A method of dissociation of water molecules to obtain gaseous hydrogen and oxygen and an equipment to dissociate water molecules

Page 1

(11) Cislo dokumentu:

PATENTOVŸ SPIS

(13) Druh dokumentu: B6 (21) Cislo pfihlâsky: 2021-568 (51) Int. Cl.: (19) (22) Pfihlâseno: 14.12.2021 CESKÂ C25B1/04 (2021.01)

REPUBLIKA C01B3/06 (2006.01)

(24) Oznâmeni o udëleni ve vëstaiku: 28.08.2024

ÙRAD

PRÙMYSLOVÉHO

VLASTNICTVÎ

(56) Relevante! dokumenty:

SPANU DAVIDE ET AL. Site-selective Pt dewetting on WO3-coated TiO2nanotube arrays: An selection transfer cascade-based H2evolution photocatalyst. Applied Catalysis B: Environmental. Friedrich-Alexander-Universitât Erlangen-Nümberg (FAU), 22.05.2018, Vol. 237, p. 2 - 3, ISSN

_________ WO 2016100362 Al; US 2017342577 Al; US 2020259166 Al; US 4936961 A; US 2021156037 Al; EP 2433902 AL________________________________ (73) Majitel patenta:

ADASUNE s.r.o., Hradec Krâlové, Kukleny, CZ

Ing. Viktor Korbel, Strâz nad Nezârkou, CZ

artpatent, advokâtni kancelâr s.r.o., Dukelskych hrdinù 976/12, 170 00 Praha 7, Holesovice

(54) Nâzev vynâlezu:

Zpûsob disociace molekul vody pro zisk plynného vodiku a kysliku a zarizeni k disociaci molekul vody

Vynâlez se tÿkâ zpùsobu vÿroby plynného vodiku a kysliku za pomoci disociace molekul vody, které jsou rozklâdâny elektrickou silou elektrického pole, jehoz intenzita je v râmci periodického opakovâni nerovnomèmè navysovâna, dokud elektrické pole nepfedâ molekule vody dostatek excitacni energie.

Produkty disociace jsou stabilizovâny fotony a odvedeny k dalsimu vyuziti.

Page 2

Zpùsob disociace molekul vody pro zisk plynného vodiku a kysliku a zarizeni k disociaci molekul vody

5 Oblast techniky

Vynalez se tÿkâ zpûsobu vÿroby plynného vodiku a kysliku pomoci rozkladu molekul vody pro nâsledné pouziti v energetickém prûmyslu a dale se vynâlez tÿkâ zarizeni k provâdeni disociace molekul vody.

Dosavadni stav techniky

V soucasné dobe se hledaji cesty, jak resit energetickou krizi zpûsobenou vyloucenim fosilnich 15 paliv z energetického prûmyslu. Jednou z moznÿch nâhrad fosilnich paliv je plynnÿ vodik, kterÿ se jevi se jako vhodnÿ kandidât pro nâhradu spalovâni fosilnich paliv.

Vÿhodou plynného vodiku je jeho rozsirenost v okolnim prostredi, a to ve forme vody. Kazda molekula vody obsahuje dva atomy vodiku a jeden atom kysliku. Pri horeni vodiku se uvolnuje 20 velké mnozstvi energie, pricemz produktem horeni pri spalovani s kyslikem je vodni para. To je velka vÿhoda oproti fosilnim palivûm, ktera pri horeni uvolnuji sklenikové plyny, toxiny a prach.

Nevÿhodou zminovanÿch cistÿch plynû je jejich vysoka reaktivita, ktera je velice nebezpecnâ pri neodborné manipulaci, ci pri nehode, nebo pri zâvade. Proto je zâdouci, aby se cisté plyny 25 neskladovaly ve velkém objemu v tancich, ale aby existovalo zarizeni a zpûsob jejich kontinualni vÿroby pred okamzitou spotrebou. To by bylo vÿhodné, nebot’ by se skladovala v tancich jako vstupni surovina cista voda, jejiz eventualni ùnik ze zâsobniku je z hlediska bezpecnosti malÿm rizikem.

30 Dalsi nevÿhodou nasazeni cistého vodiku a kysliku jako nahrady fosilnich paliv je komplikovana vÿroba, nebot rozlozit molekulu vody na atomy je pomerne slozitÿm procesem.

Prikladem znamé vÿroby vodiku z molekul vody je elektrolÿza, v ramci které se voda smicha s elektrolytem, a poté se ji necha prochazet stejnosmernÿ elektrickÿ proud. U jedné z elektrod se 35 zacne pûsobenim elektrického proudu vylucovat krome jinÿch atomû z elektrolytu kyslik, u druhé z elektrod se zacne vylucovat krome jinÿch atomû z elektrolytu vodik. Je nevÿhodné, ze pri elektrolÿze se ostatni atomy vazou na jiné pritomné atomy, zejména na atomy materialu elektrody, a vznikaji povlaky, které se mohou chovat jako elektroizolacni material znesnadnujici dalsi elektrolÿzu. Dale je nevÿhodné, ze se pracuje se stejnosmernÿm elektrickÿm proudem, kterÿ 40 je velice zivotu nebezpecnÿ uz v ùrovnich malého elektrického napeti. V neposledni rade je nevÿhodné, ze je potreba pouzivat elektrolyt a elektrody, cimz se komplikuje ùvaha pouhého pouziti vody, jako jediné vstupni suroviny, v ramci procesu vÿroby vodiku a kysliku.

Ùkolem vynalezu je vytvoreni zpûsobu vÿroby vodiku a kysliku z molekul vody, kterÿ by byl 45 energeticky efektivni, kterÿ by umoznoval zpracovavat vodu na plynné slozky tesne pred jejich spotrebovanim, kterÿ by nevyzadoval dalsi vstupni suroviny, a dale je ùkolem vynalezu vytvorit zarizeni k provadeni vynalezeného zpûsobu.

50 Podstata vynalezu

Vytcenÿ ùkol je vyresen pomoci zpûsobu disociace molekul vody pro zisk plynného vodiku a kysliku podle nize uvedeného vynalezu.

55 Podstata vynalezeného zpûsobu spociva v postupovÿch krocich:

Page 3

a) voda se nalije mezi elektrody pro vytvoreni elektrického kondenzatoru, ve kterém voda zastupuje dielektrikum.

5 b) mezi elektrodami se generuje nelinearne rostouci elektrické pole zarazenim kondenzatoru do sériove zapojeného ladeného LC obvodu, a to az do rozpadu nekterÿch molekul vody na plynnÿ vodik a plynnÿ kyslik, pricemz se ionty plynù stabilizuji ozarovanim fotony. Zarazenim kondenzatoru do sériove zapojeného ladeného LC obvodu je mozné generovat mezi elektrodami elektrické pole, jehoz sila diky vysokofrekvencnimu nabijeni a vybijeni, postupne, 10 avsak nelinearne roste, cimz dojde k namahani molekul vody, pricemz nekteré z molekul obdrzi silovÿm pùsobenim elektrického pole excitacni energii, jenz zpùsobi rozpad na elektricky nabité atomy plynnÿch prvkù. Aby vyvazané ionty nemely tendenci ihned reagovat, je jim chybejici naboj dodan interakci s fotony.

15 c) plynné prvky se odvedou mimo prostor kondenzatoru. Plynné prvky se aktivne odvadeji, aby koncentrace plynnÿch prvkù nenarostla natolik, ze by se opet spolu zkombinovaly.

V ramci zpùsobu se kroky b) a c) opakuji, avsak v ramci kroku b) se parametry nerovnomerne rostouciho elektrického pole upravuji podle aktualni elektrické kapacity kondenzatoru urcené 20 pritomnÿm mnozstvim vody mezi elektrodami. Mnozstvi vody se rozkladem molekul meni, cimz se meni parametry kondenzatoru, coz ovlivnuje parametry generovaného elektrického pole.

Frekvence nabijeni a vybijeni elektrického naboje v kondenzatoru se s vÿhodou pohybuje v rozmezi od 50 kHz do 1 MHz. Soucasne je vÿhodné, pokud se frekvence zvysuje s rostouci 25 elektrickou vodivosti vody. Zatimco destilovana voda je spatnÿm vodicem elektrického proudu a mùze zastupovat dielektrikum kondenzatoru jiz pri nizsich frekvencich, tak napr. morska voda s ionty soli je dobrÿm vodicem elektrického proudu, a proto musi bÿt pouzita mnohem vyssi frekvence nabijeni a vybijeni elektrického naboje v kondenzatoru, aby doslo k usporadani molekul a iontù vedoucimu k narùstu elektrického odporu v oblasti dielektrika, tzv. kapacitance, 30 coz zapncini pokles elektrické vodivosti.

Je vÿhodné, pokud fotony pro stabilizaci pochazeji z UV svetla.

Soucasti vynalezu je i zarizeni k disociaci molekul vody pro zisk plynného vodiku a kysliku 35 vynalezenÿm zpùsobem.

Podstata vynalezu spociva v tom, ze je zarizeni tvoreno reaktorem a vysokofrekvencnim zdrojem elektrického napeti. Reaktor slouzi k procesu disociace molekul vody, zatimco vysokofrekvencni zdroj elektrického napeti slouzi inicializaci generovani elektrického pole pùsobiciho na molekuly

Reaktor zahrnuje hermeticky uzaviratelnou nadobu z elektricky inertniho materialu. Hermeticky uzaviratelna nadoba brani nahlému vzplanuti vodiku se vzduchem, soucasne chrani pred ùrazem elektrickÿm proudem. Dale reaktor vykazuje alespon dve trubkovité elektrody, které jsou 45 vzajemne soustredne do sebe usporadané a maji mezi sebou mezery. Soustredné usporadani elektrod v podstate kopiruje zavedenou konstrukci kondenzatorù, kdy jsou elektrody navijené ve vrstvach na sebe, pricemz jsou vrstvy prokladané dielektrikem. V pripade reaktoru se stane dielektrikem voda, ktera vyplni mezery mezi elektrodami. Elektrody jsou v hermeticky uzaviratelné nadobe reaktoru. Dalsi soucasti reaktoru je alespon jeden zdroj svetla pro ozarovani 50 prostoru uvnitr reaktoru fotony, které stabilizuji ionty z rozpadlÿch molekul. Soucasne je reaktor opatren alespon jednim odvodem plynnÿch prvkù. Vysokofrekvencni zdroj elektrického napeti musi bÿt elektricky sériove pripojen k elektrodam reaktoru pro vytvoreni LC obvodu.

Page 4

Konstrukce zarizeni je jednoducha, ale efektivni. Soustredné elektrody vytvareji dostatek mezer pro zaplaveni vodou, pricemz diky svému usporadani mohou na vodu pùsobit ucelenÿm elektrickÿm polem. Reaktor je bezpecnÿ a je mozné jeho velikost dimenzovat podle potreby.

5 Ve vÿhodném provedeni vynalezu je vysokofrekvencni zdroj elektrického napeti zdroj se zpetnÿm odectem provozni frekvence. Diky zpetnému odectu provozni frekvence dochazi samovolne k nastavovani parametrù v LC obvodu, takze se nemusi kapacita kondenzatoru aktivne merit a zdroj posléze aktivne prenastavit. Coz je dùlezité, nebof prùbeh disociace molekul vody v reaktoru je pokazdé v podstate unikâtni a kontinualne se menici v case, a je proto 10 dùlezité, aby na zmenu kapacity kondenzatoru reagoval vysokofrekvencni zdroj sam automaticky s vysokou rychlosti.

S vÿhodou je reaktor opatren alespon jednim privodem vody pro kontinualni doplnovani vody a neprerusovanÿ provoz.

Také je vÿhodné, pokud je svetelnÿ zdroj tvoren svetlo emitujici diodou, nejlépe UV svetlo emitujici diodou. Svetlo emitujici diody produkuji mène odpadniho tepla, nez klasické vlaknové svetelné zdroje. Navic jsou vhodné k miniaturizaci, a jsou trvanlivé. UV svetelné diody produkuji svetlo vlnové délky, ktera se ukazuje v soucasnÿch pokusech, jako nejoptimâlnejsi pro stabilizaci 20 iontù z rozlozenÿch molekul vody.

Mezi vÿhody vynalezu patri, ze dochâzi k elektrickému rozkladu molekul vody bez nutnosti vstupu dalsich surovin. Rozklad molekul vody pomoci elektrického pole je odolnÿ vùci pùsobeni elektromagnetickÿch poli, které by mohly zpùsobit interference, soucasne v ramci vynalezu 25 nedochâzi k vÿbojùm, takze nehrozi zazehnuti volnÿch plynù. Vynalezené zarizeni je konstrukcne jednoduché, avsak jeho provoz je maximalne efektivni.

Objasneni vÿkresù

Uvedenÿ vynalez bude blize objasnen na nâsledujicich vyobrazenich, kde:

obr. 1 ve zjednodusené grafice znazornuje periodicky opakujici se narùst elektrického napeti privadeného na elektrody kondenzatoru,

obr. 2 znazornuje zjednodusenÿ model reaktoru zarizeni,

obr. 3 znazornuje pohled zdola na model reaktoru z obr. 2.

Priklad uskutecneni vynalezu

Rozumi se, ze dale popsané a zobrazené konkrétni pripady uskutecneni vynalezu jsou predstavovany pro ilustraci, nikoliv jako omezeni vynalezu na uvedené priklady. Odbornici znali 45 stavu techniky najdou nebo budou schopni zajistit za pouziti rutinniho experimentovâni vetsi ci mensi pocet ekvivalentù ke specifickÿm uskutecnenim vynalezu, ktera jsou zde popsana.

Disociace molekul vody je dosazeno tim, ze jsou molekuly vody opakovane vystaveny pro ne extrémnimu elektrickému poli s menici se tendenci, které dokaze atomùm molekuly dodat 50 potrebnou excitacni energii k prekonani jejich vzajemné vazby.

Elektrické pole musi do své hodnoty narùstat nelinearne, aby byly molekuly narùstem a poklesem pole energeticky namahany. Pri makroskopickém laickém pohledu pro snadnejsi predstavu ùcinku museji bÿt molekuly vody s narùstajici intenzitou rozvibrovany, dokud atomy vodiku 55 neodskoci od atomu kysliku.

Page 5

Elektrické pole je generovano mezi elektrodami kondenzatoru, jehoz dielektrikem je prave voda. Nelinearni nârùst elektrického napeti, jenz primo ùmerne ovlivnuje elektrickÿ naboj na elektrodach kondenzatoru, je znazornen na obr. 1. Jak je z obrazku patrné, elektrické napeti 5 dosahne urcité meze, nasledne poklesne, posléze dosahne o neco vyssi meze, a to se opakuje, dokud se z molekul vody pri jejich disociaci neuvolni elektrony, které na okamzik zapncini pokles elektrického napeti pod horizontalni osu obr. 1.

Tento proces se neustale opakuje, dokud je mezi elektrodami kondenzatoru pritomna voda a 10 dokud je potreba vyrabet plynné prvky.

Frekvence narùstu a poklesu elektrického napeti je na obr. 1 upravena pro usnadneni pochopeni zpùsobu, avsak ve skutecnosti se pracovni frekvence pohybuje v rozmezi od 50 kHz do 1 MHz, coz znamena az 1 000 000 opakovani jevu za jednu sekundu. Toto extrémni namahani vazeb 15 v molekulach vody zapncinuje jejich rozpad. Navic bylo overeno, ze s rostouci frekvenci klesa vodivost vody nachazejici se mezi elektrodami. To je dùlezité, nebot’ je mozné zpracovavat libovolnou vodu, nejenom destilovanou. Diky vyssim frekvencim se elektrickÿ naboj koncentruje u elektrod kondenzatoru a v mezere mezi deskami vznika z pohledu elektrické vodivosti neaktivni oblast. Praktické pokusy s laboratornim reaktorem ukazaly, ze na destilovanou vodu 20 postacuji frekvence do 280 kHz, na osolenou vodu kuchynskou soli o salinite 5 % byla pouzitelna frekvence od 720 kHz do 1 MHz, zatimco na vodu z vodovodniho radu fungovaly frekvence v rozmezi od 430 kHz do 650 kHz.

Co se tÿce amplitud pracovniho elektrického napeti, to zavisi na vice faktorech. Za prvé to zavisi 25 na vlastnostech zpracovavané vody, dale na plose elektrod kondenzatoru a na vzdalenosti ploch elektrod kondenzatoru od sebe, dale na mnozstvi a teplote vody, dale na mire disociace molekul vody, atp.

Z toho dùvodu je kondenzator zapojen do ladeného LC obvodu, kterÿ diky ladeni reaguje 30 na okamzitÿ pozadavek systému pro vygenerovani pozadovaného extrémniho elektrického pole. Vÿhodou LC obvodu je to, ze kdyz se dostane do rezonance, dokaze se elektrickÿ naboj v elektrodach vybijet a nabijet s pozadovanou frekvenci, pricemz je mozné velikost elektrického naboje navysovat podle tendence vyobrazené na obr. 1. Zdroj napajeni LC obvodu je tzv. zpetnovazebni, coz znamena, ze reaguje na zmeny sam od sebe. Ve zdroji je pouzita 35 zpetnovazebni civka, ktera pri nabijeni uzavre elektronku zdroje, coz zpùsobi rozkmitani - frekvenci. Pouziti rizeného zdroje neni mozné vyloucit, ale takové reseni se jevi na prvni pohled jako zbytecne slozité.

Voda mùze postupne ubÿvat a zdroj na to reaguje automaticky, nebo mùze bÿt kontinualne 40 doplnovana, s cimz si zdroj opet poradi na zaklade vÿse uvedeného principu.

Vzhledem k tomu, ze se pri disociaci molekul vody uvolnuje elektrickÿ naboj v podobe elektronù, které jsou odtazeny do jedné z elektrod kondenzatoru, je nutné ionty plynnÿch prvkù stabilizovat, aby nedochazelo k rekombinaci do jinÿch novÿch molekul vody. Elektrickÿ naboj je 45 do iontù dodavan ozarovanim fotony, idealne UV svetlem, jehoz fotony maji dostatek energie pro stabilizaci, pricemz jediné, co se musi stat je to, aby iont plynu byl fotonem UV zareni zasazen. Je mozné pouzit i fotony svetla viditelného spektra, ci energetické castice z jinÿch zdrojù, nez svetelnÿch.

50 Na obr. 2 je znazornen reaktor 1 zarizeni pro vÿrobu vodiku disociaci molekul vody. Reaktor 1 vykazuje hermeticky uzaviratelnou nadobu 2 z plexiskla, ktera ma valcovÿ tvar a je uzavrena dvema prirubami. Uvnitr hermeticky uzavrené nadoby 2 se nachazeji elektrody 3 trubkovitého tvaru, které jsou soustredne usporadané a maji mezi sebou rozestupy pro zaplaveni vodou. Elektrod 3 s trubkovitÿm tvarem je celkem pet, jak je videt na obr. 3.

Page 6

Na obr. 2 a 3 jsou dale patrné otvory 4 pro odvod plynu, a otvor 5 pro kontinualni privod vody. Vysokofrekvencni zdroj elektrického napeti je principialne postaven z Teslova transformatoru, kterÿ pracuje na rezonancnim principu. Dûlezitou soucasti zdroje je elektronickÿ 5 vysokofrekvencni oscilator, z nehoz je vysokofrekvencni napeti zavedeno do elektrod kondenzatoru, zatimco v bezne pouzivaném Teslove transformatoru je napeti zavedeno na civku pro generovani sekundarnich vÿbojû napr. v ramci testovani izolacni pevnosti materialû. Tlumenÿ jiskrovÿ oscilator je uzpûsoben pro zpetnÿ odecet, aby dokazal reagovat na zmeny v kapacity kondenzatoru reaktoru 1 a setrval v rezonanci.

Prûmyslova vyuzitelnost

Zpûsob a zarizeni pro disociaci molekul vody pro zisk plynného vodiku a kysliku podle vynalezu 15 naleznou uplatneni v energetickém prûmyslu.

Page 7

PATENTOVÉ NAROKY

1. Zpùsob disociace molekul vody pro zisk plynného vodiku a kysliku zahrnujici postupové kroky: a) voda se nalije mezi elektrody pro vytvoreni elektrického kondenzatoru, ve kterém zastupuje voda 5 dielektrikum, b) mezi elektrodami se generuje nelinearne rostouci elektrické pole zarazenim kondenzatoru do sériove zapojeného ladeného LC obvodu, a to do rozpadu nekterÿch molekul vody na plynnÿ vodik a plynnÿ kyslik, c) plynné prvky se odvedou mimo prostor kondenzatoru, nacez se postupové kroky b) a c) opakuji, vyznacujici se tim, ze v ramci postupového kroku b) se ionty plynù stabilizuji ozarovanim fotony, a dale ze v ramci kroku b) se parametry nerovnomerne rostouciho 10 elektrického pole upravuji podle aktualni elektrické kapacity kondenzatoru urcené pritomnÿm mnozstvim vody mezi elektrodami, a soucasne se frekvence nabijeni elektrického naboje v kondenzatoru pohybuje v rozmezi od 50 kHz do 1 MHz.

2. Zpùsob podle naroku 1, vyznacujici se tim, ze se stabilizace iontù ozarovanim fotony provadi pomoci svetelného zdroje.

15 3. Zpùsob podle naroku 2, vyznacujici se tim, ze se pouziva UV zareni.

4. Zarizeni k disociaci molekul vody pro zisk plynného vodiku a kysliku zpùsobem podle nekterého z narokù 1 az 3 tvorené reaktorem (1) a vysokofrekvencnim zdrojem elektrického napeti, pricemz reaktor (1) zahrnuje hermeticky uzaviratelnou nadobu (2) z elektricky inertniho materialu, alespon dve elektrody (3) trubkovitého tvaru, které jsou vzajemne soustredne do sebe usporadané, 20 a které jsou vlozené do hermeticky uzaviratelné nadoby (2) reaktoru (1), pricemz je reaktor (1) opatren alespon jednim otvorem (4) pro odvod plynnÿch prvkù, a soucasne vysokofrekvencni zdroj elektrického napeti je elektricky sériove pripojen k elektrodam (3) reaktoru (1), vyznacujici se tim, ze reaktor zahrnuje alespon jeden zdroj svetla pro ozarovani prostoru uvnitr reaktoru (1) fotony.

5. Zarizeni podle naroku 4, vyznacujici se tim, ze zdroj svetla je tvoren svetlo emitujicimi 25 diodami.

6. Zarizeni podle naroku 5, vyznacujici se tim, ze zdroj svetla je tvoren UV svetlo emitujici diodou.

2 vÿkresy

Page 8

Drawing sheet — no readable text.

Page 9

Drawing sheet — no readable text.