Sistema autónomo de producción de hidrógeno para un sistema embarcado.
Sistema de producción de hidrógeno para un dispositivo embarcado,
que comprende un sistema de regeneración del material consumido por la producción de hidrógeno, siendo dicho material un óxido poroso, ventajosamente mesoporoso.
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/FR2009/050789.
Solicitante: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES.
Nacionalidad solicitante: Francia.
Dirección: BATIMENT "LE PONANT D" 25, RUE LEBLANC 75015 PARIS FRANCIA.
Inventor/es: LE MAROIS,Gilles, BACLET,Philippe.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- C01B3/02 QUIMICA; METALURGIA. › C01 QUIMICA INORGANICA. › C01B ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos de fermentación o procesos que utilizan enzimas para la preparación de elementos o de compuestos inorgánicos excepto anhídrido carbónico C12P 3/00; producción de elementos no metálicos o de compuestos inorgánicos por electrólisis o electroforesis C25B). › C01B 3/00 Hidrógeno; Mezclas gaseosas que contienen hidrógeno; Separación del hidrógeno a partir de mezclas que lo contienen; Purificación del hidrógeno (producción de gas de agua o gas de síntesis a partir de materias carbonosas sólidas C10J). › Producción de hidrógeno o de mezclas gaseosas que contienen hidrógeno.
- C01B3/06 C01B 3/00 […] › por reacción de compuestos inorgánicos que tienen un hidrógeno enlazado electropositivamente, p. ej. de agua, ácidos, bases, amoniaco, con agentes reductores inorgánicos (por electrólisis del agua C25B 1/04).
- C01F17/00 C01 […] › C01F COMPUESTOS DE BERILIO, MAGNESIO, ALUMINIO, CALCIO, ESTRONCIO, BARIO, RADIO, TORIO O COMPUESTOS DE LOS METALES DE LAS TIERRAS RARAS (hidruros metálicos C01B 6/00; sales de oxácidos de halógenos C01B 11/00; peróxidos, sales de los perácidos C01B 15/00; sulfuros o polisulfuros de magnesio, calcio, estroncio o bario C01B 17/42; tiosulfatos, ditionitos, politionatos C01B 17/64; compuestos que contienen selenio o teluro C01B 19/00; compuestos binarios del nitrógeno con metales C01B 21/06; azidas C01B 21/08; amidas metálicas C01B 21/092; nitritos C01B 21/50; fosfuros C01B 25/08; sales de los oxácidos del fósforo C01B 25/16; carburos C01B 32/90; compuestos que contienen silicio C01B 33/00; compuestos que contienen boro C01B 35/00; compuestos que tienen propiedades de tamices moleculares pero que no tienen propiedades de cambiadores de base C01B 37/00; compuestos que tienen propiedades de tamices moleculares y de cambiadores de base, p. ej. zeolitas cristalinas, C01B 39/00; cianuros C01C 3/08; sales del ácido ciánico C01C 3/14; sales de cianamida C01C 3/16; tiocianatos C01C 3/20; procesos de fermentación o procesos que utilizan enzimas para la preparación de elementos o de compuestos inorgánicos excepto anhídrido carbónico C12P 3/00; obtención a partir de mezclas, p. ej. a partir de minerales, de compuestos metálicos que son los compuestos intermedios de un proceso metalúrgico para la obtención de un metal libre C22B; producción de elementos no metálicos o de compuestos inorgánicos por electrólisis o electroforesis C25B). › Compuestos de los metales de tierras raras.
- C01G19/02 C01 […] › C01G COMPUESTOS QUE CONTIENEN METALES NO CUBIERTOS POR LAS SUBCLASES C01D O C01F (hidruros metálicos C01B 6/00; sales de oxácidos de halógenos C01B 11/00; peróxidos, sales de los perácidos C01B 15/00; tiosulfatos, ditionitos, politionatos C01B 17/64; compuestos que contienen selenio o teluro C01B 19/00; compuestos binarios del nitrógeno con metales C01B 21/06; azidas C01B 21/08; amidas metálicas C01B 21/092; nitritos C01B 21/50; fosfuros C01B 25/08; sales de los oxácidos del fósforo C01B 25/16; carburos C01B 32/90; compuestos que contienen silicio C01B 33/00; compuestos que contienen boro C01B 35/00; compuestos que tienen propiedades de tamices moleculares pero que no tienen propiedades de cambiadores de base C01B 37/00; compuestos que tienen propiedades de tamices moleculares y de cambiadores de base, p. ej. zeolitas cristalinas, C01B 39/00; cianuros C01C 3/08; sales del ácido ciánico C01C 3/14; sales de cianamida C01C 3/16; tiocianatos C01C 3/20; procesos de fermentación o procesos que utilizan enzimas para la preparación de elementos o de compuestos inorgánicos excepto anhídrido carbónico C12P 3/00; obtención a partir de mezclas, p. ej. a partir de minerales, de compuestos metálicos que son los compuestos intermedios de un proceso metalúrgico para la obtención de un metal libre C21B, C22B; producción de elementos no metálicos o de compuestos inorgánicos por electrólisis o electroforesis C25B). › C01G 19/00 Compuestos de estaño. › Oxidos.
- C01G23/04 C01G […] › C01G 23/00 Compuestos de titanio. › Oxidos; Hidróxidos.
- C01G30/00 C01G […] › Compuestos de antimonio.
- C01G31/02 C01G […] › C01G 31/00 Compuestos de vanadio. › Oxidos.
- C01G39/02 C01G […] › C01G 39/00 Compuestos de molibdeno. › Oxidos; Hidróxidos.
- C01G45/02 C01G […] › C01G 45/00 Compuestos de manganeso. › Oxidos; Hidróxidos.
- C01G51/04 C01G […] › C01G 51/00 Compuestos de cobalto. › Oxidos; Hidróxidos.
- H01M8/06 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01M PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej. BATERÍAS, PARA LA CONVERSION DIRECTA DE LA ENERGIA QUIMICA EN ENERGIA ELECTRICA. › H01M 8/00 Pilas de combustible; Su fabricación. › Combinación de pilas de combustible con medios para la producción de reactivos o para el tratamiento de residuos (pilas de combustible regenerativas H01M 8/18).
PDF original: ES-2382267_T3.pdf
![Sistema autónomo de producción de hidrógeno para un sistema embarcado.](https://patentados.com/img/2012/04/1208859/sistema-autonomo-produccion-hidrogeno-sistema-embarcado.jpg)
Fragmento de la descripción:
Sistema autónomo de producción de hidrógeno para un sistema embarcado ÁMBITO DE LA PRESENTE INVENCIÓN
La presente invención se refiere a sistemas embarcados cuya propulsión está asegurada gracias al hidrógeno.
De modo más concreto propone un sistema autónomo de producción de hidrógeno in situ, empleando un material M regenerable.
ESTADO TÉCNICO ANTERIOR
El hidrógeno (H2) está considerado hoy en día como el vector energético del futuro, especialmente idóneo para propulsar sistemas embarcados (transporte, maquinaria de construcción, …) , en sustitución de los carburantes fósiles.
Por tanto debería permitir:
• hacer frente a la escasez de combustibles fósiles;
• no emitir CO2 al usarlo para propulsar sistemas embarcados, y reducir así el impacto de las actividades humanas sobre el cambio climático;
• no emitir contaminantes al usarlo para propulsar sistemas embarcados mediante una batería de combustible y reducir así el impacto en la salud, particularmente en las zonas de gran concentración humana;
• disminuir fuertemente las molestias sonoras, gracias a su utilización para propulsar sistemas embarcados mediante una batería de combustible.
No obstante, y en particular para los sistemas embarcados, el recurso a este vector energético choca contra cierto número de dificultades de distinta naturaleza:
Aunque el hidrógeno es muy abundante, no es un recurso directamente disponible: está unido a otros elementos químicos formando diversas moléculas, en general muy estables, como el agua, el gas natural, …Por consiguiente hay que producirlo a partir de estas moléculas, siguiendo diversos procedimientos. Los procesos más empleados son la reformación de combustibles fósiles y la electrolisis del agua.
Por otro lado, en el marco de su utilización como vector de propulsión de sistemas embarcados, las estrategias aplicadas o contempladas actualmente consisten en producir el hidrógeno ex situ, transportarlo, distribuirlo mediante infraestructuras dedicadas, almacenarlo en depósitos embarcados y convertirlo en energía eléctrica mediante una batería de combustible o directamente en energía mecánica por combustión interna. Estas diferentes operaciones tienen las siguientes restricciones: - la producción realizada básicamente por reformación de combustibles fósiles con emisión de CO2 no obvia el problema de emisión de gases de efecto invernadero (GEI) ; - el transporte y la distribución requieren la puesta en marcha de infraestructuras que representan una inversión muy importante. Asimismo se plantea el problema de la reglamentación, todavía no resuelta, y de la seguridad relativa al hidrógeno; - el almacenamiento embarcado, teniendo en cuenta la baja densidad volumétrica del hidrógeno, también es muy estricto. Las soluciones contempladas plantean problemas de seguridad (alta presión) o complejidad (hidruros) .
Por tanto hay una necesidad evidente de desarrollar soluciones simplificadas que permitan usar el hidrógeno como vector de propulsión de sistemas embarcados.
En el estado técnico anterior ya se han propuesto, desde luego, distintos sistemas de producción embarcada de hidrógeno:
Así el documento US 2005/0089735 describe un depósito de almacenamiento de hidruros acoplado a una batería de combustible (BDC) y a una bomba de calor (BDC) . Sin embargo este depósito, una vez agotado el hidrógeno almacenado en forma de hidruros, debe rellenarse con hidrógeno, lo cual implica disponer de infraestructuras pesadas de producción, de distribución y de almacenamiento del hidrógeno.
También se ha propuesto explotar la reacción química con una sal de la familia de los borohidruros o sus derivados. Por desgracia esta reacción es irreversible o muy difícilmente reversible y requiere el cambio de reactivo después del consumo.
En ambos casos el depósito consume su combustible y hay que reabastecerlo regularmente.
También se ha contemplado la electrolisis del agua, en particular mediante el electrolizador PEM ("membrana de intercambio protónico") . En este caso puede funcionarse efectivamente sin aporte de materia externa, compensando el agua utilizada por el electrolizador con la producida por la batería de combustible. Sin embargo el balance energético es desfavorable.
Por otro lado existen electrolizadores alimentados por paneles solares o turbinas eólicas. Sin embargo la energía producida es intermitente e insuficiente para propulsar un sistema embarcado.
También se ha propuesto la reformación interna de combustibles fósiles o de biocarburantes, pero este proceso da lugar a impurezas y contaminantes.
Cambiando de orientación, para disponer de una fuente de producción de hidrógeno que no consuma ninguna materia aparte del agua y que no arroje contaminantes, las investigaciones se han concentrado en los ciclos termoquímicos del agua, cuya reacción global se representa así:
H2O ⇔H2 + ½ O2
Esta reacción es energéticamente muy deficitaria, es decir endotérmica, y para la disociación directa necesita unas temperaturas muy elevadas, superiores a 2000ºC.
Los ciclos termoquímicos del agua, donde intervienen varias reacciones químicas, pretenden bajar esta temperatura a un nivel compatible con el de las fuentes de calor disponibles.
Así el DOE ("Departamento de energía") americano ha publicado una base de referencia de más de 200 ciclos termoquímicos, a partir de la cual se ha iniciado la mayoría de investigaciones. Las fuentes de calor contempladas para estos ciclos son de tipo nuclear, solar de alta temperatura o geotérmico. También se ha descrito otros ciclos que funcionan a temperaturas tan bajas como 500ºC, tales como los ciclos Cu-Cl, RbI, KBi. Sin embargo se trata de ciclos complejos cuya realización es poco compatible con una aplicación embarcada.
La patente WO 2006/108769 divulga un reactor para la producción casi continua de hidrógeno, poniendo en contacto vapor de agua con un óxido metálico y regenerando luego este óxido.
Entre el conjunto de soluciones técnicas expuestas la presente invención se inspira en el sistema descrito en el documento US 2005/089735, superando las dificultades relacionadas con la tecnología descrita en este documento.
EXPOSICIÓN DE LA PRESENTE INVENCIÓN
Así pues, la presente invención propone una producción embarcada de hidrógeno, adaptada al perfil de carga según necesidad y al acoplamiento de esta producción con su conversión en energía eléctrica y/o mecánica mediante una batería de combustible o un motor de combustión.
Según ciertas formas de ejecución el conjunto se encuentra en un sistema que no necesita ningún aporte externo de materia ni de electricidad. En este caso la presente invención se refiere a un sistema embarcado que funciona sin otro aporte de materia y energía que las extraídas del entorno circundante mediante una bomba de calor.
De modo más general y según su principio la presente invención se refiere a un sistema de producción de hidrógeno a partir de un material, que comprende un compartimento destinado a regenerar el material usado, gracias a un aporte de energía.
Así, conforme a un primer aspecto, la presente invención se refiere a un sistema de producción o generación de hidrógeno a partir de un material M que sirve de reactivo. Dicho sistema comprende un sistema de regeneración del material M consumido por la producción de hidrógeno en un dispositivo embarcado.
El material M es un óxido que forma un compuesto al menos binario con el oxígeno.
De manera característica el óxido se presenta en forma de material poroso.
Por definición, un material poroso se caracteriza por una porosidad abierta que permite la difusión de fluidos a través de él y por una gran superficie específica total o BET. Según la presente invención, para incrementar la cinética de producción de H2 y de O2 se emplean materiales de óxidos porosos de gran superficie específica, ventajosamente superior o igual a 50 m2/g, que puede llegar incluso a 1500 m2/g.
De manera ventajosa el óxido empleado en el marco de la presente invención es un material mesoporoso, definido como aquél que posee una porosidad comprendida entre 2 y 50 nanómetros según la norma IUPAC.
Las... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Sistema de producción de hidrógeno para un dispositivo embarcado, que comprende un sistema de regeneración del material consumido por la producción de hidrógeno, siendo dicho material un óxido poroso, ventajosamente mesoporoso.
2. Sistema de producción de hidrógeno según la reivindicación 1, caracterizado porque el material presenta dos formas de óxidos de valencia distinta.
3. Sistema de producción de hidrógeno según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el material se escoge del grupo constituido por los óxidos de vanadio (V) , de cerio (Ce) , de titanio (Ti) , de manganeso (Mn) , de cobalto (Co) , de antimonio (Sb) , de molibdeno (Mo) y de estaño (Sn) .
4. Sistema de producción de hidrógeno según la reivindicación 3, caracterizado porque el material es la pareja V2O3/V2O4.
5. Sistema de producción de hidrógeno según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la superficie del material de óxido está recubierta de nanopartículas de un metal noble como el rodio (Rh) .
6. Sistema de producción de hidrógeno según una de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque la pareja de óxidos está dopada con cationes de valencia inferior.
7. Sistema de producción de hidrógeno según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el material de óxido presenta una superficie específica superior o igual a 50 m2/g.
8. Sistema de producción de hidrógeno según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende medios para extraer el hidrógeno producido y reintroducirlo en el sistema de regeneración.
9. Sistema de producción de hidrógeno según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sistema de regeneración es un intercambiador térmico.
10. Sistema de producción de hidrógeno según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende medios para mantener la presión en el sistema de regeneración a un valor inferior o igual a 0, 01 mbar.
11. Dispositivo embarcado que comprende un sistema de producción de hidrógeno según una de las reivindicaciones 1 a 10.
12. Dispositivo embarcado según la reivindicación 11, caracterizado porque comprende un depósito adecuado para almacenar todo o parte del hidrógeno producido.
13. Dispositivo embarcado según la reivindicación 11 o 12, caracterizado porque comprende además un sistema de conversión de hidrógeno, ventajosamente una batería de combustible o un motor de combustión acoplado ventajosamente a un generador eléctrico alimentado por el sistema de producción de hidrógeno.
14. Dispositivo embarcado según la reivindicación 13, caracterizado porque el motor de combustión está alimentado por un segundo carburante.
15. Dispositivo embarcado según una de las reivindicaciones 13 a 14, caracterizado porque el sistema de producción de hidrógeno y el sistema de conversión están unidos por un circuito termoportador en el cual circula un fluido termoportador.
16. Dispositivo embarcado según una de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado porque comprende además un dispositivo de aporte de energía a la regeneración.
17. Dispositivo embarcado según la reivindicación 16, caracterizado porque el dispositivo de aporte de energía sirve para aportar energía térmica, ventajosamente una bomba de calor.
18. Dispositivo embarcado según la reivindicación 16, caracterizado porque el dispositivo de aporte de energía sirve para aportar energía química, ventajosamente un depósito de hidrógeno.
19. Dispositivo embarcado según la reivindicación 16, caracterizado porque el dispositivo de aporte de energía sirve para aportar energía eléctrica, ventajosamente el sistema de conversión.
20. Dispositivo embarcado según una de las reivindicaciones 13 a 19, caracterizado porque el sistema de conversión alimenta una carga eléctrica y/o mecánica.
Circulación de fluido Agua Carga eléctrica o mecánica Conversión de H2 (BDC, combustión)
Producción de H2 M1 -M2
Regeneración M2 -M1 Producción de O2
Depósito de H2
Conexión eléctrica Bomba de calor o depósito de H2
Intercambio de calor
Figura 1
Carga mecánica carburante Conversión (motor térmico)
Figura 2
Patentes similares o relacionadas:
Método para producir borohidruro metálico e hidrógeno molecular, del 11 de Marzo de 2020, de H2Fuel Cascade B.V: Un método para producir un borohidruro metálico, en donde el método comprende: A1. Proporcionar hidróxido metálico, B2O3 y H2 para permitir que un proceso de síntesis […]
Sistema de extracción de oxígeno para un recipiente, del 18 de Diciembre de 2019, de Amcor Rigid Plastics USA, LLC (The Corporation Trust Company): Un recipiente que comprende: un cuerpo que tiene un volumen interior, incluyendo dicho cuerpo una porción superior que tiene una pared lateral cilíndrica […]
Uso de un material a base de magnesio para producir dihidrógeno o electricidad, del 4 de Diciembre de 2019, de Université de Bordeaux: Uso de un material para producir hidrógeno o electricidad, comprendiendo el material , al menos al 50 % en masa, un reactivo destinado a […]
Producción de sintegas mediante un proceso de reducción de CO2, del 28 de Agosto de 2019, de POLITECNICO DI MILANO: Un proceso para producir gas de síntesis que comprende la reacción endotérmica entre CO2 y H2S, de acuerdo con el siguiente esquema de reacción […]
Un sistema y un procedimiento para generar hidrógeno, del 12 de Junio de 2019, de DRAGE & MATE INTERNATIONAL, S.L: Un sistema para generar hidrógeno a partir de agua, que comprende: (a) un material estructural para soportar: un reactivo primario en estado […]
Procedimiento para el suministro de dihidrógeno a partir de silicio hidrogenado, del 10 de Abril de 2019, de CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE (C.N.R.S.): Uso de un silicio hidrogenado en forma de un material sólido que tiene al menos una dimensión mayor que 0,5 mm, obteniéndose dicho silicio hidrogenado […]
Procedimiento para la síntesis de hidrógeno, del 20 de Febrero de 2019, de VITO NV: Un procedimiento para la síntesis de gas hidrógeno (H2) en un reactor en condiciones hidrotérmicas, que comprende (a) poner en contacto hierro metálico (Fe0) y/o […]
Material compuesto para la generación hidrolítica de hidrógeno, dispositivo para la generación hidrolítica de hidrógeno, procedimiento para la generación de hidrógeno, dispositivo para la generación de energía eléctrica así como posibilidades de uso, del 30 de Enero de 2019, de FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FORDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V.: Material compuesto para la generacion hidrolitica de hidrogeno, que contiene o esta compuesto por a) al menos un hidruro de metal que contiene metal alcalinoterreo, […]