ITMO20110144A1 - ELECTROCHEMICAL GENERATOR - Google Patents
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Description
Descrizione di invenzione industriale Description of industrial invention
Generatore elettrochimico Electrochemical generator
La presente invenzione riguarda un generatore elettrochimico, ossia un generatore atto a generare energia elettrica tramite una reazione chimica. The present invention relates to an electrochemical generator, ie a generator suitable for generating electrical energy by means of a chemical reaction.
Sono noti generatori elettrochimici, generalmente denominati pile, nei quali una coppia di elettrodi costituiti da due diversi materiali elettricamente conduttori sono immersi in una soluzione elettrolitica, ad esempio una soluzione acida, o salina, cioè in una soluzione contenente ioni liberi. Electrochemical generators are known, generally called batteries, in which a pair of electrodes made up of two different electrically conducting materials are immersed in an electrolytic solution, for example an acid or saline solution, that is, in a solution containing free ions.
Tra i due elettrodi e la soluzione elettrolitica avvengono reazioni di ossido-riduzione, con generazione di tensione tra i due elettrodi. Redox reactions occur between the two electrodes and the electrolytic solution, generating voltage between the two electrodes.
Nei generatori elettrochimici noti, si verificano dei fenomeni chimico-fisici, che, nel tempo, riducono l'efficienza del generatore, fino a renderlo inutilizzabile. Questi fenomeni comprendono, ad esempio, la polarizzazione degli elettrodi e la progressiva riduzione degli ioni in soluzione. In known electrochemical generators, chemical-physical phenomena occur which, over time, reduce the efficiency of the generator, until it becomes unusable. These phenomena include, for example, the polarization of the electrodes and the progressive reduction of ions in solution.
Scopo della presente invenzione è di fornire un generatore elettrochimico, che abbia una durata di vita molto maggiore dei generatori elettrochimici noti. The object of the present invention is to provide an electrochemical generator, which has a much longer life than the known electrochemical generators.
Un ulteriore scopo della presente invenzione è di fornire un generatore elettrochimico che sia utilizzabile per realizzare impianti di produzione di energia atti a sfruttare l'energia del moto ondoso del mare, o delle sue correnti. A further object of the present invention is to provide an electrochemical generator that can be used to create energy production plants suitable for exploiting the energy of the wave motion of the sea, or of its currents.
Secondo la presente invenzione, i suddetti scopi vengono raggiunti con un generatore elettrochimico secondo la rivendicazione 1. According to the present invention, the above objects are achieved with an electrochemical generator according to claim 1.
L'inventore della presente domanda ha scoperto che facendo circolare l'elettrolita all'interno del generatore ed eventualmente garantendo un ricambio dell'elettrolita, la durata di vita del generatore aumenta in modo sorprendente, fino a molte volte la durata dei generatori noti dallo stato della tecnica. The inventor of the present application has discovered that by circulating the electrolyte inside the generator and possibly ensuring a replacement of the electrolyte, the life span of the generator increases in a surprising way, up to many times the life of the generators known from the state. of the technique.
L'invenzione sarà descritta nel seguito, con riferimento ai disegni allegati in cui: The invention will be described below, with reference to the attached drawings in which:
Figura 1 è una raffigurazione schematica di un primo esempio di attuazione di un generatore elettrochimico secondo 1'invenzione; Figure 1 is a schematic representation of a first example of embodiment of an electrochemical generator according to the invention;
Figura 2 è una raffigurazione schematica di un secondo esempio di attuazione di un generatore elettrochimico secondo l'invenzione; Figure 2 is a schematic representation of a second example of embodiment of an electrochemical generator according to the invention;
Figura 3 è una raffigurazione schematica di un terzo esempio di attuazione di un generatore elettrochimico secondo 1'invenzione; Figure 3 is a schematic representation of a third example of embodiment of an electrochemical generator according to the invention;
Figura 4 è una raffigurazione schematica di un quarto esempio di attuazione di un generatore elettrochimico secondo l'invenzione. Figure 4 is a schematic representation of a fourth example of embodiment of an electrochemical generator according to the invention.
Nella figura 1 è illustrato un primo esempio di attuazione di un generatore elettrochimico secondo l'invenzione. Figure 1 illustrates a first example of embodiment of an electrochemical generator according to the invention.
Il generatore 1 comprende un contenitore 2, in materiale elettricamente isolante, all'interno del quale sono disposti un primo elettrodo 4, realizzato in materiale elettricamente conduttore, che funge da catodo, cioè da elettrodo positivo del generatore 1, e un secondo elettrodo 5, realizzato in materiale elettricamente conduttore, desinato a fungere da anodo, cioè da elettrodo negativo del generatore 1. Ad esempio, l'anodo può essere realizzato con zinco e il catodo con rame. Altri materiali elettricamente conduttori utilizzabili per realizzare gli elettrodi 4 e 5 sono, per esempio, grafite, nichel, litio, alluminio, cadmio, ferro, cobalto, argento, acciaio inox. The generator 1 comprises a container 2, made of electrically insulating material, inside which are arranged a first electrode 4, made of electrically conductive material, which acts as a cathode, i.e. as a positive electrode of the generator 1, and a second electrode 5, made of electrically conductive material, intended to act as an anode, ie as a negative electrode of generator 1. For example, the anode can be made with zinc and the cathode with copper. Other electrically conductive materials that can be used to make electrodes 4 and 5 are, for example, graphite, nickel, lithium, aluminum, cadmium, iron, cobalt, silver, stainless steel.
Ad esempio, è possibile realizzare l'anodo in acciaio inox e il catodo in rame, oppure l'anodo in zinco e il catodo in grafite. For example, it is possible to make the anode in stainless steel and the cathode in copper, or the anode in zinc and the cathode in graphite.
Il contenitore 2 è riempito con una soluzione elettrolitica, ad esempio una soluzione acquosa di cloruro di sodio, o una soluzione acquosa di un acido, quali, ad esempio acido cloridrico o acido solforico, o comunque, una soluzione contenente ioni. La soluzione acquosa di cloruro di sodio è particolarmente preferibile, in quanto non presenta rischi di inquinamento e di tossicità, se, in caso di rottura del contenitore 2, viene dispersa nell'ambiente esterno. The container 2 is filled with an electrolytic solution, for example an aqueous solution of sodium chloride, or an aqueous solution of an acid, such as, for example, hydrochloric acid or sulfuric acid, or in any case, a solution containing ions. The aqueous sodium chloride solution is particularly preferable, since it does not present any pollution and toxicity risks, if, in case of rupture of the container 2, it is dispersed in the external environment.
Al contenitore 2 sono associati dei mezzi di circolazione atti a far circolare l'elettrolita all'interno del contenitore 2. In questo esempio di attuazione, i mezzi di circolazione comprendono un dispositivo agitatore 6, ad esempio una girante 7, immersa nella soluzione elettrolitica 3, che viene posta in rotazione intorno ad un asse di rotazione 8 tramite un motore, non raffigurato. Nella Figura I la freccia F indica, a puro titolo di esempio, il verso di rotazione della girante 7. Associated with the container 2 are circulation means suitable for circulating the electrolyte inside the container 2. In this embodiment, the circulation means comprise a stirring device 6, for example an impeller 7, immersed in the electrolytic solution 3 , which is rotated around a rotation axis 8 by means of a motor, not shown. In Figure I the arrow F indicates, purely by way of example, the direction of rotation of the impeller 7.
Azionando la girante 7 si determina una circolazione dell'elettrolita 3 nel contenitore 2. By activating the impeller 7, a circulation of the electrolyte 3 in the container 2 is determined.
L'inventore della presente domanda ha scoperto che questa circolazione della soluzione elettrolitica 3, determina un considerevole aumento della durata di vita del generatore 1, rispetto ai generatori noti dallo stato della tecnica, come sarà spiegato meglio nel seguito. The inventor of the present application has discovered that this circulation of the electrolytic solution 3 determines a considerable increase in the life span of the generator 1, with respect to the generators known from the state of the art, as will be better explained below.
Nella Figura 2 è illustrato un secondo esempio di attuazione di un generatore 1 secondo l'invenzione. In questo esempio di attuazione la circolazione della soluzione elettrolitica 3 nel contenitore 2 è ottenuta collegando il contenitore 2, tramite un primo condotto 9, con una pompa 10, ad esempio una pompa centrifuga, che è connessa, tramite un condotto di aspirazione 13, ad un serbatoio 12, contenente la soluzione elettrolitica 3. Figure 2 illustrates a second example of embodiment of a generator 1 according to the invention. In this embodiment, the circulation of the electrolytic solution 3 in the container 2 is obtained by connecting the container 2, via a first duct 9, with a pump 10, for example a centrifugal pump, which is connected, via a suction duct 13, to a tank 12, containing the electrolytic solution 3.
II contenitore 2 è inoltre connesso, tramite un secondo condotto il, al serbatoio 12. Azionando la pompa 7 si realizza una circolazione della soluzione elettrolitica 3 tra il contenitore 2 e il serbatoio 9. Il serbatoio 9 garantisce inoltre la disponibilità di una quantità di soluzione elettrolitica 3 maggiore della capienza del serbatoio 2, il che contribuisce a incrementare ulteriormente la durata di funzionamento del generatore 1 secondo l'invenzione. The container 2 is also connected, via a second duct 11, to the tank 12. By activating the pump 7, a circulation of the electrolytic solution 3 is achieved between the container 2 and the tank 9. The tank 9 also ensures the availability of a quantity of solution electrolytic 3 greater than the capacity of the tank 2, which contributes to further increasing the operating duration of the generator 1 according to the invention.
Nella Figura 3 è illustrato un terzo esempio di attuazione di un generatore 1 secondo l'invenzione, nel quale l'anodo è costituito da una pluralità di primi elementi di elettrodo 4a, 4b, 4c, 4d, ad esempio a forma di piastre, separati tra loro da elementi di isolamento 19 elettricamente isolanti, e il catodo è costituito anch'esso da una pluralità di secondi elementi di elettrodo 5a, 5b, 5c, 5d, ad esempio a forma di piastre, separati tra loro da detti elementi di isolamento 19. I primi elementi di elettrodo 4a, 4b, 4c, 4d e i secondi elementi di elettrodo 5a, 5b, 5c, 5d, possono essere disposti tra loro alternati, separati da detti elementi di isolamento 19, come mostrato in Figura 3. I primi elementi di elettrodo 4a, 4b, 4c, 4d sono connessi elettricamente in parallelo al morsetto positivo del generatore l e i secondi elementi di elettrodo 5a, 5b, 5c, 5d, sono connessi elettricamente in parallelo al morsetto negativo del generatore 1. In alternativa i primi elementi di elettrodo 4a, 4b, 4c, 4d e i secondi elementi di elettrodo 5a, 5b, 5c, 5d possono essere connessi in serie ai rispetti morsetti del generatore 1 Questa struttura degli elettrodi è particolarmente compatta e semplice da disporre all'interno del contenitore 2. Figure 3 illustrates a third example of embodiment of a generator 1 according to the invention, in which the anode consists of a plurality of first electrode elements 4a, 4b, 4c, 4d, for example in the form of plates, separated from each other by electrically insulating insulating elements 19, and the cathode also consists of a plurality of second electrode elements 5a, 5b, 5c, 5d, for example in the form of plates, separated from each other by said insulating elements 19 . The first electrode elements 4a, 4b, 4c, 4d and the second electrode elements 5a, 5b, 5c, 5d, can be arranged alternately from each other, separated by said insulating elements 19, as shown in Figure 3. The first elements of electrode 4a, 4b, 4c, 4d are electrically connected in parallel to the positive terminal of the generator l and the second electrode elements 5a, 5b, 5c, 5d are electrically connected in parallel to the negative terminal of the generator 1. Alternatively, the first elements of electrode 4a, 4b, 4c, 4d and the second electrode elements 5a, 5b, 5c, 5d can be connected in series to the respective terminals of the generator 1 This structure of the electrodes is particularly compact and simple to arrange inside the container 2.
Al posto degli elettrodi, o elementi di elettrodo, a forma di piastre, è possibile realizzare gli elettrodi, o gli elementi di elettrodo, con una struttura a rete, nella quale, preferibilmente, le maglie della rete sono realizzate con un filo avvolto a spirale di detto materiale elettricamente conduttore, o con strisce tra loro intrecciate di detto materiale elettricamente conduttore. Ciò aumenta considerevolmente, a parità di ingombro, la superficie attiva degli elementi di elettrodo, cioè la superficie a contatto con la soluzione elettrolitica, determinando un considerevole aumento della capacità del generatore, a parità di dimensioni dello stesso. Instead of the electrodes, or electrode elements, in the form of plates, it is possible to make the electrodes, or the electrode elements, with a mesh structure, in which, preferably, the meshes of the mesh are made with a spiral wound wire of said electrically conductive material, or with intertwined strips of said electrically conductive material. This considerably increases, with the same overall dimensions, the active surface of the electrode elements, that is the surface in contact with the electrolytic solution, causing a considerable increase in the capacity of the generator, with the same dimensions of the same.
In alternativa, sempre per massimizzare la loro superficie attiva, è possibile realizzare gli elettrodi 4 e 5 con un sottile nastro di materiale elettricamente conduttore, dello spessore di alcuni decimi di millimetro, avvolto a spirale, con uno spazio tra spire adiacenti, nel quale circola la soluzione elettrolitica. Le spire possono essere mantenute tra loro distanziate tramite elementi distanziatori. Alternatively, again to maximize their active surface, it is possible to make electrodes 4 and 5 with a thin tape of electrically conductive material, a few tenths of a millimeter thick, wound in a spiral, with a space between adjacent coils, in which it circulates. the electrolyte solution. The coils can be kept spaced apart by means of spacer elements.
Nella Figura 3 è illustrata inoltre una variante del dispositivo agitatore 6. In questa variante, il dispositivo agitatore 6 comprende un elemento agitatore 14 a forma di pala, immerso nella soluzione elettrolitica 3. L'elemento agitatore 14 è connesso ad una slitta 15 che scorre nei due sensi lungo almeno una guida 16 fissata alla parte superiore del contenitore 2. Figure 3 also illustrates a variant of the stirrer device 6. In this variant, the stirrer device 6 comprises a stirrer element 14 in the shape of a blade, immersed in the electrolytic solution 3. The stirrer element 14 is connected to a slide 15 which slides in both directions along at least one guide 16 fixed to the upper part of the container 2.
La slitta 15 è azionata a scorrere sulla guida 16 da mezzi di azionamento, non raffigurati. Ad esempio, la slitta 15 può essere azionata a scorrere da un motore lineare. The slide 15 is driven to slide on the guide 16 by actuation means, not shown. For example, the slide 15 can be driven to slide by a linear motor.
Nella Figura 4 è illustrato un quarto esempio di attuazione di un generatore 1 secondo l'invenzione, nel quale la soluzione elettrolitica 3 è costituita da acqua di mare e il contenitore 2 è previsto per essere immerso in acqua di mare, in modo che il moto ondoso, o le correnti marine, determinino una circolazione e ricambio continuo dell'elettrolita nel contenitore 2. A questo scopo, il contenitore 2 è dotato, preferibilmente su due pareti tra loro opposte, di aperture 17, 18 attraverso le quali l'acqua di mare può entrare nel contenitore 2 e uscire da esso per effetto del moto ondoso, o della corrente. Le aperture 17 e 18 costituiscono i mezzi di circolazione dell'elettrolita 3. Il contenitore 2 sarà pertanto posizionato immerso nell'acqua di mare, nell'immediata vicinanza della battigia, preferibilmente in zone opportunamente recintate, ma aperte al moto ondoso, o alle correnti, in modo che detto moto ondoso, o dette correnti, possano determinare un ricambio e ricircolo continuo dell'elettrolita nel contenitore 2. Figure 4 illustrates a fourth example of implementation of a generator 1 according to the invention, in which the electrolytic solution 3 consists of sea water and the container 2 is designed to be immersed in sea water, so that the motion waves, or sea currents, cause a continuous circulation and exchange of the electrolyte in the container 2. For this purpose, the container 2 is equipped, preferably on two opposite walls, with openings 17, 18 through which the sea can enter the container 2 and leave it due to the effect of the wave motion or the current. The openings 17 and 18 constitute the means of circulation of the electrolyte 3. The container 2 will therefore be positioned immersed in sea water, in the immediate vicinity of the shoreline, preferably in suitably fenced areas, but open to waves or currents. , so that said wave motion, or said currents, can cause a continuous exchange and recirculation of the electrolyte in the container 2.
Questo esempio di attuazione è particolarmente vantaggioso, in quanto consente di produrre energia elettrica a costo praticamente nullo, sfruttando l'acqua di mare come elettrolita e garantendo una durata praticamente illimitata del generatore, limitata solo dal consumo del materiale dal quale è costituito l'anodo e da eventuale ossidazione del catodo, i due elettrodi 4 e 5 essendo però facilmente sostituibili, mentre l'elettrolita, costituito dall'acqua di mare, è disponibile in quantità sostanzialmente illimitate. L'inventore della presente domanda ha effettuato un test comparativo con due generatori comprendenti entrambi un contenitore 2 contenente 70 litri di soluzione elettrolitica di cloruro di sodio, un anodo costituito da un gruppo di quattro piastre metalliche di zinco di 40x40 cm collegate tra loro in serie e un catodo costituito da un gruppo di quattro piastre metalliche di rame di 40x40 cm collegate tra loro in serie. I due generatori differivano per il fatto che un primo generatore era dotato del dispositivo agitatore 6, secondo la variante illustrata in Figura 3, mentre il secondo generatore era privo del dispositivo agitatore. Entrambi i generatori erano stati collegati ad un rispettivo carico elettrico che assorbiva una potenza di 10W. This example of implementation is particularly advantageous, as it allows the production of electricity at practically no cost, using sea water as an electrolyte and ensuring a practically unlimited duration of the generator, limited only by the consumption of the material from which the anode is made. and by possible oxidation of the cathode, the two electrodes 4 and 5 being however easily replaceable, while the electrolyte, consisting of sea water, is available in substantially unlimited quantities. The inventor of the present application carried out a comparative test with two generators both comprising a container 2 containing 70 liters of sodium chloride electrolytic solution, an anode consisting of a group of four 40x40 cm zinc metal plates connected together in series and a cathode consisting of a group of four 40x40 cm copper metal plates connected together in series. The two generators differed in that a first generator was equipped with the stirrer device 6, according to the variant illustrated in Figure 3, while the second generator was without the stirrer device. Both generators were connected to a respective electrical load which absorbed a power of 10W.
E' risultato che il secondo generatore, cioè quello senza dispositivo agitatore 6 è stato in grado di alimentare il rispettivo carico solo per un periodo di circa cinque ore, mentre il primo generatore, cioè quello con il dispositivo agitatore è stato in grado di alimentare il rispettivo carico per un periodo continuato di tre mesi, al termine del quale il test è stato interrotto. Questo dimostra che creare una circolazione di elettrolita all'interno del contenitore 2 aumenta moltissimo, anche di parecchie centinaia di volte, la durata di vita del generatore 1. Ciò consente una produzione estremamente semplice ed economica di energia elettrica. Utilizzando generatori 1 secondo il quarto esempio di attuazione illustrato in Figura 4, cioè generatori 1 che utilizzano come elettrolita l'acqua di mare, è possibile pensare di realizzare impianti generatori anche di elevata potenza, con durata praticamente illimitata e costi di manutenzione estremamente bassi, riducendosi questi ultimi alla eventuale sostituzione degli elettrodi. It turned out that the second generator, i.e. the one without the stirrer device 6 was able to supply the respective load only for a period of about five hours, while the first generator, i.e. the one with the stirrer device was able to power the respective load for a continuous period of three months, after which the test was stopped. This demonstrates that creating a circulation of electrolyte inside the container 2 greatly increases, even by several hundred times, the life span of the generator 1. This allows an extremely simple and economical production of electrical energy. Using generators 1 according to the fourth example of implementation illustrated in Figure 4, i.e. generators 1 which use sea water as an electrolyte, it is possible to think of creating generator systems even of high power, with practically unlimited duration and extremely low maintenance costs, reducing the latter to the eventual replacement of the electrodes.
Claims (19)
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2011
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