IT201700004794A1 - Elettrolizzatore per la produzione di h2 - Google Patents
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Description
“ELETTROLIZZATORE PER LA PRODUZIONE DI H2”
La presente invenzione è relativa a un elettrolizzatore per la produzione di idrogeno (H2).
Da tempo parte della ricerca scientifica è impegnata nella produzione di energia che non comporti l’utilizzo dei combustibili fossili. Una tale necessità deriva sia dalla progressiva diminuzione delle riserve di petrolio, sia da una maggiore attenzione alle problematiche ambientali.
Il ricorso, sempre più diffuso e distribuito nel territorio, a fonti energetiche rinnovabili, ha comportato la necessità di sviluppare sistemi di accumulo energetico. Le Fonti Energetiche Rinnovabili sono, per loro intrinseca natura, non programmabili e la loro disponibilità non sempre coincide con il nostro fabbisogno. E’ quindi necessario cercare di accumulare quell’energia che viene svenduta a basso costo o che non potrebbe essere prodotta e inserita nella rete di distribuzione elettrica. Una delle soluzioni più promettenti è quella di usare quell’energia low cost o non generabile per produrre il primo tra i vettori energetici: l’idrogeno. L’accumulo e l’uso dell’idrogeno permetterà di ottenere energia quando a noi necessario.
Questo gas, infatti, è un vettore energetico in grado di soddisfare le richieste di energia e, soprattutto, ha un bassissimo impatto ambientale poiché non produce sostanze inquinanti come anidride carbonica o gas serra. L’idrogeno può essere sfruttato per ottenere sia energia termica, grazie alla sua combustione, sia energia elettrica, grazie a dei particolari dispositivi elettrochimici chiamati celle a combustibile (fuel cells). In entrambi i casi l’idrogeno si lega all’ossigeno formando come unico prodotto di reazione l’acqua, il che lo rende estremamente ecocompatibile. L’idrogeno ha l’ulteriore vantaggio di poter essere prodotto in maniera non inquinante, utilizzando un sistema di celle fotovoltaiche per produrre la corrente necessaria alla dissociazione per elettrolisi della soluzione acquosa. Infine, l’idrogeno ha il grande vantaggio di essere estremamente leggero e di possedere perciò un’elevata densità di energia per unità di massa.
Come è noto, mediante l’elettrolisi è possibile realizzare la scomposizione dell’acqua in ossigeno e idrogeno gassosi.
In particolare, al catodo gli ioni idrogeno acquistano elettroni in una reazione di riduzione che porta all’idrogeno gassoso, mentre all’anodo gli ioni idrossido subiscono una ossidazione portando alla formazione di ossigeno gassoso.
Il dispositivo in cui avviene l’elettrolisi della soluzione acquosa è chiamato elettrolizzatore o cella elettrochimica. Solitamente, l’elettrolizzatore è composto da due semielementi, chiamati anche semi celle, tenuti separati da una membrana semipermeabile, oppure sono contenuti in contenitori separati e collegati da un ponte salino. La membrana semipermeabile e il ponte salino hanno la funzione di permettere il passaggio di una corrente ionica interna necessaria perché in ognuno dei semielementi si mantengano le condizioni necessarie perché avvenga la rispettiva reazione redox.
In particolare, la membrana semipermeabile ha lo scopo di mantenere separati tra loro i due gas prodotti, permettendo comunque il passaggio di ioni. Infatti, nell’elettrolisi della soluzione acquosa va utilizzata una cella elettrolitica la cui componentistica sia in grado di garantire la separazione dell’idrogeno e dell’ossigeno prodotti.
Come può risultare immediato ad un tecnico del ramo, la presenza del ponte salino o della membrana semipermeabile costituisce un costo rilevante nell’economia globale degli elettrolizzatori. Tale costo deriva sia dai consumi energetici legati all’attività del ponte salino sia dal valore intrinseco delle membrane semipermeabili.
Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un elettrolizzatore, le cui caratteristiche tecniche siano tali da garantire sia la separazione tra loro dell’idrogeno e dell’ossigeno prodotti durante l’elettrolisi, sia il corretto mantenimento della soluzione elettrolitica senza, per questo, dover utilizzare né un ponte salino né una membrana semipermeabile.
Oggetto della presente invenzione è un elettrolizzatore per l’elettrolisi di una soluzione acquosa, le cui caratteristiche essenziali sono riportate nella rivendicazione 1, e le cui caratteristiche preferite e/o ausiliari sono riportate nelle rivendicazioni 2-10.
Di seguito è riportato un esempio realizzativo a puro titolo illustrativo e non limitativo con l’ausilio delle figure allegate, in cui:
- la figura 1 è una vista prospettica, nel suo insieme e con parti rappresentate in forma schematica, di un elettrolizzatore secondo la presente invenzione;
- la figura 2 è una sezione lungo la linea II-II di figura 1 con i due semielementi distanziati tra loro per ragioni di chiarezza;
- la figura 3 è una sezione lungo la linea III-III di figura 1 con i due semielementi distanziati tra loro per ragioni di chiarezza;
- la figura 4 è un esploso di una parte dell’elettrolizzatore di figura 1;
- la figura 5 è una vista ingrandita di un particolare elemento dell’elettrolizzatore di figura 1.
In figura 1 è indicato con 1 nel suo insieme un elettrolizzatore secondo la presente invenzione. L’elettrolizzatore 1 è composto da due unità distinte 2 e 3 accoppiate tra loro per definire internamente una camera di elettrolisi C in cui è alloggiata la soluzione acquosa da elettrolizzare come sarà di seguito descritto, e due circuiti esterni di ricircolo 4 della soluzione acquosa ognuno dei quali comprende un rispettivo degassificatore 5. Sia i circuiti esterni di ricircolo 4 sia i degassificatori 5 sono illustrati in figura 1 in forma estremamente schematica.
Come sarà di seguito descritto, la camera di elettrolisi C è internamente suddivisa in una pluralità di scomparti che sono attraversati dalla soluzione acquosa durante le diverse fasi del processo di elettrolisi a cui è sottoposta.
Le due unità distinte 2 e 3 nel seguito saranno chiamate semielementi per richiamare la terminologia propria delle celle elettrolitiche.
Ognuno dei semielementi 2 e 3 comprende un manicotto di ingresso 7 per alimentare il rispettivo semielemento con la soluzione acquosa e un manicotto di uscita 8 per permettere la fuoriuscita della soluzione acquosa e dei gas prodotti dal rispettivo semielemento.
Come illustrato in figura 1 i circuiti esterni di ricircolo 4 connettono idraulicamente il manicotto di uscita 8 del semielemento 2 con il manicotto di ingresso 7 del semielemento 3 e il manicotto di uscita 8 del semielemento 3 con il manicotto di ingresso 7 del semielemento 2. In questo modo, la soluzione acquosa che unitamente al gas prodotto dall’elettrolisi esce da un semilemento, viene immessa nell’altro semielemento. I due circuiti esterni di ricircolo 4 sono azionati da due rispettive pompe note e non illustrate né descritte per semplicità.
Come illustrato nelle figure 2-4, ognuno dei semielementi 2 o 3 comprende un elettrodo 10 costituito da una lamina metallica 11 e da un rivestimento isolante 14 disposto a copertura di una superficie anteriore 11a della lamina metallica 11. Come chiaramente illustrato in figura 5, la lamina metallica 11 (così come il rivestimento isolante 14) presenta una pluralità di porzioni forate 12 e una pluralità di fessure verticali 13 ricavate tra due porzioni forate 12.
Ognuno dei semielementi 2 e 3 comprende inoltre un serbatoio di alimentazione 15 e un serbatoio di prelievo 16 i quali sono accoppiati a una superficie posteriore 11b della lamina metallica 11.
Il serbatoio di alimentazione 15 è connesso idraulicamente al manicotto di ingresso 7 e alle fessure verticali 13. In questo modo la soluzione acquosa entra dal manicotto di ingresso 7 si distribuisce nel serbatoio di alimentazione 15 per poi attraversare la lamina metallica 11 attraverso le fessure verticali 13.
Il serbatoio di prelievo 16 è connesso idraulicamente alle porzioni forate 12 e al manicotto di uscita. In questo modo, la soluzione acquosa che attraversa le porzioni forate 12 si distribuisce nel serbatoio di prelievo 16 per poi uscirne attraverso il manicotto di uscita 8. Come si evince dalle figure allegate il serbatoio di prelievo si sviluppa in una pluralità canaline ognuna delle quali è idraulicamente connessa ad una porzione forata 12 ed è delimitata da due pareti laterali 16a. Tutte le canaline 16a sono idraulicamente connesse ad un tubo convogliatore il quale termina con il manicotto di uscita 8.
In particolare le pareti ognuna delle pareti laterali 16a presentano una struttura cava per permettere la connessione idraulica tra il serbatoio di alimentazione 15 e le fessure verticali 13.
Ognuno dei semilementi 2 e 3 comprende inoltre dei deviatori di flusso 17 disposti di fronte alle fessure verticali 13 dalla parte della superficie anteriore 11a della lamina metallica 11.
In questo modo, la soluzione acquosa una volta che ha attraversato una fessura verticale 13 è spinta a riversarsi sulle porzioni forate 12 disposte ai lati della stessa fessura verticale 13.
In uso, la soluzione acquosa entra dal manicotto di ingresso 7, si distribuisce nel serbatoio di alimentazione 15 per poi attraversare le fessure verticali 13. Una volta che la soluzione acquosa ha attraversato le fessure verticali 13, incontra i deviatori di flusso 17 che la spingono a attraversare nuovamente la lamina metallica 11 in corrispondenza delle porzioni forate 12. Attraversando i fori delle porzioni forate 12 la soluzione acquosa subirà il processo di elettrolisi essendo la lamina metallica 11 connessa ad un generatore di tensione. L’elettrolisi della soluzione acquosa avviene esclusivamente durante l’attraversamento dei fori delle porzioni forate 12 e non sulla superficie anteriore 11a, in quanto questa è coperta dallo strato isolante 14. La soluzione acquosa e il gas prodotto dall’elettrolisi passano poi attraverso le rispettive canaline del serbatoio di prelievo per riversarsi nel tubo convogliatore. Dal tubo convogliatore la soluzione acquosa e il gas prodotto attraversano il manicotto di uscita 8 e passano nel circuito esterno di ricircolo 4 dove vengono separati per opera del rispettivo degassificatore 5. Mentre il gas prodotto viene raccolto, la soluzione acquosa continua nel circuito esterno di ricircolo 4 per essere immessa nel serbatoio di alimentazione 15 dell’altro semielemento attraverso il manicotto di ingresso 7.
Come appare evidente dalla descrizione di cui sopra, l’elettrolizzatore della presente invenzione non necessita né di un ponte salino né di una membrana semipermeabile, con tutti i vantaggi economici che questo comporta.
Infatti, il ricircolo in continuo della soluzione acquosa e il fatto che l’elettrolisi avvenga solamente durante l’attraversamento degli elettrodi, garantiscono una separazione automatica dei due gas prodotti durante l’elettrolisi e, allo stesso tempo, garantiscono un passaggio degli ioni tra i due semielementi. È importante ribadire come i due gas prodotti durante l’elettrolisi non potranno mischiarsi tra loro, in quanto, dopo essere stati prodotti esclusivamente all’interno dei fori della rispettiva lamina metallica 11, sono spinti ognuno in un rispettivo serbatoio di prelievo 16 per essere poi trattati dal rispettivo degassificatore 5.
Ricapitolando, gli elettrodi dell’elettrolizzatore della presente invenzione comprendono una pluralità di aperture le cui pareti laterali definiscono una superficie attiva di elettrolisi. Di conseguenza, la soluzione acquosa verrà principalmente elettrolizzata durante il passaggio in continuo di queste aperture.
Diversamente da quanto descritto, gli elettrodi dell’elettrolizzatore secondo la presente invenzione possono non comprendere il rivestimento isolante 14. Infatti, l’elettrodo potrebbe prevedere la presenza di una pluralità di aperture, la cui geometria è tale da rendere l’estensione della superficie anteriore dello stesso talmente trascurabile da scongiurare l’elettrolisi della soluzione acquosa anche in assenza di strato isolante. In altre parole, riducendo al minimo le dimensioni della superficie anteriore è possibile assicurare che l’elettrolisi della soluzione acquosa avvenga esclusivamente durante l’attraversamento dell’elettrodo (e non sulla sua superficie anteriore) anche in assenza di uno strato isolante.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Elettrolizzatore (1) per l’elettrolisi di una soluzione acquosa comprendente una camera di elettrolisi (C) e due elettrodi (10) alloggiati dentro la detta camera di elettrolisi (C); detto elettrolizzatore essendo caratterizzato dal fatto che ognuno dei detti elettrodi (10) è costituito da una lamina metallica (11) in cui è ricavata una pluralità di aperture (12) aventi delle pareti laterali definenti delle superfici attive di elettrolisi; e dal fatto di comprendere mezzi (4) per il ricircolo in continuo della soluzione acquosa all’interno della detta camera di elettrolisi (C).
- 2. Elettrolizzatore (1) per l’elettrolisi di una soluzione acquosa secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta lamina metallica (11) comprende una pluralità di fori (12) definenti le dette aperture.
- 3. Elettrolizzatore (1) per l’elettrolisi di una soluzione acquosa secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che ognuno dei detti elettrodi (10) comprende uno strato isolante (14) disposto a copertura di una superficie anteriore (11a) di detta lamina metallica (11); detta superficie anteriore (11a) essendo rivolta verso l’altro elettrodo.
- 4. Elettrolizzatore per l’elettrolisi di una soluzione acquosa secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto di comprendere uno o più deviatori di flusso (17) alloggiati nella detta camera di elettrolisi (C) e atti a deviare il flusso di detta soluzione acquosa sulle dette superfici anteriori (11a) di dette lamine metalliche (11).
- 5. Elettrolizzatore per l’elettrolisi di una soluzione acquosa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che in ognuna di dette lamine metalliche (11) sono ricavate una pluralità di fessure (13) di ingresso atte a permettere l’attraversamento delle lamine metalliche (11) da parte della soluzione acquosa da elettrolizzare.
- 6. Elettrolizzatore per l’elettrolisi di una soluzione acquosa secondo la rivendicazione 4 e 5, caratterizzato dal fatto che detti deviatori di flusso (17) sono alloggiati di fronte a detta superficie anteriore (11a) di detta lamina metallica (11) e in corrispondenza delle dette fessure di ingresso (13).
- 7. Elettrolizzatore per l’elettrolisi di una soluzione acquosa secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto di comprendere due serbatoi di alimentazione (15) della soluzione acquosa, ognuno dei quali è accoppiato a una rispettiva lamina metallica (11) su di una sua superficie posteriore (11b) opposta a detta superficie anteriore (11a) e è connesso idraulicamente a dette fessure di ingresso (13).
- 8. Elettrolizzatore per l’elettrolisi di una soluzione acquosa secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di comprendere due serbatoi di prelievo (16) della soluzione acquosa e del gas prodotto, ognuno delle quali è accoppiato a una rispettiva lamina metallica (11) su detta superficie posteriore (11b) e è connesso idraulicamente a detta pluralità di fori (12).
- 9. Elettrolizzatore per l’elettrolisi di una soluzione acquosa secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di comprendere due circuiti esterni di ricircolo (3) ognuno dei quali connette idraulicamente un serbatoio di prelievo (16) accoppiato ad una lamina metallica (11) di un elettrodo (10) con il serbatoio di alimentazione (15) accoppiato alla lamina metallica (11) dell’altro elettrodo (10).
- 10. Elettrolizzatore per l’elettrolisi di una soluzione acquosa secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto di comprendere due degassificatori (5) ognuno dei quali è compreso in un rispettivo circuito esterno di ricircolo (4).
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