarrajan CHANDRASEKARAN
Volodymyr Lysenko
Olivier Tillement
Original Assignee
Oui Hydrogen
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/06Production 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
    • C01B3/08Production 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

Definitions

  • the present invention relates to a process for producing hydrogen by hydrolysis reaction from a mixture of water and a product containing metals, preferably magnesium.
  • Magnesium chips can also be used, but this requires the use of organic acid, for example citric acid.
  • organic acid for example citric acid.
  • an excess of organic acid is necessary to avoid neutralization of the organic acid - Mg conjugate base during hydrolysis, which can result in an increase in pH, unstable hydrogen production and heat production.
  • magnesium is found in aqueous solution, for example in the form of magnesium citrate, which is difficult to manage and water consumption is excessive.
  • CN1 11003688 and WO201 1136147 thus describe the use of citric acid.
  • EP 2 583 937 describes a hydrogen generation system, which contains a hydrogen generating agent, a metal ion sequestering agent, and a pH adjusting agent. Preferably and in all examples, a single agent having these two functions is used. It does not disclose the combination of two chelating agents having successive effects, namely an initial and temporary chelation for the first, and a final chelation for the second, under conditions allowing continuous regeneration of the first, avoiding saturation of the system.
  • the objective of the present invention is to propose a new method of producing hydrogen making it possible to overcome the disadvantages of the prior art.
  • Another objective of the invention is to provide a method making it possible to avoid blocking the reaction by acid-base neutralization.
  • Another objective of the invention is to provide a method making it possible to use the thermal energy produced following the hydrolysis reaction, which is an exothermic reaction.
  • Another objective of the invention is to carry out the hydrolysis and chelation reactions in a closed reactor or a cartridge, making it possible to control the hydrolysis reaction and the production of hydrogen and/or heat.
  • the invention therefore also aims to provide such a reactor or cartridge.
  • the invention particularly targets metals whose standard electrode potential (E°) relative to the standard hydrogen electrode is less than approximately -0.4 volts.
  • These solid forms can be any form of solid particles of metal, or containing metal, as will be detailed below.
  • the preferred metal is magnesium, for example in the form of magnesium particles or containing magnesium.
  • Said solid forms or solid particles are brought into contact with, for example dispersed in, an aqueous medium containing two chelating agents for the metal cation (for example Mg 2+ ), (i) a water-soluble or solubilized organic acid (designated chelating agent or organic acid AO in the following) and (ii) a chelating agent not soluble in water (designated AC in the following).
  • the method includes in particular the recovery of the hydrogen produced, advantageously the continuous regeneration of the organic acid AO, and, possibly, the regeneration of the chelating agent AC for its reuse.
  • the present invention therefore relates to a method of producing hydrogen by hydrolysis from solid forms of metals whose standard electrode potential (E°) relative to the standard hydrogen electrode is less than approximately -0.4 volt, method in which said solid forms are brought into contact with an aqueous medium containing two chelating agents, (i) a water-soluble chelating agent which is an organic acid AO and (ii) a non-water-soluble chelating agent AC.
  • the metal is hydrolyzed, hydrogen is produced, and the metal ions are chelated by the chelating agent AC or are bound to the chelating agent AC in solid form.
  • the hydrogen produced is recovered, preferably the recovery is carried out continuously.
  • the metal can be magnesium, aluminum or zinc.
  • the organic acid AO causes the solubilization and temporary chelation of magnesium in the form of Mg 2+ , and the production of Hp.
  • This chelation is temporary because the AC chelating agent competes for the Mg 2+ ion once it is generated, and the nature of the two chelants is chosen to promote the capture or chelation of the Mg 2+ ion by the AC chelating agent.
  • the organic acid AO is continuously regenerated in situ by the capture of the cation by the chelating agent AC present in a relative quantity (compared to the quantity of Mg 2+ and organic acid AO) sufficient to ensure this effect.
  • citric acid for example, magnesium citrate is formed each time the cation is captured by citric acid, but is dissolved immediately or quickly by the effect of the chelating agent AC.
  • this sequence of reactions allows complete hydrolysis of magnesium, and production of hydrogen which is not stopped by the saturation of the organic acid molecules AO.
  • the AC chelating agent can be easily regenerated because its solid form easily allows its separation.
  • the present invention preferably relates to a method for producing hydrogen by hydrolysis from solid forms or solid particles of magnesium, or containing magnesium, in which said solid forms or particles are brought into contact with, for example dispersed in, an aqueous medium containing two Mg 2+ chelating agents, (i) a solubilized organic acid which is an organic acid AO and (ii) a non-water soluble chelating agent AC, whereby hydrogen is produced as well as Mg 2+ ions which are chelated by the chelating agent AC.
  • the hydrogen produced is recovered, preferably the recovery is carried out continuously.
  • the particles may be formed from pure magnesium or may contain magnesium and one or more other components.
  • containing magnesium we mean particles containing magnesium as the only metal (monometal) or containing several metals (e.g. alloy, hydrides). It goes without saying that a high magnesium content is preferred in order to make the method economically interesting. Generally, it is preferred to use particles having a magnesium content greater than or equal to approximately 20%, preferably greater than or equal to approximately 50%, better still greater than or equal to 70, 80, 90, or 95% by weight relative to the weight. total of a particle.
  • Solid forms of magnesium include nanometric or micrometric forms, or larger shapes of any geometry, such as pencils, bars, cubes or parallelepipeds, chips, fragments. All these forms or particles of magnesium or containing magnesium can therefore have variable dimensions, typically between approximately 0.5 mm and approximately 200 mm, in particular between 0.5 and 50 mm. As for the MgHs hydride form, this is generally in the form of nanopowder or nanoparticles.
  • the solid forms or particles may be formed of that pure metal or may contain that metal and one or more other components.
  • containing this metal we mean particles containing it as the only metal (monometal) or containing several metals (e.g. alloy, hydrides). It goes without saying that a high metal content is preferred in order to make the method economically interesting. Generally, it is preferred to use particles having a metal content greater than or equal to approximately 20%, preferably greater than or equal to approximately 50%, better still greater than or equal to 70, 80, 90, or 95% by weight relative to the weight. total of a particle.
  • the solid forms are of the same type as described for magnesium.
  • the AC chelating agent may in particular be what is commonly called an acid cation exchanger or a cation exchange resin.
  • This may be a strong cation exchange resin or a strongly acidic cation exchanger.
  • a resin comprises a polymer matrix, preferably a polystyrene matrix (or styrene polymer) or a styrene-divinylbenzene copolymer, and one or more sulfonate groups. These are therefore sulfonated resins, polymers or copolymers. These sulfonate groups are protonated, ie charged with H + ions.
  • Such a resin comprises a polymer matrix, preferably an acrylic polymer or a copolymer of acrylonitrile and a crosslinking aliphatic monomer, and one or more carboxylic groups.
  • a resin may in particular be a resin produced from an acrylic polymer or copolymer, which is subjected to hydrolysis with sulfuric acid to generate carboxylic acid functional groups.
  • Those skilled in the art may refer to DK162651.
  • the following commercial resins can be cited: AmberLite® MAC-3 H; Lewatit® CNP80; Amberlite® HPR8300 H.
  • the organic acid AO is preferably a water-soluble carboxylic acid comprising from 1 to 4 carboxylic groups, which may in particular be chosen from the acid acetic acid, citric acid, tartaric acid, malonic acid, malic acid, maleic acid, nitrilotriacetic acid (NTA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and/or modified EDTA of preferably with magnesium or methyl ester, which improves solubility in water. More particularly, this acid is polycarboxylic and it contains 2 to 4 carboxylic groups, better still 2 or 3 carboxylic groups. This is preferably citric acid.
  • the organic acid AO initiates the hydrolysis and release of the magnesium cation. It also has a chelating power of this magnesium cation. In the case of acetic acid, this chelating power is shared between two acetic acid molecules. For other AOs, the presence of at least two carboxylic acid groups allows a single molecule to chelate the magnesium ion, but we do not exclude the cooperation of two molecules to carry out this chelation. In all cases, the chelating force of the AO acid is lower than that of the chelating agent AC under the conditions of the invention.
  • the chelating agent AC for example, has a stronger chelated complex formation constant than the organic acid AO.
  • the pKa is a characteristic of the acids or reactive groups used in the invention. The lower the pKa, the higher the strength of the acid or acid group. Sulphonic acids and sulfonate groups provide strong chelating capacity. Chelating agents are chosen with a pKa lower than that of the soluble organic acid used.
  • At least 0.5, or better still at least 1 mole of organic acid AO for example range from approximately 0.5 to approximately 1 or approximately 1.5
  • at least 1 mole, or better still at least 2 moles of AC chelating agent for example range from approximately 1 to approximately 3, in particular from approximately 1.5 or approximately 2 to approximately 3
  • an excess of AC is used relative to the quantity of metal; typically, by excess, we mean a quantity of moles of AC multiplied by at least 1.5 or 2 (for example x 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2, 2 .5, 3, etc.) relative to the quantity of metal in moles.
  • an excess of AC compared to the AO is used; typically, by excess, we mean a quantity of moles of AC multiplied by at least 1.5 or 2 or 3 (for example x 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2 , 2.5, 3, etc.) relative to the quantity of moles of AO.
  • citric acid for 1 mole of metal, in particular Mg
  • the quantity of water can be 250 to 750 ml of water for 1 mole of metal, in particular Mg.
  • the hydrogen production time can be between 30 and 60 minutes for this condition. We can control the speed of the reaction and therefore the duration of hydrogen production. Indeed, the greater the acid concentration, the faster the reaction. Likewise, the higher the strength of the acid, the faster the reaction also occurs. And these parameters are linked to the capacity of the fuel cell.
  • the heat produced by the hydrolysis reaction can advantageously be recovered and used, for example to power a heating circuit.
  • the first tests carried out showed that the water from the hydrolysis reaction could reach a temperature of between 45 and 80°C.
  • Another object of the invention is therefore a process for producing heat or thermal energy.
  • This process includes the implementation of the hydrogen production method disclosed herein.
  • This process further comprises supplying the hydrogen produced to a combustion system or a hydrogen engine, which will use the oxidation of dihydrogen by dioxygen to produce energy and water.
  • Another object of the invention is therefore a method of producing hydrogen and/or heat or thermal energy, by hydrolysis from solid forms of metals whose standard electrode potential (E°) relative to the standard hydrogen electrode is less than about -0.4 volt, method in which said solid forms are brought into contact with an aqueous medium containing two chelating agents, (i) a water-soluble chelating agent which is an organic acid AO and (ii) a non-water soluble chelating agent AC.
  • the metal is hydrolyzed, hydrogen and heat are produced, and the metal ions are chelated by the AC chelating agent or become bound to the AC chelating agent in solid form.
  • the heat is recovered and can power a heating circuit.
  • the hydrogen produced is also advantageously recovered, preferably the recovery is carried out continuously.
  • the hydrogen can then be used in a fuel cell, or burned to supply the heating circuit with heat.
  • the metal can be magnesium, aluminum or zinc.
  • the methods of the invention ensuring the reactions of hydrolysis, hydrogen production, heat production, and chelation of metal ions or metal, are carried out in a closed reactor or in a cartridge closed.
  • the reactor or the cartridge are intended to constitute portable devices, for example with an internal volume of between approximately 0.5 and approximately 5 liters, in particular between approximately 1 and approximately 2 liters.
  • Hydrolysis reactions can be carried out in a closed reactor or cartridge.
  • the production of hydrogen (and heat) can be controlled.
  • a reactor or cartridge which is also an object of the invention, comprising, within its volume, a moving part arranged so as to be able to support the solid form of metal to be hydrolyzed, and controllable means for moving the moving part from a position in which said part is located near the bottom of the volume, to another position in which the moving part is in the upper or upper part of the volume.
  • the volume of the reactor or cartridge is also suitable and intended to receive the aqueous medium, in a quantity which frees up free space in the upper or upper part of the volume.
  • the reaction is controlled as follows: the moving part and the solid form of the metal are in the position near the bottom of the volume, and therefore immersed in the aqueous medium, the hydrolysis reactions occur; the moving part and the solid form of metal are moved to the upper or upper part, in the space without an aqueous medium, which stops the hydrolysis reactions. Control allows you to move from one position to another, to produce hydrogen or stop this production.
  • the moving part may in particular have the shape of a piston, moving inside the volume.
  • the hydrolysis reaction can be carried out in a closed reactor or cartridge comprising a movable part between a position in which the solid form of metal is immersed in the aqueous medium, and is subjected to hydrolysis, and a position in which it is outside this aqueous environment, and is not subject to hydrolysis.
  • Another object of the invention is a process for producing electricity.
  • This process includes the implementation of the hydrogen production method disclosed herein.
  • This process further comprises supplying a fuel cell with the hydrogen produced, this cell comprising at least one anode (allowing the dissociation of hydrogen into protons and electrons) and at least one cathode (making it possible to reduce oxygen by protons and electrons to form water), making it possible to drive the reaction of producing an electric current and producing water.
  • the process comprises a hydrogen storage phase, particularly of short duration, between the production of hydrogen and the supply of the fuel cell. In particular, this storage phase lasts until magnesium is depleted.
  • hydrogen is continuously introduced into the fuel cell as it is produced.
  • Another object of the invention is a process for producing thermal energy from the hydrogen produced.
  • This process comprises the implementation of the hydrogen production method disclosed here, then the combustion of all or part of the hydrogen produced.
  • This process includes in particular supplying the hydrogen produced to a combustion system or a hydrogen engine, which will use the oxidation of dihydrogen by dioxygen to produce energy and water.
  • Figure 1 shows a bar graph showing, over time, the proportion of undissolved magnesium from magnesium-containing solid particles, and the production of hydrogen, for various conditions.
  • magnesium shavings (“magnesium scrap”) are used, namely magnesium sold by Sigma Aldrich “Mg turnings” at 98% Mg purity.
  • the resin which is solid, can then be easily recovered and treated with an acid such as hydrochloric acid (HCl) or sulfuric acid (H2SO4) to release the magnesium.
  • HCl hydrochloric acid
  • H2SO4 sulfuric acid
  • Magnesium chloride like magnesium sulfate, depending on the acid used in the previous step, can then be transformed into magnesium oxides by heating above approximately 100°C. Magnesium oxides can then be converted to metallic magnesium by conventional carbothermal, metallothermal or electrolytic techniques.
  • the temperature of the solution was measured at several times during the hydrolysis reaction. Temperatures between 45 and 80°C were measured.
  • a fuel cell producing 1 kWh of electricity requires producing around 950 liters (85 g) of hydrogen.
  • the resulting Mg-resin product can be easily recovered, for example by filtration, the resin is then regenerated and can be reused. Likewise, citric acid can be reused many times.
  • the resin can be regenerated, and the magnesium recovered, as described in the example

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Abstract

The invention relates to a method for producing hydrogen by means of hydrolysis on the basis of solid forms of metals of which the standard electrode potential (E°) with respect to the standard hydrogen electrode is less than -0.4 volt, in particular magnesium, aluminum, or zinc, in which method these solid forms are brought into contact with an aqueous medium containing a water-soluble chelating agent which is an organic acid AO and a non-water-soluble chelating agent AC, whereby hydrogen and heat are produced as well as metal ions which are chelated by the chelating agent AC. The invention also relates to a method for producing thermal energy via combustion of the hydrogen that is produced. The invention also relates to a method for producing electricity by supplying a fuel cell with the hydrogen that is produced.

Description

TITRE : Procédé de production d’hydrogène TITLE: Hydrogen production process
La présente invention concerne un procédé de production d’hydrogène par réaction d’hydrolyse à partir d’un mélange d’eau et de produit contenant des métaux, de préférence du magnésium. The present invention relates to a process for producing hydrogen by hydrolysis reaction from a mixture of water and a product containing metals, preferably magnesium.
Le magnésium réagit avec l’eau lorsqu’il est sous forme de nanopoudre ou de nanoparticules. Cependant, la formation d'hydroxyde superficiel sur les nanoparticules bloque la réaction de production d'hydrogène. D’autres inconvénients sont liés au coût de production des nanoparticules, en raison de la dépense énergétique requise, la nécessité de stocker les nanoparticules sous atmosphère inerte pour éviter l’oxydation, la tendance de ces nanoparticules à s’agglomérer, etc. La formation d’hydroxyde peut être évitée ou contrôlée à l’aide d’additifs comme des acides forts, des matériaux carbonés, des métaux de transition, avec cependant l’inconvénient de rendre difficile le réemploi du magnésium. Magnesium reacts with water when it is in the form of nanopowder or nanoparticles. However, the formation of surface hydroxide on the nanoparticles blocks the hydrogen production reaction. Other disadvantages are linked to the cost of producing nanoparticles, due to the energy expenditure required, the need to store the nanoparticles in an inert atmosphere to avoid oxidation, the tendency of these nanoparticles to agglomerate, etc. The formation of hydroxide can be avoided or controlled using additives such as strong acids, carbonaceous materials, transition metals, however with the disadvantage of making the reuse of magnesium difficult.
Les copeaux de magnésium peuvent aussi être employés, mais cela nécessite l’emploi d’acide organique, par exemple l’acide citrique. Toutefois, un excès d’acide organique est nécessaire pour éviter la neutralisation de la base conjuguée acide organique - Mg lors de l’hydrolyse, dont peut résulter une augmentation du pH, une production d’hydrogène instable et une production de chaleur. En outre, le magnésium se retrouve en solution aqueuse, par exemple sous forme de citrate de magnésium, difficile à gérer et la consommation d’eau est excessive. CN1 11003688 et WO201 1136147 décrivent ainsi l’utilisation d’acide citrique. Magnesium chips can also be used, but this requires the use of organic acid, for example citric acid. However, an excess of organic acid is necessary to avoid neutralization of the organic acid - Mg conjugate base during hydrolysis, which can result in an increase in pH, unstable hydrogen production and heat production. In addition, magnesium is found in aqueous solution, for example in the form of magnesium citrate, which is difficult to manage and water consumption is excessive. CN1 11003688 and WO201 1136147 thus describe the use of citric acid.
EP 2 583 937 décrit un système de génération d'hydrogène, qui contient un agent générateur d'hydrogène, un agent séquestrant les ions métalliques, et un agent d'ajustement du pH. Préférentiellement et dans tous les exemples, un seul agent ayant ces deux fonctions est utilisé. Il ne divulgue pas la combinaison de deux agents chélatants ayant des effets successifs, à savoir une chélation initiale et passagère pour le premier, et une chélation finale pour le second, dans des conditions permettant une régénération continue du premier, évitant une saturation du système. EP 2 583 937 describes a hydrogen generation system, which contains a hydrogen generating agent, a metal ion sequestering agent, and a pH adjusting agent. Preferably and in all examples, a single agent having these two functions is used. It does not disclose the combination of two chelating agents having successive effects, namely an initial and temporary chelation for the first, and a final chelation for the second, under conditions allowing continuous regeneration of the first, avoiding saturation of the system.
La présente invention a pour objectif de proposer une nouvelle méthode de production d’hydrogène permettant de surmonter les inconvénients de l’art antérieur. The objective of the present invention is to propose a new method of producing hydrogen making it possible to overcome the disadvantages of the prior art.
Un autre objectif de l’invention est de fournir une méthode permettant d’éviter le blocage de la réaction par neutralisation acide-base. Another objective of the invention is to provide a method making it possible to avoid blocking the reaction by acid-base neutralization.
Un autre objectif encore de l’invention est de fournir une méthode permettant de conserver continuellement un pH acide jusqu’à épuisement du magnésium, ou autre métal, dissolvable dans le milieu aqueux acidifié. Un autre objectif encore de l’invention est de fournir une méthode permettant d’obtenir un résidu solide de métal, notamment de magnésium, pouvant être facilement récupéré et retraité. Yet another objective of the invention is to provide a method making it possible to continually maintain an acidic pH until the magnesium, or other metal, dissolvable in the acidified aqueous medium is exhausted. Yet another objective of the invention is to provide a method making it possible to obtain a solid residue of metal, in particular magnesium, which can be easily recovered and reprocessed.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un procédé permettant d'utiliser l'énergie thermique produite à la suite de la réaction d'hydrolyse, qui est une réaction exothermique. Another objective of the invention is to provide a method making it possible to use the thermal energy produced following the hydrolysis reaction, which is an exothermic reaction.
Un autre objectif de l’invention est de conduire les réactions d'hydrolyse et de chélation dans un réacteur fermé ou une cartouche, permettant de piloter la réaction d’hydrolyse et la production d’hydrogène et/ou de chaleur. L’invention a donc aussi pour objectif de fournir un tel réacteur ou cartouche. Another objective of the invention is to carry out the hydrolysis and chelation reactions in a closed reactor or a cartridge, making it possible to control the hydrolysis reaction and the production of hydrogen and/or heat. The invention therefore also aims to provide such a reactor or cartridge.
Ces objectifs, ainsi que d’autres qui apparaîtront à la lumière de la description, sont atteints par une méthode de production d’hydrogène à partir de formes solides de métaux. These objectives, as well as others which will become apparent in the light of the description, are achieved by a method of producing hydrogen from solid forms of metals.
L’invention vise notamment les métaux dont le potentiel d'électrode standard (E°) par rapport à l’électrode standard à hydrogène est inférieur à environ -0.4 volt. Ces formes solides peuvent être toutes formes de particules solides de métal, ou contenant du métal, comme il sera détaillé plus loin. Le métal préféré est le magnésium, par exemple sous forme de particules de magnésium ou contenant du magnésium. Lesdites formes solides ou particules solides sont mises en contact avec, par exemple dispersées dans, un milieu aqueux contenant deux agents chélatants du cation métallique (par exemple Mg2+), (i) un acide organique soluble dans l’eau ou solubilisé (désigné agent chélatant ou acide organique AO dans ce qui suit) et (ii) un agent chélatant non soluble dans l’eau (désigné AC dans ce qui suit). Il s’ensuit des réactions d’hydrolyse, la génération d’hydrogène, la production de chaleur, et la chélation stable de l’ion métallique, par exemple Mg2+, par l’agent chélatant AC. La méthode comprend notamment la récupération de l’hydrogène produit, avantageusement la régénération continuelle de l’acide organique AO, et, éventuellement, la régénération de l’agent chélatant AC pour son réemploi. The invention particularly targets metals whose standard electrode potential (E°) relative to the standard hydrogen electrode is less than approximately -0.4 volts. These solid forms can be any form of solid particles of metal, or containing metal, as will be detailed below. The preferred metal is magnesium, for example in the form of magnesium particles or containing magnesium. Said solid forms or solid particles are brought into contact with, for example dispersed in, an aqueous medium containing two chelating agents for the metal cation (for example Mg 2+ ), (i) a water-soluble or solubilized organic acid (designated chelating agent or organic acid AO in the following) and (ii) a chelating agent not soluble in water (designated AC in the following). This results in hydrolysis reactions, the generation of hydrogen, the production of heat, and the stable chelation of the metal ion, for example Mg 2+ , by the chelating agent AC. The method includes in particular the recovery of the hydrogen produced, advantageously the continuous regeneration of the organic acid AO, and, possibly, the regeneration of the chelating agent AC for its reuse.
La présente invention concerne donc une méthode de production d’hydrogène par hydrolyse à partir de formes solides de métaux dont le potentiel d'électrode standard (E°) par rapport à l’électrode standard à hydrogène est inférieur à environ -0.4 volt, méthode dans laquelle lesdites formes solides sont mises en contact avec un milieu aqueux contenant deux agents chélatants, (i) un agent chélatant soluble dans l’eau qui est un acide organique AO et (ii) un agent chélatant non soluble dans l’eau AC. Le métal est hydrolysé, de l’hydrogène est produit, et les ions métalliques sont chélatés par l’agent chélatant AC ou se trouvent liés à l’agent chélatant AC sous forme solide. L’hydrogène produit est récupéré, de préférence la récupération est faite en continu. Notamment, le métal peut être le magnésium, l’aluminium ou le zinc. Sans vouloir être lié à la théorie, pour prendre l’exemple préféré du magnésium, on estime que l’acide organique AO provoque la solubilisation et une chélation passagère du magnésium sous forme Mg2+, et la production d’Hp. Cette chélation est passagère car l’agent chélatant AC est en compétition pour l’ion Mg2+ une fois celui-ci généré, et la nature des deux chélatants est choisie pour favoriser la captation ou chélation de l’ion Mg2+ par l’agent chélatant AC. En d’autres termes, l’acide organique AO est continuellement régénéré in situ par la captation du cation par l’agent chélatant AC présent en quantité relative (par rapport à la quantité de Mg2+ et d’acide organique AO) suffisante pour assurer cet effet. Dans le cas de l’acide citrique, par exemple, le citrate de magnésium se forme à chaque captation du cation par l’acide citrique, mais se défait aussitôt ou rapidement par l’effet de l’agent chélatant AC. A condition d’avoir les quantités suffisantes des différentes espèces, cet enchaînement de réactions permet une hydrolyse complète du magnésium, et une production d’hydrogène qui n’est pas stoppée par la saturation des molécules d’acide organique AO. Par ailleurs, l’agent chélatant AC peut être facilement régénéré car sa forme solide permet facilement sa séparation. The present invention therefore relates to a method of producing hydrogen by hydrolysis from solid forms of metals whose standard electrode potential (E°) relative to the standard hydrogen electrode is less than approximately -0.4 volt, method in which said solid forms are brought into contact with an aqueous medium containing two chelating agents, (i) a water-soluble chelating agent which is an organic acid AO and (ii) a non-water-soluble chelating agent AC. The metal is hydrolyzed, hydrogen is produced, and the metal ions are chelated by the chelating agent AC or are bound to the chelating agent AC in solid form. The hydrogen produced is recovered, preferably the recovery is carried out continuously. In particular, the metal can be magnesium, aluminum or zinc. Without wishing to be bound by theory, to take the preferred example of magnesium, it is estimated that the organic acid AO causes the solubilization and temporary chelation of magnesium in the form of Mg 2+ , and the production of Hp. This chelation is temporary because the AC chelating agent competes for the Mg 2+ ion once it is generated, and the nature of the two chelants is chosen to promote the capture or chelation of the Mg 2+ ion by the AC chelating agent. In other words, the organic acid AO is continuously regenerated in situ by the capture of the cation by the chelating agent AC present in a relative quantity (compared to the quantity of Mg 2+ and organic acid AO) sufficient to ensure this effect. In the case of citric acid, for example, magnesium citrate is formed each time the cation is captured by citric acid, but is dissolved immediately or quickly by the effect of the chelating agent AC. Provided there are sufficient quantities of the different species, this sequence of reactions allows complete hydrolysis of magnesium, and production of hydrogen which is not stopped by the saturation of the organic acid molecules AO. Furthermore, the AC chelating agent can be easily regenerated because its solid form easily allows its separation.
La présente invention concerne de préférence une méthode de production d’hydrogène par hydrolyse à partir de formes solides ou de particules solides de magnésium, ou contenant du magnésium, dans laquelle lesdites formes ou particules solides sont mises en contact avec, par exemple dispersées dans, un milieu aqueux contenant deux agents chélatants de Mg2+, (i) un acide organique solubilisé qui est un acide organique AO et (ii) un agent chélatant non soluble dans l’eau AC, ce grâce à quoi de l’hydrogène est produit ainsi que des ions Mg2+ qui sont chélatés par l’agent chélatant AC. L’hydrogène produit est récupéré, de préférence la récupération est faite en continu. The present invention preferably relates to a method for producing hydrogen by hydrolysis from solid forms or solid particles of magnesium, or containing magnesium, in which said solid forms or particles are brought into contact with, for example dispersed in, an aqueous medium containing two Mg 2+ chelating agents, (i) a solubilized organic acid which is an organic acid AO and (ii) a non-water soluble chelating agent AC, whereby hydrogen is produced as well as Mg 2+ ions which are chelated by the chelating agent AC. The hydrogen produced is recovered, preferably the recovery is carried out continuously.
Les particules peuvent être formées de magnésium pur ou peuvent contenir du magnésium et un ou plusieurs autres composants. Par « contenant du magnésium », on entend des particules contenant du magnésium comme seul métal (monométal) ou contenant plusieurs métaux (e.g. alliage, hydrures). Il va de soi qu’une teneur importante en magnésium est préférée afin de rendre la méthode économiquement intéressante. Généralement, on préfère engager des particules ayant une teneur en magnésium supérieure ou égale à environ 20 %, de préférence supérieure ou égale à environ 50 %, mieux supérieure ou égale à 70, 80, 90, ou 95 % en poids par rapport au poids total d’une particule. The particles may be formed from pure magnesium or may contain magnesium and one or more other components. By “containing magnesium”, we mean particles containing magnesium as the only metal (monometal) or containing several metals (e.g. alloy, hydrides). It goes without saying that a high magnesium content is preferred in order to make the method economically interesting. Generally, it is preferred to use particles having a magnesium content greater than or equal to approximately 20%, preferably greater than or equal to approximately 50%, better still greater than or equal to 70, 80, 90, or 95% by weight relative to the weight. total of a particle.
Les formes solides de magnésium incluent des formes nanométriques ou micrométriques, ou des formes de plus grandes dimensions de toute géométrie, comme des crayons, barres, cubes ou parallélépipèdes, des copeaux, de fragments. Toutes ces formes ou particules de magnésium ou contenant du magnésium peuvent donc avoir des dimensions variables, typiquement comprises entre environ 0,5 mm et environ 200 mm, notamment entre 0,5 et 50 mm. Pour ce qui est de la forme hydrure MgHs, celle-ci est généralement sous forme de nanopoudre ou de nanoparticules. Solid forms of magnesium include nanometric or micrometric forms, or larger shapes of any geometry, such as pencils, bars, cubes or parallelepipeds, chips, fragments. All these forms or particles of magnesium or containing magnesium can therefore have variable dimensions, typically between approximately 0.5 mm and approximately 200 mm, in particular between 0.5 and 50 mm. As for the MgHs hydride form, this is generally in the form of nanopowder or nanoparticles.
Si un autre métal que le magnésium est utilisé, comme l’aluminium ou le zinc, les formes solides ou particules peuvent être formées de ce métal pur ou peuvent contenir ce métal et un ou plusieurs autres composants. Par « contenant ce métal », on entend des particules le contenant comme seul métal (monométal) ou contenant plusieurs métaux (e.g. alliage, hydrures). Il va de soi qu’une teneur importante en métal est préférée afin de rendre la méthode économiquement intéressante. Généralement, on préfère engager des particules ayant une teneur en métal supérieure ou égale à environ 20 %, de préférence supérieure ou égale à environ 50 %, mieux supérieure ou égale à 70, 80, 90, ou 95 % en poids par rapport au poids total d’une particule. Les formes solides sont du même type que décrit pour le magnésium. If a metal other than magnesium is used, such as aluminum or zinc, the solid forms or particles may be formed of that pure metal or may contain that metal and one or more other components. By “containing this metal”, we mean particles containing it as the only metal (monometal) or containing several metals (e.g. alloy, hydrides). It goes without saying that a high metal content is preferred in order to make the method economically interesting. Generally, it is preferred to use particles having a metal content greater than or equal to approximately 20%, preferably greater than or equal to approximately 50%, better still greater than or equal to 70, 80, 90, or 95% by weight relative to the weight. total of a particle. The solid forms are of the same type as described for magnesium.
L’agent chélatant AC peut être notamment ce qu’il est convenu d’appeler un échangeur de cations acide ou une résine échangeuse de cation. The AC chelating agent may in particular be what is commonly called an acid cation exchanger or a cation exchange resin.
Il peut s’agir d’une résine échangeuse de cation forte ou un échangeur de cation fortement acide. Une telle résine comporte une matrice polymérique, de préférence une matrice polystyrène (ou polymère de styrène) ou un copolymère styrène-divinylbenzène, et un ou plusieurs groupes sulfonates. Il s’agit donc de résines, polymères ou copolymères sulfonés. Ces groupes sulfonates sont protonés, i.e. chargés d’ions H+. On peut notamment utiliser ces échangeurs de cations fortement acides obtenus par sulfonation de polymères de styrènes ou de copolymères styrène-divinylbenzène au moyen d’acide sulfurique, comme décrit par exemple dans US 6,384,092, auquel l’homme du métier pourra se référer. On peut citer les résines commerciales suivantes : Amberlite® IRC120, « hydrogen form », Dowex® G26 « hydrogen form »; Amberlyst® 15 « hydrogen form »; Lewatit® Monoplus S100 « hydrogen form ». This may be a strong cation exchange resin or a strongly acidic cation exchanger. Such a resin comprises a polymer matrix, preferably a polystyrene matrix (or styrene polymer) or a styrene-divinylbenzene copolymer, and one or more sulfonate groups. These are therefore sulfonated resins, polymers or copolymers. These sulfonate groups are protonated, ie charged with H + ions. It is possible in particular to use these strongly acidic cation exchangers obtained by sulfonation of styrene polymers or styrene-divinylbenzene copolymers using sulfuric acid, as described for example in US 6,384,092, to which those skilled in the art may refer. We can cite the following commercial resins: Amberlite® IRC120, “hydrogen form”, Dowex® G26 “hydrogen form”; Amberlyst® 15 “hydrogen form”; Lewatit® Monoplus S100 “hydrogen form”.
Il peut aussi s’agir d’une résine échangeuse de cation faible. Une telle résine comporte une matrice polymérique, de préférence un polymère acrylique ou un copolymère d’acrylonitrile et d’un monomère aliphatique réticulant, et un ou plusieurs groupes carboxyliques. Comme cela est connu en soi, ce peut être notamment une résine produite à partir d’un polymère ou copolymère acrylique, auquel on fait subir une hydrolyse avec de l’acide sulfurique pour générer des groupes fonctionnels acides carboxyliques. L’homme du métier pourra se référer à DK162651 . On peut citer les résines commerciales suivantes : AmberLite® MAC-3 H; Lewatit® CNP80; Amberlite® HPR8300 H. It can also be a weak cation exchange resin. Such a resin comprises a polymer matrix, preferably an acrylic polymer or a copolymer of acrylonitrile and a crosslinking aliphatic monomer, and one or more carboxylic groups. As is known per se, it may in particular be a resin produced from an acrylic polymer or copolymer, which is subjected to hydrolysis with sulfuric acid to generate carboxylic acid functional groups. Those skilled in the art may refer to DK162651. The following commercial resins can be cited: AmberLite® MAC-3 H; Lewatit® CNP80; Amberlite® HPR8300 H.
L’acide organique AO est de préférence un acide carboxylique soluble dans l’eau comprenant de 1 à 4 groupes carboxyliques, qui peut notamment être choisi parmi l’acide acétique, l’acide citrique, l’acide tartrique, l’acide malonique, l’acide malique, l’acide maléique, l’acide nitrilotriacétique (NTA), l’acide éthylènediaminetétraacétique (EDTA) et/ou l’EDTA modifié de préférence par du magnésium ou de l’ester méthylique, ce qui améliore la solubilité dans l'eau. Plus particulièrement, cet acide est polycarboxylique et il comporte de 2 à 4 groupes carboxyliques, mieux 2 ou 3 groupes carboxyliques. Il s’agit de préférence de l’acide citrique. The organic acid AO is preferably a water-soluble carboxylic acid comprising from 1 to 4 carboxylic groups, which may in particular be chosen from the acid acetic acid, citric acid, tartaric acid, malonic acid, malic acid, maleic acid, nitrilotriacetic acid (NTA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and/or modified EDTA of preferably with magnesium or methyl ester, which improves solubility in water. More particularly, this acid is polycarboxylic and it contains 2 to 4 carboxylic groups, better still 2 or 3 carboxylic groups. This is preferably citric acid.
L’acide organique AO permet d’initier l’hydrolyse et la libération du cation de magnésium. Il a également un pouvoir chélatant de ce cation de magnésium. Dans le cas de l’acide acétique, ce pouvoir chélatant est partagé entre deux molécules d’acide acétique. Pour les autres AO, la présence d’au moins deux groupes acides carboxyliques permet à une seule molécule de chélater l’ion magnésium, mais on n’exclut pas la coopération de deux molécules pour effectuer cette chélation. Dans tous les cas, la force de chélation de l’acide AO est inférieure à celle de l’agent chélatant AC dans les conditions de l’invention. L’agent chélatant AC a par exemple une constante de formation de complexe chélaté plus fort que l’acide organique AO. The organic acid AO initiates the hydrolysis and release of the magnesium cation. It also has a chelating power of this magnesium cation. In the case of acetic acid, this chelating power is shared between two acetic acid molecules. For other AOs, the presence of at least two carboxylic acid groups allows a single molecule to chelate the magnesium ion, but we do not exclude the cooperation of two molecules to carry out this chelation. In all cases, the chelating force of the AO acid is lower than that of the chelating agent AC under the conditions of the invention. The chelating agent AC, for example, has a stronger chelated complex formation constant than the organic acid AO.
Le pKa est une caractéristique des acides ou des groupements réactifs employés dans l’invention. Plus le pKa est faible, plus la force de l’acide ou du groupement acide est élevée. Les acides sulfoniques et les groupements sulfonates confèrent une forte capacité de chélation. Les agents chélatants sont choisis avec un pKa inférieur à celui de l’acide organique soluble utilisé. The pKa is a characteristic of the acids or reactive groups used in the invention. The lower the pKa, the higher the strength of the acid or acid group. Sulphonic acids and sulfonate groups provide strong chelating capacity. Chelating agents are chosen with a pKa lower than that of the soluble organic acid used.
Pour 1 mole de métal, notamment magnésium, on peut employer au moins 0,5, ou mieux au moins 1 mole d’acide organique AO (par exemple intervalle d’environ 0,5 à environ 1 ou environ 1 ,5) et/ou au moins 1 mole, ou mieux au moins 2 moles d’agent chélatant AC (par exemple intervalle d’environ 1 à environ 3, notamment d’environ 1 ,5 ou environ 2 à environ 3). De préférence, on utilise un excès de AC par rapport à la quantité de métal ; typiquement, par excès, on entend une quantité de moles d’AC multipliée par au moins 1 ,5 ou 2 (par exemple x 1 ,5, 1 ,6, 1 ,7, 1 ,8, 1 ,9, 2, 2,5, 3, etc.) par rapport à la quantité de métal en moles. De préférence aussi, on utilise un excès d’AC par rapport à l’AO ; typiquement, par excès, on entend une quantité de moles d’AC multipliée par au moins 1 ,5 ou 2 ou 3 (par exemple x 1 ,5, 1 ,6, 1 ,7, 1 ,8, 1 ,9, 2, 2,5, 3, etc.) par rapport à la quantité de moles d’AO. Dans le cas de l’acide citrique, pour 1 mole de métal, notamment Mg, on peut notamment utiliser a minima de 0,5 à 1 mole d’acide citrique et a minima de 1 ou 1 ,5 à 2 moles, de préférence 2 moles, de résine échangeuse de cation. La quantité d’eau peut être de 250 à 750 ml d’eau pour 1 mole de métal, notamment Mg. La durée de production d’hydrogène peut être comprise entre 30 et 60 minutes pour cette condition. On peut maîtriser la rapidité de la réaction et donc la durée de production d’hydrogène. En effet, plus la concentration en acide est importante, plus la réaction est rapide. De même, plus la force de l’acide est élevée, plus la réaction est rapide également. Et ces paramètres sont en lien avec la capacité de la pile à combustible. For 1 mole of metal, in particular magnesium, it is possible to use at least 0.5, or better still at least 1 mole of organic acid AO (for example range from approximately 0.5 to approximately 1 or approximately 1.5) and/ or at least 1 mole, or better still at least 2 moles of AC chelating agent (for example range from approximately 1 to approximately 3, in particular from approximately 1.5 or approximately 2 to approximately 3). Preferably, an excess of AC is used relative to the quantity of metal; typically, by excess, we mean a quantity of moles of AC multiplied by at least 1.5 or 2 (for example x 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2, 2 .5, 3, etc.) relative to the quantity of metal in moles. Also preferably, an excess of AC compared to the AO is used; typically, by excess, we mean a quantity of moles of AC multiplied by at least 1.5 or 2 or 3 (for example x 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2 , 2.5, 3, etc.) relative to the quantity of moles of AO. In the case of citric acid, for 1 mole of metal, in particular Mg, it is possible to use at least 0.5 to 1 mole of citric acid and at least 1 or 1.5 to 2 moles, preferably 2 moles of cation exchange resin. The quantity of water can be 250 to 750 ml of water for 1 mole of metal, in particular Mg. The hydrogen production time can be between 30 and 60 minutes for this condition. We can control the speed of the reaction and therefore the duration of hydrogen production. Indeed, the greater the acid concentration, the faster the reaction. Likewise, the higher the strength of the acid, the faster the reaction also occurs. And these parameters are linked to the capacity of the fuel cell.
La chaleur produite par la réaction d’hydrolyse peut avantageusement être récupérée et utilisée, par exemple pour alimenter un circuit de chauffage. Les premiers essais réalisés ont montré que l’eau de la réaction d’hydrolyse pouvait atteindre une température comprise entre 45 et 80°C. The heat produced by the hydrolysis reaction can advantageously be recovered and used, for example to power a heating circuit. The first tests carried out showed that the water from the hydrolysis reaction could reach a temperature of between 45 and 80°C.
Un autre objet de l’invention est donc un procédé de production de chaleur ou d'énergie thermique. Ce procédé comprend la mise en œuvre de la méthode de production d’hydrogène divulguée ici. Ce procédé comprend en outre la fourniture de l'hydrogène produit à un système de combustion ou un moteur à hydrogène, qui va utiliser l’oxydation du dihydrogène par le dioxygène pour produire de l’énergie et de l’eau. Another object of the invention is therefore a process for producing heat or thermal energy. This process includes the implementation of the hydrogen production method disclosed herein. This process further comprises supplying the hydrogen produced to a combustion system or a hydrogen engine, which will use the oxidation of dihydrogen by dioxygen to produce energy and water.
Un autre objet de l'invention est donc une méthode de production d’hydrogène et/ou de chaleur ou d’énergie thermique, par hydrolyse à partir de formes solides de métaux dont le potentiel d'électrode standard (E°) par rapport à l’électrode standard à hydrogène est inférieur à environ -0.4 volt, méthode dans laquelle lesdites formes solides sont mises en contact avec un milieu aqueux contenant deux agents chélatants, (i) un agent chélatant soluble dans l’eau qui est un acide organique AO et (ii) un agent chélatant non soluble dans l’eau AC. Le métal est hydrolysé, de l’hydrogène et de la chaleur sont produits, et les ions métalliques sont chélatés par l’agent chélatant AC ou se trouvent liés à l’agent chélatant AC sous forme solide. La chaleur est récupérée, et peut alimenter un circuit de chauffage. L’hydrogène produit est aussi avantageusement récupéré, de préférence la récupération est faite en continu. L’hydrogène peut être alors utilisé dans une pile à combustible, ou brûlée pour alimenter le circuit de chauffage en chaleur. Notamment, le métal peut être le magnésium, l’aluminium ou le zinc. Les caractéristiques énoncées au-dessus à propos de la méthode de production d’hydrogène s’appliquent à cette autre méthode. Another object of the invention is therefore a method of producing hydrogen and/or heat or thermal energy, by hydrolysis from solid forms of metals whose standard electrode potential (E°) relative to the standard hydrogen electrode is less than about -0.4 volt, method in which said solid forms are brought into contact with an aqueous medium containing two chelating agents, (i) a water-soluble chelating agent which is an organic acid AO and (ii) a non-water soluble chelating agent AC. The metal is hydrolyzed, hydrogen and heat are produced, and the metal ions are chelated by the AC chelating agent or become bound to the AC chelating agent in solid form. The heat is recovered and can power a heating circuit. The hydrogen produced is also advantageously recovered, preferably the recovery is carried out continuously. The hydrogen can then be used in a fuel cell, or burned to supply the heating circuit with heat. In particular, the metal can be magnesium, aluminum or zinc. The characteristics stated above regarding the hydrogen production method apply to this other method.
Dans un mode de réalisation, les méthodes de l’invention assurant les réactions d’hydrolyse, de production d’hydrogène, de production de chaleur, et de chélation des ions métalliques ou du métal, sont effectuées dans un réacteur fermé ou dans une cartouche fermée. Suivant une modalité, le réacteur ou la cartouche sont destiné à constituer des dispositifs portables, par exemple d’un volume intérieur compris entre environ 0,5 et environ 5 litres, notamment entre environ 1 et environ 2 litres. In one embodiment, the methods of the invention ensuring the reactions of hydrolysis, hydrogen production, heat production, and chelation of metal ions or metal, are carried out in a closed reactor or in a cartridge closed. Depending on one method, the reactor or the cartridge are intended to constitute portable devices, for example with an internal volume of between approximately 0.5 and approximately 5 liters, in particular between approximately 1 and approximately 2 liters.
Les réactions d'hydrolyse peuvent être effectuées dans un réacteur fermé ou une cartouche. Dans un mode de réalisation intéressant, la production d’hydrogène (et de chaleur) est pilotable. Cette particularité peut être obtenue en utilisant un réacteur ou cartouche, qui est aussi un objet de l’invention, comprenant, à l’intérieur de son volume, une pièce mobile agencée de manière à pouvoir supporter la forme solide de métal à hydrolyser, et des moyens pilotables pour faire se déplacer la pièce mobile d’une position dans laquelle ladite pièce se trouve près du fond du volume, à une autre position dans laquelle la pièce mobile se trouve dans la partie haute ou supérieure du volume. Le volume du réacteur ou cartouche est aussi apte et destiné à recevoir le milieu aqueux, en une quantité qui libère un espace libre dans la partie haute ou supérieure du volume. Le pilotage de la réaction se fait de la manière suivante : la pièce mobile et la forme solide du métal sont dans la position près du fond du volume, et donc immergés dans le milieu aqueux, les réactions d’hydrolyse se produisent ; la pièce mobile et la forme solide de métal sont déplacés vers la partie haute ou supérieure, dans l’espace sans milieu aqueux, ce qui stoppe les réactions d’hydrolyse. Le pilotage permet de passer d’une position à une autre, pour produire de l’hydrogène ou stopper cette production. La pièce mobile peut notamment avoir la forme d’un piston, se déplaçant à l’intérieur du volume. En d’autres termes, la réaction d’hydrolyse peut être conduite dans un réacteur ou cartouche fermé comprenant une pièce mobile entre une position dans laquelle la forme solide de métal est immergée dans le milieu aqueux, et est soumise à l’hydrolyse, et une position dans laquelle elle se trouve en dehors de ce milieu aqueux, et n’est pas soumise à hydrolyse. Hydrolysis reactions can be carried out in a closed reactor or cartridge. In an interesting embodiment, the production of hydrogen (and heat) can be controlled. This particularity can be obtained by using a reactor or cartridge, which is also an object of the invention, comprising, within its volume, a moving part arranged so as to be able to support the solid form of metal to be hydrolyzed, and controllable means for moving the moving part from a position in which said part is located near the bottom of the volume, to another position in which the moving part is in the upper or upper part of the volume. The volume of the reactor or cartridge is also suitable and intended to receive the aqueous medium, in a quantity which frees up free space in the upper or upper part of the volume. The reaction is controlled as follows: the moving part and the solid form of the metal are in the position near the bottom of the volume, and therefore immersed in the aqueous medium, the hydrolysis reactions occur; the moving part and the solid form of metal are moved to the upper or upper part, in the space without an aqueous medium, which stops the hydrolysis reactions. Control allows you to move from one position to another, to produce hydrogen or stop this production. The moving part may in particular have the shape of a piston, moving inside the volume. In other words, the hydrolysis reaction can be carried out in a closed reactor or cartridge comprising a movable part between a position in which the solid form of metal is immersed in the aqueous medium, and is subjected to hydrolysis, and a position in which it is outside this aqueous environment, and is not subject to hydrolysis.
Un autre objet de l’invention est un procédé de production d’électricité. Ce procédé comprend la mise en œuvre de la méthode de production d’hydrogène divulguée ici. Ce procédé comprend en plus l’alimentation d’une pile à combustible avec l’hydrogène produit, cette pile comprenant au moins une anode (permettant la dissociation de l’hydrogène en protons et électrons) et au moins une cathode (permettant de réduire de l’oxygène par les protons et des électrons pour former de l’eau), permettant de conduire la réaction de production d’un courant électrique et de production d’eau. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend une phase de stockage de l’hydrogène, notamment de courte durée, entre la production de l’hydrogène et l’alimentation de la pile à combustible. Notamment, cette phase de stockage dure le temps de l’épuisement du magnésium. Dans un autre mode de réalisation, l’hydrogène est introduit en continu dans la pile à combustible, à mesure qu’il est produit. Another object of the invention is a process for producing electricity. This process includes the implementation of the hydrogen production method disclosed herein. This process further comprises supplying a fuel cell with the hydrogen produced, this cell comprising at least one anode (allowing the dissociation of hydrogen into protons and electrons) and at least one cathode (making it possible to reduce oxygen by protons and electrons to form water), making it possible to drive the reaction of producing an electric current and producing water. In one embodiment, the process comprises a hydrogen storage phase, particularly of short duration, between the production of hydrogen and the supply of the fuel cell. In particular, this storage phase lasts until magnesium is depleted. In another embodiment, hydrogen is continuously introduced into the fuel cell as it is produced.
Un autre objet de l’invention est un procédé de production d'énergie thermique à partir de l’hydrogène produit. Ce procédé comprend la mise en œuvre de la méthode de production d’hydrogène divulguée ici, puis la combustion de tout ou partie de l’hydrogène produit. Ce procédé comprend notamment la fourniture de l'hydrogène produit à un système de combustion ou un moteur à hydrogène, qui va utiliser l’oxydation du dihydrogène par le dioxygène pour produire de l’énergie et de l’eau. [Fig 1] La Figure 1 présente un graphique à barres présentant, au cours du temps, la part de magnésium non dissout à partir des particules solides contenant du magnésium, et la production d’hydrogène, pour diverses conditions. Another object of the invention is a process for producing thermal energy from the hydrogen produced. This process comprises the implementation of the hydrogen production method disclosed here, then the combustion of all or part of the hydrogen produced. This process includes in particular supplying the hydrogen produced to a combustion system or a hydrogen engine, which will use the oxidation of dihydrogen by dioxygen to produce energy and water. [Fig 1] Figure 1 shows a bar graph showing, over time, the proportion of undissolved magnesium from magnesium-containing solid particles, and the production of hydrogen, for various conditions.
Dans tous les exemples, on utilise des copeaux de magnésium (« magnesium scrap »), à savoir le magnésium vendu par Sigma Aldrich « Mg turnings » à 98% de pureté en Mg. In all examples, magnesium shavings (“magnesium scrap”) are used, namely magnesium sold by Sigma Aldrich “Mg turnings” at 98% Mg purity.
Exemple comparatif 1 : Comparative example 1:
24,3 mg de copeaux de magnésium sont placés dans 0,5 ml d’eau. Aucune réaction ou production d’hydrogène n’est observée. Voir Figure 1 , A. 24.3 mg of magnesium shavings are placed in 0.5 ml of water. No reaction or production of hydrogen is observed. See Figure 1, A.
Exemple comparatif 2 : Comparative example 2:
24,3 mg de copeaux de magnésium sont placés dans 0,5 ml d’eau contenant 312 mg (environ 1 mmol) d’une résine échangeuse de cation forte, à savoir Amberlite® IR 120 forme H. La résine a été lavées à l’eau distillée avant utilisation. Aucune réaction ou production d’hydrogène n’est observée. Voir Figure 1 , B. 24.3 mg of magnesium chips are placed in 0.5 ml of water containing 312 mg (approximately 1 mmol) of a strong cation exchange resin, namely Amberlite® IR 120 form H. The resin was washed at distilled water before use. No reaction or production of hydrogen is observed. See Figure 1, B.
Exemple comparatif 3 : Comparative example 3:
24,3 mg de copeaux de magnésium sont placés dans 0,5 ml d’eau contenant 0,5 mmol d’acide citrique. Une réaction d’hydrolyse est observée, mais celle-ci s’arrête au bout d’environ 60 minutes en raison d’une neutralisation acide-base (le pH est passé de 2 à 7 dans cet intervalle de temps). Environ 8,4 mg de magnésium ne se sont pas dissouts et environ 13 ml d’hydrogène ont été produits. Voir Figure 1 , C. 24.3 mg of magnesium shavings are placed in 0.5 ml of water containing 0.5 mmol of citric acid. A hydrolysis reaction is observed, but this stops after approximately 60 minutes due to acid-base neutralization (the pH increased from 2 to 7 in this time interval). About 8.4 mg of magnesium did not dissolve and about 13 ml of hydrogen was produced. See Figure 1, C.
Exemple 4 : Example 4:
24,3 mg de copeaux de magnésium (1 mmol) sont placés dans 0,5 ml d’eau contenant 0,5 mmol d’acide citrique et 312 mg (environ 1 mmol) d’une résine échangeuse de cation forte, à savoir Amberlite® IR 120 forme H. La réaction d’hydrolyse s’est produite. Les conditions ne sont cependant pas optimales, étant donné que l’on a observé un ralentissement de la réaction. Après 60 minutes, environ 2 mg de magnésium ne se sont pas dissouts et environ 20 ml d’hydrogène ont été produits. Voir Figure 1 , D. 24.3 mg of magnesium chips (1 mmol) are placed in 0.5 ml of water containing 0.5 mmol of citric acid and 312 mg (approximately 1 mmol) of a strong cation exchange resin, namely Amberlite® IR 120 form H. The hydrolysis reaction has occurred. However, the conditions are not optimal, since a slowdown in the reaction has been observed. After 60 minutes, approximately 2 mg of magnesium had not dissolved and approximately 20 ml of hydrogen had been produced. See Figure 1, D.
Exemple 5 : Example 5:
24,3 mg de copeaux de magnésium (1 mmol) sont placés dans 0,5 ml d’eau contenant 0,5 mmol d’acide citrique et 624 mg (environ 2 mmol) d’une résine échangeuse de cation forte, à savoir Amberlite® IR 120 forme H. La réaction d’hydrolyse a été totale avec l’hydrolyse des 24,3 mg de magnésium en 30 minutes, avec environ 22 ml d’hydrogène produits (> 98%). Le pH de la solution finale était de 2. Voir Figure 1 , E. 24.3 mg of magnesium chips (1 mmol) are placed in 0.5 ml of water containing 0.5 mmol of citric acid and 624 mg (approximately 2 mmol) of a strong cation exchange resin, namely Amberlite® IR 120 form H. The hydrolysis reaction was complete with the hydrolysis of 24.3 mg of magnesium in 30 minutes, with approximately 22 ml of hydrogen produced (> 98%). The pH of the final solution was 2. See Figure 1, E.
A noter que le taux d’hydrogène produit a été mesuré par la méthode de déplacement d’eau dans tous les exemples. Une plus grande précision peut être obtenue en utilisant la chromatographie des gaz. Une analyse par ICP permettrait de montrer que la totalité du magnésium a été chélatée par la résine, et qu’il n’y a pas de magnésium solubilisé résiduel. Note that the rate of hydrogen produced was measured by the water displacement method in all examples. Greater accuracy can be achieved using gas chromatography. An ICP analysis would show that all of the magnesium has been chelated by the resin, and that there is no residual solubilized magnesium.
La résine, qui est solide, peut ensuite être facilement récupérée et traitée par un acide comme l’acide chlorhydrique (HCl) ou acide sulfurique (H2SO4) pour libérer le magnésium. La résine est ainsi régénérée pour un réemploi. The resin, which is solid, can then be easily recovered and treated with an acid such as hydrochloric acid (HCl) or sulfuric acid (H2SO4) to release the magnesium. The resin is thus regenerated for reuse.
Le chlorure de magnésium, comme le sulfate de magnésium, selon l’acide utilisé à l’étape précédente, peut ensuite être transformé en oxydes de magnésium par chauffage au-dessus de 100 °C environ. Les oxydes de magnésium peuvent ensuite être convertis en magnésium métallique par des techniques carbothermiques, métallothermiques ou électrolytiques classiques. Magnesium chloride, like magnesium sulfate, depending on the acid used in the previous step, can then be transformed into magnesium oxides by heating above approximately 100°C. Magnesium oxides can then be converted to metallic magnesium by conventional carbothermal, metallothermal or electrolytic techniques.
La température de la solution a été mesurée à plusieurs instant pendant la réaction d’hydrolyse. Des températures comprises entre 45 et 80°C ont été mesurées. The temperature of the solution was measured at several times during the hydrolysis reaction. Temperatures between 45 and 80°C were measured.
Exemple 6 : Example 6:
Une pile à combustible produisant 1 kWh d’électricité (considérant une efficacité d’environ 40% de la pile) nécessite de produire environ 950 litres (85 g) d’hydrogène. Pour ce faire, on emploie 1 kg de Mg + 20 I d’eau + 4 kg d’acide citrique + 26 kg de résine échangeuse de cation forte, à savoir Amberlite® IR 120 forme H. A fuel cell producing 1 kWh of electricity (considering an efficiency of around 40% of the cell) requires producing around 950 liters (85 g) of hydrogen. To do this, we use 1 kg of Mg + 20 I of water + 4 kg of citric acid + 26 kg of strong cation exchange resin, namely Amberlite® IR 120 form H.
Le produit résultant Mg-résine peut être facilement récupéré, par exemple par filtration, la résine est alors régénérée et peut être réutilisée. De même, l’acide citrique peut être réutilisé de nombreuses fois. The resulting Mg-resin product can be easily recovered, for example by filtration, the resin is then regenerated and can be reused. Likewise, citric acid can be reused many times.
La résine peut être régénérée, et le magnésium récupéré, comme décrit à l’exempleThe resin can be regenerated, and the magnesium recovered, as described in the example
5. 5.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Méthode de production d’hydrogène par hydrolyse à partir de formes solides de métaux dont le potentiel d'électrode standard (E°) par rapport à l’électrode standard à hydrogène est inférieur à -0.4 volt, méthode dans laquelle lesdites formes solides sont mises en contact avec un milieu aqueux contenant deux agents chélatants, (i) un agent chélatant soluble dans l’eau qui est un acide organique AO et (ii) un agent chélatant non soluble dans l’eau AC, l’agent chélatant AC ayant une constante de formation de complexe chélaté plus fort que l’acide organique AO et/ou l’agent chélatant AC ayant un pKa inférieur à celui de l’acide organique AO, ce grâce à quoi de l’hydrogène est produit ainsi que des ions métallique qui sont chélatés par l’agent chélatant AC. 1. Method of producing hydrogen by hydrolysis from solid forms of metals whose standard electrode potential (E°) with respect to the standard hydrogen electrode is less than -0.4 volt, method in which said solid forms are placed in contact with an aqueous medium containing two chelating agents, (i) a water-soluble chelating agent which is an organic acid AO and (ii) a non-water-soluble chelating agent AC, the chelating agent AC having a chelated complex formation constant stronger than the organic acid AO and/or the chelating agent AC having a pKa lower than that of the organic acid AO, whereby hydrogen is produced as well as metal ions which are chelated by the chelating agent AC.
2. Méthode selon la revendication 1 , dans laquelle le métal est le magnésium, l'aluminium ou le zinc, de préférence le magnésium. 2. Method according to claim 1, in which the metal is magnesium, aluminum or zinc, preferably magnesium.
3. Méthode selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l’agent chélatant AC est une résine échangeuse de cation forte, comportant une matrice polymérique, de préférence une matrice polystyrène ou un copolymère styrène-divinylbenzène, et un ou plusieurs groupes sulfonates protonés ; ou l’agent chélatant AC est une résine échangeuse de cation faible, comportant une matrice polymérique, de préférence un polymère acrylique ou un copolymère d’acrylonitrile et d’un monomère aliphatique réticulant, et un ou plusieurs groupes carboxyliques. 3. Method according to claim 1 or 2, in which the chelating agent AC is a strong cation exchange resin, comprising a polymeric matrix, preferably a polystyrene matrix or a styrene-divinylbenzene copolymer, and one or more protonated sulfonate groups; or the chelating agent AC is a weak cation exchange resin, comprising a polymeric matrix, preferably an acrylic polymer or a copolymer of acrylonitrile and a crosslinking aliphatic monomer, and one or more carboxylic groups.
4. Méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l’agent chélatant AO est un acide carboxylique soluble dans l’eau, comprenant de 1 à 4 groupes carboxyliques, de préférence choisi parmi l’acide acétique, l’acide citrique, l’acide tartrique, l’acide malonique, l’acide malique, l’acide maléique, l’acide nitrilotriacétique (NTA), et l’acide éthylènediaminetétraacétique (EDTA), optionnellement modifié par du magnésium ou de l’ester méthylique, de préférence cet acide a de 2 à 4 groupes carboxyliques, mieux 2 ou 3 groupes carboxyliques, de préférence il s’agit de l’acide citrique. 4. Method according to any one of claims 1 to 3, in which the chelating agent AO is a carboxylic acid soluble in water, comprising from 1 to 4 carboxylic groups, preferably chosen from acetic acid, citric acid, tartaric acid, malonic acid, malic acid, maleic acid, nitrilotriacetic acid (NTA), and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), optionally modified with magnesium or ester methyl, preferably this acid has from 2 to 4 carboxylic groups, better still 2 or 3 carboxylic groups, preferably it is citric acid.
5. Méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle l’agent chélatant AC est en excès par rapport à l’acide organique AO. 5. Method according to any one of claims 1 to 4, in which the chelating agent AC is in excess relative to the organic acid AO.
6. Méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle les quantités respectives sont, pour 1 mole de métal, au moins 1 mole d’acide organique AO et au moins 1 mole d’agent chélatant, de préférence AO et AC sont en excès par rapport à la quantité de métal. 6. Method according to any one of claims 1 to 5, in which the respective quantities are, for 1 mole of metal, at least 1 mole of organic acid AO and at least 1 mole of chelating agent, preferably AO and AC are in excess compared to the quantity of metal.
7. Méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle on récupère l'énergie thermique produite par les réactions d’hydrolyse. 7. Method according to any one of claims 1 to 6, in which the thermal energy produced by the hydrolysis reactions is recovered.
8. Méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la réaction d’hydrolyse est conduite dans un réacteur ou cartouche fermé comprenant une pièce mobile entre une position dans laquelle la forme solide de métal est immergée dans le milieu aqueux, et est soumise à l’hydrolyse, et une position dans laquelle elle se trouve en dehors de ce milieu aqueux, et n’est pas soumise à hydrolyse. 8. Method according to any one of claims 1 to 7, in which the hydrolysis reaction is carried out in a closed reactor or cartridge comprising a movable part between a position in which the solid form of metal is immersed in the aqueous medium, and is subject to hydrolysis, and a position in which it is outside this aqueous medium, and is not subject to hydrolysis.
9. Méthode de production d'énergie thermique, comprenant une production d’hydrogène selon l’une quelconque des revendications précédentes, puis la combustion de tout ou partie de l’hydrogène produit. 9. Method for producing thermal energy, comprising production of hydrogen according to any one of the preceding claims, then combustion of all or part of the hydrogen produced.
10. Méthode de production d’électricité, comprenant une production d’hydrogène selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, puis l’alimentation d’une pile à combustible avec l’hydrogène produit. 10. Method of producing electricity, comprising producing hydrogen according to any one of claims 1 to 8, then supplying a fuel cell with the hydrogen produced.
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