ES2961789B2 - SYSTEM FOR DISSOCIATING MOLECULES FROM A LIQUID MEDIUM BY ELECTROLYSIS - Google Patents
SYSTEM FOR DISSOCIATING MOLECULES FROM A LIQUID MEDIUM BY ELECTROLYSISInfo
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Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
SISTEMA PARA DISOCIAR MOLÉCULAS DE UN MEDIO LÍQUIDO POR ELECTRÓLISISSYSTEM FOR DISSOCIATING MOLECULES FROM A LIQUID MEDIUM BY ELECTROLYSIS
CAMPO DE LA INVENCIÓN FIELD OF INVENTION
La presente invención pertenece al campo de los sistemas de disociación de moléculas de un medio líquido. En particular, la invención es de aplicación para la producción de hidrógeno mediante la electrólisis, disociando agua u otro líquido con átomos de hidrógeno, a temperatura y presión ambientales o en otras condiciones de temperatura y presión. También se relaciona con los electrolizadores. The present invention belongs to the field of systems for dissociating molecules from a liquid medium. In particular, the invention is applicable to the production of hydrogen by electrolysis, by dissociating water or another liquid with hydrogen atoms, at ambient temperature and pressure or under other temperature and pressure conditions. It also relates to electrolysers.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN BACKGROUND OF THE INVENTION
Mediante la disociación, las moléculas de un medio son separadas en componentes químicos más sencillos, como moléculas menores o átomos. Cuando la disociación se realiza mediante electricidad, se habla de electrólisis. Through dissociation, molecules in a medium are separated into simpler chemical components, such as smaller molecules or atoms. When dissociation is carried out by means of electricity, it is called electrolysis.
En particular, si las moléculas a disociar son de agua, se habla de electro-hidrólisis. Concretamente, la electro-hidrólisis para producir hidrógeno verde resulta de gran interés puesto que constituye una fuente de energía limpia. El hidrógeno obtenido puede emplearse como combustible sin emisión de CO<2>. In particular, if the molecules to be dissociated are water, we speak of electrohydrolysis. Specifically, electrohydrolysis to produce green hydrogen is of great interest since it constitutes a clean source of energy. The hydrogen obtained can be used as fuel without emitting CO<2>.
En la electro-hidrólisis se produce una separación de los átomos de hidrógeno presentes en las moléculas de un medio líquido (electrolito), normalmente agua alcalina (por ejemplo, agua destilada a la que se ha añadido hidróxido de potasio) mediante la aplicación de un campo eléctrico externo. In electrohydrolysis, the hydrogen atoms present in the molecules of a liquid medium (electrolyte), usually alkaline water (for example, distilled water to which potassium hydroxide has been added), are separated by the application of an external electric field.
Para llevar a cabo la electro-hidrólisis, se utilizan normalmente electrodos formados por hilos conductores o por mallas de hilos conductores, tanto para el electrodo positivo, generalmente el ánodo, como para el electrodo negativo o generalmente, el cátodo. Entre el cátodo y el ánodo se encuentra el electrolito. Al establecer una diferencia de potencial entre ambos electrodos, se produce un campo eléctrico entre los mismos. Cerca de los electrodos el campo eléctrico aumenta de forma exponencial con un máximo en la superficie de dichos electrodos. El campo eléctrico en las proximidades de los electrodos puede ser suficientemente elevado (varios eV en el caso del agua) lo que favorece la separación de las moléculas del líquido en componentes disociados (hidrógeno y oxígeno en el caso del agua). Cuando se utiliza agua alcalina, este método se denomina Alkaline Water Electrolysis (AWE). Electrohydrolysis is carried out using electrodes made of conductive wires or meshes of conductive wires, both for the positive electrode, usually the anode, and for the negative electrode, usually the cathode. The electrolyte is located between the cathode and the anode. By establishing a potential difference between the two electrodes, an electric field is produced between them. Near the electrodes, the electric field increases exponentially with a maximum at the surface of said electrodes. The electric field near the electrodes can be sufficiently high (several eV in the case of water) which favors the separation of the liquid molecules into dissociated components (hydrogen and oxygen in the case of water). When alkaline water is used, this method is called Alkaline Water Electrolysis (AWE).
Es deseable hacer más sostenible el proceso de electrólisis. Una manera considera emplear fuentes de energía con bajas emisiones de CO<2>, por ejemplo, renovables. Otra manera se dirige a reducir la energía necesaria, lo que implica disminuir la diferencia de potencial entre los electrodos. It is desirable to make the electrolysis process more sustainable. One way involves using energy sources with low CO<2> emissions, for example renewable sources. Another way is to reduce the energy required, which involves reducing the potential difference between the electrodes.
Cuanto más pequeño es el diámetro de un hilo conductor mayor es el campo eléctrico en sus proximidades. Por tanto, una manera de requerir menos energía es emplear un electrodo de menor tamaño, ya que aumenta la capacidad para disociar las moléculas. Sin embargo, existe un inconveniente en este enfoque. Un tamaño muy reducido para los electrodos implica generalmente una menor robustez mecánica. En la práctica, redunda en que unos electrodos miniaturizados no puedan soportar un campo eléctrico elevado. The smaller the diameter of a conducting wire, the greater the electric field in its vicinity. Therefore, one way to require less energy is to use a smaller electrode, since this increases the ability to dissociate molecules. However, there is a drawback to this approach. Very small electrode sizes generally mean less mechanical robustness. In practice, this means that miniaturized electrodes cannot withstand a high electric field.
DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
A la luz de los problemas del estado de la técnica expuestos en la sección anterior, un objeto de la presente invención se refiere, principalmente, a un sistema para disociar moléculas de un medio líquido en componentes empleando electrólisis. Las aplicaciones son diversas, aunque se pueden destacar la producción de hidrógeno para la generación de energía. No obstante, puede haber otras aplicaciones que se beneficien de las ventajas de la presente invención. Entre ellas, cabe mencionar la deposición de átomos en capas o la síntesis química de moléculas, ambas para la industria química. También en la reducción electroquímica de CO2 en metanol. In light of the problems of the state of the art set out in the previous section, one object of the present invention relates mainly to a system for dissociating molecules of a liquid medium into components using electrolysis. The applications are diverse, although the production of hydrogen for energy generation can be highlighted. However, there may be other applications that benefit from the advantages of the present invention. Among them, mention should be made of the deposition of atoms in layers or the chemical synthesis of molecules, both for the chemical industry. Also in the electrochemical reduction of CO2 into methanol.
El sistema propuesto logra minimizar la energía requerida para la obtención de moléculas disociadas (e.g. hidrógeno) mediante la concentración del campo eléctrico en las proximidades de los electrodos, disminuyendo el voltaje que es necesario aplicar entre ellos. Para ello, el sistema para disociar moléculas por electrólisis incluye dos estructuras conductoras que actúan como electrodos, cada una de ellas con una región expuesta al medio líquido (electrolito). Las estructuras conductoras definen sendas cámaras (para ánodo y cátodo). Si se aplica una diferencia de voltaje entre las estructuras conductoras se genera un campo eléctrico y el sistema minimiza el valor necesario para provocar la disociación del medio líquido. Se consigue gracias a una estructura concentradora asociada con las estructuras conductoras que permite la formación de unas regiones que concentran extraordinariamente el campo eléctrico para producir la disociación. The proposed system manages to minimize the energy required to obtain dissociated molecules (e.g. hydrogen) by concentrating the electric field in the vicinity of the electrodes, decreasing the voltage that needs to be applied between them. To do this, the system for dissociating molecules by electrolysis includes two conductive structures that act as electrodes, each with a region exposed to the liquid medium (electrolyte). The conductive structures define two chambers (for the anode and cathode). If a voltage difference is applied between the conductive structures, an electric field is generated and the system minimizes the value necessary to cause the dissociation of the liquid medium. This is achieved thanks to a concentrator structure associated with the conductive structures that allows the formation of regions that concentrate the electric field extraordinarily to produce the dissociation.
En una familia de realizaciones, se aprovecha la propia estructura concentradora para que realice varias funciones adicionales. Una, que haga de estructura separadora y separe tanto eléctrica como físicamente las estructuras conductoras (electrodos) entre sí. Dos, que impida que burbujas de moléculas disociadas gaseosas, producidas en el medio líquido por una de las estructuras conductoras, pasen hacia la otra estructura conductora. Tres, que permita el paso del medio líquido de un lado a otro de la estructura concentradora. En cada lado la estructura concentradora se une a una estructura conductora. El conjunto tiene unos orificios suficientemente pequeños para impedir (o al menos minimizar) el intercambio de burbujas de un lado a otro de la estructura concentradora (entre la cámara para el ánodo y la del cátodo) y, a la vez, permitir cierto intercambio líquido. Los propios orificios ayudan a concentrar también el campo eléctrico y producen un incremento en una región marginal de la estructura conductora expuesta al medio líquido. Ese incremento es mayor cuando una porción de la estructura concentradora estrecha parte del orificio. Esta región marginal incluye el borde del orificio en la estructura conductora donde se alcanza un alto valor para el campo eléctrico. Se pueden definir diversas geometrías (cuña simple, doble, etc.) para la porción para el perfil del orificio en el tramo correspondiente a la estructura concentradora. También para el contorno del orificio. In one family of embodiments, the concentrator structure itself is used to perform several additional functions. One, to act as a separator structure and to separate both electrically and physically the conductive structures (electrodes) from each other. Two, to prevent bubbles of dissociated gaseous molecules, produced in the liquid medium by one of the conductive structures, from passing to the other conductive structure. Three, to allow the passage of the liquid medium from one side of the concentrator structure to the other. On each side the concentrator structure is joined to a conductive structure. The assembly has holes small enough to prevent (or at least minimize) the exchange of bubbles from one side of the concentrator structure to the other (between the anode and cathode chambers) and, at the same time, to allow some liquid exchange. The holes themselves also help to concentrate the electric field and produce an increase in a marginal region of the conductive structure exposed to the liquid medium. This increase is greater when a portion of the concentrator structure narrows part of the hole. This marginal region includes the edge of the hole in the conductive structure where a high value for the electric field is reached. Various geometries (single wedge, double wedge, etc.) can be defined for the portion for the hole profile in the section corresponding to the concentrator structure. Also for the contour of the hole.
En esta familia de realizaciones, los electrodos que constituyen las estructuras conductoras pueden realizarse como una malla de hilos. En los nodos de la malla puede haber un elemento conector de mayor tamaño. También pueden ser láminas extremadamente delgadas, por ejemplo, entre 10 nanómetros y 100 micras, preferentemente, entre 10 nanómetros y 10 micras, más preferentemente, entre 10 nanómetros y 1 micra. La ventaja de las láminas frente a las mallas es su mayor robustez. En ambos casos, se consigue que los electrodos estén extremadamente próximos entre sí. In this family of embodiments, the electrodes constituting the conductive structures can be made as a mesh of wires. At the nodes of the mesh there can be a larger connecting element. They can also be extremely thin sheets, for example, between 10 nanometers and 100 microns, preferably, between 10 nanometers and 10 microns, more preferably, between 10 nanometers and 1 micron. The advantage of sheets over meshes is their greater robustness. In both cases, the electrodes are extremely close to each other.
En otra familia de realizaciones del sistema propuesto están diferenciadas la estructura separadora y la estructura concentradora. Los electrodos se encuentran más distanciados en este caso. La estructura concentradora se compone de dos subestructuras eléctricamente aislantes, inmersas en el medio líquido. Cada subestructura integra su correspondiente estructura conductora (electrodo). Las subestructuras incluyen porciones de material que forman una serie de cavidades o valles en cuyo interior se aloja un elemento conductor. Los valles se encuentran separados entre sí por unas crestas. Este elemento conductor es parte de la estructura conductora que funciona de electrodo (por ejemplo, una retícula de hilos conductores). El elemento conductor puede estar parcialmente expuesto al medio líquido y parcialmente embebido en la subestructura para mayor robustez. Con este diseño también se concentran las líneas de campo en la región de la cavidad donde está dicho elemento conductor. In another family of embodiments of the proposed system, the separator structure and the concentrator structure are differentiated. The electrodes are further apart in this case. The concentrator structure is composed of two electrically insulating substructures, immersed in the liquid medium. Each substructure integrates its corresponding conductive structure (electrode). The substructures include portions of material that form a series of cavities or valleys inside which a conductive element is housed. The valleys are separated from each other by ridges. This conductive element is part of the conductive structure that functions as an electrode (for example, a grid of conductive wires). The conductive element can be partially exposed to the liquid medium and partially embedded in the substructure for greater robustness. With this design, the field lines are also concentrated in the region of the cavity where said conductive element is located.
Aspectos de ambas familias se pueden combinar. Por ejemplo, se pueden diseñar valles y crestas con formas geométricas que ayuden a concentrar mejor el campo eléctrico en las proximidades del elemento conductor. Por ejemplo, modificando el perfil para el canal para el campo. Cada canal está delimitado por un valle separado por crestas adyacentes y puede tener diferentes formas. Por ejemplo, de cuña simple, de cuña doble o simplemente rectangular. Aspects of both families can be combined. For example, valleys and ridges can be designed with geometric shapes that help to better concentrate the electric field in the vicinity of the conductive element. For example, by modifying the profile for the channel for the field. Each channel is delimited by a valley separated by adjacent ridges and can have different shapes. For example, single wedge, double wedge or simply rectangular.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Las características y ventajas se comprenderán plenamente a partir de la descripción detallada de la invención, así como de los ejemplos de realización referidos a las figuras adjuntas, que se describen en los párrafos siguientes. The characteristics and advantages will be fully understood from the detailed description of the invention, as well as from the exemplary embodiments referred to in the attached figures, which are described in the following paragraphs.
FIG. 1A muestra esquemáticamente un electrodo formado por un hilo conductor con sus líneas de campo eléctrico asociadas. FIG. 1B muestra una gráfica de la intensidad del campo eléctrico en función de la distancia al centro del electrodo. FIG. 1A schematically shows an electrode formed by a conducting wire with its associated electric field lines. FIG. 1B shows a graph of the electric field intensity as a function of the distance from the center of the electrode.
FIG. 2 es una gráfica comparativa de la densidad de corriente por unidad de superficie para una realización según el estado de la técnica y según la presente invención. FIG. 2 is a comparative graph of the current density per unit area for an embodiment according to the state of the art and according to the present invention.
FIG. 3A muestra esquemáticamente una vista frontal de una primera realización de la presente invención. FIG. 3B muestra esquemáticamente un corte lateral de una primera realización de la presente invención. FIG. 3A schematically shows a front view of a first embodiment of the present invention. FIG. 3B schematically shows a side section of a first embodiment of the present invention.
FIG. 4 muestra esquemáticamente un corte lateral de una segunda realización de la presente invención. FIG. 4 schematically shows a side section of a second embodiment of the present invention.
FIG. 5A muestra esquemáticamente un corte lateral de una tercera realización de la presente invención. FIG. 5B muestra esquemáticamente una variación de la tercera realización con una estructura aislante con una lámina conductora interior a un voltaje intermedio. FIG. 5A schematically shows a side section of a third embodiment of the present invention. FIG. 5B schematically shows a variation of the third embodiment with an insulating structure with an inner conductive sheet at an intermediate voltage.
FIG. 6A muestra esquemáticamente una vista frontal de una cuarta realización de la presente invención. FIG. 6B muestra una vista posterior en perspectiva. FIG. 6A schematically shows a front view of a fourth embodiment of the present invention. FIG. 6B shows a rear perspective view.
FIG. 7A muestra esquemáticamente un corte de una quinta realización de la presente invención. FIG. 7B muestra una ampliación de una parte de la quinta realización. FIG. 7A schematically shows a section of a fifth embodiment of the present invention. FIG. 7B shows an enlargement of a part of the fifth embodiment.
Referencias numéricas utilizadas en los dibujos: Numerical references used in the drawings:
I Línea de campo eléctrico. I Electric field line.
5 Elemento conductor. 5 Conductive element.
5a Borde del elemento conductor. 5a Edge of the conductive element.
8 Orificio. 8 Hole.
10 Electrodo. 10 Electrode.
10a Superficie expuesta del electrodo (al medio líquido). 10a Exposed surface of the electrode (to the liquid medium).
I I Primera lámina conductora. I I First conductive sheet.
11a Borde del orificio de la primera lámina conductora. 11a Edge of the hole of the first conductive sheet.
12 Segunda lámina conductora. 12 Second conductive sheet.
12a Borde del orificio de la segunda lámina conductora. 12a Edge of the hole of the second conductive sheet.
13 Lámina aislante. 13 Insulating sheet.
13a Porción. 13th Portion.
131 Lámina conductora interior (de la estructura concentradora). 131 Inner conductive sheet (of the concentrator structure).
132 Capa de material aislante (de la estructura concentradora). 132 Insulating material layer (of the concentrator structure).
14 Cuarta estructura separadora. 14 Fourth separating structure.
21 Primera malla conductora. 21 First conductive mesh.
21a Borde de la primera malla conductora. 21a Edge of the first conductive mesh.
22 Segunda malla conductora. 22 Second conductive mesh.
2a Borde de la segunda malla conductora. 2a Edge of the second conductive mesh.
33 Subestructura aislante. 33 Insulating substructure.
33a Valles. 33a Valleys.
33b Crestas. 33b Ridges.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Se expone, a continuación, una descripción detallada de la invención referida a diferentes realizaciones preferentes o ventajosas basadas en las figuras 1 a 7. Dicha descripción detallada se aporta con fines ilustrativos y no limitativos respecto del alcance de la invención reivindicada. A detailed description of the invention is set forth below, referring to different preferred or advantageous embodiments based on Figures 1 to 7. Said detailed description is provided for illustrative purposes and is not limiting with respect to the scope of the claimed invention.
Se presentan varios diseños de estructuras que concentran las líneas del campo eléctrico en las proximidades de los electrodos en una región expuesta al medio líquido que se desea disociar. Several designs of structures are presented that concentrate the electric field lines in the vicinity of the electrodes in a region exposed to the liquid medium to be dissociated.
En laFIG. 1Ase muestra una sección de un electrodo10formado por un hilo conductor, y las líneas de campo eléctrico1asociadas, al que se ha aplicado una diferencia de potencial con otro electrodo (no mostrado). Se puede apreciar que la densidad de líneas de campo eléctrico1es mayor al acercarse al electrodo10. El máximo ocurre en la superficie expuesta10a. In FIG. 1A a section of an electrode10formed by a conducting wire and the associated electric field lines1is shown, to which a potential difference has been applied with another electrode (not shown). It can be seen that the density of electric field lines1is greater as one approaches the electrode10. The maximum occurs on the exposed surface10a.
LaFIG. 1Bes una gráfica de la intensidad del campo eléctrico en función de la distancia al centro del electrodo para el caso anterior. En el eje de abscisas, x, se representa la distancia a la superficie del electrodo. En el eje de ordenadas,y,se representa la intensidad del campo eléctrico. Se aprecia claramente cómo el valor para la intensidad del campo eléctrico se incrementa exponencialmente en las proximidades de la superficie del electrodox=a.FIG. 1B is a graph of the electric field intensity as a function of the distance from the center of the electrode for the above case. The x-axis represents the distance to the electrode surface. The y-axis represents the electric field intensity. It is clearly seen how the value for the electric field intensity increases exponentially in the vicinity of the electrode surface x=a.
Como se apreciará en los ejemplos de realización siguientes, una estructura aislante, dispuesta adecuadamente en las proximidades de regiones de una estructura conductora, permite crear una región para cada electrodo que favorece la disociación. Se produce un incremento adicional en la concentración del campo eléctrico. Esta región funciona a modo de canal para encaminar y concentrar el campo eléctrico. As will be seen in the following embodiments, an insulating structure, suitably arranged in the vicinity of regions of a conductive structure, makes it possible to create a region for each electrode that promotes dissociation. A further increase in the concentration of the electric field occurs. This region functions as a channel to direct and concentrate the electric field.
LaFIG. 2es una gráfica comparativa de la densidad de corriente por unidad de superficie para un proceso de electro-hidrólisis según el estado de la técnica en línea punteada y según una realización de la presente invención en línea continua. En el eje de abscisas, x, se representa el voltaje medido en Voltios (V). En el eje de ordenadas,y,se representa la densidad de corriente eléctrica por unidad de superficie o densidad superficial de corriente, medida en Amperios por centímetro cuadrado (A/cm2). Las unidades mostradas no son precisas y tan sólo sirven para ilustrar el comportamiento favorable. FIG. 2 is a comparative graph of current density per unit area for an electro-hydrolysis process according to the state of the art in dotted lines and according to an embodiment of the present invention in solid lines. The x-axis represents the voltage measured in Volts (V). The y-axis represents the electric current density per unit area or surface current density, measured in Amps per square centimeter (A/cm2). The units shown are not precise and are only used to illustrate favorable performance.
Se desprende, de la comparación entre curvas, que el sistema propuesto consigue producir hidrógeno disociando la molécula de agua mediante la aplicación de voltajes de menor valor. Este resultado es extensible a otras reacciones químicas de electrólisis, cambiando el agua por otro líquido compuesto por otras moléculas, y eligiendo el electrolito adecuado para dicha reacción. A partir de estas moléculas de líquido, se obtendrían los elementos atómicos que las componen o moléculas más sencillas. It can be seen from the comparison between the curves that the proposed system manages to produce hydrogen by dissociating the water molecule by applying voltages of lower value. This result can be extended to other chemical reactions of electrolysis, replacing the water with another liquid composed of other molecules, and choosing the appropriate electrolyte for said reaction. From these liquid molecules, the atomic elements that compose them or simpler molecules would be obtained.
La FIG. 3A y la FIG. 3B son ambas una representación esquemática de una vista frontal y de un corte lateral de una realización del sistema. Por claridad, no se muestra el medio líquido con las moléculas a disociar. El sistema incluye una lámina aislante 13 que está exteriormente unida por una cara con una primera lámina conductora 11 y por la otra cara opuesta con una segunda lámina conductora 12. Esta estructura de tres capas presenta múltiples orificios 8. Uno de tales orificios se muestra en el corte lateral de la FIG. 3B (oculta en la vista frontal de FIG. 3A). Las láminas conductoras 11, 12 forman los electrodos (ánodos en una cara y cátodos en la cara opuesta). Los orificios 8 son pasantes y comunican un lado (cámara del ánodo) con el otro (cámara del cátodo) permitiendo el paso de moléculas a disociar en estado líquido, pero impidiendo el paso de burbujas gaseosas con moléculas producidas en la disociación. FIG. 3A and FIG. 3B are both a schematic representation of a front view and a side section of an embodiment of the system. For clarity, the liquid medium with the molecules to be dissociated is not shown. The system includes an insulating sheet 13 that is externally joined on one side to a first conductive sheet 11 and on the other opposite side to a second conductive sheet 12. This three-layer structure has multiple holes 8. One of such holes is shown in the side section of FIG. 3B (hidden in the front view of FIG. 3A). The conductive sheets 11, 12 form the electrodes (anodes on one side and cathodes on the opposite side). The holes 8 are through and communicate one side (anode chamber) with the other (cathode chamber) allowing the passage of molecules to be dissociated in a liquid state, but preventing the passage of gaseous bubbles with molecules produced in the dissociation.
Al aplicar una diferencia de potencial entre los dos electrodos (primera lámina conductora 11, y segunda lámina conductora 12), las líneas de campo eléctrico 1 se concentran alrededor de los orificios 8 como muestra la FIG. 3B. Debido al estrechamiento del canal de paso, se produce un incremento en la concentración del campo eléctrico en el centro del orificio 8 y, por tanto, cerca del borde 11a de la lámina conductora 11, 12 que está expuesto al medio líquido y en sus proximidades. By applying a potential difference between the two electrodes (first conductive sheet 11, and second conductive sheet 12), the electric field lines 1 are concentrated around the holes 8 as shown in FIG. 3B. Due to the narrowing of the passage channel, an increase in the concentration of the electric field occurs in the center of the hole 8 and, therefore, near the edge 11a of the conductive sheet 11, 12 which is exposed to the liquid medium and in its vicinity.
En la FIG. 3B se aprecia que se forma un canal que atraviesa dicho orificio 8 y que concentra, a su paso por el interior, el campo eléctrico. Cuando este canal es modificado y se hace adicionalmente más estrecho con una porción 13a (en forma de saliente) de la lámina aislante 13 que se extiende en dirección transversal a la dirección del campo eléctrico, se logra concentrar adicionalmente el campo eléctrico que debe atravesar el orificio 8 y con ello, en los bordes 11a de cada orificio 8 de la lámina conductora 11. De esta manera, se favorece la reacción de electrólisis. In FIG. 3B it can be seen that a channel is formed which passes through said hole 8 and which concentrates, as it passes through the interior, the electric field. When this channel is modified and made additionally narrower with a portion 13a (in the form of a projection) of the insulating sheet 13 which extends in a direction transverse to the direction of the electric field, the electric field which must pass through the hole 8 is further concentrated and thus, on the edges 11a of each hole 8 of the conductive sheet 11. In this way, the electrolysis reaction is favoured.
El perfil mostrado por la FIG. 3B es denominado de doble cuña. Esto es, el diámetro del orificio8disminuye progresivamente desde las caras de la lámina aislante13(cada cara próxima a una de las láminas conductoras11,12) hasta un plano interior. Por ejemplo, hasta un plano que divida la lámina aislante13en dos mitades de igual grosor. Es decir, tendría forma de huso. No obstante, otras formas serían posibles para la parte del canal interior del orificio8(rodeado por aislante) como se mostrará a continuación. Algunas formas tienen ventajas en configuraciones concretas. The profile shown by FIG. 3B is called a double-wedge profile. That is, the diameter of the hole8 progressively decreases from the faces of the insulating sheet13 (each face next to one of the conductive sheets11,12) to an inner plane. For example, to a plane dividing the insulating sheet13 into two halves of equal thickness. That is, it would be spindle-shaped. However, other shapes would be possible for the inner channel portion of the hole8 (surrounded by insulation) as will be shown below. Some shapes have advantages in particular configurations.
En laFIG. 4se ilustra otra geometría, denominada de cuña simple, para una porción13adel canal formado interiormente por el orificio8que tendría forma cónica. Como en la realización anterior, el sistema tiene una lámina conductora11,12que se une con una cara diferente de la lámina aislante13. Con la porción13asimple el diámetro del orificio8disminuye progresivamente desde una de las caras de la lámina aislante13hasta la otra cara opuesta. In FIG. 4 another geometry is illustrated, called a simple wedge, for a portion 13a of the channel formed internally by the hole 8 which would be conical in shape. As in the previous embodiment, the system has a conductive sheet 11, 12 that is joined to a different face of the insulating sheet 13. With the simple portion 13a the diameter of the hole 8 progressively decreases from one of the faces of the insulating sheet 13 to the other opposite face.
En laFIG. 5Ase ilustra otra geometría, denominada cilíndrica donde el canal interior definido por el orificio8es cilíndrico. Se observa una porción rectangular de la lámina aislante13que se extiende en el canal interior en el tramo de que atraviesa la lámina aislante13.Se observa que se estrecha respecto de las láminas conductoras11,12situadas en la parte exterior. La porción de la lámina aislante13reduce el espacio libre para el paso del campo eléctrico a través del orificio8y con ello, aumenta el campo eléctrico en el borde11adel orificio8en la lámina conductora11, y análogamente en el borde12adel orificio8en la lámina conductora12. In FIG. 5A another geometry is illustrated, called cylindrical where the inner channel defined by the hole 8 is cylindrical. A rectangular portion of the insulating sheet 13 can be seen extending into the inner channel in the section through which the insulating sheet 13 passes. It can be seen that it narrows with respect to the conductive sheets 11, 12 located on the outside. The portion of the insulating sheet 13 reduces the free space for the passage of the electric field through the hole 8 and thus increases the electric field at the edge 11 of the hole 8 in the conductive sheet 11, and similarly at the edge 12 of the hole 8 in the conductive sheet 12.
En laFIG. 5Bse ilustra la misma geometría que la FIG. 5A pero empleando una estructura aislante diferente. En lugar de una lámina aislante uniforme se emplea una estructura en sándwich, donde una lámina conductora interior131está revestida de una capa132de material aislante a cada lado, que evite que la lámina conductora interior131esté en contacto con las láminas conductoras11, 12. Así cada elemento11,12,131puede estar a un voltaje diferente. En particular se muestra que el voltaje V1 está aplicado a la primera lámina conductora11, el voltaje V2 está aplicado a la segunda lámina conductora12y el voltaje V3 está aplicado a la lámina conductora interior131. Se cumple que V1>V2>V3. In FIG. 5B the same geometry as in FIG. 5A is illustrated but using a different insulating structure. Instead of a uniform insulating sheet a sandwich structure is used where an inner conducting sheet 131 is covered with a layer 132 of insulating material on each side, which prevents the inner conducting sheet 131 from coming into contact with the conducting sheets 11, 12. Thus each element 11, 12, 131 can be at a different voltage. In particular it is shown that voltage V1 is applied to the first conducting sheet 11, voltage V2 is applied to the second conducting sheet 12 and voltage V3 is applied to the inner conducting sheet 131. It follows that V1>V2>V3.
En lasFIG. 6AyFIG. 6Bse ilustra una representación esquemática de otra realización bastante similar a la mostrada en la FIG. 3A. En esta realización, en lugar de una lámina conductora, se usa una malla21con múltiples conductores anulares7e hilos9entre ellos. Como se puede apreciar, las mallas21,22cubren mucha menos superficie de la lámina aislante13que una lámina. Análogamente a la realización anterior, hay una porción interior (no mostrada) de la lámina aislante13que estrecha el paso a través del orificio8y concentra el campo eléctrico en el borde21adel orificio8del conductor anular7de la malla conductora21. A schematic representation of another embodiment quite similar to that shown in FIG. 3A is illustrated in FIG. 6A and FIG. 6B. In this embodiment, instead of a conductive foil, a mesh 21 with multiple annular conductors 7 and wires 9 between them is used. As can be seen, the meshes 21, 22 cover much less surface of the insulating foil 13 than one foil. Analogously to the previous embodiment, there is an inner portion (not shown) of the insulating foil 13 which narrows the passage through the hole 8 and concentrates the electric field at the edge 21a of the hole 8 of the annular conductor 7 of the conductive mesh 21.
En la FIG. 6B se aprecia el otro lado, correspondiente a la cara oculta de la FIG. 6A, con la otra malla conductora22. Cada orificio8está rodeado en ambas caras de la lámina aislante13por un conductor anular7uno corresponde con la malla conductora21, otro con la malla conductora22del otro lado. Existe también un borde22adefinido por el orificio8que coincide con el diámetro interior de los conductores anulares7presentes en la malla conductora22. In FIG. 6B the other side can be seen, corresponding to the hidden face of FIG. 6A, with the other conductive mesh22. Each hole8 is surrounded on both sides of the insulating sheet13 by an annular conductor7, one corresponding to the conductive mesh21, another to the conductive mesh22 on the other side. There is also an edge22a defined by the hole8 that coincides with the inner diameter of the annular conductors7 present in the conductive mesh22.
Respecto de las geometrías antes mencionadas en las FIGs. 3A, 4 y 5 para la porción aislante encargada de reducir el canal y concentrar el campo eléctrico, indicar que son igualmente aplicables a esta realización con una malla en lugar de una lámina. A continuación, se mencionan algunas propiedades características de cada geometría. Regarding the aforementioned geometries in FIGS. 3A, 4 and 5 for the insulating portion responsible for reducing the channel and concentrating the electric field, it should be noted that they are equally applicable to this embodiment with a mesh instead of a sheet. Some characteristic properties of each geometry are mentioned below.
Una doble cuña tiene la ventaja de concentrar aún un poco más las líneas del campo y es más fácil de fabricar por técnicas de ataque químico. Una cuña simple próxima al electrodo que produce la molécula disociada de interés (e.g., hidrógeno) tiene la ventaja de que hace menos probable que se produzca una recombinación de la molécula disociada en la molécula a disociar (e.g., agua). A double wedge has the advantage of further concentrating the field lines and is easier to fabricate by etching techniques. A single wedge close to the electrode that produces the dissociated molecule of interest (e.g., hydrogen) has the advantage of making recombination of the dissociated molecule into the molecule to be dissociated (e.g., water) less likely.
Cualquier porción adicional de aislante permita concentrar el campo eléctrico en las proximidades de los electrodos con los orificios sería aplicable. Se podrían emplear otras geometrías para reducir el canal de paso en diferente grado (p.e. 25%, 35%, 50%, 75%, 90%, etc. respecto del contorno del orificio en el conductor). Any additional portion of insulation to allow the electric field to be concentrated in the vicinity of the electrodes with the holes would be applicable. Other geometries could be used to reduce the passage channel to different degrees (e.g. 25%, 35%, 50%, 75%, 90%, etc. with respect to the contour of the hole in the conductor).
Una de las dificultades de los sistemas que llevan a cabo electrólisis es la recombinación. En particular, cuando se trata de hidrólisis, la recombinación implica una mezcla de burbujas de gas de oxígeno e hidrógeno. Mediante las realizaciones anteriores, las burbujas de gas de oxígeno e hidrógeno quedan separadas por el propio diseño de la estructura concentradora de las líneas de campo. Como función adicional, la estructura concentradora es también separadora y permite reducir el paso de burbujas, los orificios son de pequeño tamaño y limitan o impiden el paso de burbujas. Así, es importante establecer un tamaño adecuado de los orificios para que se permita el intercambio de moléculas del medio líquido (agua, en el caso de la electro-hidrólisis) pero se impida el intercambio de moléculas gaseosas disociadas (hidrógeno molecular, H<2>). One of the difficulties of systems that carry out electrolysis is recombination. In particular, when it comes to hydrolysis, recombination involves a mixture of oxygen and hydrogen gas bubbles. In the above embodiments, the oxygen and hydrogen gas bubbles are separated by the very design of the field line concentrator structure. As an additional function, the concentrator structure is also a separator and allows the passage of bubbles to be reduced; the holes are small in size and limit or prevent the passage of bubbles. Thus, it is important to establish an adequate size of the holes so that the exchange of molecules of the liquid medium (water, in the case of electro-hydrolysis) is allowed but the exchange of dissociated gaseous molecules (molecular hydrogen, H<2>) is prevented.
Una de las ventajas de la realización con láminas conductoras radica en que la energía precisada para producir la electrólisis es menor ya que, por un lado, se produce una concentración de las líneas de campo cerca del orificio, y, por otro lado, la distancia entre los electrodos puede ser mucho menor por ser más robusta. De esta forma, el campo puede ser más elevado que para mallas conductoras. One of the advantages of using conductive sheets is that the energy required to produce electrolysis is lower, since on the one hand, there is a concentration of field lines near the hole, and on the other hand, the distance between the electrodes can be much smaller because it is more robust. In this way, the field can be higher than for conductive meshes.
Mencionar que para fabricar las diferentes realizaciones se pueden emplear diferentes técnicas. En particular, el procedimiento de fabricación de la lámina aislante puede ser muy variado. Por ejemplo, partiendo de una lámina aislante, como mylar o kapton, se deposita una fina capa de cobre u otro conductor de bajo coste, en la que posteriormente se realiza una perforación por ataque químico para realizar los orificios. Para obtener una malla regular de agujeros se utilizaría, por ejemplo, una plantilla con agujeros por donde pasaría la sustancia que realiza el ataque químico para la perforación, pero que no es afectada por dicha sustancia. It should be noted that different techniques can be used to manufacture the different embodiments. In particular, the manufacturing process for the insulating sheet can be very varied. For example, starting from an insulating sheet, such as mylar or kapton, a thin layer of copper or another low-cost conductor is deposited, in which a perforation is subsequently made by chemical etching to make the holes. To obtain a regular mesh of holes, for example, a template with holes would be used through which the substance that carries out the chemical etching for the perforation would pass, but which is not affected by said substance.
En la FIG. 7A se representa esquemáticamente un corte horizontal de una realización diferente donde la estructura concentradora se divide en dos subestructuras aislantes 33. Cada subestructura aislante 33 incorpora su electrodo correspondiente. Por claridad, no se muestra el medio líquido cuyas moléculas se desea disociar. La dirección vertical (perpendicular al plano de la figura) coincide con la dirección de la gravedad terrestre. Esta realización permite emplear una estructura separadora 14 que puede ser convencional. La estructura separadora 14 evita que burbujas de moléculas disociadas gaseosas la atraviesen y permite el intercambio de líquido. FIG. 7A schematically shows a horizontal section of a different embodiment where the concentrator structure is divided into two insulating substructures 33. Each insulating substructure 33 incorporates its corresponding electrode. For clarity, the liquid medium whose molecules are to be dissociated is not shown. The vertical direction (perpendicular to the plane of the figure) coincides with the direction of Earth's gravity. This embodiment allows the use of a separator structure 14 that can be conventional. The separator structure 14 prevents bubbles of gaseous dissociated molecules from passing through it and allows the exchange of liquid.
Cada subestructura aislante 33 forma valles 33a y crestas 33b para concentrar las líneas de campo eléctrico cerca de los electrodos. Los electrodos se forman con una estructura conductora 31, 32 (recuadros punteados) compuesta por un hilo 9 (aunque puede ser una cinta también, el hilo puede formar una retícula en tres dimensiones) que conecta una serie de elementos conductores 5 de mayor tamaño integrados en la subestructura aislante 33. Each insulating substructure 33 forms valleys 33a and ridges 33b to concentrate the electric field lines near the electrodes. The electrodes are formed with a conductive structure 31, 32 (dotted boxes) composed of a wire 9 (although it can also be a ribbon, the wire can form a three-dimensional grid) that connects a series of larger conductive elements 5 integrated in the insulating substructure 33.
Cada valle 33a forma una cavidad donde se aloja el elemento conductor 5 parcialmente bordeado de material aislante. En el valle 33a se concentran las líneas 1 del campo eléctrico hacia el elemento conductor 5. En el borde 5a de dicho elemento conductor 5 expuesto al medio líquido y, se alcanza un mayor incremento del campo eléctrico que favorece la disociación molecular. Each valley 33a forms a cavity where the conductive element 5 is housed, partially bordered by insulating material. In the valley 33a, the lines 1 of the electric field towards the conductive element 5 are concentrated. At the edge 5a of said conductive element 5 exposed to the liquid medium, a greater increase in the electric field is achieved, which favors molecular dissociation.
En una realización análoga, en lugar de utilizar material aislante eléctrico para toda la estructura concentradora, se podría utilizar un material conductor sometido a menor potencial que los electrodos. En este caso, el electrodo debería de estar separado del material conductor que concentra las líneas de campo mediante un aislante (p.e. revestido totalmente por una capa aislante, p.e. de forma similar a la FIG. 5B) o por una distancia. In an analogous embodiment, instead of using electrically insulating material for the entire concentrator structure, a conductive material subjected to a lower potential than the electrodes could be used. In this case, the electrode would have to be separated from the conductive material concentrating the field lines by an insulator (e.g. completely covered by an insulating layer, e.g. similar to FIG. 5B) or by a distance.
Los electrodos se pueden depositar en la parte del valle mediante distintos métodos, por ejemplo, deposición mediante vapor químico, pulverización (sputtering), etc. Electrodes can be deposited in the valley portion by various methods, e.g. chemical vapor deposition, sputtering, etc.
En todas las realizaciones, el material aislante puede ser cualquier material aislante, que se pueda disponer en láminas finas pero robustas, como kapton, mylar o incluso una lámina muy fina de aluminio, funcionando a voltajes muy bajos, por ejemplo, entre 0.5 V y 1V, o entre 1V y 2 V. El material de los electrodos también puede ser muy diverso como cobre o cualquier compuesto conductor de bajo coste, pero robusto. La forma de los orificios y los valles es preferiblemente circular pero también podría ser hexagonal o cualquier otra forma poligonal. In all embodiments, the insulating material can be any insulating material, which can be arranged in thin but robust sheets, such as kapton, mylar or even a very thin sheet of aluminium, operating at very low voltages, for example between 0.5 V and 1 V, or between 1 V and 2 V. The material of the electrodes can also be very diverse such as copper or any low cost but robust conductive compound. The shape of the holes and valleys is preferably circular but could also be hexagonal or any other polygonal shape.
A modo ilustrativo se ofrecen algunas medidas y rangos para varios elementos aquí descritos. For illustrative purposes, some measurements and ranges are provided for various elements described here.
El grosor de la lámina aislante está generalmente entre 1 micra y 100 micras. También puede ser de varias decenas de nanómetros, por ejemplo 90, 50 o 30 nanómetros. The thickness of the insulating film is generally between 1 micron and 100 microns. It can also be several tens of nanometers, for example 90, 50 or 30 nanometers.
El diámetro de entrada o salida de los orificios puede estar entre 1 micra y 50 micras. The inlet or outlet diameter of the holes can be between 1 micron and 50 microns.
Lo rangos de voltaje para diferentes reacciones de electrólisis se indican a continuación: The voltage ranges for different electrolysis reactions are given below:
Agua (hidrólisis): Entre 1,23 V y 1,8 V Water (hydrolysis): Between 1.23 V and 1.8 V
Reducción electroquímica de CO2 en metanol: Entre 1 V y 1,5 V Electrochemical reduction of CO2 to methanol: Between 1 V and 1.5 V
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