Procedimiento para la producción de hidrógeno mediante electrólisis de una solución acuosa de productos orgánicos.

La presente invención se refiere a un procedimiento para la producción de hidrógeno caracterizado porque comprende la electrólisis de una solución acuosa que comprende al menos un producto orgánico seleccionado entre un producto residual procedente de la industria y un producto derivado de biomasa, así como cualquiera de sus combinaciones.

Procedimiento para la producción de hidrógeno mediante electrólisis de una solución acuosa de productos orgánicos Campo de la técnica La presente invención pertenece al campo de la producción de hidrógeno mediante electrólisis de una solución de compuestos orgánicos.

Estado de la técnica anterior a la invención

De forma generalizada se considera el hidrógeno como uno de los combustibles del futuro, bien para producir electricidad en células de combustible (conocidas como fuel cells) con un elevado rendimiento eléctrico, o bien en la conocida hidrogenación de productos petrolíferos, grasas, etc. Hoy en día, la gran mayoría del hidrógeno obtenido industrialmente se genera mediante la técnica de steam reforming, a partir de gas natural. Adicionalmente, es posible generar hidrógeno a partir de la electrólisis de agua, si bien esta opción es minoritaria dado el alto consumo eléctrico que requiere el proceso. De este modo, como alternativa a la electrólisis del agua se presenta la electrólisis de compuestos orgánicos, cuyo consumo eléctrico se valora sustancialmente como la mitad del consumo requerido en la electrólisis del agua.

En el artículo del estado de la técnica "Making Hydrogen by Electrolysis of Methanol" (NASA Tech Briefs, 2002, Vol. 26, No. 6) se describe la posibilidad de generar hidrógeno mediante electrólisis del metanol.

De este modo, es objeto de esta invención presentar un nuevo procedimiento para la obtención de hidrógeno a partir de la electrólisis de productos orgánicos, como alternativa al tradicional proceso de electrólisis de agua.

Descripción detallada de la invención Es un primer objeto de esta invención un procedimiento para la producción de hidrógeno mediante electrólisis de una solución acuosa de al menos un producto orgánico. Esta reacción de electrólisis tiene lugar de acuerdo con la siguiente estequiometría:

CnHmOp + (2n-p) H2O < nC02 + 0, 5 (4n+m-2p) H2

En ella se observa que la producción de hidrógeno no sólo deriva del producto orgánico seleccionado como materia prima, sino también de las propias moléculas de agua.

De manera preferida, el producto o productos orgánicos empleados en el procedimiento se caracterizan por presentar una miscibilidad total en agua. Asimismo, la concentración de dicho producto o productos orgánicos en la solución acuosa se encuentra comprendida, preferentemente, entre 0, 5 y 4 molar.

En una realización preferida de la invención, el producto orgánico empleado en el procedimiento puede consistir en un producto residual o derivado de la biomasa. De manera aún más preferida, el producto orgánico puede consistir en al menos un producto orgánico derivado de la biomasa, preferentemente seleccionado de un grupo que consiste en melazas (residuos de la fabricación del azúcar de caña o remolacha) , alcoholes, éteres y glicoles, así como cualquiera de sus combinaciones. De entre estos productos es posible emplear, de manera preferente, metanol, etanol (preferentemente derivado de procesos de fermentación) , glucosas, fructosas y azúcares en general, así como cualquiera de sus combinaciones. Entre los glicoles, destaca de manera preferida la glicerina procedente de la producción de biodiesel.

De manera adicional, el producto orgánico puede consistir en un producto procedente de la licuefacción y/o pirólisis de la madera.

Asimismo, en una realización adicional de la invención, el producto orgánico puede consistir en un producto residual orgánico procedente de la industria, preferentemente, taladrina, aguas negras de la industria papelera y, en general, aquellos productos residuales que sean miscibles en agua.

A diferencia de la electrólisis del agua, puesto que los alcoholes y, en general, los productos orgánicos presentan una cierta conductividad, no es necesario adicionar en este caso electrolitos ácidos o básicos a la solución acuosa. Debido a ello, el efecto de la corrosión en los electrodos es mucho menor, lo que supone una importante ventaja frente a la producción de hidrógeno mediante electrólisis de agua.

Con objeto de llevar a cabo la electrólisis, es posible emplear cualquier tipo de celda de electrólisis comúnmente conocida en la técnica.

El voltaje empleado en dicha celda de electrólisis puede estar comprendido, preferentemente, entre 0, 5 V y 0, 9 V en corriente continua. De este modo, es posible emplear voltajes que representan aproximadamente la mitad del voltaje habitualmente requerido en la electrólisis del agua, generalmente, en torno a 1, 4 V en corriente continua.

De manera adicional, con la finalidad de facilitar el proceso y mejorar la disolución y miscibilidad de los productos orgánicos, es posible emplear ultrasonidos como agente agitador molecular de la disolución, durante el tiempo en que transcurra la reacción. De manera preferida, la frecuencia de ultrasonidos empleada en el procedimiento se encuentra comprendida entre 50 kHz y 3 MHz. Estas frecuencias se alcanzan mediante la aplicación de una corriente doméstica o industrial de mayor voltaje y frecuencia a un cristal piezoeléctrico, donde son transformados en energía mecánica según el conocido efecto piezoeléctrico inverso. De este modo, de manera preferida, la celda de electrólisis seleccionada es diseñada de modo que permita la aplicación de ultrasonidos, los cuales logran la agitación molecular necesaria para incrementar la eficacia y productividad de la celda. De manera preferente, dicha celda electrolítica comprende al menos dos compartimentos que contienen un cátodo y un ánodo, así como un transductor situado preferentemente en la cara externa de la celda, donde se generan los ultrasonidos. De este modo, de manera preferida, la aplicación de ultrasonidos a la celda se lleva a cabo por la parte externa de los compartimentos y, a tal efecto, la pared metálica de los mismos se diseña preferentemente con un espesor inferior a 1 mm, al menos en su base inferior, con objeto de lograr una transmisión adecuada de los ultrasonidos.

De este modo, a diferencia de la electrólisis del agua, en la que se genera oxígeno en el cátodo, en la electrólisis de productos orgánicos el producto resultante de la oxidación es CO2. Por lo tanto, los productos de la electrólisis son, por una parte, los derivados u obtenidos a partir de la biomasa (generación renovable de hidrógeno) y, por otra parte, los derivados de los productos residuales orgánicos procedentes de la industria. Ello supone una gran ventaja puesto que, como es sabido, el tratamiento de residuos se encuentra sometido a una exigencia normativa ambiental muy rigurosa. De este modo, mediante el método de electrólisis objeto de la presente invención, se consigue evitar la generación de productos derivados de la combustión como las dioxinas o los furanos generados en la incineración o coincineración, siendo estos métodos muy contestados socialmente desde el punto de vista ambiental.

Asimismo, el procedimiento descrito permite obtener hidrógeno de alta pureza, siendo dicha pureza superior al 99%. Dicho hidrógeno, por su elevada pureza, puede ser directamente consumido o almacenado hasta su consumo. Entre las distintas aplicaciones del hidrógeno generado cabe mencionar su empleo en celdas de pilas de combustible, o su almacenamiento en botellas o tanques, entre otros ejemplos.

Breve descripción de las figuras

La figura 1 muestra un diseño básico de una celda de electrólisis dividida en dos compartimentos que comprenden un ánodo y un cátodo, respectivamente, donde:

1. Entrada de solución acuosa que comprende al menos un producto orgánico;

2. Ultrasonidos;

3. Ánodo;

4. Cátodo;

5. Hidrógeno;

6. Dióxido de carbono;

Descripción preferida de la invención A continuación se presenta, a modo de ejemplo y con carácter no limitante, una realización preferida del procedimiento objeto de la invención. En dicha realización particular, el procedimiento de electrólisis se llevó a cabo a partir de una solución acuosa de un producto orgánico en una concentración en la solución acuosa de 0.5 a 4 molar.

La introducción de dicha solución acuosa en la celda electrolítica se llevó a cabo por la parte inferior de la misma mediante el empleo de una bomba de alimentación o por un sistema de vasos comunicantes y gravedad, en una cantidad suficiente para cubrir por completo el cátodo y el ánodo de la celda.

El voltaje empleado para llevar a cabo el procedimiento...

1. Procedimiento para la producción de hidrógeno caracterizado porque comprende la electrólisis de una solución acuosa que comprende al menos un producto orgánico seleccionado entre un producto residual procedente de la industria y un producto derivado de biomasa, así como cualquiera de sus combinaciones.

2. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 1, donde la concentración molar del producto orgánico en la solución acuosa se encuentra comprendida entre un 0.5 y un 4 molar.

3. Procedimiento, de acuerdo a una de las reivindicaciones 1 o 2, donde cuando el producto orgánico consiste en un producto orgánico derivado de biomasa, dicho producto es seleccionado de un grupo que consiste en melazas, alcoholes, éteres y glicoles, así como cualquiera de sus combinaciones.

4. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 3, donde el producto orgánico es seleccionado de un grupo que consiste en metanol, etanol, glucosa, fructosa y glicerina, así como cualquiera de sus combinaciones.

5. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 3, donde el producto orgánico derivado de biomasa consiste en un producto de licuefacción y/o pirólisis de madera.

6. Procedimiento, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende 15 la aplicación de un voltaje comprendido entre 0, 5 V y 0, 9 V en corriente continua.

7. Procedimiento, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende la aplicación de ultrasonidos.