IT201900009708A1 - Dispositivo per la produzione di idrogeno e energia elettrica tramite reazioni di ossidoriduzione spontanee sia da comparto anodico che catodico con elettrolita acquoso. - Google Patents

Description

TITOLO

DISPOSITIVO PER LA PRODUZIONE DI IDROGENO E ENERGIA ELETTRICA TRAMITE REAZIONI DI OSSIDORIDUZIONE SPONTANEE SIA DA COMPARTO ANODICO CHE CATODICO CON ELETTROLITA ACQUOSO

DESCRIZIONE

Applicazione dell'invenzione:

Il dispositivo produce sia idrogeno che energia elettrica, anche separatamente, tramite reazioni chimiche spontanee utilizzando acqua e materiali metallici, alcalini e non, di varia natura sbriciolati e/o ridotti in polvere, in questo modo viene prodotto solo l'idrogeno che serve all’applicazione "on demand " evitando i sistemi di stoccaggio, sia "on board" su veicoli dotati di sistemi fuel cells, sia " in situ" per applicazioni fisse.

Principio di funzionamento:

Il dispositivo sfrutta delle reazioni chimiche di ossido-riduzione (redox) spontanee in STP, per produrre idrogeno gassoso dall’acqua, come ben noto nelle reazioni redox avvengono scambi di elettroni che il dispositivo va ad intercettare e mandare all'utilìzzatore, come una normale pila primaria (cella galvanica) ma, a differenza di questa, il nuovo dispositivo produce idrogeno gassoso sia dal comparto anodico (ossidazione) sia da quello catodico (riduzione)

Descrizione del processo di produzione dell'Idrogeno

La reazione chimica alla base del processo qui descritto è la seguente:

Dove:

M1= metallo1, spece ossidata

=ione di metallo alcalino disiolto nell'acqua (elettrolita)

La reazione di ossidoridu ui descritta è, in c.s. spontanea e fortemente esotermica, la velocità e la temperatura della reazione sono controllate dalla % di disdolto nell'acqua, quindi la reazione può tranquillamente avvenire in atmosfera ambiente senza particolari precauzioni. L'unico residuo della reazione sarà M1(OH) poiché sarà recuperato.

Il calore cosi prodotto sarà utilizzato per innescare la reazione di rilascio dell'idrogeno di un eventuale reattore di contenimento per Idruri i quali rilasciano idrogeno a temperature di = 300°, oppure per scaldare l'elettrolita di una Alkaline Fuel Celll

Con questa implementazione si può ulteriormente incrementare la capacità gravimetrica del sistema, ovvero aumentare l'autonomia dell'applicazione senza ricorrere a sistemi di stoccaggio e relativi costi energeti per la compressione/liquefazione.

Descrizione del processo di produzione energia elettrica

Sfruttando la reazione di ossidoriduzione che produce idrogeno è possibile, sempre in modo spontaneo, ottenere produzione di energia elettrica dalla reazione :

= anodo (-)

Catodo Inerte (+)

In questo modo la reazione sarà :

reazione anodica :

reazione catodica

Ovvero mentre produce idrogeno la cella è in grado anche di produrre energia elettrica. Anche in questo caso il voltaggio dipenderà dalla percentuale di , a differenza degli accumulatori , o pile di seconda specie ,non necessita di raffreddamento e la carica consiste nel caricare il materiate anodico sotto forma di trucido e/o di pellet il comparto catodico sarà separato da quello anodico da una membrana semipermeabile di scambio protonico di tipo PEM, in modo di permettere il passaggio di protoni dell'elettrolita ma di mantenere il pH dei due comparti diverso:

Esempio di reazione di ossidoriduzione generata nel dispositivo

A titolo di esempio nel comparto anodico del dispositivo può avvenire la seguente reazione:

NaOH rappresenta il sale del metallo alcalino completamente dissodato in acqua costituendo, di fatto l'elettrolita. La reazione avviene in eccesso d'acqua, in modo da mantenere il catione Na+ ancora dissoato e sciolto nell'elettrolita. Durante la reazione avviene uno scambio di eletroni:

reazione anodica :

reazione catodica :

come una normale bateria metallo-aria l'energia cosi prodotta sarà immediatamente disponibile.

bilancando :

Questo permette di raggiungere una capacità gravimetrica pari o superiore a quella degli idruri metalli più complessi, infatti per ogni atomo di Al sviluppiamo 5 atomi di H.

Descrizione di massima dispositivo:

Il sistema per attuare i processi dell'invenzione in oggeto è rappresentato, in modo schematico in Figura 1. Si tratta di una cella galvanica che, oltre a far funzionare una pila di prima specie, funge anche da reattore chimico i due comparti sono divisi da una membrana PEMS a scambio protonico (4).

Comparto anodico: L'anodo formato dal metallo M1, , in truci e/o in polvere, viene immesso in un condotto(1) permeabile con l'elettrolita, una volta che si sarà esaurito uscirà dallo stesso condotto soto forma di idrossido (M1(OH)n) per far posto ad un'altra carica di M1. L'elettrolita (anodico sarà immesso, tramite pompa, nella cella dall'ingresso (2) e, una volta esaurito uscirà dal fondo della cella (3), la semicella così ottenuta sarà in grado di sviluppare idrogeno gassoso e trasferimento di elettroni al catodo.

Comparto catodico: In questo comparto avviene la reazione di riduzione dell'Idrogeno secondo la semi reazione riportata sopra utilizzando un catodo inerte, questa semicella ha un elettrolita diverso dal quella anodica e, per garantire l'adeguato valore di pH, è dotata di un sensore di pH (5) che, collegato ad un sistema di controllo automatico, permette di dosare e regolare in modo continuo la concentrazione molare di ioni H<+ >del comparto catodico. Il residuo di questo comparto sarà un saie del tipo M2M3 formato dai metalli dell'elettrolita e da quello dell'acido usato per regolare il pH oppure, nel caso di addo carbonico, il residuo sarà un carbonato del tipo M2HCO3.

Il dispositivo sarà dotato di due taniche (serbatoi) distinte sia per l'elettrolita anodico che per quello catodico, e l'immissione nei rispettivi comparti avverrà per mezzo di pompe, tubature e ausiliari di un sistema di controllo automatico in cosed loop con vari sensori.

Entrambi gli elettroliti sono di base acquosa con un sale e/o un addo disiolto. La produzione dell'idrogeno gassoso avviene tramite scissione delle molecole di acqua di cui sono composti in maggior percentuale gli elettroliti.

Figura 1

Appendice

il principio di base è quello di una batteria a flusso (flow battery) con elettrolita acquoso che sfrutta reazioni spontanee redox e, come effetto secondario abbiano lo sviluppo di idrogeno gassoso dai rispettivi elettrodi. Nel mondo dell'elettrochimica e in particolar modo nelle cele galvaniche, lo sviluppo di idrogeno dagli elettrodi è sempre stato considerato una grave inefficienza del sistema per i seguenti motivi:

• Aumento della resistenza con conseguente diminuzione dell'intensità di corrente V=RI

• Infiammabilità dell'idrogeno e aumento della temperatura della cella e dell'elettrolita stesso

• Danneggiamento degli elettrodi e delle membrane

Queste considerazioni sono sempre state alla base della ricerca e dell'industria delle batterie, specie negli accumulatori ma, grazie alte sue enormi potenzialità sia come densità energetica sia come sostenibilità (100% rinnovabile) è iniziato un forte interesse sull'applicazione dell'idrogeno. Per funzionare questo dispositivo necessita di due elettroliti con diversi valori di pH in modo da favorire le reazioni di elettrolisi.

Nel comparto anodico la reazione avviene in modo spontaneo con un pH fortemente basico causato dal sale di metallo alcalino disciotto nell elettrolita mentre, nel comparto catodico è necessario controllare il pH in modo da poter permettere la riduzione degli ioni H<+ >in H2 gassoso. Il metodo più ovvio è quello di sciogliere un acido forte in modo che sia dissodato completamente, ma nella fese sperimentale è stato usato acido carbonico H2CO3 che in acqua si dissoda immediatamente secondo il seguente equilibrio:

e le reazioni che avvengono nel comparto catodico come in Figura 2 :

L'utilizzo dell'acido carbonico a indica die la celia può funzionare consumando CO2 infatti l'acido carbonico si forma in acqua secondo la seguente reazione:

con equilibrio fortemente spostato verso sinistra

e lo schema della reazione può essere come in Figura 3 :

Sicuramente sarà necessaria che la tecnologia di "intrappolamento" della CO2 sia sviluppata e trovare opportuni catalizzatori che spostino verso "destra" (a reazione di formazione dell'acido ma, con questo brevetto, dimostriamo che siamo già pronti.

Mentre utilizzando un forte completamente dissociato come HCl la reazione è più immediata come rappresentato in Figura 4

Claims (3)

1. Rivendicazioni 1. Dispositivo per la produzione di idrogeno, a zero emissioni e senza produzione di C02, da scissione dell'acqua, tramite una reazione chimica spontanea di ossido-riduzione (REDOX) in due semi-celle separate da membrana semipermeabile a scambio protonico di tipo REM.
2. 2. Le due semi-celle, anodica e catodica, avranno due (diversi tipi di etettro dove il ricambio avverrà tramite pompe elettriche e tubazioni con controllo automatico. 3. il processo del punto 1 può avvenire sia in atmosfera controllata sia in atmosfera normale in presenza di ossigeno e altri gas, pressione e temperatura saranno controllate da appositi dispositivi, 4. La celia galvanica del punto 3 può lavorare sia in ambiente aerobico che anaerobico , in particolare la semi cella catodica (+) può essere alimentata da un dispositivo che cattura la CO2 trasformandola in H2CO3 5. Gli elettroliti sono acquosi, con ph basico o acido, con un sale di metallo alcalino disciolto, la percentuale del saie viene variata, tramite un sensore di ph, in modo da controllare la velocità di reazione 6. Il dispositivo è da considerarsi una batteria di prima specie a flusso (REDOX FLOW BATTERY), dove la carica avviene tramite l’immissione dell’elettrolita e del metallo anodico in truciolo o in polvere. 7. Il disposo come una normale batteria, può essere montato sia in serie che in parallelo o entrambi in modo da ottenere volt e ampere desiderati.
3. 3. L’idrogeno prodotto dal dispositivo potrà essere raccolto tramite tubazioni collegate alle singole celle sia in serbatoi che mandati direttamente all' utilizzatore (fuel cell) 9. L'elettrolita della semi cella catodica può essere un acido sia organico che inorganico 10. L’elettrolita della semi cella anodica può anche essere non acquoso el o organico