Aenert news. Invention analysis
Zuvor haben wir in unserem Artikel vom 21.03.2024 aktuelle Patente überarbeitet, die darauf abzielen, die Effizienz der Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse zu verbessern. Ein weiteres wichtiges Problem dieser Technologie sind die hohen Betriebskosten von Wasserelektrolyseanlagen, wie z. B. Stromverbrauch, regelmäßige Wartung, Austausch beschädigter oder korrodierter Elemente usw. Heute werfen wir einen Blick auf aktuelle Patente zu diesem Thema. Zu diesem Zweck haben wir über 400 in den letzten 5 Jahren veröffentlichte Patente gesammelt. Diese Patente können sich auf alle bestehenden Elektrolysetechnologien beziehen und neben den hohen Betriebskosten auch andere Probleme lösen.
Betrachten wir zunächst eine Liste der Top-Anmelder nach ihrem Patentanteil im Pool der jüngsten Patente zur Elektrolyse und zur Lösung der Probleme hoher Betriebskosten:

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)

In einer Tabelle unten stellen wir Informationen zu den Arten von Dokumenten bereit Elektrolyse, die die Autoren in ihren Erfindungen verwenden. Die führende Gruppe von Dokumenten gehört zur alkalischen Wasserelektrolyse, gefolgt von der Polymerelektrolytmembranelektrolyse und der Festoxidelektrolyse:

Als besondere Aspekte der Elektrolyse, die in der Sammlung neuer Patente zur Elektrolyse zur Lösung des Problems hoher Betriebskosten behandelt werden, ist der Elektrolyseur der das am weitesten verbreitete technologische Element. Es folgen Erfindungen, die das System als Ganzes und die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse offenlegen:

Nachfolgend sind die wichtigsten IPC-Indizes aufgeführt, die diesen Erfindungen zugeordnet wurden:

Gemäß der Internationalen Patentklassifikation haben die oben genannten IPC-Indizes die folgenden Definitionen: C25B1/04 – durch Elektrolyse von Wasser; C25B11/091 – bestehend aus mindestens einem katalytischen Element und mindestens einer katalytischen Verbindung; bestehend aus zwei oder mehr katalytischen Elementen oder katalytischen Verbindungen; C25B11/06 – durch die verwendeten katalytischen Materialien; B82Y40/00 – Herstellung oder Behandlung von Nanostrukturen; C25B15/08 – Zufuhr oder Abfuhr von Reaktanten oder Elektrolyten; Regeneration von Elektrolyten; C25B9/19 – mit Membranen; B82Y30/00 – Nanotechnologie für Material- oder Oberflächenwissenschaften, z. B. Nanokomposite; C25B9/23 – bestehend aus Ionenaustauschmembranen, in oder auf denen Elektrodenmaterial eingebettet ist; C25B11/031 – Poröse Elektroden; C25B11/075 – bestehend aus einem einzelnen katalytischen Element oder einer katalytischen Verbindung.
In Bezug auf die Bewertungspunkte sind im Folgenden die wichtigsten Dokumente in der Sammlung aktueller Patente zur Wasserelektrolyse aufgeführt, die das Problem der hohen Betriebskosten lösen:

Bewertung: 21
CN114196966B / CAS DICP Dalian Institute of Chemical Physics (CN) / Protonenmembran und CCM (kontinuierlich). aktuelles Modul) integriertes Aufbereitungsverfahren und Gerät für die PEM-Wasserelektrolyse (Protonenaustauschmembran);
KR101991730B1 / De Nora Permelec Ltd (JP); Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) / Anode für die alkalische Wasserelektrolyse und Verfahren zur Herstellung einer Anode für die alkalische Wasserelektrolyse;
JP6615682B2 / De Nora Permelec Ltd (JP); Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) / Anode für die alkalische Wasserelektrolyse und Verfahren zur Herstellung einer Anode für die alkalische Wasserelektrolyse;
Bewertung: 20
CN112126946B / CAS DICP Dalian Institute of Chemical Physics (CN) / Verbundmembran für die Säure-Base-Wasserelektrolyse sowie Herstellungsverfahren und Anwendung davon;
US11118274B2 / 3M Innovative Properties Company (US) / Ionische Polymermembran für einen Kohlendioxid-Elektrolyseur;
US10619255B2 / De Nora Permelec Ltd (JP); Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) / Anode für die alkalische Wasserelektrolyse und Verfahren zur Herstellung einer Anode für die alkalische Wasserelektrolyse;
CA3018074C / De Nora Permelec Ltd (JP); Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) / Anode für die alkalische Wasserelektrolyse und Verfahren zur Herstellung einer Anode für die alkalische Wasserelektrolyse;
CN108779563B / De Nora Permelec Ltd (JP); Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) / Anode für die alkalische Wasserelektrolyse und Verfahren zur Herstellung einer Anode für die alkalische Wasserelektrolyse;
FR3045215B1 / Kommissariat für Atomenergie und alternative Energien (FR) / Eigenständiges System zum Spannen eines Hochtemperatur-SOEC/SOFC-Stapels;
US10263264B2 / Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (FR) / Verfahren zur Hochtemperatur-Elektrolyse oder Co-Elektrolyse, Verfahren zur Stromerzeugung mittels einer SOFC-Brennstoffzelle und zugehörige Verbindungsleitungen, Reaktoren und Betriebsverfahren.

Die größte Patentfamilie der in dieser Sammlung enthaltenen Patente, bei denen in den letzten fünf Jahren mindestens ein Patent veröffentlicht wurde, umfasst 38 Patentdokumente und wird durch das Kerndokument US11371153B2 repräsentiert (das Kerndokument ist ein Basisdokument, für das eine vollständige Beschreibung der Erfindung verfügbar ist). in allgemein zugänglichen Patentdatenbanken). Es folgen zwei Patentfamilien mit 36 ​​bzw. 35 Patentdokumenten (US11566541B2 bzw. US20180245224A1):

Methode zum Betrieb eines Wasserelektrolysegeräts / P: US11371153B2 / IPC: C25B15/02, C02F1/42, C25B15/08, C25B13/08 , C25B1/04, C25B9/19, C25B9/23, C25B9/73 / Höller Stefan / Höller Electrolyzer Gmbh (DE) / Appl. Datum: 23.04.2018; Publ. Datum: 28.06.2022 / Patent- und Markenamt der Vereinigten Staaten / Kerndokument: US11371153B2 / Technologiekategorien: PEME / Technologieelemente: SAW / Probleme: LEMP, HORR / Technische Lösungstypen: D, M / Ansprüche: 17 / Bewertung: 16;
Festoxid-Elektrolysesystem mit thermischem Energiespeichersystem / 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 / O'Donnell John Setel; Von Behrens Peter Emery; et al. / Rondo Energy Inc. (USA) / Appl. Datum: 09.02.2022; Publ. Datum: 31.01.2023 / Patent- und Markenamt der Vereinigten Staaten / Kerndokument: US11566541B2 / Technologiekategorien: SOEL / Technologieelemente: HTSE, SAW / Probleme: LESP, HORR, HOOC / Technische Lösungstypen: D, M / Ansprüche: 30 / Bewertung: 17;
Elektrolyseur / A: US20180245224A1 / IPC: C25B1/46, C25B11/03, C25B15/00, C25B11/04, C25B11/051, C25B1/04, C25B9/19, C25B9/73 / Takahashi Suguru; Madono Akihiro; et al. / De Nora Permelec Ltd (JP) / Appl. Datum: 27.04.2017; Publ. Datum: 30.08.2018 / Patent- und Markenamt der Vereinigten Staaten / Kerndokument: US20180245224A1 / Technologiekategorien: AEL / Technologieelemente: Els / Probleme: HORR, HOOC, HCM, ESI / Technische Lösungstypen: D / Ansprüche: 7 / Bewertung: 12.

Die folgenden Abkürzungen werden in den oben genannten Dokumenten verwendet: D – Gerät; M – Methode; AEL – Alkalische Wasserelektrolyse; PEME – Polymerelektrolyt-Membranelektrolyse; SOEL – Festoxidelektrolyse; ESI – Umwelt- und Sicherheitsfragen; HCM – Hohe Materialkosten; HOOC – Hohe Betriebskosten / Betrieb und Verbrauchsmaterialien; HORR – Hohe Betriebskosten / Reparatur und Austausch; LEMP – Geringe Effizienz / Hauptprozess; LESP – Geringe Effizienz / Sekundärprozess; HTSE – Hochtemperatur-Dampfelektrolyse; Els - Elektrolyseur; SAW – System als Ganzes.

Im Folgenden finden Sie kurze Zusammenfassungen von Dokumenten aus einigen der größten Patentfamilien in der Sammlung:

Das am 31.01.2023 von Rondo Energy Inc. (USA) veröffentlichte Patent US11566541B2 offenbart ein thermisches Energiespeichersystem (TES), das in Festoxidwasser verwendet werden kann Elektrolysesysteme zur Reduzierung des Energiebedarfs für den Elektrolyseprozess. Beim TES wird eine Flüssigkeit (z. B. Wasser oder CO ₂ ) über ein Flüssigkeitsbewegungssystem durch ein Speichermedium geleitet, das von einem mit erneuerbarer Energie betriebenen Heizelement erhitzt wird. Die Flüssigkeit wird erhitzt und dann zum Erhitzen zu einer Festoxid-Elektrolysezelle mit einem Betriebstemperaturbereich von 700 °C bis 900 °C geleitet. Anschließend wird die Flüssigkeit zum TES zurückgeführt, um die verbleibende Wärme abzuleiten. In der Elektrolysezelle wird die Flüssigkeit in einen anodenseitigen Fluss, in dem Sauerstoff von der Anode gespült wird, und einen kathodenseitigen Fluss, der zusammen mit Wasserstoff aus der Zelle austritt, aufgeteilt. Die Produkte werden dann einem sekundären oder tertiären Prozess zugeführt (z. B eine thermische Stromerzeugung, ein Raffinerieprozess, Vorwärmung für weiteres Recycling). Im Kreislauf können zwei Flüssigkeiten verwendet werden, jeweils für die Kathode und die Anode. Das System kann auch für die Synthesegasproduktion oder den Betrieb im Brennstoffzellenmodus angepasst werden. Die Ansprüche der Erfindung stellen außerdem ein Verfahren zum Betreiben des Systems bereit.
Den Autoren zufolge soll das System nicht nur die Effizienz der Elektrolysegeräte verbessern, sondern auch ein thermisches Durchgehen verhindern, das bei Lösungen nach dem Stand der Technik die Lebensdauer einer Heizung verkürzt
. Die Erfindung gehört zu einer Familie von 36 Patentdokumenten, die in den Jahren 2022–2023 in den Patentämtern der USA, AU, CA, WO und EP veröffentlicht wurden.

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.

Mehrere Patente wurden für eine Erfindung erteilt, die in einer Familie mit der am 30.08.2018 veröffentlichten Kernpatentanmeldung US20180245224A1 offenbart wurde. Dokumente der Familie wurden von De Nora Permelec Ltd (JP) veröffentlicht. Das Dokument offenbart einen Elektrolyseur, der eine Anode in einer Anodenkammer, eine Kathode in einer Kathodenkammer, ein Diaphragma zwischen den Kammern und einen darauf angeordneten (nicht gekoppelten, sondern elektrisch verbundenen) „…Rückstromabsorptionskörper, der aus einem Nickel enthaltenden gesinterten Pressling besteht“ umfasst ein Inneres einer der Kammern. Der Elektrolyseur umfasst weiterhin einen Kathodenstromkollektor, der der Kathode gegenüberliegt und mit einem Rückstromabsorptionskörper gekoppelt ist, und einen entsprechenden Anodenstromkollektor. Die Rückstromabsorptionskörper sind an einem Rahmenkörper befestigt, der eine Elektrodenkammer und ein Elektrodenstützelement definiert. Der Nickelgehalt im Sinterkörper beträgt 45–90 Masse-%, während die Dichte des Rückstromabsorptionskörpers 2,00–6,51 g/cm ³ beträgt .
Unter Bezugnahme auf Lösungen aus dem Stand der Technik weisen die Autoren darauf hin, dass zur Vermeidung einer Kathodenschädigung durch Rückstrom bei Abschaltungen ein schwacher Strom verwendet wird, wodurch die Möglichkeit besteht, dass Wasserstoff austritt und sich mit Sauerstoff vermischt und so ein explosives Gasgemisch entsteht. Die Vermeidung des Explosionsrisikos führt zu zusätzlichen Kapital- und Betriebskosten . Als Gegenstand der Erfindung nennen die Autoren die Beständigkeit gegen Rückstrom.

Die Patentfamilie wurde 2017–2021 in den USA, AU, CA, WO, KR, CL, EP, HK, JP, ZA und CN veröffentlicht.

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.

Das am 14.04.2020 an De Nora Permelec Ltd (JP) und Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) erteilte Patent US10619255B2 offenbart eine Anode für die alkalische Wasserelektrolyse mit einem leitfähigen Substrat mit einer Oberfläche aus Ni oder einer Ni-basierten Legierung und einem Zwei- Schichtkatalysator auf dem Substrat. Die erste Schicht (auf dem leitfähigen Substrat gebildet) umfasst ein Lanthanid-Nickel-Kobalt-Perowskit-Oxid, während die zweite Schicht (auf der ersten Schicht gebildet) Iridiumoxid oder Rutheniumoxid umfasst. Gemäß den Ansprüchen der Erfindung lautet die Formel für die Zusammensetzung in der ersten Schicht XNiaCo _1-a O ₃ , wobei 0 < a < 1 und X Lanthan, Cer oder Praseodym ist. Darüber hinaus schlagen die Autoren vor, dass die Formel für die Zusammensetzung in der ersten Schicht XNi _0,2 Co _0,8 O _{3 lautet}mit Lanthan als Lanthanid und wobei die Menge des zweiten Katalysators mindestens 0,2 g/m ² beträgt .
Ziel der Erfinder ist es, eine Anode für die alkalische Wasserelektrolyse herzustellen, die eine gute Korrosionsbeständigkeit und eine verringerte Überspannung aufweist.
Das Patent gehört zu einer Familie von 20 Patentdokumenten, die zwischen 2017 und 2021 in RU, US, AU, CA, WO, KR, TW, CL, EP, JP, ZA und CN veröffentlicht wurden.

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

Von der Redaktion