هيدروجين

Aenert news. Invention analysis

سابقًا، في مقالتنا بتاريخ 21.03.2024 قمنا بمراجعة براءات الاختراع الحديثة التي تهدف إلى تحسين كفاءة إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء. مشكلة أخرى مهمة في هذه التكنولوجيا هي ارتفاع تكاليف تشغيل مرافق التحليل الكهربائي للمياه، مثل استهلاك الطاقة، والصيانة الدورية، واستبدال العناصر المتدهورة أو المتآكلة، وما إلى ذلك. واليوم سنلقي نظرة على براءات الاختراع الحديثة المتعلقة بهذا الموضوع. ولهذا الغرض، قمنا بجمع أكثر من 400 براءة اختراع تم نشرها في السنوات الخمس الماضية. يمكن أن تتعلق براءات الاختراع هذه بأي من تقنيات التحليل الكهربائي الحالية وحل المشكلات الأخرى بالإضافة إلى تكاليف التشغيل المرتفعة.
أولاً، دعونا نفحص قائمة كبار المتقدمين حسب حصتهم في براءات الاختراع في مجموعة براءات الاختراع الحديثة المتعلقة بالتحليل الكهربائي والتي تهدف إلى حل مشاكل تكاليف التشغيل المرتفعة:

Applicants’ share in the intellectual property market, %. Patents, 2019-2023

Value: Market involvement ratio*; Y axis: Ownership ratio;Bubble size: Volume ratio.
*(Market involvement ratio = volume ratio multiplied by ownership ratio, where Volume ratio - share of applicant documents in total number of documents, Ownership ratio - applicant's participation share in total number of documents)


في الرسم البياني أدناه نقدم معلومات عن أنواع التحليل الكهربائي الذي يستخدمه المؤلفون في اختراعاتهم. تنتمي المجموعة الرائدة من الوثائق إلى التحليل الكهربائي للمياه القلوية، يليه التحليل الكهربائي لغشاء البوليمر بالكهرباء والتحليل الكهربائي للأكسيد الصلب:

فيما يتعلق بالجوانب الخاصة للتحليل الكهربائي المشمولة في مجموعة براءات الاختراع الحديثة حول التحليل الكهربائي التي تهدف إلى حل مشكلة تكاليف التشغيل المرتفعة، فإن المحلل الكهربائي هو الحل الأمثل. العنصر التكنولوجي الأكثر شيوعا. ويتبعه نظام الكشف عن الاختراعات ككل والتحليل الكهربائي بالبخار عالي الحرارة:

فيما يلي أهم مؤشرات IPC التي تم تخصيصها لهذه الاختراعات:
 

وفقا للتصنيف الدولي لبراءات الاختراع، تحتوي مؤشرات التصنيف الدولي للبراءات المذكورة أعلاه على التعاريف التالية: C25B1/04 - عن طريق التحليل الكهربائي للماء؛ C25B11/091 - يتكون من عنصر حفاز واحد على الأقل ومركب حفاز واحد على الأقل؛ تتكون من عنصرين أو أكثر من العناصر الحفزية أو المركبات الحفزية؛ C25B11/06 - حسب المواد الحفزية المستخدمة؛ B82Y40/00 - تصنيع أو معالجة الهياكل النانوية؛ C25B15/08 - توريد أو إزالة المواد المتفاعلة أو الشوارد؛ تجديد الشوارد. C25B9/19 - مع أغشية؛ B82Y30/00 - تكنولوجيا النانو للمواد أو علوم الأسطح، على سبيل المثال المركبات النانوية؛ C25B9/23 - تشتمل على أغشية التبادل الأيوني التي تكون مادة القطب الكهربائي مدمجة فيها أو عليها؛ C25B11/031 - أقطاب كهربائية مسامية؛ C25B11/075 - يتكون من عنصر حفاز واحد أو مركب حفاز.
فيما يتعلق بنقاط التصنيف، فيما يلي أبرز الوثائق في مجموعة براءات الاختراع الحديثة المتعلقة بالتحليل الكهربائي للمياه لحل مشكلة ارتفاع تكاليف التشغيل:

التقييم: 21
CN114196966B / CAS DICP معهد داليان للفيزياء الكيميائية (CN) / غشاء البروتون وCCM (مستمر) الوحدة الحالية) طريقة وجهاز التحضير المتكامل للتحليل الكهربائي للماء PEM (غشاء تبادل البروتونات)؛
KR101991730B1 / دي نورا بيرميليك المحدودة (جب)؛ Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) / أنود للتحليل الكهربائي للمياه القلوية وطريقة لإنتاج أنود للتحليل الكهربائي للمياه القلوية؛
JP6615682B2 / دي نورا بيرميليك المحدودة (جب)؛ Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) / أنود للتحليل الكهربائي للمياه القلوية وطريقة لإنتاج أنود للتحليل الكهربائي للمياه القلوية؛
التقييم: 20
CN112126946B / CAS DICP معهد داليان للفيزياء الكيميائية (CN) / غشاء مركب للتحليل الكهربائي للماء الحمضي القاعدي وطريقة تحضيره وتطبيقه؛
US11118274B2 / 3M Innovative Properties Company (الولايات المتحدة) / غشاء بوليمر أيوني لمحلل كهربائي لثاني أكسيد الكربون؛
US10619255B2 / دي نورا بيرميليك المحدودة (جب)؛ Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) / أنود للتحليل الكهربائي للمياه القلوية وطريقة لإنتاج أنود للتحليل الكهربائي للمياه القلوية؛
CA3018074C / دي نورا بيرميليك المحدودة (جب)؛ Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) / أنود للتحليل الكهربائي للمياه القلوية وطريقة لإنتاج أنود للتحليل الكهربائي للمياه القلوية؛
CN108779563B / دي نورا بيرميليك المحدودة (جب)؛ Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) / أنود للتحليل الكهربائي للمياه القلوية وطريقة لإنتاج أنود للتحليل الكهربائي للمياه القلوية؛
FR3045215B1 / مفوضية الطاقة الذرية وبدائل الطاقة (بالفرنسية) / نظام مستقل لتثبيت مكدس SOEC/SOFC عالي الحرارة؛
US10263264B2 / مفوضية الطاقة الذرية وبدائل الطاقات (بالفرنسية) / طريقة التحليل الكهربائي عند درجة حرارة عالية أو التحليل الكهربائي المشترك، طريقة لإنتاج الكهرباء عن طريق خلية وقود SOFC، وما يرتبط بها من موصلات ومفاعلات وطرق تشغيل.

أكبر عائلة براءات اختراع من تلك المدرجة في هذه المجموعة والتي لديها براءة اختراع واحدة على الأقل منشورة في السنوات الخمس الماضية تضم 38 وثيقة براءة اختراع وتمثلها الوثيقة الأساسية US11371153B2 (الوثيقة الأساسية هي وثيقة أساسية يتوفر لها وصف كامل للاختراع في قواعد بيانات البراءات المتاحة للجميع). وتليها عائلتين من براءات الاختراع تضم 36 و35 وثيقة براءة اختراع (US11566541B2 وUS20180245224A1، على التوالي):

طريقة تشغيل جهاز التحليل الكهربائي للمياه / P: US11371153B2 / IPC: C25B15/02، C02F1/42، C25B15/08، C25B13/08 ، C25B1/04، C25B9/19، C25B9/23، C25B9/73 / هولر ستيفان / Hoeller Electrolyzer Gmbh (DE) / Appl. التاريخ: 23.04.2018؛ نشر. التاريخ: 28.06.2022 / مكتب براءات الاختراع والعلامات التجارية بالولايات المتحدة / الوثيقة الأساسية: US11371153B2 / فئات التكنولوجيا: PEME / عناصر التكنولوجيا: SAW / المشاكل: LEMP، HORR / أنواع الحلول التقنية: D، M / المطالبات: 17 / التقييم: 16؛
نظام التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب مع نظام تخزين الطاقة الحرارية / P: US11566541B2 / IPC: F01K3/02، B63H11/00، B63H11/12، B63H11/14، B63H11/16، F01K3/08، F01K3/18، F01K11/02، F01K13/ 02، F01K15/00، F01K19/04، F03D9/18، F03G6/00، F22B29/06، F22B35/10، F28D20/00، H01M8/04007، H01M8/04014، H01M8/04029، H02J1/10، H02J3/0 0, H02J3/04، H02M1/00 / أودونيل جون سيتيل؛ فون بيرنس بيتر إيمري؛ وآخرون. / شركة Rondo Energy Inc. (الولايات المتحدة) / Appl. التاريخ: 09.02.2022؛ نشر. التاريخ: 31.01.2023 / مكتب براءات الاختراع والعلامات التجارية بالولايات المتحدة / الوثيقة الأساسية: US11566541B2 / فئات التكنولوجيا: SOEL / عناصر التكنولوجيا: HTSE، SAW / المشاكل: LESP، HORR، HOOC / أنواع الحلول التقنية: D، M / المطالبات: 30 / التقييم: 17؛
المحلل الكهربائي / أ: US20180245224A1 / IPC: C25B1/46، C25B11/03، C25B15/00، C25B11/04، C25B11/051، C25B1/04، C25B9/19، C25B9/73 / تاكاهاشي سوجورو؛ مادونو أكيهيرو؛ وآخرون. / دي نورا بيرميليك المحدودة (JP) / تطبيق. التاريخ: 27.04.2017؛ نشر. التاريخ: 30.08.2018 / مكتب براءات الاختراع والعلامات التجارية بالولايات المتحدة / الوثيقة الأساسية: US20180245224A1 / فئات التكنولوجيا: AEL / عناصر التكنولوجيا: Els / المشكلات: HORR، وHOOC، وHCM، وESI / أنواع الحلول التقنية: D / المطالبات: 7 / التقييم: 12.

تم استخدام الاختصارات التالية في المستندات أعلاه: د - الجهاز؛ م - الطريقة؛ AEL - التحليل الكهربائي للمياه القلوية. PEME - التحليل الكهربائي لغشاء البوليمر بالكهرباء. SOEL - التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب. ESI - قضايا البيئة والسلامة. HCM - ارتفاع تكلفة المواد؛ HOOC - النفقات التشغيلية العالية / التشغيل والمواد الاستهلاكية؛ HORR - نفقات تشغيلية عالية / إصلاح واستبدال؛ LEMP - كفاءة منخفضة / العملية الرئيسية؛ LESP - كفاءة منخفضة / عملية ثانوية؛ HTSE - التحليل الكهربائي بالبخار عالي الحرارة؛ إلس - محلل كهربائي. SAW - النظام ككل.

فيما يلي ملخصات قصيرة للوثائق من بعض أكبر مجموعات براءات الاختراع في المجموعة:

براءة الاختراع US11566541B2 التي نشرتها شركة Rondo Energy Inc. (الولايات المتحدة) بتاريخ 31.01.2023 تكشف عن نظام تخزين الطاقة الحرارية (TES) الذي يمكن استخدامه في مياه الأكسيد الصلب. أنظمة التحليل الكهربائي لتقليل الطاقة اللازمة لعملية التحليل الكهربائي. في TES، يتم تمرير سائل (مثل الماء أو ثاني أكسيد الكربون ₎ عبر نظام حركة السوائل من خلال وسط تخزين يتم تسخينه بواسطة عنصر تسخين يعمل بالطاقة المتجددة. يتم تسخين السائل ثم توجيهه للتسخين إلى خلية التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب مع نطاق درجة حرارة التشغيل من 700 درجة مئوية إلى 900 درجة مئوية. ثم يتم إعادة تدوير السائل إلى TES لاستخراج الحرارة المتبقية. في خلية التحليل الكهربائي، يتم تقسيم السائل إلى تدفق جانب الأنود حيث يتم مسح الأكسجين من الأنود، وتدفق جانب الكاثود الذي يخرج من الخلية مع الهيدروجين، ثم يتم توجيه المنتجات إلى عمليات ثانوية أو ثالثة (على سبيل المثال توليد الطاقة بالدورة الحرارية، وعملية التكرير، والتسخين المسبق لمزيد من إعادة التدوير). يمكن استخدام سائلين في الدائرة، الكاثود والأنود، على التوالي. يمكن أيضًا تكييف النظام لإنتاج الغاز الاصطناعي أو للتشغيل في وضع خلية الوقود. كما توفر مطالبات الاختراع طريقة لتشغيل النظام.
وفقًا للمؤلفين، إلى جانب تحسين كفاءة أجهزة التحليل الكهربائي، تم تصميم النظام لمنع الهروب الحراري الذي يقلل من عمر السخان في محاليل التقنية السابقة.
ينتمي الاختراع إلى عائلة تضم 36 وثيقة براءة اختراع منشورة في الفترة 2022-2023 في مكاتب براءات الاختراع في الولايات المتحدة والاتحاد الأفريقي وكاليفورنيا ومنظمة العمل الدولية وأوروبا.

Image from: US11566541B2
1 - system; 2 - input energy source; 4 - infrastructure; 5 - input; 10 - thermal energy storage system; 12 - thermal storage structure; 15 - control system; 16 - interface; 19 - additional communication interface; 20 - output; 21 - relevant data sources; 22 - downstream process; 13A - first thermal storage blocks; 13B - second thermal storage blocks; 14A - first assemblage; 14B - second assemblage; 17A,17B,18A,18B - interfaces.


تم منح العديد من براءات الاختراع لاختراع تم الكشف عنه في عائلة مع طلب براءة الاختراع الأساسي US20180245224A1 المنشور في 30.08.2018. تم نشر وثائق العائلة بواسطة شركة De Nora Permelec Ltd (JP). تكشف الوثيقة عن محلل كهربائي يشتمل على أنود في غرفة أنود، وكاثود في غرفة كاثود، وحجاب حاجز بين الغرفتين، و"...جسم امتصاص تيار عكسي مكون من مدمج متكلس يحتوي على النيكل" موضوع (غير مقترن ولكنه متصل كهربائيًا) على داخل أي من الغرفتين. يشتمل المحلل الكهربي أيضًا على مجمع تيار كاثود مقابل الكاثود ومقترن بجسم امتصاص تيار عكسي، ومجمع تيار أنود خاص. يتم ربط أجسام امتصاص التيار العكسي بجسم الإطار الذي يحدد غرفة القطب وعضو دعم القطب. تبلغ نسبة النيكل في الميثاق الملبد 45-90% كتلة، بينما تبلغ كثافة جسم امتصاص التيار العكسي 2.00-6.51 جم/سم ³ .
بالإشارة إلى حلول التقنية السابقة، يشير المؤلفون إلى أنه لمنع تدهور الكاثود عن طريق التيار العكسي، يتم استخدام تيار ضعيف أثناء عمليات الإغلاق، مما يجعل احتمال تسرب الهيدروجين واختلاطه مع الأكسجين، وبالتالي تشكيل مزيج غاز متفجر. يؤدي تجنب مخاطر الانفجار إلى زيادة رأس المال وتكاليف التشغيل . يذكر المؤلفون المتانة ضد التيار العكسي كموضوع للاختراع.

تم نشر عائلة براءات الاختراع في الفترة 2017-2021 في الولايات المتحدة والاتحاد الأفريقي وكاليفورنيا وWO وKR وCL وEP وHK وJP وZA وCN.

Image from: US20180245224A1
100 - electrolytic cell; 102 - frame-like frame; 102A - gasket-bearing surfaces; 104 - partition wall; 106 - gasket; 108 - support member; 110 - anode chamber; 114 - anode; 116 - buffer plate; 120 - cathode chamber; 122 - cathode structure; 126 - elastic body; 128 - cathode current collector; 130 - cathode; 132 - conductive substrate; 134 - reverse current absorption body.


براءة الاختراع US10619255B2 الممنوحة لشركة De Nora Permelec Ltd (JP) وKawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) بتاريخ 14.04.2020 تكشف عن أنود للتحليل الكهربي للمياه القلوية مع ركيزة موصلة ذات سطح يتكون من سبيكة أساسها Ni أو Ni وسبائك ثنائي- محفز الطبقات على الركيزة. تشتمل الطبقة الأولى (المتكونة على الركيزة الموصلة) على أكسيد البيروفسكايت اللانثانيد والنيكل والكوبالت، بينما تشتمل الطبقة الثانية (المتكونة على الطبقة الأولى) على أكسيد الإيريديوم أو أكسيد الروثينيوم. طبقاً لمتطلبات الاختراع، فإن صيغة التركيب في الطبقة الأولى هي XNiaCo _1-a O ₃ ، حيث 0<a<1 وX هو اللانثانم، السيريوم، أو البراسيوديميوم. علاوة على ذلك، يقترح المؤلفون أن صيغة التركيب في الطبقة الأولى هي XNi _0.2 Co _0.8 O ₃مع اللانثانم باعتباره اللانثانيد، وحيث تكون كمية المحفز الثاني على الأقل 0.2 جم/م ² .
يهدف المخترعون إلى إنتاج أنود التحليل الكهربائي للمياه القلوية الذي يظهر مقاومة جيدة للتآكل وتقليل الجهد الزائد.
تنتمي براءة الاختراع إلى عائلة تضم 20 وثيقة براءة اختراع تم نشرها بين عامي 2017 و2021 في روسيا والولايات المتحدة والاتحاد الأفريقي وكاليفورنيا وWO وKR وTW وCL وEP وJP وZA وCN.

Image from: US10619255B2
1 - conductive substrate; 2 - first catalyst layer; 3 - second catalyst layer.
 

من قبل هيئة التحرير