BR112018015197B1 - Célula e pilha eletrolítica para geração de hidrogênio - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a uma célula eletrolítica para geração de hidrogênio através da eletrólise de água, compreendendo um compartimento anódico (10) e um compartimento catódico (9) separados por uma membrana eletrolítica alcalina polimérica sólida (4). O compartimento anódico (10) compreende um eletrodo positivo ou anodo (3) pelo menos parcialmente submerso em uma camada de água (19), e o compartimento catódico (9) compreende um eletrodo negativo ou catodo (2). A célula (1) está compreendida entre uma primeira placa de fechamento (7) e uma segunda placa de fechamento (8). Um tirante (22), fornecido na porção central da primeira placa de fechamento (7), passa através da primeira placa de fechamento (7), da célula (1) e da segunda placa de fechamento (8). Um coletor central (21) para transportar o hidrogênio gerado no compartimento catódico (9) é disposto coaxialmente à barra roscada (22) e está em comunicação com o compartimento catódico (9) através de uma abertura (23) formada no tirante (22).

Description

DESCRIÇÃO CAMPO TÉCNICO DE INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se a uma célula eletrolítica para gerar hidrogênio através da eletrólise da água.

TÉCNICA ANTERIOR

[0002] Vários métodos são conhecidos por gerar hidrogênio através da eletrólise da água. Eles podem ser diferenciados entre:

[0003] HHO: esta tecnologia usa como eletrólito, isto é, os meios que garantem a passagem de corrente dentro da solução, hidróxido de potássio KOH ou hidróxido de sódio NaOH em uma solução aquosa, tipicamente entre 25% e 35% em peso. Esta solução é colocada entre dois eletrodos de aço inoxidável e a água é dividida em hidrogênio e oxigênio no mesmo recipiente, aplicando uma voltagem aos dois eletrodos. Isso produz uma mistura de gases úmidos (também contendo o eletrólito) em uma proporção de hidrogênio/oxigênio de 2:1.

[0004] Eletrólise alcalina da água: esta tecnologia mais amplamente utilizada é conceitualmente semelhante ao método HHO, a diferença é que os compartimentos nos quais o hidrogênio gasoso e o oxigênio gasoso são formados são separados por um diafragma de material plástico que impede a sua mistura. Na saída dos compartimentos são colocados purificadores adequados para separar o líquido do gás, com a recuperação do eletrólito, e para remover a pequena parte do oxigênio que, passando pelo diafragma, se mistura com o hidrogênio.

[0005] PEM: é a sigla para "Membrana Eletrolítica de Polímero”. Nesta tecnologia, os compartimentos são separados por uma membrana polimérica que atua tanto como eletrólito de estado sólido (membrana eletrolítica ácida), quanto como separador dos compartimentos.

[0006] SOE: é a sigla para "Eletrólito de Óxido Sólido". Esta tecnologia requer o uso de altas temperaturas (HT) através do vapor e, por essa razão, também é definida como “Eletrólise por Vapor HT”. Nesta tecnologia, o eletrólito é representado por um diafragma de cerâmica.

[0007] Alcalina HT: esta é uma nova tecnologia desenvolvida recentemente, baseada na tecnologia alcalina convencional que melhora o desempenho da mesma através do uso de altas temperaturas (normalmente até 400°C).

[0008] AEM: é uma sigla para "Membrana Eletrolítica Alcalina", isto é, alcalina com um eletrólito de membrana polimérica. Esta é uma tecnologia desenvolvida recentemente e, por essa razão, ainda não é amplamente aplicada, embora combine as vantagens da tecnologia PEM com as da tecnologia alcalina convencional.

[0009] A produção em larga escala de hidrogênio através da eletrólise é atualmente dominada pela tecnologia alcalina convencional, enquanto para aplicações pequenas a tecnologia PEM é altamente difundida. A tecnologia HHO é adaptada para gerar uma mistura de gases de baixíssima pureza que limita o seu uso a poucas aplicações particulares. A eletrólise por vapor HT (ou SOE) é usada somente para aplicações especiais, enquanto a tecnologia alcalina HT ainda está em fase experimental. A tecnologia AEM está sendo desenvolvida recentemente, mas a sua aplicação industrial está encontrando alguns problemas devido ao desenvolvimento de membranas (alcalinas) de troca aniônica de alto desempenho e longa duração adequadas.

[0010] As principais vantagens das tecnologias alcalinas convencionais e PEM são derivadas da baixa temperatura de operação (cerca de 80°C e 50°C, respectivamente), o que possibilita um processo de eletrólise com uma demanda moderada de calor em comparação com as tecnologias de alta temperatura, como vapor HT e alcalina HT. Além disso, as células eletrolíticas usadas nas tecnologias convencionais alcalinas e PEM têm fases relativamente rápidas de partida e parada que, graças às suas baixas temperaturas de operação, são menos cruciais que as das células que trabalham em altas temperaturas. As células de membrana polimérica usadas na tecnologia PEM são menos frágeis em comparação com as células de óxido sólido usadas na tecnologia SOE e, por essa razão, elas podem ser usadas para gerar hidrogênio e oxigênio em aplicações móveis e em pressões mais altas.

[0011] Para fins práticos, as tecnologias convencionais alcalinas e PEM são aquelas adotadas principalmente pela indústria, embora a tecnologia AEM esteja tendo um crescente interesse no mercado.

[0012] Em comparação com as células eletrolíticas alcalinas, as células PEM oferecem um melhor desempenho de geração de hidrogênio em unidades pequenas e eficientes que encontram aplicação em nichos de mercado, embora muitas empresas estejam tentando adaptar essa tecnologia à produção de células grandes ou eletrolisadores. Além disso, as células PEM não usam um eletrólito líquido e têm a vantagem de oferecer altas densidades de corrente e alta eficiências celulares.

[0013] Um problema comum a ambas as tecnologias acima mencionadas diz respeito à pureza do hidrogênio gerado, que é saturado com vapor de água. Isso requer um processo de secagem antes de usar ou armazenar o hidrogênio.

[0014] Uma outra desvantagem está relacionada à possível contaminação que pode ocorrer de diferentes maneiras, dependendo da tecnologia: de fato, o eletrólito alcalino absorve muito facilmente o dióxido de carbono para formar carbonatos, enquanto a membrana polimérica ácida (PEM) requer o uso de água para evitar o acúmulo de cátions que competem com os prótons na transferência de carga e determinam um aumento da resistência elétrica da célula.

[0015] O desenvolvimento de membranas de troca alcalina (AEM) e sua aplicação em células de combustível de membrana alcalina (AMFCs) têm sido impulsionadas pela necessidade de diminuir o custo dos materiais, de modo a tornar as células de combustível competitivas com as tecnologias das baterias existentes. De fato, a natureza fortemente ácida do ionômero e da membrana NAFION®, um material desenvolvido pela DuPont® e que forma a base da tecnologia PEM, requer o uso de catalisadores à base de metais nobres caros, principalmente platina, enquanto a tecnologia AEM permite o uso de catalisadores à base de metais econômicos e de eletrodos com cinética mais rápida.

[0016] Apesar das vantagens mencionadas acima, a eficiência total das tecnologias de baixa temperatura - alcalina convencional e PEM - não é superior a 60%, e pode atingir picos de 72% com recuperação de calor. Um dos sistemas para aumentar a eficiência energética é representado pelo aumento da temperatura, como é o caso da tecnologia alcalina HT (até 400° C) ou com a tecnologia vapor HT (entre 600°C e 1000°C). Infelizmente, os aparelhos que executam essas tecnologias são, no entanto, mais complicados e têm dimensões consideráveis, uma vez que, nessas temperaturas, a água está no estado gasoso e ocupa grandes volumes. Além disso, os sistemas de controle operacional são muito mais complexos.

[0017] Um dos motivos das baixas eficiências se deve ao fato de que, nas aplicações industriais atuais, a energia não é fornecida diretamente aos eletrodos e a corrente é alimentada aos eletrodos através da interposição de materiais de acoplamento conhecidos como coletores de corrente, o que reduz consideravelmente a eficiência dos eletrodos. Normalmente, esses componentes são formados por uma espuma ou malha à base de níquel.

[0018] Outra razão da desvantagem acima é devida ao fato de as soluções técnicas disponíveis no mercado fornecerem um isolamento estanque entre a membrana polimérica e o compartimento anódico (eletrodo positivo) que impede a infiltração da água através da membrana e de atingir o catodo; esse isolamento é geralmente obtido por meio de vedações de anel em O que atuam diretamente nas superfícies não metálicas. Isto também é devido à necessidade de isolar eletricamente o anodo do catodo por meio de materiais plásticos cujas superfícies não são adequadas para a exigência de estanqueidade. Como resultado, não é possível obter valores de alta pressão gerados pelo hidrogênio, que geralmente variam em torno de valores não superiores a 35 bar.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0019] Um objetivo principal da presente invenção é, portanto, resolver os inconvenientes da técnica anterior, projetando uma célula eletrolítica para gerar hidrogênio que torna possível simplificar a construção de um aparelho de eletrólise, ao mesmo tempo que reduz consideravelmente os custos de produção.

[0020] No escopo do objetivo acima, uma finalidade da presente invenção é reduzir o tamanho da célula sem variar a quantidade de hidrogênio gerada, ou aumentar a saída de hidrogênio sem alterar o tamanho da célula em relação às dimensões geralmente usadas no campo de referência.

[0021] Outra finalidade da presente invenção é fornecer uma célula com maior firmeza capaz de suportar valores de alta pressão.

[0022] Um objetivo adicional é aumentar a eficiência da célula.

[0023] Ainda outro objetivo é reduzir os custos do processo de geração de hidrogênio.

[0024] Por último, mas não menos importante, o objetivo é projetar uma célula eletrolítica para gerar hidrogênio que atinja a tarefa e os objetivos acima a custos competitivos e que possam ser obtidos com as plantas, maquinário e equipamentos bem conhecidos usuais.

[0025] A tarefa e os objetivos acima, e outros que se tornarão mais evidentes na descrição seguinte, serão alcançados por uma célula eletrolítica para gerar hidrogênio, como definido na reivindicação 1.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0026] Outras características e as vantagens da presente invenção serão mais evidentes a partir da seguinte descrição de uma modalidade preferida mas não exclusiva ilustrada puramente por meio de exemplo não limitativo com referência aos desenhos anexos, em que: a figura 1 ilustra esquematicamente o funcionamento de uma célula eletrolítica; a figura 2 é um corte transversal de um conjunto de células para gerar hidrogênio, também definido como pilha eletrolítica, compreendendo duas células de acordo com a presente invenção, vistas ao longo do plano diametral correspondente aos pinos de conexão do eletrodo; a figura 3 é um corte transversal ao longo do plano III-III, correspondente a um plano anódico, do conjunto de células da figura 2; a figura 4 é um corte transversal ao longo do plano IV-IV, correspondente a um plano catódico, do conjunto de células da figura 2; a figura 5 é um detalhe da figura 2 correspondente à porção direita, referente à figura 2, da célula superior; a figura 6 é um detalhe ampliado correspondente à porção mostrada com A da célula da figura 5; a figura 7 é outro detalhe ampliado correspondente à porção mostrada com B da célula da figura 5.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0027] Antes de voltar para a descrição detalhada da presente invenção, são dadas abaixo, para uma compreensão mais clara da divulgação, as definições dos termos utilizados na presente descrição com referência às figuras acima:

[0028] Célula eletrolítica (ou simplesmente “célula”): é o recipiente onde ocorre a reação eletrolítica. Com referência à figura 1, a célula 1 é essencialmente constituída por um eletrodo negativo 2, um eletrodo positivo 3, uma membrana ou um diafragma 4, dependendo da tecnologia;

[0029] Eletrólise da água: significa literalmente “dividir a água” e indica a reação através da qual a água é dividida em seus componentes básicos, isto é, hidrogênio e oxigênio através do efeito da passagem da corrente elétrica através dela;

[0030] Pilha eletrolítica: com referência à figura 2, a pilha eletrolítica 5 é uma unidade constituída por um número de células de modo a obter um maior fluxo de hidrogênio. As células são separadas por placas de contenção bipolares feitas de aço 6. O hardware da célula (isto é, o conjunto de todos os componentes dentro da célula) é suportado por uma armação, enquanto a corrente aplicada para a reação eletrolítica é alimentada através de coletores de corrente. Todos estes elementos, juntamente com os eletrodos 2, 3 e a membrana ou diafragma 4, se existirem, estão contidos na armação. Um número de armações (assim, um número de células) são empilhados juntos, dependendo do fluxo de hidrogênio necessário, de modo a formar uma pilha 5. A pilha 5 é fechada em ambos os lados por uma primeira placa de fechamento superior 7 e por uma segunda placa de fechamento inferior 8 feita de aço ou material compósito de espessura apropriada (placas terminais);

[0031] Eletrodo negativo: o eletrodo negativo 2 é o polo negativo da corrente que é aplicada à célula. O hidrogênio evolui em sua superfície de contato. Tecnicamente, também é chamado de “catodo”.

[0032] Eletrodo positivo: o eletrodo positivo 3 é o polo positivo da corrente que é aplicada à célula. O oxigênio evolui em sua superfície de contato. Tecnicamente, também é chamado de “anodo”.

[0033] Compartimento catódico: o compartimento catódico 9 é a porção da célula (semicélula) na qual o hidrogênio evolui;

[0034] Compartimento anódico: o compartimento anódico 10 é a porção da célula (semicélula) na qual o oxigênio evolui;

[0035] Transferência de carga iônica (ou mais simplesmente "transferência de carga"): a carga elétrica pode ser transportada em um material condutor através de elétrons ou em uma solução líquida através de íons (moléculas eletricamente carregadas). Para que a corrente passe pela solução, é necessário “fechar o circuito”, isto é, fazer com que haja um ciclo no qual a corrente aplicada de fora seja transportada de um eletrodo para o outro. Esse mecanismo é chamado de transferência de carga iônica e é alcançado pelo eletrólito, que no presente caso consiste da membrana 4;

[0036] Membrana polimérica sólida (ou mais simplesmente “membrana”): a membrana 4 é o componente que é interposto entre os dois compartimentos, anódico 10 e catódico 9, para manter os gases (hidrogênio e oxigênio) separados durante sua geração e que executam a função de eletrólito permitindo que a transferência de carga ocorra através da passagem dos íons;

[0037] PEM é a sigla para “Membrana Eletrolítica de Polímero” (na literatura também é definido como “Membrana de Troca de Prótons”). Além do significado aplicado, este termo é usado para indicar a tecnologia que se utiliza, como separador do compartimento anódico 10 do compartimento catódico 9, uma membrana polimérica sólida 4 que, como já mencionado acima, também funciona como eletrólito permitindo a passagem dos íons H+;

[0038] Íon OH-: é um dos dois íons, junto com o íon H+, no qual a água se dissocia. Também é conhecido como íon alcalino. Tem uma alta concentração em substâncias cáusticas (básicas).

[0039] Íon H+: é o outro dos dois íons, junto com o íon OH-, no qual a água é dissociada. Tem uma alta concentração em substâncias ácidas.

[0040] A presente invenção utiliza basicamente a tecnologia AEM, isto é, alcalina com eletrólito polimérico sólido (membrana), que possibilita a redução dos custos de produção graças ao uso de catalisadores com uma base de metal não nobre tanto no anodo 3 como no catodo 2 e uma membrana alcalina 4 normalmente disponível no mercado ou, vantajosamente, uma membrana alcalina 4 com as características que serão descritas mais tarde. O sistema projetado desta maneira oferece as vantagens tanto da tecnologia alcalina convencional, graças ao uso de materiais de baixo custo, como da tecnologia PEM, que permite ter células eletrolíticas compactas, alta densidade de corrente e diferencial de pressurização de gás de até 30 bar ou valores ainda maiores, com maior economia devido à simplicidade da planta devido à redução do processo de purificação de hidrogênio.

[0041] A tecnologia AEM é a tecnologia de eletrólise da água mais inovadora e, como já mencionado no preâmbulo da descrição, ainda é pouco difundida. O princípio básico e o esquema do processo, mostrados na figura 1, são similares àqueles da tecnologia PEM, mas neste caso a transferência de carga é garantida por íons OH- como na tecnologia alcalina convencional ao invés de íons H+, como é o caso na tecnologia PEM. Assim, na AEM há uma união das vantagens da alcalina convencional, principalmente a economia dos componentes, com as da tecnologia PEM, principalmente a possibilidade de obtenção de hidrogênio a alta pressão. O hidrogênio obtido através desta tecnologia possui um alto grau de pureza e alta pressão sem requerer a provisão de sistemas de pós-purificação e pós-compressão na saída da célula.

[0042] Essencialmente, as características e vantagens oferecidas pela tecnologia AEM em relação à alcalina convencional e à PEM são as seguintes, conforme resumido na tabela abaixo: alta pureza do hidrogênio gerado; alto fluxo de produção de hidrogênio e, portanto, alta capacidade de produção; alta pressão de saída de hidrogênio; baixo teor de água no hidrogênio gerado, e assim o processo não requer secagem do hidrogênio; baixo custo de materiais; baixa pureza da água usada como combustível (é possível usar a água desmineralizada que é normalmente usada para baterias ou ferros); baixa manutenção.

[0043] Com referência à figura 1, o processo esquemático da tecnologia AEM é o seguinte: a água de alimentação (H2O) é bombeada dentro do compartimento anódico 10, onde, permeando através da membrana polimérica sólida 4, entra em contato com o eletrodo negativo 2, que, devido à corrente elétrica fornecida, promove a evolução do hidrogênio H2 gasoso no compartimento catódico 9. Juntamente com o hidrogênio gasoso são formados íons OH-, que, migrando em direção ao eletrodo positivo 3, se opõem à migração da água do compartimento anódico 10 para o compartimento catódico 9. Quando os íons OH- entrarem em contato com o eletrodo positivo 3, há a evolução do oxigênio O2 que, após passar pelo separador de umidade 11 para recuperar a água presente no gás, é liberado na atmosfera. O hidrogênio gasoso H2 formado no compartimento catódico 9 é em vez disso recuperado com uma quantidade muito baixa de água, o que permite que seja utilizado, para 90% das aplicações, diretamente, sem etapas de purificação subsequentes. A presença da membrana polimérica sólida 4 permite comprimir o hidrogênio no interior do compartimento catódico 9 até valores de pressão elevada. Este processo é repetido em todas as células 1 que compõem a pilha eletrolítica 5.

[0044] De acordo com um aspecto inovador da presente invenção, a eficiência da célula 1 pode ser acentuadamente aumentada melhorando a estanqueidade do isolamento entre a membrana polimérica 4 e o compartimento anódico 10 (eletrodo positivo 3) com a finalidade de impedir a infiltração da água através da membrana 4 e alcance o catodo 2. Desta forma, é possível aumentar as pressões geradas pelo hidrogênio, sem usar compressores dedicados.

[0045] Para conseguir isto, a célula eletrolítica 1 para gerar hidrogênio de acordo com a presente invenção tem um compartimento catódico 9, onde o hidrogênio que sai da membrana polimérica 4 é gerado, feito do mesmo material que o compartimento anódico 10.

[0046] Além disso, tanto os eletrodos anódicos 3 como os catódicos 2 são feitos como um único corpo em vez de serem feitos, como nas tecnologias da técnica anterior, de camadas de materiais empilhadas umas sobre as outras em uma estrutura tipo sanduíche. Isto torna possível submeter as superfícies das porções terminais dos eletrodos, indicadas nas figuras 6 e 7 com os números de referência 12, 13, 14, 15 e localizadas, respectivamente, na zona central e na zona periférica da célula 1, a operações mecânicas de usinagem de precisão, por exemplo, moagem ou jateamento de areia, de modo a torná-las particularmente adaptadas para abrigar um ou mais vedações do tipo anel em O 16 adequadas às pressões geradas durante a evolução dos gases, em particular durante a geração de hidrogênio.

[0047] É bem conhecido que a eficiência da célula é inversamente proporcional à resistência dos eletrodos e, portanto, eletrodos feitos em uma única peça, em que não há aumento da resistência na passagem de uma camada para a próxima, como no caso de eletrodos com uma estrutura tipo sanduíche, são mais condutores e permitem uma eficiência aumentada da célula que, no caso da presente invenção, pode exceder 80%.

[0048] Tanto o anodo 2 como o catodo 3 consistem de um suporte de uma liga condutora, resistente ao ambiente alcalino, tendo uma estrutura compacta e homogênea na qual são aplicados, por tratamentos de deposição (por exemplo, pulverização catódica ou serigrafia com sinterização subsequente), catalisadores para a reação de evolução de hidrogênio (HER) e para a reação de evolução de oxigênio (OER). Desta maneira, os catalisadores também formam um corpo único com os eletrodos 2 e 3.

[0049] O material do anodo 2 pode ser uma liga metálica ou um óxido metálico sinterizado, enquanto o catodo 3 deve ser feito de um material resistente à corrosão devido ao contato com a membrana alcalina 4 (AEM), a qual, para realizar sua função da transferência de carga dos íons OH- transportados pela água, deve necessariamente estar úmida.

[0050] No que diz respeito ao catalisador, também definido como “eletrocatalisador”, houve recentemente um aumento generalizado no uso de óxidos de metais de transição (TMOs) devido ao seu baixo custo comparado aos metais nobres (Metais do Grupo Platina, PGM), como irídio e rutênio usado na forma de óxido para a REA ou platina e paládio para a HER.

[0051] Na célula de acordo com a presente invenção é possível usar para as misturas de OER de TMOs à base de metal, como por exemplo cobre, cobalto, estrôncio, lantânio, ferro, níquel ou outros óxidos do tipo perovskita ou espinelas, enquanto para a HER é possível usar TMOs mas com metais diferentes, como por exemplo lantânio, ferro, níquel, cobalto, manganês, molibdênio depositado em cériO, alumina, zircônia suportada em carbono.

[0052] Os eletrocatalisadores alternativos ou complementares são representados pelo uso de nanopartículas de sulfeto de molibdênio ou derivados de metaloftalocianina. A possibilidade de reduzir as dimensões das nanopartículas de TMOs por meio de reações de conversão induzidas pelo lítio, que aumentam a superfície e a atividade do catalisador, permite que elas sejam utilizadas tanto para OER quanto para HER, simplificando o processo de produção do catalisador (que é igual para ambos os compartimentos) e o consequente processo de montagem do sistema.

[0053] Tudo isso permite uma maior flexibilidade na produção da célula, diminuindo consideravelmente os custos e aumentando a eficiência da célula.

[0054] A estanqueidade hidráulica melhorada, alcançada ao fazer a membrana 4 operar em ambas as superfícies dos eletrodos, evita a possível poluição do hidrogênio causada por quaisquer microvazamentos de água do compartimento anódico 10, também a pressões diferenciais (entre o compartimento anódico 10 e o compartimento catódico 9) na ordem de muitas dezenas de barras. De fato, a célula de acordo com a presente invenção permite ter eletrodos que exibem, apenas nas áreas de vedação, uma rugosidade inferior a 3 μm, enquanto a porção 17 do eletrodo positivo 3 submersa na água (compartimento anódico) pode vantajosamente ser feita com um material diferente, do tipo poroso permeável à água e condutor, aplicado ao eletrodo com os mesmos tratamentos de deposição que os catalisadores descritos acima, tais como, por exemplo, pulverização catódica ou serigrafia com subsequente sinterização. Esses tratamentos permitem ligar intimamente o material poroso ao material de suporte que forma o eletrodo 3, de modo a formar ainda um eletrodo de corpo único, com evidente redução da resistência e com a possibilidade de modular outras propriedades físico-químicas do eletrodo, como a permeabilidade à água. Ainda vantajosamente, a porção 17 do eletrodo positivo 3 submerso na água pode ser carregada com catalisadores apropriados do mesmo tipo daqueles descritos acima, que promovem a troca iônica e, ao mesmo tempo, aumentam a condutividade elétrica do compartimento anódico 10 e melhoram a eficiência da célula. Através destes tratamentos obtém-se assim um eletrodo cujo material de suporte é “dopado” com catalisadores e/ou materiais diferentes que também podem variar as suas propriedades físico-químicas mas que, no entanto, formam um corpo único com o material de suporte.

[0055] Vantajosamente, e de um modo semelhante ao descrito acima, o catodo 2 pode ter uma porção porosa 24 tendo uma extensão radial menor do que a porção porosa 17 do anodo.

[0056] A membrana polimérica 4 é uma membrana polimérica de troca aniônica (ou alcalina) cuja funcionalidade é baseada na presença de grupos catiônicos que asseguram o transporte dos íons OH- e consequentemente a condutividade. O grupo catiônico é representado por cloreto de vinil-benzila (abreviado como VBC):

[0057] O substrato é representado por uma cadeia polimérica como, por exemplo, polietileno (PE) ou polipropileno (PP) funcionalizado com o VBC na cadeia lateral.

[0058] Enquanto a condutividade neste tipo de membrana, no presente estado da técnica, está principalmente ligada à presença de grupos VBC na cadeia lateral, as outras características da membrana dependem principalmente da cadeia principal do polímero, que representa o seu substrato.

[0059] Uma membrana inovadora particularmente adequada para ser utilizada na presente invenção pode estar baseada em cadeias poliméricas principais, como por exemplo PE, PP, polissulfona (PSU), polietersulfona (PES), co- ou terpolímeros à base de poliestireno (PS). A relação hidrofóbo/hidrófilo pode variar dependendo do tipo de cadeia lateral enxertada e do seu comprimento. A resistência térmica e mecânica pode ser ajustada com base na porcentagem de grupos reticulados, geralmente usando uma amina bifuncional como 1,4-diazobiciclo[2,2,2octano (DABCO).

[0060] O substrato pode ser feito de óxido de grafeno (GO), um material muito versátil, forte e fácil de encontrar. É possível funcionalizá-lo com VBC ou outro grupo de amida diretamente durante a síntese. Em um processo de pós-síntese, é possível introduzir os catalisadores para a EHR e para a REA que poderiam ser coincidentes, isto é, feitos do mesmo material, com uma redução dos custos do processo de produção, através da síntese de um único catalisador para ambos os eletrodos.

[0061] A funcionalização do substrato pode ser conseguida de várias maneiras, por exemplo através de reações de acoplamento radical induzidas por radiação, e as características da membrana podem ser melhoradas através da introdução de nanopartículas específicas na sua estrutura. Uma modalidade diferente pode contemplar a adoção de materiais cerâmicos dispersos na membrana, com uma consequente maior resistência mecânica.

[0062] Uma pilha eletrolítica 5 que compreende uma pluralidade de células feitas de acordo com a presente invenção é representada esquematicamente nas figuras de 2 a 4, enquanto nas figuras de 5 a 7 são mostrados alguns detalhes da montagem.

[0063] Um primeiro conduto de entrada de água 18 é fornecido em uma primeira porção periférica da primeira placa de fechamento superior 7 que passa através das placas de retenção 6 e dos eletrodos 2, 3. Na superfície inferior de cada eletrodo positivo 3, a água retirada do conduto de entrada 18 através de uma canalização adequada para que uma camada de água 19 possa se espalhar substancialmente em toda a superfície inferior do eletrodo 3, que assim é mantida úmida para que possa ocorrer o processo de eletrólise.

[0064] Em uma segunda parte periférica da primeira placa de fechamento superior 7 é fornecido um segundo conduto 20 para o escoamento da água misturada com oxigênio, formada durante o processo de eletrólise, da mesma maneira que a canalização da entrada. As vedações, vantajosamente do tipo anel em O, são adequadas fornecidas nas placas de retenção 6 e nos eletrodos 2, 3 para garantir a estanqueidade.

[0065] De acordo com uma característica inovadora da presente invenção, o hidrogênio gerado é transportado através de um coletor central 21 que, ao mesmo tempo, torna possível inserir um tirante 22 disposto coaxialmente ao coletor central 21 e adequada para reduzir consideravelmente as deformações do tipo flexural que ocorrem na área central das células devido à evolução interna do gás hidrogênio em alta pressão.

[0066] Uma abertura 23 formada no tirante 22 comunica o compartimento catódico 9, onde o hidrogênio é gerado, com o coletor central 21 para permitir a passagem do hidrogênio produzido pelo compartimento catódico 9 para o coletor central 21, que conduz o hidrogênio para fora, por exemplo, para um recipiente de coleta para armazenar o hidrogênio comprimido.

[0067] É salientado que esta configuração particular torna possível distribuir a água sobre toda a superfície do anodo 3, de modo a ter uma maior superfície de troca e, assim, alcançar um aumento da produção de hidrogênio ou, alternativamente, reduzir as dimensões da célula como ter pilhas mais compactas. Caso contrário, mesmo em aplicações recentes da técnica anterior, a distribuição da água é realizada de uma maneira substancialmente anular ou radial, utilizando assim apenas uma porção da superfície do eletrodo.

[0068] Como mostrado na figura 2, o tirante central 22 é preso às duas placas de fecho 7, 8 da pilha eletrolítica 5 de modo a manter as células individuais perfeitamente pressionadas umas contra as outras e evitar possíveis flexões na área central das células. Esse arranjo estrutural permite aumentar as pressões de operação da pilha eletrolítica em comparação com os sistemas similares encontrados no mercado, sem a necessidade de aumentar excessivamente o peso e as dimensões da planta, além de impedir quaisquer vazamentos laterais devido à deformação das células.

[0069] Naturalmente, a configuração acima é também igualmente aplicável a uma pilha compreendendo uma única célula fechada entre duas placas de fecho 7, 8 em vez de um grupo de células empilhadas, enquanto alcança as mesmas vantagens indicadas acima.

[0070] A inserção do tirante 22 fornecido com um coletor central coaxial 21 para coletar e transportar o hidrogênio gerado é permitida pelo fato dos eletrodos serem feitos em uma única peça para formar um corpo único com os respectivos catalisadores, como descrito acima. O coletor 21 está em comunicação com a parte central do catodo 3 através da abertura 23 e é isolado por vedações simples 16 do tipo anel em O. No estado da técnica, não é possível inserir tal barra roscada devido ao fato de que os eletrodos e catalisadores são feitos em um arranjo tipo sanduíche e com diferentes materiais, de modo que não é possível obter superfícies uniformes e com baixa rugosidade superficial por meio de operações mecânicas capazes de cooperar com as vedações 16 para garantir uma perfeita estanqueidade. Por esta razão, também, as pressões que podem ser alcançadas com as tecnologias atuais são limitadas a algumas dezenas de barras. Na presente invenção, como já explicado acima, as pressões de operação podem ser consideravelmente aumentadas e assim maiores quantidades de gás podem ser acumuladas em volumes menores (até 10 vezes menores), para conseguir uma redução considerável nas dimensões da célula com quantidades iguais de hidrogênio sendo gerado, e assim atingir um tamanho mais compacto e menor da planta.

[0071] O arranjo das células na pilha 5 ilustrada esquematicamente na figura 2, na qual duas células consecutivas são mostradas a título de exemplo, torna possível conectar todos os eletrodos de catodo 2 ao mesmo potencial, para conseguir uma ligação eficaz em paralelo e, portanto, uma fonte de energia mais eficiente, com consequente aumento da eficiência; o mesmo pode ser dito para os eletrodos anódicos 3, tornando assim possível a mesma diferença no potencial eléctrico para cada eletrodo das células individuais. Isto também é conseguido através da inserção de placas de retenção 6 de material isolante. Este novo arranjo das células, no qual cada eletrodo é alimentado separadamente, e o melhor suporte da membrana em áreas perfeitamente lisas, permite uma distribuição igual de tensão nas superfícies individuais da membrana e nas superfícies dos eletrodos, evitando possíveis pontos de potência em excesso com emissões pontuais de descargas elétricas que são prejudiciais para o correto funcionamento das células; tais descargas elétricas podem danificar a integridade dos componentes internos da célula, especialmente a membrana. Além disso, a alimentação separada dos eletrodos torna possível aumentar, com a tensão sendo igual, a corrente de alimentação e aumentar a eficiência da célula enquanto diminui as dimensões com uma produção igual de hidrogênio. A maior eficiência alcançada permite reduzir o tamanho das células em cerca de metade com uma geração igual de hidrogênio.

[0072] Essa nova configuração possibilita, além disso, ter componentes internos mais precisos (com melhores tolerâncias mecânicas), e a adoção do tirante central permite a produção de células maiores em comparação com as atuais sem ter que reduzir as pressões operacionais.

[0073] Nas aplicações da técnica anterior que utilizam o mesmo tipo de membrana, mas com eletrodos constituídos por uma pluralidade de componentes dispostos em uma estrutura semelhante a um sanduíche, não é possível obter o mesmo tipo de ligação em paralelo porque a distribuição interna dos potenciais elétricos das células individuais dependem de como a corrente é transmitida através dos elementos individuais que compõem os eletrodos e, portanto, das inevitáveis quedas de potencial de um componente para o próximo. Essas quedas de potencial não podem ser exatamente iguais para cada eletrodo e para cada célula. No atual estado da técnica, não é, portanto, possível ter a mesma diferença de potencial em cada célula individual.

[0074] Do exposto, é assim evidente como a presente invenção alcança as finalidades e vantagens inicialmente previstas: de fato, uma célula eletrolítica foi projetada para a geração de hidrogênio que torna possível simplificar a construção de uma planta de eletrólise enquanto abaixa consideravelmente os custos de produção, além de ter uma redução considerável nas dimensões da célula, com uma saída de hidrogênio igual, e conseguir assim uma estrutura extremamente compacta da célula e consequentemente da planta relativa.

[0075] Além disso, uma célula com uma capacidade de vedação melhorada foi alcançada com a capacidade de resistir a altas pressões e possibilitar o aumento considerável da eficiência da célula, além de permitir a produção de células maiores em comparação com as células atuais sem ter que diminuir as pressões de operação.

[0076] Naturalmente, a presente invenção é passível de muitas aplicações, modificações ou variantes sem, desse modo, se afastar do escopo da proteção por patente, como definido pela reivindicação independente 1.

[0077] Além disso, os materiais e equipamentos utilizados para implementar a presente invenção, bem como as formas e dimensões dos componentes individuais, podem ser os mais apropriados para atender aos requisitos específicos.

Claims (8)

1. Célula eletrolítica para a geração de hidrogênio através de eletrólise de água compreendendo um compartimento anódico (10) e um compartimento catódico (9) separados por uma membrana alcalina de eletrólito polimérico sólido (4), o dito compartimento anódico (10) compreendendo um eletrodo positivo ou anodo (3) pelo menos parcialmente submerso em uma camada de água (19) e o dito compartimento catódico (9) compreendendo um eletrodo negativo ou catodo (2), a dita célula (1) estando compreendida entre uma primeira placa de fechamento (7) e uma segunda placa de fechamento (8), um tirante (22) sendo fornecido em uma porção central da dita primeira placa de fechamento (7), o dito tirante (22) passando através da dita primeira placa de fechamento (7), da dita célula (1) e da dita segunda placa de fechamento (8), um coletor central (21) para transportar o hidrogênio gerado no dito compartimento catódico (9) estando coaxialmente disposto em relação ao dito tirante (22), a célula eletrolítica sendo caracterizada pelo fato de que o dito coletor central (21) se comunica com o dito compartimento catódico (9) através de uma abertura (23) obtida no dito tirante (22), o dito catodo (2) e o dito anodo (3) são feitos, respectivamente, como um único corpo, de modo que as superfícies das respectivas porções de terminais do dito catodo (2) e do dito anodo (3) respectivamente dispostos em uma região periférica e em uma região central da dita célula (1) são adaptadas para serem submetidas à usinagem para operações de acabamento de precisão, de modo a tornar as ditas superfícies adaptadas para alojar uma ou mais vedações (16) para suportar altas pressões operacionais geradas durante a geração de hidrogênio.

2. Célula eletrolítica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os catalisadores adequados adaptados para ativar a reação de hidrogênio (HER) e, respectivamente, oxigênio (OER) são respectivamente aplicados no dito catodo (2) e no dito anodo (3) por processos de deposição, os ditos catalisadores formando um único corpo com o dito catodo (2) e, respectivamente, o dito anodo (3).

3. Célula eletrolítica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que um primeiro conduto de entrada de água (18) é fornecido em uma primeira porção periférica da dita primeira placa de fechamento (7), uma canalização adequada sendo fornecida em uma superfície inferior do dito anodo (3) para retirar uma quantidade de água do dito primeiro conduto de entrada de água (18), de modo a formar uma camada de água (19), pelo menos uma porção (17) do dito anodo (3) estando submersa na dita camada de água (19).

4. Célula eletrolítica, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que toda a superfície inferior do dito anodo (3) é submersa na dita camada de água (19).

5. Célula eletrolítica, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que a dita porção (17) submersa na dita camada de água (19) é feita de material condutor poroso permeável à água aplicado ao dito anodo (3) através de processos de deposição para formar um corpo único com o material que constitui o dito anodo (3).

6. Célula eletrolítica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dito tirante (22) é fixado à dita primeira placa de fechamento (7) e à dita segunda placa de fechamento (8).

7. Pilha eletrolítica (5) caracterizada pelo fato de compreender uma pluralidade de células conforme definidas em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, as ditas células sendo mutuamente sobrepostas e mutuamente separadas por placas de retenção (6), a dita pilha eletrolítica (5) estando compreendida entre uma primeira placa de fechamento (7) e uma segunda placa de fechamento (8).

8. Pilha eletrolítica (5), de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que os eletrodos negativos (2) e os eletrodos positivos (3) da dita pluralidade de células estão conectados ao mesmo potencial elétrico de tal modo que é obtida uma conexão em paralelo entre os ditos eletrodos negativos (2) e eletrodos positivos (3).