IT201600127172A1 - Elettrolizzatore perfezionato per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua - Google Patents
Elettrolizzatore perfezionato per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell’acquaInfo
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Description
CLN03192/IT
ELETTROLIZZATORE PERFEZIONATO PER LA PRODUZIONE DI IDROGENO
MEDIANTE ELETTROLISI DELL’ACQUA
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un elettrolizzatore perfezionato per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua.
La produzione di idrogeno per elettrolisi dell’acqua è un processo di crescente interesse, soprattutto come alternativa alla produzione di idrogeno da fonti fossili quali il gas naturale, dal quale è possibile ottenere idrogeno mediante il processo di steam reforming, o il carbone, dal quale è possibile ottenere idrogeno mediante il processo di gassificazione con vapore acqueo.
Tra le varie tecnologie di elettrolizzatori dell’acqua è di interesse la tecnologia che utilizza membrane polimeriche a scambio ionico (PME, Polymer Membrane Electrolyser), la cui funzione è di permettere lo scambio di ioni tra la semi-cella anodica e quella catodica, e di separare l’idrogeno prodotto al catodo dall’ossigeno prodotto all’anodo. Inoltre, è consolidato l’uso di elettrocatalizzatori deposti sull’anodo e sul catodo, necessari, fra l’altro, per diminuire la resistenza della cella e catalizzare le reazioni di ossidoriduzione dell’acqua.
Dalla domanda di brevetto internazionale WO 2011/004343 A1 è noto un elettrolizzatore per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua. Tale elettrolizzatore comprende una semi-cella anodica ed una semi-cella catodica separate da una membrana a scambio anionico (AEM, Anion Exchange Membrane), nella quale la superficie a contatto con la semi-cella catodica è un gruppo membrana-elettrodo (Membrane Electrode Assembly, MEA).
Come è noto, un gruppo membrana-elettrodo (MEA) ha la funzione primaria di permettere che gli elettroni liberati all’anodo fluiscano in modo efficiente verso il catodo, ove avviene la riduzione degli ioni idrossonio e la formazione di idrogeno. Nella domanda di brevetto internazionale WO 2011/004343 A1 il gruppo membrana-elettrodo (MEA) viene prodotto depositando il materiale costituente il catalizzatore catodico direttamente sulla superficie della membrana. Tale deposizione comporta tuttavia un pre-trattamento della membrana seguito dall’applicazione diretta dei sali destinati a formare in situ l’elettrocatalizzatore catodico per riduzione con fosfito di sodio in presenza di idrossido di ammonio, necessario a formare un pH basico. Questo metodo di produzione del gruppo membrana-elettrodo è pertanto aggressivo nei confronti della membrana e ne riduce significativamente la durata. Inoltre, la diffusione di composti metallici all’interno della membrana genera una possibilità di cortocircuito.
C. C. Pavel et al, Highly Efficient PGM Free based MEA for Anion Exchange Membrane CLN03192/IT
Water Electrolysis, Angewandte Chemie Int. Ed. 2014, 53, 1378-81, descrivono un elettrolizzatore dell’acqua comprendente un gruppo membrana-elettrodo (MEA) con membrana a scambio anionico (AEM), che separa la semi-cella anodica da quella catodica. Una soluzione elettrolitica mediamente alcalina è confinata nella semi-cella anodica, in modo che nella semi-cella catodica si produca idrogeno secco per riduzione dell’acqua trasportata attraverso la membrana, mentre all’anodo viene prodotto ossigeno. L’anodo è realizzato spalmando catalizzatori a base di CuCoOx miscelati con una soluzione acquosa di politetrafluoroetilene (PTFE) su un supporto costituito da una schiuma di nichel poroso. Il<catodo è realizzato preparando una miscela di CeO2 LaO3 che viene calcinata e sulla quale>viene depositato idrossido di nichel, che poi viene ridotto formando cristalliti di nichel. La polvere porosa ottenuta viene dispersa in una soluzione idroalcolica insieme a PTFE e la dispersione viene spruzzata su un tessuto di carbonio. Il gruppo membrana-elettrodo (MEA) è formato assemblando l’anodo ed il catodo per compressione meccanica sulla membrana a scambio anionico (AEM). Vengono riportati dati (Fig. S3) ottenuti da prove di funzionamento intermittente della cella che indicano una tensione media di lavoro di 1.94 V alla temperatura di 316K per una densità di corrente di 0,47 A/cm<2>. Questo valore di tensione è relativo alle prime ore di test, infatti come riportato nella fig. 3 dopo 1000 ore di funzionamento la tensione raggiunge il valore di 2.10V. Per quanto si tratti di un risultato interessante, sarebbe desiderabile disporre di elettrolizzatori più efficienti e capaci di durare a lungo nel tempo senza che la cella elettrolitica diminuisca la sua efficienza.
Uno scopo della presente invenzione è pertanto quello di provvedere un elettrolizzatore perfezionato per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua, che superi i problemi di corrosione della membrana a scambio anionica derivanti dalla deposizione diretta sulla stessa degli elettrocatalizzatori anodici e catodici.
Un altro scopo della presente invenzione è di provvedere un elettrolizzatore perfezionato per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua che elimini o riduca gli inconvenienti dovuti alla diffusione di composti metallici all’interno della membrana ed ai conseguenti rischi di cortocircuito.
Un ulteriore scopo della presente invenzione è di provvedere un elettrolizzatore perfezionato per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua che riduca la tensione di lavoro della cella e ne aumenti la durata.
I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione vengono raggiunti con un elettrolizzatore perfezionato per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua comprendente: una o più celle elettrolitiche, ciascuna costituita da una semi-cella anodica ed una semi-cella CLN03192/IT
catodica separate da una membrana a scambio anionico (AEM); mezzi per la circolazione di una soluzione elettrolitica nella sola semi-cella anodica; mezzi per la raccolta dell’idrogeno dalla semi-cella catodica e dell’ossigeno dalla semi-cella anodica; un piatto terminale della semi-cella anodica; un piatto terminale della semi-cella catodica costituente il portacorrente negativo, caratterizzato dal fatto che:
- detta semi-cella anodica comprende:
a) un elettrodo anodico comprendente: i) un substrato conduttivo comprendente una schiuma di nichel, e ii) uno strato catalitico anodico comprendente ossidi di nichel e di cobalto;
b) un supporto poroso anodico, costituito da una pluralità di strati di schiuma di nichel, posizionato a contatto con detto substrato conduttivo di detto elettrodo anodico;
c) una lamina portacorrente positiva, posizionata a contatto con detto supporto poroso anodico;
d) una lastra elettricamente isolante, posizionata a contatto con detta lamina portacorrente positiva;
- detta semi-cella catodica comprende:
e) un elettrodo catodico comprendente: i) un substrato conduttivo comprendente un tessuto di carbonio, e ii) uno strato catalitico catodico comprendente biossido di titanio (TiO2) e platino;
f) un supporto poroso catodico costituito da una pluralità di strati di schiuma di nichel, posizionato a contatto con detto substrato conduttivo di detto elettrodo catodico; - detta membrana a scambio anionico (AEM) è posizionata tra detti elettrodi anodico e catodico in contatto con detti strati catalitici anodico e catodico.
Secondo un aspetto dell’invenzione, l’elettrolizzatore perfezionato comprende più celle elettrolitiche, ciascuna comprendente una semi-cella anodica, una semi-cella catodica ed una membrana a scambio anionico (AEM) posizionata tra detti elettrodi anodico e catodico, come definito sopra.
L’invenzione verrà ora descritta con riferimento ad alcune forme di realizzazione date a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento alle figure allegate, nelle quali:
- la Fig. 1 è uno schema di un elettrolizzatore a cella elettrolitica singola, secondo una prima forma di attuazione dell’invenzione; e
- la Fig.2 è uno schema di un elettrolizzatore a tre celle elettrolitiche, secondo una seconda forma di attuazione dell’invenzione.
CLN03192/IT
Con riferimento alla Fig. 1, si è indicato complessivamente con 10 un elettrolizzatore per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua del tipo a cella singola, comprendente una semi-cella catodica 20 ed una semi-cella anodica 40, separate da una membrana polimerica a scambio anionico (AEM) 30.
La semi-cella catodica 20 comprende un elettrodo catodico 22, formato da un substrato conduttivo ed uno strato catalitico catodico.
Il substrato conduttivo è costituito da un tessuto di carbonio, cioè un tessuto realizzato con fibre di carbonio, sul quale è applicato uno strato di carbonio microporoso.
Lo strato catalitico catodico è ottenuto spruzzando una dispersione di biossido di titanio (TiO2) e platino (Pt) sul tessuto di carbonio, dopo applicazione dello strato di carbonio microporoso. Tale dispersione è preparata miscelando ed omogeneizzando biossido di titanio (TiO2) di dimensione nanometrica in acqua, insieme ad un composto del platino, preferibilmente acido cloroplatinico (H2PtCl6 6H2O). Il composto del platino viene poi ridotto con un opportuno riducente, ad esempio sodio boro idruro (NaBH4), ottenendosi un catalizzatore di titanio platinato nanometrico, che viene centrifugato e lavato. Il solido così ottenuto viene disperso in un liquido, ad esempio etanolo, e la dispersione viene spruzzata sul tessuto di carbonio sul quale è stato preventivamente applicato lo strato di carbonio microporoso, come detto sopra.
La semi-cella anodica 40 comprende un elettrodo anodico 42, anch’esso formato da un substrato conduttivo ed uno strato catalitico.
Il substrato conduttivo è costituito da un foglio poroso di una schiuma di nichel avente una porosità percentuale superiore al 35%, preferibilmente tra il 40 ed il 60%.
Lo strato catalitico anodico comprende una miscela di ossidi misti di nichel e di cobalto, ottenuta a partire da sali solubili in acqua quali nitrato di nichel e di cobalto. Tali sali vengono disciolti in acqua, trattati con bicarbonato di sodio fino ad ottenere un precipitato che viene successivamente essiccato e calcinato. Il catalizzatore anodico ottenuto viene miscelato con politetrafluoroetilene (PTFE) ed acqua fino ad ottenere una pasta che viene poi spalmata sul substrato conduttivo. L’elettrodo anodico così ottenuto viene poi trattato termicamente in forno ad una temperatura compresa tra 300 e 340°C affinché si verifichi il processo di sinterizzazione del politetrafluoroetilene con l’ottenimento di un materiale liscio, omogeneo e poroso.
Secondo una variante, lo strato catalitico anodico comprende anche ossido di manganese, ottenuto a partire da sali solubili in acqua quali nitrato di manganese. Il catalizzatore anodico comprendente ossidi misti di nichel, cobalto e manganese è poi preparato come descritto CLN03192/IT
sopra per il catalizzatore costituito da ossidi di nichel e di cobalto.
Secondo un’altra variante, lo strato catalitico anodico comprende anche ossido di litio, ottenuto a partire da sali solubili in acqua quali nitrato di litio. Il catalizzatore anodico comprendente ossidi misti di nichel, cobalto e litio è poi preparato come descritto sopra per il catalizzatore costituito da ossidi di nichel e di cobalto.
Tra la semi-cella catodica e la semi-cella anodica è interposta una membrana 30 a scambio anionico (AEM), avente una capacità di scambio anionico di almeno 1,5 meq/g, preferibilmente avente una capacità di scambio anionico tra 1,7 e 2,5 meq/g.
Preferibilmente la membrana AEM è realizzata con polipropilene aggraffato e poi è funzionalizzata. L’aggraffaggio è realizzato preferibilmente con vinilbenzilcloruro e la funzionalizzazione è realizzata preferibilmente con trimetilammina. Lo spessore della membrana varia da 10 a 100 μm, preferibilmente tra 30 e 80 μm. Prima dell’uso la membrana viene attivata con una soluzione basica di NaOH o KOH di concentrazione superiore a 0.1M, preferibilmente 1M.
L’assemblaggio della membrana 30 con le semi-celle catodica ed anodica viene realizzato rivolgendo verso la membrana lo strato catalitico dell’elettrodo catodico e dell’elettrodo anodico.
La semi-cella catodica 20 comprende inoltre un supporto poroso catodico 24, costituito da una pluralità di strati di schiuma di nichel ad elevata porosità, posizionato a contatto con il substrato conduttivo dell’elettrodo catodico 22. Il supporto poroso catodico 24 è ottenuto mediante pressatura degli strati di schiuma di nichel. La porosità del supporto poroso catodico è superiore al 20%, preferibilmente tra il 25 al 40 %. Il supporto poroso catodico 24 ha la funzione di permettere la diffusione del liquido/gas catodico.
La semi-cella anodica 40 comprende inoltre un supporto poroso anodico 44, costituito da una pluralità di strati di schiuma di nichel come il supporto poroso catodico 24, posizionato a contatto con il substrato conduttivo dell’elettrodo anodico 42. Il supporto poroso anodico 44 ha la funzione di permettere la diffusione del liquido/gas anodico.
La semi-cella anodica 40 comprende anche una lamina portacorrente positiva 46, posizionata a contatto con il supporto poroso anodico 44. Tale lamina è realizzata preferibilmente in nichel ad alta purezza.
La semi-cella anodica 40 comprende infine una lastra 48 elettricamente isolante, realizzata in una resina sintetica di opportuna proprietà isolante, ad esempio polipropilene.
La semi-cella catodica 20 è chiusa alla sua estremità da un piatto terminale 29, costituente anche il portacorrente negativo, realizzato preferibilmente in acciaio inossidabile, mentre la CLN03192/IT
semi-cella anodica 40 è chiusa alla sua estremità da un piatto terminale 49, preferibilmente realizzato in alluminio.
L’elettrolizzatore 10 comprendente la cella elettrolitica costituita dalla semi-cella catodica 20 e dalla semi-cella anodica 40 comprende inoltre mezzi per la circolazione di una soluzione elettrolitica nella sola semi-cella anodica, costituiti da un condotto 50 per l’introduzione di una soluzione acquosa additivata di un elettrolita quale KOH nella sola semi-cella anodica 40. Tale soluzione acquosa ha una concentrazione di KOH compresa tra 0,5 e 5% in peso. L’elettrolizzatore comprende inoltre un condotto 52 di uscita della soluzione elettrolitica arricchita di ossigeno dalla semi-cella anodica, costituente anche il mezzo per la fuoriuscita dell’ossigeno dalla semi-cella anodica.
L’elettrolizzatore 10 comprende inoltre mezzi per la raccolta dell’idrogeno dalla semi-cella catodica, costituiti preferibilmente da un condotto 54 in comunicazione con la semi-cella catodica 20.
Per il funzionamento dell’elettrolizzatore il portacorrente positivo 46 ed il portacorrente negativo 29 sono collegati elettricamente tramite una linea 56 ad una sorgente 58 di energia elettrica, atta ad applicare la tensione necessaria a realizzare l’elettrolisi dell’acqua.
Con l’elettrolizzatore secondo l’invenzione l’elettrodo catodico 22 è capace di ridurre elettrochimicamente l’acqua con elevata efficienza, con produzione di idrogeno, e con una tensione di lavoro vantaggiosamente bassa, ad esempio di 1,71 V, quando si opera con una densità di corrente di 0.5A/cm<2>ad una temperatura di lavoro, 40°C.
Analogamente, l’elettrodo anodico 42 è capace di ossidare elettrochimicamente l’acqua con elevata efficienza, con produzione di ossigeno. La membrana AEM 30 ha la funzione di separare elettricamente l’elettrodo catodico da quello anodico, di garantire la conducibilità ionica tra i due elettrodi e di mantenere fisicamente separati l’idrogeno e l’ossigeno prodotti nelle relative semi-celle.
Poiché la soluzione elettrolitica acquosa è confinata nella sola semi-cella anodica, l’idrogeno prodotto nella semi-cella catodica è sostanzialmente secco e può essere raccolto in forma pressurizzata.
Con riferimento alla Fig. 2, si è illustrata schematicamente un’altra forma di attuazione di un elettrolizzatore secondo l’invenzione, comprensivo di tre celle elettrolitiche.
In tale figura si è indicato complessivamente con 100 un elettrolizzatore per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua comprendente tre celle elettrolitiche 102, 104, 106, chiuse da un piatto terminale 108, fungente da portacorrente negativo, e all’altra estremità da un piatto terminale 109, in contatto con una piastra isolante 110, che a sua volta è in contatto CLN03192/IT
con la lamina portacorrente positiva 46 della semi-cella anodica 106.
La struttura di ciascuna cella elettrolitica 102, 104, 106 è identica alla struttura della cella rappresentata in Fig. 1. Pertanto, per brevità, si fa riferimento nel seguito alla sola cella centrale 104, nella quale sono mostrati gli stessi componenti con gli stessi numeri di riferimento utilizzati in relazione alla Fig.1.
In particolare, nella cella 104 la semi-cella 20 comprende l’elettrodo catodico 22 ed il supporto poroso catodico 24 e la semi-cella 40 comprende l’elettrodo anodico 42, il supporto poroso anodico 44 e la lamina portacorrente positiva 46. Le due semi-celle 20 e 40 sono separate dalla membrana AEM 30, che è in contatto con gli strati catalitici catodico ed anodico dei rispettivi elettrodi.
Anche nell’elettrolizzatore a tre celle di Fig. 2 è presente un condotto 50 per l’introduzione della soluzione acquosa additivata di un elettrolita quale KOH nelle sole semi-celle anodiche di ciascuna cella elettrolitica 102, 104, 106.
L’elettrolizzatore 100 comprende anche un condotto 52 di uscita della soluzione elettrolitica arricchita di ossigeno dalla semi-cella anodica, ed un condotto 54 in comunicazione con le sole semi-celle catodiche di ciascuna cella elettrolitica 102, 104, 106 per il prelievo e la fuoriuscita di idrogeno.46
Una linea 116 collega il portacorrente positivo ed il portacorrente negativo 108 ad una sorgente 118 di energia elettrica, atta ad applicare la tensione necessaria a realizzare l’elettrolisi dell’acqua.
Con l’elettrolizzatore a tre celle elettrolitiche di Fig. 2 è possibile aumentare (triplicare) la produzione di idrogeno.
L’elettrolizzatore secondo l’invenzione, nella forma di attuazione della Fig. 1, viene ora descritto con riferimento agli esempi seguenti, dati a titolo illustrativo e non limitativo.
ESEMPIO 1
Preparazione elettrodo anodico
9.8 grammi di Ni(NO3)2 6H2O e 5.5 grammi di Co(NO3)2 6H2O vengono solubilizzati in 100 mL di acqua distillata. La soluzione viene agitata e scaldata fino a 60°C, dopodichè si aggiungono 11.0 grammi di NaHCO<3>e si mantiene la temperatura costante a 60°C sotto agitazione per 2 ore. Il precipitato, dopo essere stato filtrato e lavato con acqua e etanolo, viene prima asciugato in stufa a 80°C per 24 ore e poi calcinato a 420°C per 3 ore.
Il catalizzatore anodico ottenuto dalla suddetta sintesi viene impiegato per la preparazione di una pasta da applicare con la tecnica del doctor blading su un foglio poroso di schiuma di nichel di area 64 cm<2>, spessore 0.6 mm, porosità 50%.
CLN03192/IT
La pasta viene preparata aggiungendo 0.55 grammi di una dispersione di politetrafluoroetilene (60wt% in acqua) a una miscela di 1.9 grammi di catalizzatore in polvere e 2 mL di acqua distillata.
L’elettrodo anodico così ottenuto viene trattato in forno a 310°C per 1 ora.
ESEMPIO 2
Preparazione elettrodo anodico
Ai sali della preparazione dell’ESEMPIO 1 vengono aggiunti 0.29 grammi di Mn(NO3)2 4H2O e si procede la reazione come nell’ESEMPIO 1.
La preparazione dell’elettrodo anodico segue la medesima procedura dell’ESEMPIO 1.
ESEMPIO 3
Preparazione elettrodo anodico
Ai sali della preparazione dell’ESEMPIO 1 vengono aggiunti 0.08 grammi di LiNO3 e si procede la reazione come nell’ESEMPIO 1.
La preparazione dell’elettrodo anodico segue la medesima procedura dell’esempio 1.
ESEMPIO 4
Preparazione elettrodo catodico
0.375 grammi di TiO2 nanometrico (miscela di rutilo e anatasio, dimensione particelle < 100 nm) vengono aggiunti a 0.625 grammi di H2PtCl6 6H2O, previamente diluiti con 10 mL di acqua distillata. Alla dispersione, omogeneizzata con ultrasuoni per 1 ora, si aggiungono 0.400 grammi di polivinilpirrolidone (PVP; M.W. 10.000) e 25 mL di acqua distillata. Si procede con la riduzione della dispersione del sale di platino aggiungendo goccia a goccia sotto agitazione a temperatura ambiente una soluzione di 0.550 g di NaBH4 in 10 mL di acqua distillata, dopodichè il catalizzatore di titanio platinato nanometrico viene centrifugato a 5000 rpm per 20 minuti e successivamente lavato con acqua distillata e etanolo. Il solido viene disperso in 50 mL di etanolo e la dispersione viene omogeneizzata con ultrasuoni per 5 ore. La suddetta dispersione viene applicata su un substrato di tessuto di carbonio (carbon cloth) con strato microporoso di carbone avente uno spessore di 450 µm, una porosità del 63%, ed un’area superficiale per unità di massa di 5.88 m<2>/Kg, mediante spruzzatura in modo da ottenere un carico di catalizzatore di 2 mg/cm<2>.
L’elettrodo catodico così ottenuto viene asciugato in forno alla temperatura di 80°C.
ESEMPIO 5
Preparazione elettrodo catodico
Il TiO2 utilizzato nella preparazione dell’ESEMPIO 4 viene sostituito con la stessa quantità di CeO2/ZrO2 nanometrico (dimensione delle particelle < 50 nm) e si procede con la reazione CLN03192/IT
come nell’ESEMPIO 4.
La preparazione dell’elettrodo catodico segue la medesima procedura dell’ESEMPIO 4.
ESEMPIO 6
Assemblaggio della singola cella elettrolitica
La configurazione di assemblaggio della singola cella elettrolitica rappresentata nello schema di Fig. 1 viene realizzata posizionando a contatto i diversi elementi secondo la seguente successione:
‐ un piatto terminale 29 dello spessore di 15 mm realizzato in acciaio inox che funge da portacorrente negativo;
‐ un supporto poroso di nichel 24 di spessore 1.8 mm realizzato mediante pressatura di 6 strati di schiuma di nichel di spessore 1.6 mm, porosità 95%, 110 PPI (Pores Per Inch); ‐ un elettrodo catodico 22, realizzato come descritto negli Esempi 4 e 5, posizionando lo strato catalitico a contatto con la membrana polimerica 30;
‐ una membrana polimerica a scambio anionico 30, costituita da un film di polipropilene aggraffato con vinilbenzilcloruro e funzionalizzato con trimetilammina, di spessore 50 µm e capacità di scambio anionico 1.9 meq/g, attivata in una soluzione di KOH 1M per 3 ore;
‐ un elettrodo anodico 42, realizzato come descritto negli ESEMPI 1, 2 e 3, posizionando lo strato catalitico a contatto con la membrana polimerica 30;
‐ un supporto poroso di nichel 44, di spessore 1.8 mm, realizzato mediante pressatura di 8 strati di schiuma di nichel di spessore 1.6 mm, porosità 95%, 110 PPI;
‐ un portacorrente positivo 46, costituito da una lamina di nichel (purezza 99%) dello spessore di 1 mm,
‐ un lastra di polipropilene 48, dello spessore di 2 mm che isola elettricamente il suddetto portacorrente positivo 46 dal piatto terminale 49;,
‐ un piatto terminale 49, dello spessore di 20 mm realizzato in alluminio.
La soluzione acquosa alcalina viene fatta circolare nella sola semi-cella anodica mediante una pompa attraverso il condotto di ingresso 50 ed il condotto di uscita 52, mentre la semi-cella catodica è priva di soluzione elettrolitica acquosa. Da essa viene scaricato l’idrogeno prodotto, in forma secca e pressurizzata, attraverso il condotto 54.
ESEMPIO 7
Caratteristiche prestazionali dell’elettrolizzatore
Una singola cella elettrolitica assemblata secondo la descrizione riportata nell’ESEMPIO 6 viene alimentata con una soluzione di KOH 1% in peso in acqua distillata alla temperatura di CLN03192/IT
40°C. Si applica una densità di corrente di 0.5 A/cm<2>ai portacorrente positivo 46 e negativo 29 e si pressurizza l’idrogeno prodotto nella cella a 10 bar: in queste condizioni di lavoro si effettuano test di durata in continuo e a cicli.
La cella assemblata con l’elettrodo anodico descritto nell’ESEMPIO 3 e l’elettrodo catodico descritto nell’ESEMPIO 4 mostra tra tutti sia le caratteristiche di efficienza più performanti, essendo caratterizzata da una tensione di lavoro iniziale di 1.71 V, che le migliori caratteristiche di stabilità del sistema sottoposto a stress funzionale per un tempo di 10.000 ore durante il quale la cella presenta un degradazione della tensione di lavoro pari a 2.2 µV/h senza significativa variazione della quantità di idrogeno prodotto.
Claims (10)
- CLN03192/IT RIVENDICAZIONI 1. Elettrolizzatore (10; 100) per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua comprendente: una o più celle elettrolitiche (102, 104, 106), ciascuna costituita da una semi-cella anodica (40) ed una semi-cella catodica (20) separate da una membrana (30) a scambio anionico (AEM); mezzi (50, 52) per la circolazione di una soluzione elettrolitica nella sola semi-cella anodica; mezzi (54) per la raccolta dell’idrogeno dalla semi-cella catodica (20) e dell’ossigeno dalla semi-cella anodica (40); un piatto terminale (49) della semi-cella anodica; un piatto terminale (29) della semi-cella catodica costituente il portacorrente negativo, caratterizzato dal fatto che: - detta semi-cella anodica (40) comprende: a) un elettrodo anodico (42) comprendente: i) un substrato conduttivo comprendente una schiuma di nichel, e ii) uno strato catalitico anodico comprendente ossidi misti di nichel e di cobalto; b) un supporto poroso anodico (44), costituito da una pluralità di strati di schiuma di nichel, posizionato a contatto con detto substrato conduttivo di detto elettrodo anodico; c) una lamina portacorrente positiva (46), posizionata a contatto con detto supporto poroso anodico (44); d) una lastra elettricamente isolante (48), posizionata a contatto con detta lamina portacorrente positiva (46); - detta semi-cella catodica (20) comprende: e) un elettrodo catodico (22) comprendente: i) un substrato conduttivo comprendente un tessuto di carbonio, e ii) uno strato catalitico catodico comprendente biossido di titanio (TiO2) e platino; f) un supporto poroso catodico (24), costituito da una pluralità di strati di schiuma di nichel, posizionato a contatto con detto substrato conduttivo di detto elettrodo catodico; - detta membrana a scambio anionico (30) è posizionata tra detti elettrodi anodico (42) e catodico (22) in contatto con detti strati catalitici anodico e catodico.
- 2. Elettrolizzatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di celle elettrolitiche (102, 104, 106), ciascuna comprendente una semi-cella anodica (40), una semi-cella catodica (20) ed una membrana a scambio anionico (30) posizionata tra detti elettrodi anodico (42) e catodico (22).
- 3. Elettrolizzatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto strato CLN03192/IT catalitico anodico comprende ossido di manganese.
- 4. Elettrolizzatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto strato catalitico anodico comprende ossido di litio.
- 5. Elettrolizzatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto substrato conduttivo di detto elettrodo anodico (42) è costituito da un foglio poroso di una schiuma di nichel avente una porosità superiore al 35%, preferibilmente tra il 40 ed il 60%.
- 6. Elettrolizzatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto substrato conduttivo di detto elettrodo catodico (22) comprende uno strato di carbonio microporoso applicato su detto tessuto di carbonio.
- 7. Elettrolizzatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta membrana a scambio anionico (30) è realizzata in poliolefina funzionalizzata, preferibilmente in polipropilene funzionalizzato.
- 8. Elettrolizzatore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta membrana ha uno spessore da 10 a 100 μm, preferibilmente tra 30 e 80 μm.
- 9. Elettrolizzatore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta membrana ha una capacità di scambio anionico tra 1,7 e 2,5 meq/g.
- 10. Elettrolizzatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto supporto poroso anodico (44) e detto supporto poroso catodico (24) comprendono una pluralità di strati di schiuma di nichel pressati.
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2016
- 2016-12-15 IT IT102016000127172A patent/IT201600127172A1/it unknown
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