IT201800021490A1 - Cella elettrolitica per la produzione di gas ossidrogeno. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo: “Cella elettrolitica per la produzione di gas ossidrogeno”

DESCRIZIONE

Settore tecnico

La presente invenzione si colloca, in generale, nel settore delle celle elettrochimiche; in particolare, l’invenzione si riferisce a una cella elettrolitica per la produzione di gas ossidrogeno. Tecnica nota

Sono note celle elettrolitiche per la produzione di ossidrogeno, che sfruttano un processo di elettrolisi ottenuto immergendo piastre metalliche caricate elettricamente in una opportuna soluzione.

Tali piastre sono giustapposte l’una all’altra, e soltanto alcune di esse sono collegate a un circuito elettrico esterno di alimentazione, mentre le rimanenti sono piastre neutre interposte tra le prime. Il passaggio di corrente dall’anodo verso il catodo, attraverso la soluzione, carica elettricamente le piastre neutre che, pertanto, contribuiscono passivamente alla produzione di ossidrogeno, mediante contatto con la soluzione stessa.

All’aumentare del numero delle piastre neutre, aumenta pertanto la superficie di scambio con la soluzione, e di conseguenza la produzione di ossidrogeno.

Le piastre sono tradizionalmente conformate come lastre planari piene. Tuttavia, tale configurazione limita fortemente il rendimento della cella, in quanto le piastre piene ostacolano il passaggio degli ioni attraverso la cella.

Di conseguenza, maggiore sarà il numero di piastre neutre, maggiore sarà la tensione da applicarsi ai capi della cella per poterle caricare. Ciò implica che, avendo a disposizione una tensione limitata, si potrà disporre di un numero ridotto di piastre neutre (perché, in caso contrario, queste non offrirebbero un contributo significativo alla produzione di ossidrogeno) e, pertanto, ne verrebbe limitata la capacità produttiva della cella.

Sintesi dell’invenzione

Uno scopo della presente invenzione è di ovviare ai summenzionati problemi.

Per ottenere tale risultato, una cella elettrolitica secondo la presente invenzione è dotata di una o più piastre sulle quali è presente una perforazione distribuita.

In questo modo, si conseguono due vantaggi: in primo luogo, la perforazione agevola il passaggio della soluzione attraverso le piastre e, di conseguenza, la migrazione degli ioni, consentendo di caricare un numero maggiore di piastre neutre che, a loro volta, offriranno un contributo addizionale alla produzione di ossidrogeno.

In secondo luogo, dimensionando adeguatamente la piastra, la perforazione consente di ottenere una superficie di scambio maggiore rispetto al caso della piastra piena, come si dimostrerà più nel dettaglio nel prosieguo della presente descrizione.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi sono raggiunti, secondo un aspetto dell’invenzione, da una cella elettrolitica avente le caratteristiche definite nella rivendicazione 1. Forme di attuazione preferenziali dell’invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti.

Breve descrizione dei disegni

Verranno ora descritte le caratteristiche funzionali e strutturali di alcune forme di realizzazione preferite di una cella elettrolitica secondo l’invenzione. Si fa riferimento ai disegni allegati, in cui:

- la figura 1 è una vista prospettica schematica in esploso di una porzione di una cella elettrolitica, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- le figure 2A e 2B sono rispettivamente una vista schematica laterale di una cella elettrolitica, in cui una pluralità di piastre intermedie è interposta tra due placche di estremità, e una vista schematica frontale di una piastra e relativa guarnizione, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- le figure da 3A a 3D sono rispettivamente una vista schematica frontale e in sezione trasversale di una piastra intermedia con perforazione a fori perpendicolari, e una vista schematica frontale e in sezione trasversale di una piastra intermedia con perforazione a fori inclinati, secondo due forme di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 4 è una vista schematica laterale di una cella composta da tre placche di estremità, tra le quali sono interposte due serie di piastre intermedie, secondo una forma di realizzazione dell’invenzione; e

- le figure 5A e 5B sono rispettivamente una vista frontale e una vista in sezione laterale di una piastra di estremità dotata di una rientranza, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.

Descrizione dettagliata

Prima di spiegare nel dettaglio una pluralità di forme di realizzazione dell’invenzione, va chiarito che l’invenzione non è limitata nella sua applicazione ai dettagli costruttivi e alla configurazione dei componenti presentati nella seguente descrizione o illustrati nei disegni. L’invenzione è in grado di assumere altre forme di realizzazione e di essere attuata o realizzata praticamente in diversi modi. Si deve anche intendere che la fraseologia e la terminologia hanno scopo descrittivo e non vanno intese come limitative.

Facendo esemplificativamente riferimento alla figura 1, una cella elettrolitica 9 per la produzione di gas ossidrogeno comprende una coppia di placche o piastre terminali 10, tra le quali è interposta una pluralità di piastre intermedie 12, reciprocamente affacciate e atte a essere immerse almeno in parte in una soluzione acquosa per indurvi un processo di elettrolisi.

Tali piastre intermedie 12 comprendono almeno una coppia di piastre intermedie attive 12a, collocate nelle posizioni più prossimali rispetto alle piastre terminali 10 e atte ad essere direttamente alimentate elettricamente (mediante un circuito elettrico esterno, non illustrato), e una o più piastre intermedie neutre 12b, interposte tra tali piastre intermedie attive 12a e non collegate a un'alimentazione elettrica.

Le piastre intermedie attive 12a possono essere due, nel qual caso una sarebbe il catodo e l’altra l’anodo, oppure tre (o più), come ad esempio illustrato nella figura 2A, in cui le piastre intermedie 12a più esterne (in posizione adiacente alle placche terminali 10) sono contrassegnate dal segno “-“ e fungono da catodi, mentre la piastra intermedia 12a in posizione centrale (contrassegnata dal segno “+”) funge da anodo.

Inoltre, almeno una delle piastre intermedie 12 presenta una perforazione distribuita 16, formata da una pluralità di fori passanti attraverso detta piastra intermedia 12. Convenientemente, tutte le piastre intermedie 12 sono dotate di una perforazione distribuita 16.

Secondo una forma di realizzazione preferita, tra le piastre intermedie 12 sono interposte guarnizioni 14 atte a definire perimetralmente un volume stagno compreso tra due piastre intermedie 12 affacciate. Il volume così definito potrà quindi essere almeno in parte occupato dalla soluzione elettrolitica e, in virtù del contatto di quest’ultima con le piastre intermedie 12, si avrà produzione di ossidrogeno, che tenderà a raccogliersi verso la sommità del volume (come schematicamente illustrato nelle figure 2A e 2B, in cui l’ossidrogeno viene indicato con la dicitura “HHO”).

Secondo una forma di realizzazione preferita, le piastre intermedie 12 e/o le guarnizioni 14 presentano un profilo almeno in parte rastremato, come ad esempio illustrato nelle figure 1 e 3B, in cui le piastre intermedie 12 e le guarnizioni 14 presentano due lati spioventi in prossimità delle proprie sommità. Ciò agevola l’accumulo e il convogliamento dell’ossidrogeno verso la parte superiore della piastra, da cui viene poi prelevato per essere immesso in un’eventuale circuito esterno (e da qui trasportato verso un’utenza, che può essere un motore termico, una caldaia ecc.).

Secondo una forma di realizzazione preferita (esemplificativamente illustrata nelle figure 3A-3D), i fori della perforazione distribuita 16 sono disposti a quinconce. Ciò consente di massimizzare il numero di fori per unità di area della piastra intermedia 12.

Dimensionando opportunamente le piastre intermedie 12 e i fori della perforazione distribuita 16 si può altresì ottimizzare l’area di scambio tra tali piastre intermedie 12 e la soluzione elettrolitica, massimizzando la produzione di ossidrogeno a parità di volume.

Preferibilmente, le piastre intermedie hanno uno spessore compreso tra 1 e 4mm, e sono vicendevolmente distanziate di uno spazio compreso tra 2,5 e 3mm.

Ad esempio, impiegando una piastra intermedia 12 avente spessore s=1mm, e realizzando i fori con un raggio r=0,5mm e interasse di 1,5 mm, si ottiene un sensibile aumento della superficie di scambio. Infatti, seppure viene meno la superficie di scambio costituita dalle aree frontali dei fori (che, essendo date dal prodotto πr<2>, in quest’esempio sono pari ciascuna a circa 0,785 mm<2>), si guadagna la superficie laterale del cilindro cavo derivante dalla presenza del foro, superficie che è data dal prodotto della circonferenza esterna del foro per lo spessore della piastra 12 (ovvero 2πrs, pari in questo caso a circa 3,14 mm<2>). Ne deriva che, a fronte della perdita dell’area di contatto frontale dovuta alla presenza del foro, si ha comunque un netto guadagno in termini di scambio, grazie allo sviluppo (lungo lo spessore della piastra 12) della superficie del cilindro cavo derivante dalla presenza del foro stesso.

Secondo una forma di realizzazione, i fori della perforazione distribuita 16 possono essere perpendicolari alle facce della piastra intermedia 12 (come ad esempio nelle figure 3A e 3B), oppure avere assi inclinati rispetto a queste (come ad esempio nelle figure 3A e 3B), nel qual caso si otterrebbe un ulteriore guadagno nell’area di scambio (perché, a parità di spessore, sarebbe maggiore la superficie laterale del cilindro cavo prodotto dalla presenza del foro).

Convenientemente, i fori della perforazione distribuita 16 sono inclinati di 60° rispetto alle facce della rispettiva piastra intermedia 12.

Secondo una forma di realizzazione, esemplificativamente illustrata in figura 4, la cella 9 comprende tre piastre terminali 10 parallele, una pluralità di piastre intermedie 12 essendo interposta tra ciascuna coppia di tali tre piastre terminali 10, dove la piastra terminale 10 interposta tra le altre due piastre terminali 10 presenta una cavità passante. Questa configurazione consente di sfruttare alternativamente le piastre intermedie attive 12a sui due lati della piastra terminale 10 centrale.

Secondo una forma di realizzazione (illustrata esemplificativamente nelle figure 5A e 5B), almeno una delle piastre terminali 10 presenta una rientranza 10a ricavata nel proprio spessore, atta a contenere una parte della soluzione acquosa. Convenientemente, tale rientranza ha un profilo complementare a quello della guarnizione 14 che viene posta a contatto con la rispettiva piastra terminale 10. Si ricava in questo modo un volume addizionale in cui può raccogliersi una parte della soluzione, in modo da massimizzare ulteriormente la capacità della cella 9.

Validazione sperimentale

È stato eseguito un test comparativo, per verificare la diversa efficienza di una cella elettrolitica equipaggiata con piastre neutre piene secondo la tecnica nota, o multiforate secondo una forma di realizzazione delle presente invenzione.

La configurazione della cella impiegata per il test è quella schematicamente riprodotta in figura 4, con tre piastre terminali 10 tra cui sono interposti due gruppi di piastre intermedie 12, a loro volta comprendenti ciascuno tre piastre intermedie attive 12a, ovvero due catodi (indicati con il segno “-“ in figura 4) posti alle estremità del gruppo (cioè, in prossimità delle piastre terminali 10), e un anodo (indicato con il segno “+“ in figura 4) al centro.

Tra ciascun catodo e anodo sono interposte cinque piastre intermedie neutre 12b, identificate in figura da un numero crescente da 1 a 5 in base alla loro posizione rispetto al catodo. Sono state utilizzate piastre neutre in acciaio INOX AISI 316 dello spessore di 1mm, reciprocamente distanziate di 2,5mm.

Applicando una differenza di potenziale tra le piastre intermedie attive, le piastre neutre vengono attraversate da una corrente elettrica di intensità decrescente con la distanza dal catodo. Più intensa è la corrente che attraversa una piastra neutra, maggiore sarà il contributo di quest’ultima alla generazione di gas ossidrogeno. Pertanto, a parità di tensione, più numerose saranno le piastre neutre che effettivamente contribuiscono alla produzione del gas, più alto sarà il rendimento della cella elettrolitica.

Il test è stato condotto alimentando le piastre attive con una tensione di 12V.

Sono state in primo luogo utilizzate piastre intermedie neutre prive di perforazione diffusa, come da tecnica nota. Si è osservato in particolare che la corrente elettrica circolante nelle piastre neutre presentava le seguenti intensità, in funzione della posizione rispetto al catodo (secondo la numerazione indicata in figura 4):

- piastre n. 1: 1,2 A;

- piastre n. 2: 0,9 A;

- piastre n. 3: 0,6 A;

- piastre n. 4: 0,3 A;

- piastre n. 5: 0,0 A.

Come si può osservare, le piastre neutre n. 5 (più prossimali all’anodo) non vengono caricate elettricamente e non partecipano alla produzione di gas ossidrogeno. Di fatto, solo quattro piastre neutre ogni gruppo di cinque forniscono un effetto utile.

Lo stesso test è stato ripetuto impiegando piastre neutre con perforazione diffusa, formata da fori tondi disposti a quinconce e aventi asse inclinato di 60° rispetto alle facce delle piastre.

In questo caso, si è osservato che la corrente elettrica circolante nelle piastre neutre presentava le seguenti intensità, in funzione della posizione rispetto al catodo (secondo la numerazione indicata in figura 4):

- piastre n. 1: 1,2 A;

- piastre n. 2: 1,05 A;

- piastre n. 3: 0,9 A;

- piastre n. 4: 0,75 A;

- piastre n. 5: 0,6 A.

Pertanto, in questo caso le piastre n. 5 sono attraversate da una corrente elettrica e partecipano alla produzione di gas ossidrogeno, con conseguente aumento di produttività del 10% rispetto al caso con piastre piene, a parità di potenza elettrica impiegata (0,25 KW/h).

Si è altresì osservato che, aumentando la tensione di alimentazione a 24V e 48V, si è verificato un aumento generalizzato dell’intensità di corrente elettrica nelle piastre neutre, con la conseguente possibilità di aumentare il numero di piastre neutre efficaci. Ciò può rivelarsi utile per applicazioni che necessitano di un’elevata produzione di gas ossidrogeno (mezzi pesanti, bus, truck, centrali termiche, ecc.), garantendo al contempo un basso dispendio elettrico.

Sono stati descritti diversi aspetti e forme di realizzazione di una cella elettrolitica secondo l’invenzione. Si intende che ciascuna forma di realizzazione può essere combinata con qualsiasi altra forma di realizzazione. L’invenzione, inoltre, non è limitata alle forme di realizzazione descritte, ma potrà essere variata entro l’ambito definito dalle rivendicazioni annesse.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Cella elettrolitica (9) per la produzione di gas ossidrogeno, comprendente una coppia di piastre terminali (10), tra le quali è interposta una pluralità di piastre intermedie (12), reciprocamente affacciate e atte a essere immerse almeno in parte in una soluzione acquosa per indurvi un processo di elettrolisi, dette piastre intermedie (12) comprendendo almeno una coppia di piastre intermedie attive (12a), collocate nelle posizioni più prossimali rispetto alle piastre terminali (10) e atte ad essere direttamente alimentate elettricamente, e una o più piastre intermedie neutre (12b), interposte tra dette piastre intermedie attive (12a) e non collegate a un'alimentazione elettrica; caratterizzata dal fatto che almeno una delle piastre intermedie (12) presenta una perforazione distribuita (16), formata da una pluralità di fori passanti attraverso detta piastra intermedia (12).
2. 2. Cella secondo la rivendicazione 1, in cui tra le piastre intermedie (12) sono interposte guarnizioni (14) atte a definire perimetralmente un volume stagno compreso tra due piastre intermedie (12) affacciate.
3. 3. Cella secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente tre piastre terminali (10) parallele, una pluralità di piastre intermedie (12) essendo interposta tra ciascuna coppia di dette tre piastre terminali (10), dove la piastra terminale (10) interposta tra le altre due piastre terminali (10) presenta una cavità passante.
4. 4. Cella secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le piastre intermedie (12) e/o le guarnizioni (14) presentano un profilo almeno in parte rastremato.
5. 5. Cella secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i fori della perforazione distribuita (16) sono disposti a quinconce.
6. 6. Cella secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i fori della perforazione distribuita (16) sono inclinati rispetto alle facce della rispettiva piastra intermedia (12).
7. 7. Cella secondo la rivendicazione 6, in cui i fori della perforazione distribuita (16) hanno assi inclinati di 60° rispetto alle facce della rispettiva piastra intermedia (12).
8. 8. Cella secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui almeno una delle piastre terminali (10) presenta una rientranza (10a) ricavata nel proprio spessore, atta a contenere una parte della soluzione acquosa.