Aenert news. Invention analysis
Anteriormente, en nuestro artículo del 21.03.2024 hemos revisado patentes recientes destinadas a mejorar la eficiencia de la producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua. Otro problema importante de esta tecnología son los altos costes operativos de las instalaciones de electrólisis del agua, como el consumo de energía, el mantenimiento periódico, la sustitución de elementos degradados o corroídos, etc. Hoy veremos algunas patentes recientes relacionadas con este tema. Para ello, recopilamos más de 400 patentes publicadas en los últimos 5 años. Estas patentes pueden pertenecer a cualquiera de las tecnologías de electrólisis existentes y resolver otros problemas además de los altos costos operativos.
Primero, examinemos una lista de los principales solicitantes según su participación en el conjunto de patentes recientes sobre electrólisis y destinadas a resolver los problemas de los altos costos operativos:

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)

En el cuadro siguiente proporcionamos información sobre los tipos de electrólisis que los autores utilizan en sus invenciones. El principal grupo de documentos pertenece a la electrólisis de agua alcalina, seguida de la electrólisis de membrana de electrolitos poliméricos y la electrólisis de óxidos sólidos:

los aspectos especiales de la electrólisis cubiertos en la colección de patentes recientes sobre electrólisis destinadas a resolver el problema de los altos costes operativos, el electrolizador es el elemento tecnológico más encontrado. Le siguen las invenciones que describen el sistema en su conjunto y la electrólisis de vapor de alta temperatura:

a continuación se muestran los principales índices IPC que se asignaron a estas invenciones:

Según la Clasificación Internacional de Patentes, los índices IPC anteriores tienen las siguientes definiciones: C25B1/04 - por electrólisis del agua; C25B11/091 - compuesto por al menos un elemento catalítico y al menos un compuesto catalítico; que consta de dos o más elementos catalíticos o compuestos catalíticos; C25B11/06 - por los materiales catalíticos utilizados; B82Y40/00 - Fabricación o tratamiento de nanoestructuras; C25B15/08 - Suministro o eliminación de reactivos o electrolitos; Regeneración de electrolitos; C25B9/19 - con diafragmas; B82Y30/00 - Nanotecnología para materiales o ciencia de superficies, por ejemplo, nanocompuestos; C25B9/23 - que comprende membranas de intercambio iónico en las que está incrustado material de electrodo; C25B11/031 - Electrodos porosos; C25B11/075 - compuesto por un único elemento catalítico o compuesto catalítico.
En términos de puntos de calificación, los siguientes son los documentos más destacados en la colección de patentes recientes sobre electrólisis del agua que resuelven el problema de los altos costos operativos:

Clasificación: 21
CN114196966B / CAS DICP Instituto Dalian de Física Química (CN) / Membrana de protones y CCM (continua módulo actual) método de preparación integrado y dispositivo para electrólisis de agua PEM (membrana de intercambio de protones);
KR101991730B1/De Nora Permelec Ltd (JP); Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) / Ánodo para electrólisis de agua alcalina y método para producir ánodo para electrólisis de agua alcalina;
JP6615682B2/De Nora Permelec Ltd (JP); Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) / Ánodo para electrólisis de agua alcalina y método para producir ánodo para electrólisis de agua alcalina;
Clasificación: 20
CN112126946B / CAS DICP Instituto Dalian de Física Química (CN) / Membrana compuesta para electrólisis ácido-base de agua y método de preparación y aplicación de la misma;
US11118274B2 / 3M Innovative Properties Company (EE.UU.) / Membrana de polímero iónico para un electrolizador de dióxido de carbono;
US10619255B2/De Nora Permelec Ltd (JP); Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) / Ánodo para electrólisis de agua alcalina y método para producir ánodo para electrólisis de agua alcalina;
CA3018074C/De Nora Permelec Ltd (JP); Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) / Ánodo para electrólisis de agua alcalina y método para producir ánodo para electrólisis de agua alcalina;
CN108779563B/De Nora Permelec Ltd (JP); Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) / Ánodo para electrólisis de agua alcalina y método para producir ánodo para electrólisis de agua alcalina;
FR3045215B1 / Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies Alternatives (FR) / Sistema autónomo para sujetar una pila SOEC/SOFC de alta temperatura;
US10263264B2 / Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies Alternatives (FR) / Método de electrólisis o coelectrólisis a alta temperatura, método de producción de electricidad mediante una pila de combustible SOFC, e interconectores, reactores y métodos de funcionamiento asociados.

La familia de patentes más grande de las incluidas en esta colección y que tiene al menos una patente publicada en los últimos cinco años comprende 38 documentos de patente y está representada por el documento principal US11371153B2 (el documento principal es un documento base para el cual está disponible una descripción completa de la invención). en bases de datos de patentes de acceso general). Le siguen dos familias de patentes que comprenden 36 y 35 documentos de patente (US11566541B2 y US20180245224A1, respectivamente):

Método para operar un dispositivo de electrólisis de agua / P: US11371153B2 / IPC: C25B15/02, C02F1/42, C25B15/08, C25B13/08 , C25B1/04, C25B9/19, C25B9/23, C25B9/73 / Höller Stefan / Hoeller Electrolyzer Gmbh (DE) / Appl. fecha: 23.04.2018; Publ. fecha: 28.06.2022 / Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos / Documento principal: US11371153B2 / Categorías de tecnología: PEME / Elementos tecnológicos: SAW / Problemas: LEMP, HORR / Tipos de soluciones técnicas: D, M / Reclamaciones: 17 / Calificación: 16;
Sistema de electrólisis de óxido sólido con sistema de almacenamiento de energía térmica / 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; Peter Emery, de Von Behren; et al. / Rondo Energy Inc. (EE.UU.) / Appl. fecha: 02.09.2022; Publ. fecha: 31.01.2023 / Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos / Documento principal: US11566541B2 / Categorías tecnológicas: SOEL / Elementos tecnológicos: HTSE, SAW / Problemas: LESP, HORR, HOOC / Tipos de soluciones técnicas: D, M / Reclamaciones: 30 / Calificación: 17;
Electrolizador / 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. fecha: 27.04.2017; Publ. fecha: 30.08.2018 / Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos / Documento principal: US20180245224A1 / Categorías de tecnología: AEL / Elementos tecnológicos: Els / Problemas: HORR, HOOC, HCM, ESI / Tipos de soluciones técnicas: D / Reclamaciones: 7 / Calificación: 12.

En los documentos anteriores se utilizan las siguientes abreviaturas: D - Dispositivo; M - Método; AEL - Electrólisis de agua alcalina; PEME - Electrólisis de membrana de electrolito polimérico; SOEL - Electrólisis de óxidos sólidos; ESI - Cuestiones ambientales y de seguridad; HCM - Alto costo de materiales; HOOC - Alto OPEX/Operación y consumibles; HORR - OPEX alto / Reparación y reemplazo; LEMP - Baja eficiencia / Proceso principal; LESP - Baja eficiencia / Proceso secundario; HTSE - Electrólisis de vapor a alta temperatura; Els - Electrolizador; SAW - Sistema en su conjunto.

A continuación se presentan breves resúmenes de documentos de algunas de las familias de patentes más importantes de la colección:

La patente US11566541B2 publicada por Rondo Energy Inc. (EE. UU.) el 31 de enero de 2023 describe un sistema de almacenamiento de energía térmica (TES) que se puede utilizar en agua con óxidos sólidos. sistemas de electrólisis para disminuir la energía necesaria para el proceso de electrólisis. En el TES, un fluido (como agua o CO ₂ ) pasa a través de un sistema de movimiento de fluido a través de un medio de almacenamiento calentado por un elemento calefactor alimentado por energía renovable. El fluido se calienta y luego se dirige para calentar a una celda de electrólisis de óxido sólido con un rango de temperatura de funcionamiento de 700 °C a 900 °C. Luego, el fluido se recircula al TES para extraer el calor restante. En la celda de electrólisis, el fluido se divide en un flujo del lado del ánodo donde se barre el oxígeno del ánodo y un flujo del lado del cátodo que sale de la celda junto con el hidrógeno; los productos luego se dirigen a procesos secundarios o terciarios (p. ej. un ciclo térmico de generación de energía, un proceso de refinería, precalentamiento para su posterior reciclaje). En el circuito se pueden utilizar dos fluidos, para el cátodo y el ánodo, respectivamente. El sistema también se puede adaptar para la producción de gas de síntesis o para su funcionamiento en modo de pila de combustible. Las reivindicaciones de la invención proporcionan además un método para operar el sistema.
Según los autores, además de mejorar la eficiencia de los dispositivos de electrólisis, el sistema está diseñado para evitar fugas térmicas que reducen la vida útil de un calentador en las soluciones de la técnica anterior.
La invención pertenece a una familia que comprende 36 documentos de patente publicados en 2022-2023 en las oficinas de patentes de EE. UU., AU, CA, WO y EP.

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.

Se concedieron varias patentes para una invención divulgada en una familia con la solicitud de patente principal US20180245224A1 publicada el 30.08.2018. Los documentos de la familia fueron publicados por De Nora Permelec Ltd (JP). El documento divulga un electrolizador que comprende un ánodo en una cámara anódica, un cátodo en una cámara catódica, un diafragma entre las cámaras, un "... cuerpo de absorción de corriente inversa formado por un compacto sinterizado que contiene níquel" dispuesto (no acoplado sino conectado eléctricamente) sobre un interior de cualquiera de las cámaras. El electrolizador comprende además un colector de corriente catódico opuesto al cátodo y acoplado a un cuerpo de absorción de corriente inversa, y un respectivo colector de corriente anódico. Los cuerpos de absorción de corriente inversa están unidos a un cuerpo de marco que define una cámara de electrodo y un miembro de soporte de electrodo. El contenido de níquel en el compacto sinterizado es de 45-90% en masa, mientras que la densidad del cuerpo de absorción de corriente inversa es de 2,00-6,51 g/ cm³ .
Con referencia a las soluciones de la técnica anterior, los autores señalan que para evitar la degradación del cátodo por la corriente inversa, se utiliza una corriente débil durante las paradas, lo que genera la posibilidad de que el hidrógeno se escape y se mezcle con el oxígeno, formando así una mezcla de gases explosiva. Evitar el riesgo de explosión genera costos adicionales de capital y operación . Los autores mencionan como objeto de la invención la durabilidad frente a corriente inversa.

La familia de patentes se publicó entre 2017 y 2021 en EE. UU., AU, CA, WO, KR, CL, EP, HK, JP, ZA y CN.

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.

La patente US10619255B2 concedida a De Nora Permelec Ltd (JP) y Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (JP) el 14.04.2020 divulga un ánodo para electrólisis de agua alcalina con un sustrato conductor que tiene una superficie que comprende Ni o una aleación a base de Ni y un dos- catalizador en capas sobre el sustrato. La primera capa (formada sobre el sustrato conductor) comprende un óxido de perovskita de lantánido-níquel-cobalto, mientras que la segunda capa (formada sobre la primera capa) comprende óxido de iridio u óxido de rutenio. Según las reivindicaciones de la invención, la fórmula de la composición de la primera capa es XNiaCo _1-a O ₃ , donde 0<a<1 y X es lantano, cerio o praseodimio. Además, los autores proponen que la fórmula para la composición de la primera capa sea XNi _0,2 Co _0,8 O _3.con lantano como lantánido, y donde la cantidad del segundo catalizador es al menos 0,2 g/ m² .
Los inventores pretenden producir un ánodo de electrólisis de agua alcalina que presente una buena resistencia a la corrosión y un sobrepotencial reducido.
La patente pertenece a una familia que comprende 20 documentos de patente publicados entre 2017 y 2021 en RU, EE. UU., AU, CA, WO, KR, TW, CL, EP, JP, ZA y CN.

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

Por el consejo editorial