IT202300017607A1 - ELECTROLYZER FOR HYDROGEN EVOLUTION - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE DESCRIPTION OF INDUSTRIAL INVENTION
TITOLO: ELETTROLIZZATORE PER EVOLUZIONE DI IDROGENO TITLE: ELECTROLYZER FOR HYDROGEN EVOLUTION
CAMPO DELL?INVENZIONE FIELD OF INVENTION
La presente invenzione rientra nell?ambito della realizzazione di dispositivi per la produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell?acqua. In particolare, l?invenzione si riferisce ad un elettrolizzatore per la produzione di idrogeno e ossigeno preferibilmente, ma non esclusivamente, a partire da un elettrolita alcalino. The present invention falls within the scope of the creation of devices for the production of hydrogen through water electrolysis. Specifically, the invention relates to an electrolyzer for the production of hydrogen and oxygen, preferably, but not exclusively, from an alkaline electrolyte.
STATO DELL?ARTE STATE OF THE ART
Nel corso degli ultimi anni ? fortemente aumentata la richiesta di idrogeno in diversi ambiti produttivi quale ad esempio la produzione di energia elettrica senza emissioni inquinanti. L?idrogeno ? facilmente stoccabile e trasportabile, ad esempio attraverso condutture come quelle usate per il gas, e dunque pu? essere reso facilmente disponibile per le diverse applicazioni. In recent years, the demand for hydrogen has increased significantly in various production areas, such as the generation of electricity without polluting emissions. Hydrogen is easily stored and transported, for example through pipelines like those used for gas, and can therefore be made readily available for various applications.
Per la produzione di idrogeno ? noto l?impiego di elettrolizzatori, nei quali si realizza l?elettrolisi dell?acqua ossia la dissociazione della stessa in idrogeno e ossigeno sotto l?effetto di una corrente elettrica. ? altrettanto nota l?esistenza di diverse tipologie di elettrolisi, fra le quali l?elettrolisi dell?acqua alcalina e l?elettrolisi a membrana polimerica. For the production of hydrogen, the use of electrolyzers is well known. These devices electrolyze water, which dissociates it into hydrogen and oxygen under the influence of an electric current. Various types of electrolysis are also well known, including alkaline water electrolysis and polymer membrane electrolysis.
Un impianto per la produzione di idrogeno a livello industriale, basato sull?elettrolisi dell?acqua alcalina, tipicamente comprende un elettrolizzatore includente una pluralit? di celle elementari impilate fra due testate e bloccate attraverso l?impiego di mezzi di serraggio. In ciascuna delle celle elementari si realizza la reazione di dissociazione dell?acqua alcalina che molto frequentemente ? costituita da un elettrolita a base di idrossido di potassio (comunemente noto anche con il nome ?potassa?). An industrial-scale hydrogen production system based on the electrolysis of alkaline water typically comprises an electrolyzer containing a plurality of elementary cells stacked between two heads and secured with clamps. In each of the elementary cells, the dissociation reaction of alkaline water takes place, which very often consists of an electrolyte based on potassium hydroxide (also commonly known as "potash").
In ciascuna cella elementare si individua una porzione anodica e una porzione catodica separate da un elemento separatore. La porzione anodica e la porzione catodica comprendono rispettivamente un elettrodo anodico e un elettrodo catodico, fra i quali si colloca l?elemento separatore. La porzione anodica comprende una camera anodica nella quale ? almeno parzialmente alloggiato un elettrodo anodico. Analogamente, la porzione catodica comprende una camera catodica nella quale ? parzialmente alloggiato un elettrodo catodico. Le camere anodica e catodica sono create mediante una specifica cornice, o telaio, condiviso tra le due camere oppure da un telaio dedicato per ogni camera. Fra i due elettrodi (anodico e catodico) ? disposto un elemento separatore coinvolto nel processo di elettrolisi secondo principi ampiamenti noti. Each elementary cell has an anodic portion and a cathodic portion separated by a separator element. The anodic portion and the cathodic portion comprise an anodic electrode and a cathodic electrode, respectively, between which the separator element is placed. The anode portion comprises an anode chamber in which an anode electrode is at least partially housed. Similarly, the cathodic portion comprises a cathodic chamber in which a cathodic electrode is partially housed. The anode and cathodic chambers are created by a specific frame, or chassis, shared between the two chambers or by a dedicated chassis for each chamber. Between the two electrodes (anodic and cathodic) is a separator element involved in the electrolysis process according to widely known principles.
Fra due celle elementari adiacenti ? predisposta una piastra bipolare in materiale metallico comprendente una faccia/lato in contatto elettrico con l?elettrodo catodico, e con la faccia opposta/lato opposto in contatto elettrico con l?elettrodo anodico. Tipicamente, i telai delle celle elementari e le piastre bipolari comprendono delle aperture disposte e configurate in modo tale da definire, a seguito dell?impilaggio delle celle fra le testate dell?elettrolizzatore, un primo canale di distribuzione della potassa, un secondo canale di distribuzione della potassa, un primo canale di raccolta di un primo prodotto di reazione e un secondo canale di raccolta di un secondo prodotto di reazione. Between two adjacent elementary cells is a bipolar plate made of metal material comprising one face/side in electrical contact with the cathode electrode, and the opposite face/side in electrical contact with the anode electrode. Typically, the elementary cell frames and bipolar plates comprise openings arranged and configured in such a way as to define, following the stacking of the cells between the heads of the electrolyzer, a first channel for distributing the potash, a second channel for distributing the potash, a first channel for collecting a first reaction product, and a second channel for collecting a second reaction product.
Il primo canale di distribuzione e il primo canale di raccolta sono in comunicazione idraulica, attraverso i telai, con la sezione anodica di ciascuna cella elementare, mentre il secondo canale di distribuzione e il secondo canale di raccolta sono in comunicazione idraulica, attraverso i telai, con la sezione catodica di ciascuna cella elementare. Attraverso il canale di distribuzione (primo o secondo), la corrispondente porzione (anodica o catodica) di ciascuna cella elementare viene alimentata con potassa. Per ciascuna cella elementare, il gas che si genera a seguito della reazione di elettrolisi e/o l?eventuale potassa non dissociata escono dalla rispettiva porzione (catodica o anodica) della cella e confluiscono o nel corrispondente canale di raccolta (primo o secondo). The first distribution channel and the first collection channel are in hydraulic communication, through the frames, with the anode section of each elementary cell, while the second distribution channel and the second collection channel are in hydraulic communication, through the frames, with the cathode section of each elementary cell. Through the distribution channel (first or second), the corresponding portion (anode or cathode) of each elementary cell is supplied with potash. For each elementary cell, the gas generated as a result of the electrolysis reaction and/or any undissociated potash exits the respective portion (cathode or anode) of the cell and flows into the corresponding collection channel (first or second).
Per espletare efficientemente i processi sopra descritti, gli elettrolizzatori devono resistere a condizioni operative difficili, in termini di pressione e stabilit? chimica, senza compromettere l?efficienza di operazione e i costi complessivi dei componenti, anche considerando le operazioni di assemblaggio e disassemblaggio. ? quindi desiderabile avere una struttura che riduca al minimo sia la produzione di scarti che la quantit? complessiva di materiali costosi utilizzati. Inoltre, ? desiderabile che i componenti dell?elettrolizzatore possano essere fabbricati senza ricorrere a materiali e tecniche molto costosi. To efficiently perform the processes described above, electrolyzers must withstand harsh operating conditions, in terms of pressure and chemical stability, without compromising operating efficiency and overall component costs, even considering assembly and disassembly operations. It is therefore desirable to have a structure that minimizes both waste generation and the overall amount of expensive materials used. Furthermore, it is desirable for the electrolyzer components to be able to be manufactured without resorting to very expensive materials and techniques.
SOMMARIO SUMMARY
Compito principale della presente invenzione ? dunque fornire un elettrolizzatore che consenta di superare i problemi sopra indicati. Nell?ambito di questo compito, un primo scopo della presente invenzione ? quello di fornire un elettrolizzatore che consenta all?elettrolita di operare in modo efficace, con particolare riferimento al mantenimento della temperatura di massima conducibilit? nonch? un elettrolizzatore capace strutturalmente di operare ad alta pressione (per esempio a 30 bar relativi). Ulteriore scopo della presente invenzione ? quello di fornire un elettrolizzatore che consenta di ridurre i costi di realizzazione. Non ultimo scopo ? quello di fornire un elettrolizzatore che sia affidabile e di facile costruzione a costi competitivi nonch? di facile ed economica manutenzione in caso di disassemblaggio e riassemblaggio. The primary aim of the present invention is therefore to provide an electrolyzer that overcomes the above-mentioned problems. Within this aim, a first aim of the present invention is to provide an electrolyzer that allows the electrolyte to operate effectively, with particular reference to maintaining the maximum conductivity temperature, as well as an electrolyzer structurally capable of operating at high pressure (for example, at 30 bar relative). A further aim of the present invention is to provide an electrolyzer that allows for reduced manufacturing costs. Not least, an electrolyzer that is reliable and easy to construct at competitive costs, as well as easy and economical to maintain in the event of disassembly and reassembly.
La Richiedente ha constatato che detto compito e detto scopo possono essere raggiunti rimuovendo il calore generato dalla reazione di elettrolisi attraverso un fluido di raffreddamento differente dall?elettrolita coinvolto nella reazione e in corrispondenza di dove lo stesso calore viene generato. In particolare, la Richiedente ha constatato che tale calore pu? essere rimosso in corrispondenza delle piastre bipolari dell?elettrolizzatore e pi? precisamente configurando le stesse in modo da definire uno o pi? canali interni agenti da camere di raffreddamento, laddove tali canali interni comprendono una sezione di ingresso e di uscita per detto fluido di raffreddamento. The Applicant has found that the said task and purpose can be achieved by removing the heat generated by the electrolysis reaction through a cooling fluid different from the electrolyte involved in the reaction and at the point where the heat is generated. In particular, the Applicant has found that such heat can be removed at the bipolar plates of the electrolyzer and more specifically by configuring them to define one or more internal channels acting as cooling chambers, where such internal channels include an inlet and outlet section for the said cooling fluid.
Inoltre, la Richiedente ha constatato che, oltre all?efficacia nella rimozione del calore, l?elettrolizzatore secondo l?invenzione permette una tenuta strutturale anche quando in operazione ad alta pressione. Furthermore, the Applicant has found that, in addition to its effectiveness in heat removal, the electrolyzer according to the invention allows for structural sealing even when operating at high pressure.
Nello specifico, la Richiedente ha constatato che il compito e gli scopi sopra descritti possono essere raggiunti attraverso un elettrolizzatore secondo la Rivendicazione 1. In particolare, l?elettrolizzatore secondo l?invenzione consente la produzione di idrogeno a partire da un elettrolita alcalino e comprende: Specifically, the Applicant has found that the task and objects described above can be achieved through an electrolyzer according to Claim 1. In particular, the electrolyzer according to the invention allows the production of hydrogen starting from an alkaline electrolyte and comprises:
- una prima testata e una seconda testata in materiale metallico; - a first head and a second head made of metal material;
- una pluralit? di celle elementari e una pluralit? di piastre bipolari disposte fra dette testate, in cui due celle adiacenti sono separate da una di dette piastre bipolari; - elementi di serraggio che collegano meccanicamente dette testate, dette celle e dette piastre bipolari in modo tale che dette celle elementari e dette piastre bipolari restino stabilmente impilate. - a plurality of elementary cells and a plurality of bipolar plates arranged between said heads, wherein two adjacent cells are separated by one of said bipolar plates; - clamping elements mechanically connecting said heads, said cells and said bipolar plates in such a way that said elementary cells and said bipolar plates remain stably stacked.
Secondo l?invenzione, ciascuna cella elementare comprende: According to the invention, each elementary cell comprises:
- un elettrodo anodico, un elettrodo catodico e un telaio definente una camera, avente una sezione anodica e una sezione catodica, nella quale sono alloggiati, almeno in parte, detto elettrodo anodico e detto elettrodo catodico e un elemento separatore che separa i due elettrodi e divide le due sezioni anodica e catodica. L?elettrolizzatore secondo l?invenzione comprende inoltre: - an anode electrode, a cathode electrode, and a frame defining a chamber, having an anode section and a cathode section, in which said anode electrode and said cathode electrode are housed, at least in part, and a separator element that separates the two electrodes and divides the anode and cathode sections. The electrolyzer according to the invention also comprises:
- un primo canale di distribuzione di detto elettrolita alcalino e un primo canale di raccolta di un primo prodotto di reazione comprendente prevalentemente ossigeno, in cui per ognuna di dette celle elementari, detti canali sono in comunicazione idraulica con la camera definita da detto telaio; - a first distribution channel for said alkaline electrolyte and a first collection channel for a first reaction product comprising predominantly oxygen, wherein for each of said elementary cells, said channels are in hydraulic communication with the chamber defined by said frame;
- un secondo canale di distribuzione di detto elettrolita alcalino e un secondo canale di raccolta di un secondo prodotto di reazione comprendente prevalentemente idrogeno, in cui, per ognuna delle celle elementari, detto secondo canale di distribuzione e detto secondo canale di raccolta sono in comunicazione idraulica con detta camera definita dal telaio. - a second distribution channel for said alkaline electrolyte and a second collection channel for a second reaction product comprising predominantly hydrogen, wherein, for each of the elementary cells, said second distribution channel and said second collection channel are in hydraulic communication with said chamber defined by the frame.
L?elettrolizzatore secondo l?invenzione ? caratterizzato dal fatto che ciascuna delle piastre bipolari comprende almeno tre componenti piastri-formi assemblati fra loro e configurati in modo tale da definire almeno un canale interno per la circolazione di un fluido di raffreddamento, in cui, ciascuna piastra bipolare comprende una sezione di ingresso e una sezione di uscita rispettivamente per l?ingresso e l?uscita di detto fluido in detto una o pi? canali interni. The electrolyzer according to the invention is characterized in that each of the bipolar plates comprises at least three plate-shaped components assembled together and configured in such a way as to define at least one internal channel for the circulation of a cooling fluid, wherein each bipolar plate comprises an inlet section and an outlet section respectively for the inlet and outlet of said fluid in said one or more internal channels.
L?elettrolizzatore secondo l?invenzione comprende inoltre: The electrolyzer according to the invention further comprises:
- un canale di mandata del fluido di raffreddamento in comunicazione idraulica con la sezione di ingresso di ciascuna di dette piastre bipolari; e - a cooling fluid delivery channel in hydraulic communication with the inlet section of each of said bipolar plates; and
- un canale di ritorno del fluido di raffreddamento in comunicazione idraulica con la sezione di uscita di ciascuna delle piastre bipolari. - a return channel for the cooling fluid in hydraulic communication with the outlet section of each of the bipolar plates.
Vantaggiosamente, l?elettrolizzatore viene raffreddato dall?interno, cio? laddove il calore viene generato a seguito della reazione di elettrolisi. Advantageously, the electrolyzer is cooled from the inside, i.e. where the heat is generated as a result of the electrolysis reaction.
In accordo ad una possibile forma realizzativa, il fluido di raffreddamento ? acqua. Possono comunque essere utilizzati svariati fluidi di raffreddamento che possono operare sia nel campo del calore sensibile (senza passaggio di stato da liquido a vapore) che del calore latente (calore rimosso attraverso il passaggio di stato da liquido a vapore). Questi fluidi di raffreddamento sono preferibilmente, ma non esclusivamente, a base acquosa, sia acqua pura che additivata con glicole, polielettroliti o colloidi, oppure organica con temperatura di passaggio di stato prossima a quella di operazione dell?elettrolizzatore. According to one possible embodiment, the cooling fluid is water. However, various cooling fluids can be used that can operate in the range of both sensible heat (without a phase transition from liquid to vapor) and latent heat (heat removed through the phase transition from liquid to vapor). These cooling fluids are preferably, but not exclusively, water-based, either pure water or water with the addition of glycol, polyelectrolytes, or colloids, or organic, with a phase transition temperature close to the operating temperature of the electrolyzer.
In accordo ad una possibile forma di realizzazione, il canale di mandata comprende un ingresso e il canale di ritorno comprende una uscita. Detto ingresso e detta uscita sono entrambi posizionati in corrispondenza di una di dette testate. According to one possible embodiment, the delivery channel comprises an inlet and the return channel comprises an outlet. Both the inlet and outlet are positioned at one of the said heads.
In accordo ad una possibile forma di realizzazione, il primo canale di distribuzione e il secondo canale di distribuzione dell?elettrolita comprendono rispettivamente un primo ingresso e un secondo ingresso posizionati su una di dette testate opposta a quella su cui sono posizionati detto ingresso e detta uscita rispettivamente del canale di mandata e del canale di ritorno del fluido di raffreddamento, in cui detto primo canale di raccolta e detto secondo canale di raccolta dei prodotti di reazione comprendono rispettivamente una prima uscita e una seconda uscita posizionati anch?essi su una di dette testate. According to a possible embodiment, the first distribution channel and the second electrolyte distribution channel comprise, respectively, a first inlet and a second inlet positioned on one of said heads opposite to the one on which said inlet and said outlet of the delivery channel and the return channel of the cooling fluid are positioned, respectively, wherein said first collection channel and said second collection channel of the reaction products comprise, respectively, a first outlet and a second outlet also positioned on one of said heads.
In accordo ad una possibile forma realizzativa, per ciascuna delle celle elementari, ciascun telaio comprende: According to a possible embodiment, for each of the elementary cells, each frame includes:
- una apertura di mandata e una apertura di ritorno destinate ad essere attraversate, durante l?uso dell?elettrolizzatore, dal fluido di raffreddamento. - a delivery opening and a return opening intended to be passed through by the cooling fluid during use of the electrolyzer.
In accordo ad una possibile forma realizzativa, almeno un componente della piastra bipolare comprende almeno una area di conformazione sostanzialmente ondulata definita da solchi alternati a creste. According to a possible embodiment, at least one component of the bipolar plate comprises at least one area of substantially wavy conformation defined by grooves alternating with crests.
Preferibilmente, i due componenti esterni comprendono almeno una area di conformazione sostanzialmente ondulata definita da solchi alternati a creste, e in cui a seguito della sovrapposizione di detti componenti al terzo componente posto tra i due componenti esterni, si vengono a formare i canali interni per la circolazione del fluido di raffreddamento. Preferably, the two external components comprise at least one area of substantially wavy shape defined by grooves alternating with crests, and in which, following the overlapping of said components with the third component placed between the two external components, the internal channels for the circulation of the cooling fluid are formed.
In accordo ad una forma realizzativa, la piastra bipolare ? costituita da tre piastre metalliche, di cui una sostanzialmente piana infrapposta tra le altre due piastre metalliche comprendenti una pluralit? di scanalature che si sviluppano nello spessore delle piastre stesse; dette piastre vengono assemblate in modo da formare canali interni per lo scorrimento del fluido di raffreddamento. According to one embodiment, the bipolar plate is made up of three metal plates, one of which is substantially flat and placed between the other two metal plates comprising a plurality of grooves that extend through the thickness of the plates themselves; said plates are assembled in such a way as to form internal channels for the flow of the cooling fluid.
In accordo ad una forma realizzativa, il telaio comprende una parte interna metallica circondata da materiale elastomerico, detto materiale elastomerico comprendente scanalature atte a far scorrere l?elettrolita e parti corrugate atte a essere compresse e generare una tenuta stagna dell?elettrolizzatore. According to one embodiment, the frame comprises an internal metal part surrounded by elastomeric material, said elastomeric material comprising grooves suitable for the flow of the electrolyte and corrugated parts suitable for being compressed and generating a watertight seal of the electrolyzer.
In accordo con una forma realizzativa, il telaio comprende fori atti a ricevere i mezzi di serraggio. In accordance with one embodiment, the frame includes holes suitable for receiving the clamping means.
In una ulteriore forma realizzativa, il telaio comprende fori atti a ricevere detti mezzi di serraggio, detti fori contenti boccole di materiale non comprimibile. In a further embodiment, the frame comprises holes suitable for receiving said clamping means, said holes containing bushings of non-compressible material.
ELENCO DELLE FIGURE LIST OF FIGURES
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell?invenzione risulteranno meglio evidenti dall?esame della seguente descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite, ma non esclusiva, dell?elettrolizzatore secondo l?invenzione, illustrate a titolo indicativo e non limitativo, col supporto dei disegni allegati, in cui: Further features and advantages of the invention will become more evident from an examination of the following detailed description of preferred, but not exclusive, embodiments of the electrolyzer according to the invention, illustrated by way of example and not by way of limitation, with the aid of the attached drawings, in which:
- la Figura 1 ? una vista esplosa dell?elettrolizzatore; - Figure 1 is an exploded view of the electrolyzer;
- la Figura 2 ? una vista di sezione trasversale di una piastra bipolare; - Figure 2 is a cross-sectional view of a bipolar plate;
- la Figura 3 ? una vista di una forma realizzativa di una sezione trasversale del telaio di un elettrolizzatore secondo l?invenzione. - Figure 3 is a view of an embodiment of a cross-section of the frame of an electrolyzer according to the invention.
- la Figura 4 ? una vista laterale dell?elettrolizzatore comprendente i mezzi di serraggio. - Figure 4 is a side view of the electrolyzer including the clamping means.
Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti. The same numbers and reference letters in the figures identify the same elements or components.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DETAILED DESCRIPTION
Con riferimento alle citate figure, la presente invenzione ? dunque relativa ad un dispositivo di elettrolisi dell?acqua, in particolare di acqua alcalina. With reference to the aforementioned figures, the present invention therefore relates to a device for the electrolysis of water, in particular of alkaline water.
L?elettrolizzatore 1 secondo l?invenzione comprende una pluralit? di celle di elettrolisi 4 (di seguito indicate anche con l?espressione ?celle elementari?) impilate fra una prima testata 2 (o testata anodica) e una seconda testata 3 (o testata catodica) fra loro contrapposte e realizzate in materiale metallico. Ciascuna cella elementare ? separata da quella adiacente attraverso una piastra bipolare (indicate nelle Figura 1 con il riferimento 5). L?elettrolizzatore 1 ? provvisto di elementi di serraggio 20 (preferibilmente in forma di viti prigioniere) che collegano meccanicamente le due testate 2, 3, le celle 4 e i piatti bipolari 5 esercitando una forza di trazione tale per cui le celle elementari 4 e le piastre bipolari 5 sopra indicate definiscano, nel loro complesso, una struttura compatta, sostanzialmente a ?sandwich?. The electrolyzer 1 according to the invention comprises a plurality of electrolysis cells 4 (hereinafter also referred to as "elementary cells") stacked between a first head 2 (or anode head) and a second head 3 (or cathode head) positioned opposite each other and made of metallic material. Each elementary cell is separated from the adjacent one by a bipolar plate (indicated in Figure 1 with the reference 5). The electrolyzer 1 is provided with clamping elements 20 (preferably in the form of captive screws) which mechanically connect the two heads 2, 3, the cells 4 and the bipolar plates 5 by exerting a tensile force such that the elementary cells 4 and the bipolar plates 5 indicated above define, as a whole, a compact, substantially "sandwich" structure.
Unicamente per scopi descrittivi, nel prosieguo della descrizione con l?espressione ?prima cella? si vuole intendere la cella elementare immediatamente adiacente alla testata anodica 2, mentre con l?espressione ?ultima cella? si vuole intendere la cella immediatamente adiacente alla testata catodica 3. For descriptive purposes only, in the remainder of the description the expression "first cell" is intended to refer to the elementary cell immediately adjacent to the anode head 2, while the expression "last cell" is intended to refer to the cell immediately adjacent to the cathode head 3.
La Figura 1 ? una vista esplosa dell?elettrolizzatore che consente di osservare la disposizione in sequenza (impilaggio) delle celle elementari 4. Figure 1 is an exploded view of the electrolyzer which allows one to observe the sequential arrangement (stacking) of the elementary cells 4.
Con riferimento in particolare a questa figura, ciascuna cella elementare comprende un elettrodo anodico 7, un elettrodo catodico 8 e un telaio 6 che delimita una camera 6A, con una sezione anodica e una sezione catodica (non mostrate in figura), nella quale sono alloggiati, almeno in parte, l?elettrodo anodico 7 e l?elettrodo catodico 8. Per ciascuna cella elementare, l?elettrodo anodico e l?elettrodo catodico sopra definiti sono separati da un elemento separatore 10 (ad esempio un diaframma o una membrana) che divide la sezione anodica dalla sezione catodica. Preferibilmente, ma non esclusivamente, il telaio 6 previsto per ogni cella elementare comprende una parte metallica 11 contornata da una parte in materiale elastomerico 25. With specific reference to this figure, each elementary cell comprises an anode electrode 7, a cathode electrode 8 and a frame 6 that delimits a chamber 6A, with an anode section and a cathode section (not shown in the figure), in which the anode electrode 7 and the cathode electrode 8 are housed, at least in part. For each elementary cell, the anode electrode and the cathode electrode defined above are separated by a separator element 10 (for example a diaphragm or a membrane) that divides the anode section from the cathode section. Preferably, but not exclusively, the frame 6 provided for each elementary cell comprises a metal part 11 surrounded by a part made of elastomeric material 25.
In ogni caso, in ogni cella elementare gli elettrodi 7 o 8 sono in contatto elettrico con la piastra bipolare 5 immediatamente adiacente. In proposito, nel caso della prima cella, l?elettrodo 7 ? in contatto elettrico con la testata anodica 2, mentre l?elettrodo 8 ? in contatto elettrico con una piastra bipolare 5. In modo analogo, per l?ultima cella, l?elettrodo anodico 7 ? in contatto elettrico con una piastra bipolare 5, mentre l?elettrodo catodico 8 della ? in contatto elettrico con la seconda testata 3. In any case, in each elementary cell the electrodes 7 or 8 are in electrical contact with the immediately adjacent bipolar plate 5. In this regard, in the case of the first cell, the electrode 7 is in electrical contact with the anode head 2, while the electrode 8 is in electrical contact with a bipolar plate 5. Similarly, for the last cell, the anode electrode 7 is in electrical contact with a bipolar plate 5, while the cathode electrode 8 is in electrical contact with the second head 3.
Con riferimento a Figura 1, in accordo ad una possibile forma realizzativa, la cella elementare comprende un distanziatore anodico 9A almeno parzialmente alloggiato nella camera di alloggiamento definita dal telaio 6. Il distanziatore anodico 9A ? interposto fra la piastra bipolare 5 (o testata anodica 2 nel caso della prima cella) e l?elettrodo anodico 7 in modo da migliorare la continuit? elettrica fra queste parti. Per uno scopo analogo, la cella elementare comprende un distanziatore catodico 9B in materiale metallico interposto fra l?elettrodo catodico 8 e la piastra bipolare 5 (o testata catodica 3 nel caso dell?ultima cella). Preferibilmente, i distanziatori 9A, 9B sono in materiale metallico e possono essere in svariate forme note nell?arte (ad esempio in forma di rete) e configurati in modo da consentire la diffusione dell?elettrolita nella camera 6A (sia nella sezione anodica che catodica) definita dal telaio 6 e nella quale sono posizionati. With reference to Figure 1, in accordance with a possible embodiment, the elementary cell comprises an anode spacer 9A at least partially housed in the housing chamber defined by the frame 6. The anode spacer 9A is interposed between the bipolar plate 5 (or anode head 2 in the case of the first cell) and the anode electrode 7 so as to improve the electrical continuity between these parts. For a similar purpose, the elementary cell comprises a cathode spacer 9B made of metallic material interposed between the cathode electrode 8 and the bipolar plate 5 (or cathode head 3 in the case of the last cell). Preferably, the spacers 9A, 9B are made of metallic material and can be in various shapes known in the art (for example in the form of a mesh) and configured so as to allow the diffusion of the electrolyte in the chamber 6A (both in the anodic and cathodic section) defined by the frame 6 and in which they are positioned.
Il distanziatore anodico e il distanziatore catodico possono essere componenti separati o integrali (ad esempio, tramite saldatura) con le rispettive piastre bipolari. L?elettrolizzatore 1 secondo l?invenzione comprende un primo canale di distribuzione 11A della potassa che, per ogni cella elementare , ? in comunicazione idraulica con la camera 6A (sezione anodica) definita dal telaio 6, in cui ? alloggiato, almeno in parte, il corrispondente elettrodo anodico 7; l?elettrolizzatore 1 comprende inoltre un secondo canale di distribuzione 12A della potassa che, per ogni cella elementare, ? in comunicazione idraulica con la camera 6A (sezione catodica) definita dal relativo telaio 6 in cui ? alloggiato, almeno in parte, il corrispondente elettrodo catodico 8. L?elettrolizzatore 1 comprende altres? un primo canale di raccolta 11B di un primo prodotto di reazione comprendente prevalentemente ossigeno. Per ogni cella elementare, detto primo canale di raccolta 11B ? in comunicazione idraulica con detta camera 6A definita da detto telaio 6. L?elettrolizzatore 1 comprende altres? un secondo canale di raccolta 12B di un secondo prodotto di reazione comprendente prevalentemente idrogeno. Per ogni cella elementare, detto secondo canale di raccolta 12B ? in comunicazione idraulica con la sezione catodica di ciascuna cella elementare. The anode spacer and the cathode spacer can be separate components or integral (for example, by welding) with the respective bipolar plates. The electrolyzer 1 according to the invention comprises a first distribution channel 11A of the potash which, for each elementary cell, is in hydraulic communication with the chamber 6A (anode section) defined by the frame 6, in which the corresponding anode electrode 7 is housed, at least in part; the electrolyzer 1 also comprises a second distribution channel 12A of the potash which, for each elementary cell, is in hydraulic communication with the chamber 6A (cathode section) defined by the relative frame 6 in which the corresponding cathode electrode 8 is housed, at least in part. The electrolyzer 1 also comprises a first collection channel 11B of a first reaction product comprising predominantly oxygen. For each elementary cell, said first collection channel 11B is in hydraulic communication with the chamber 6A (cathode section) defined by the relative frame 6, in which the corresponding cathode electrode 8 is housed, at least in part. The electrolyzer 1 also comprises a first collection channel 11B of a first reaction product comprising predominantly oxygen. For each elementary cell, said first collection channel 11B is in hydraulic communication with the chamber 6A (anode section) defined by the relative frame 6, in which the corresponding cathode electrode 8 is housed, at least in part. in hydraulic communication with said chamber 6A defined by said frame 6. The electrolyzer 1 also comprises a second collection channel 12B for a second reaction product comprising predominantly hydrogen. For each elementary cell, said second collection channel 12B is in hydraulic communication with the cathode section of each elementary cell.
In pratica, il primo canale di raccolta 11B ha lo scopo di convogliare l?ossigeno generato dalla reazione di elettrolisi ed eventualmente una parte di potassa non reagita, cio? non dissociata. In modo analogo, il secondo canale di raccolta 12B convoglia l?idrogeno generato dalla reazione di elettrolisi ed eventualmente una parte di potassa non reagita. Pertanto, i due canali di raccolta 11B, 12B raccolgono una soluzione monofasica o bifasica a seconda della presenza o meno di potassa non reagita. In practice, the first collection channel 11B serves to convey the oxygen generated by the electrolysis reaction and possibly a portion of unreacted, i.e., undissociated, potash. Similarly, the second collection channel 12B conveys the hydrogen generated by the electrolysis reaction and possibly a portion of unreacted potash. Therefore, the two collection channels 11B and 12B collect a monophasic or biphasic solution depending on the presence or absence of unreacted potash.
I canali di distribuzione 11A, 12A e i canali di raccolta 11B, 12B sono definiti a seguito dell?impilaggio delle celle elementari. A tale scopo, come sotto meglio precisato il telaio 6, le piastre bipolari 5 comprendono delle aperture che per effetto dell?impilaggio si allineano fra loro definendo ciascuno di detti canali 11A, 12A, 11B, 12B. The distribution channels 11A, 12A and the collection channels 11B, 12B are defined following the stacking of the elementary cells. To this end, as better specified in the frame 6 below, the bipolar plates 5 include openings that, due to the stacking, align with each other, defining each of said channels 11A, 12A, 11B, 12B.
L?elettrolizzatore 1 secondo l?invenzione si caratterizza per il fatto che ciascuna delle piastre bipolari 5 ? definita da tre componenti 5A, 5B e 5C assemblati fra loro e configurati in modo tale da definire uno o pi? canali interni (cio? dei passaggi) per la circolazione di un fluido di raffreddamento, preferibilmente un liquido di raffreddamento (ad esempio acqua). Ciascuna piastra bipolare 5 comprende una sezione di ingresso SI e una sezione di uscita SU rispettivamente per l?ingresso e l?uscita del fluido di raffreddamento in/da canali interni 66. The electrolyzer 1 according to the invention is characterized in that each of the bipolar plates 5 is defined by three components 5A, 5B and 5C assembled together and configured in such a way as to define one or more internal channels (i.e. passages) for the circulation of a cooling fluid, preferably a cooling liquid (for example, water). Each bipolar plate 5 comprises an inlet section S1 and an outlet section SU respectively for the inlet and outlet of the cooling fluid into/from internal channels 66.
Secondo l?invenzione, l?elettrolizzatore 1 comprende un canale di mandata 4A del fluido di raffreddamento in comunicazione idraulica con la sezione di ingresso SI di ciascuna piastra bipolare 5 e un canale di ritorno 4B dello stesso fluido idraulicamente connesso con la sezione di uscita SU di ciascuna piastra bipolare 5. Vantaggiosamente, il passaggio del fluido di raffreddamento nelle piastre bipolari 5 contrasta l?aumento di calore a cui sarebbero soggette le stesse, e in generale tutti i componenti delle celle elementari, a causa della reazione di elettrolisi. According to the invention, the electrolyzer 1 comprises a cooling fluid delivery channel 4A in hydraulic communication with the inlet section SI of each bipolar plate 5 and a return channel 4B of the same fluid hydraulically connected with the outlet section SU of each bipolar plate 5. Advantageously, the passage of the cooling fluid in the bipolar plates 5 counteracts the increase in heat to which the plates themselves, and in general all the components of the elementary cells, would be subject due to the electrolysis reaction.
Nel prosieguo il fluido di raffreddamento viene indicato anche con l?espressione acqua di raffreddamento (o acqua/fluido di raffreddamento), ma ci? non toglie che, come fluido di raffreddamento, potrebbe essere utilizzato un liquido diverso o un fluido diverso. Inoltre, nel prosieguo l?elettrolita verr? indicato anche con il termine potassa, senza alcuna limitazione all?impiego di un?altra tipologia di elettrolita. From now on, the coolant will also be referred to as cooling water (or water/cooling fluid), but this does not mean that a different liquid or fluid cannot be used as the coolant. Furthermore, from now on, the electrolyte will also be referred to as potash, without any restriction on the use of another type of electrolyte.
La Figura 2 mostra in dettaglio la conformazione di una possibile piastra bipolare 5 dell?elettrolizzatore 1. Figure 2 shows in detail the conformation of a possible bipolar plate 5 of the electrolyzer 1.
In accordo all?invenzione, la piastra bipolare 5 ? definita dall?assemblaggio di tre componenti 5A, 5B e 5C che nella fattispecie mostrata nella Figura 2 ? ottenut a attraverso, ad esempio, una operazione di stampaggio di almeno una lamina metallica, preferibilmente, ma non esclusivamente, in nickel, acciaio o altra lega metallica conduttiva e resistente alle condizioni di operazione. In accordance with the invention, the bipolar plate 5 is defined by the assembly of three components 5A, 5B and 5C which in the case shown in Figure 2 is obtained through, for example, a stamping operation of at least one metal sheet, preferably, but not exclusively, in nickel, steel or another metal alloy which is conductive and resistant to the operating conditions.
A seguito dell?assemblaggio dei componenti 5A, 5B e 5C si generano dei canali interni 66 nei quali scorre il fluido di raffreddamento. Following the assembly of components 5A, 5B and 5C, internal channels 66 are generated in which the cooling fluid flows.
Nello specifico, in una particolare forma realizzativa forma realizzativa, i tre componenti 5A, 5B e 5C sono costituiti da una piastra metallica piana 5C frapposta tra due piastre metalliche con ondulazioni 5A, 5B cos? da formare i canali di distribuzione 66 del fluido di raffreddamento. Specifically, in a particular embodiment, the three components 5A, 5B and 5C consist of a flat metal plate 5C placed between two corrugated metal plates 5A, 5B so as to form the distribution channels 66 of the cooling fluid.
Attraversando tutti i tratti delle cavit? interne 66, il fluido di raffreddamento sottrae calore ai due componenti 5A, 5B e 5C della piastra 5 in accordo con gli scopi dell?invenzione. By flowing through all the sections of the internal cavities 66, the cooling fluid extracts heat from the two components 5A, 5B and 5C of the plate 5 in accordance with the purposes of the invention.
La Figura 3 mostra in dettaglio la conformazione di un possibile telaio 6 dell?elettrolizzatore 1. Figure 3 shows in detail the conformation of a possible frame 6 of the electrolyzer 1.
In una forma di realizzazione, il telaio 6 comprende una anima metallica 11 ricoperta almeno in parte da materiale elastomerico 25. In one embodiment, the frame 6 comprises a metal core 11 covered at least in part by elastomeric material 25.
In una forma di realizzazione, detta parte in materiale elastomerico comprende scanalature 26 atte a far scorrere l?elettrolita di processo all?interno di dette celle elementari e corrugazioni 21 atte a essere compresse nella fase di impilamento per generare la tenuta stagna dell?elettrolizzatore. In one embodiment, said elastomeric material part comprises grooves 26 suitable for allowing the process electrolyte to flow inside said elementary cells and corrugations 21 suitable for being compressed during the stacking phase to generate the watertight seal of the electrolyzer.
In una ulteriore forma di realizzazione, il telaio 6 comprende fori atti a ricevere i mezzi di serraggio 20, in cui almeno uno di detti fori ha al suo interno una boccola 13 di materiale non comprimibile ed isolante quale ad esempio materiale ceramico (come allumina) o materiale metallico opportunamente trattato superficialmente (come acciaio con riporto di materiale isolante) ed aventi la funzione di mantenere fisso lo spessore dei telai. In a further embodiment, the frame 6 comprises holes suitable for receiving the clamping means 20, in which at least one of said holes has inside it a bushing 13 of non-compressible and insulating material such as for example ceramic material (such as alumina) or metallic material suitably treated on the surface (such as steel with an insulating material coating) and having the function of maintaining the thickness of the frames fixed.
In una forma di realizzazione, l?elettrolizzatore 1 comprende un telaio 6 e piatti bipolari 5 i quali comprendono fori atti ad accogliere detti mezzi di serraggio 20, in cui almeno uno di detti fori ha al suo interno una boccola 13 di materiale non comprimibile. In one embodiment, the electrolyzer 1 comprises a frame 6 and bipolar plates 5 which include holes suitable for accommodating said clamping means 20, wherein at least one of said holes has inside it a bushing 13 of non-compressible material.
In una forma di realizzazione, le celle elementari dell?elettrolizzatore 1 comprendono elementi distanziatori 9A, 9B frapposti rispettivamente tra detto elettrodo anodico 7 e la adiacente piastra bipolare e detto elettrodo catodico 8 e la adiacente piastra bipolare. In one embodiment, the elementary cells of the electrolyzer 1 comprise spacer elements 9A, 9B placed respectively between said anode electrode 7 and the adjacent bipolar plate and said cathode electrode 8 and the adjacent bipolar plate.
Ulteriore oggetto dell?invenzione ? un telaio 6 per elettrolizzatori comprendente una anima di materiale metallico 11 e una parte di materiale elastomerico 25 che circonda almeno in parte detta anima, detto telaio comprendente inoltre fori atti ad accogliere mezzi di serraggio 20, in cui almeno uno di detti fori comprende al suo interno una boccola distanziale 13 di materiale non comprimibile. A further object of the invention is a frame 6 for electrolysers comprising a core of metallic material 11 and a portion of elastomeric material 25 which at least partially surrounds said core, said frame further comprising holes suitable for accommodating clamping means 20, in which at least one of said holes comprises within it a spacer bushing 13 of non-compressible material.
Le soluzioni sopra descritte consentono di assolvere pienamente il compito e gli scopi prefissati. In particolare, il dispositivo proposto ? particolarmente comodo e pratico, efficace e facilmente realizzabile a costi contenuti. The solutions described above fully fulfill the intended purpose and objectives. In particular, the proposed device is particularly convenient and practical, effective, and easily manufactured at a reasonable cost.
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