ITPD20090394A1 - Elettrolizzatore a cella "nucleo-guscio" con nucleo a base di materiali dielettrici a bassa permittivita' - Google Patents

Description

TITOLO Elettrolizzatore a cella "nucleo-guscio" con nucleo a base di materiali dielettrici a bassa permettività

DESCRIZIONE

Campo dell’invenzione

L’invenzione riguarda un elettrolizzatore basato su una cella a membrana ionica con configurazione “nucleo- guscio†in grado di produrre idrogeno ad alta pressione a partire da acqua.

Stato dell’arte

Nell'attuale panorama industriale mondiale, l'idrogeno in forma gassosa à ̈ estremamente richiesto per lo svolgimento di numerosi processi fisici e chimici. Le celle elettrolitiche PEM rappresentano una delle tecnologie più promettenti che si sono affacciate sul mercato negli ultimi anni per produrre idrogeno gassoso. Le attuali celle elettrolitiche sono basate su membrane a scambio protonico. La più diffusa à ̈ a base di Nailon, un polimero acido perfluorosolfonico. Su entrambe le facce di tale membrana viene fatto aderire uno strato elettrocatalitico a base di platino, che contribuisce a formare da una parte l’elettrodo anodico e dall’altra l’elettrodo catodico. Questo assemblaggio prende il nome di MEA (membraneelectrode assembly). Attualmente, per realizzare le celle elettrolitiche convenzionali il MEA viene messo in contatto con due piastre metalliche, che fungono da collettori di corrente. Sono presenti sul mercato anche celle elettrolitiche nelle quali viene posizionata una rete metallica a maglia larga all’ interfaccia MEA - piastra metallica, in modo da favorire la circolazione di reagenti e prodotti di reazione. Queste reti a diversa porosità (macro-porose), che prendono il nome di “gas diffusion layers†, realizzano una struttura con molte cavità. Tali cavità consistono di canali pluri-ramificati la cui azione capillare garantisce un corretto trasporto sia dei reagenti che dei prodotti di reazione ottenuti dalla reazione di elettrolisi dell'acqua. Dove queste reti capillari non sono presenti, i reagenti ed i prodotti di reazione sono trasportati agli elettrodi attraverso condotti ricavati sui collettori di corrente. La produzione di idrogeno si realizza tramite processo di elettrolisi dell'acqua. Tale processo sfrutta la potenza elettrica e gli elettrocatalizzatori per far decorrere la reazione di splitting dell’acqua. Le semi-reazioni, che avvengono agli elettrodi durante il processo di elettrolisi dell'acqua, sono le seguenti:

Catodo: 2 H<t>(aq)+ 2 e<'>→ H2(g)(1)

Anodo: 2 OH<'>(aq)<→>02(g)+ 4 e<'>(2)

La reazione globale à ̈ (3):

2 H20(!)— > 2 H2(g)+ 02(g)(3)

Il processo di elettrolisi (3) produce idrogeno e ossigeno gassosi. In dettaglio, imponendo ai capi della cella di elettrolisi un AV > 1.2 V e facendo passare attraverso di essa corrente elettrica, all’anodo avviene la reazione (2), mentre al catodo avviene la reazione (1). La membrana funziona sia da separatore che da elettrolita. In questo modo, si instaura una corrente protonica tra l’anodo ed il catodo, ed i prodotti sviluppati ai due elettrodi rimangono separati. Il processo di elettrolisi avviene per tutto il tempo in cui vengono fomite sia potenza elettrica sia acqua. Un certo quantitativo di acqua proveniente dall’anodo migra al catodo assieme ai protoni (processo di elettro-permeazione dell’acqua attraverso la membrana a conduzione protonica). Così, parte dell’acqua che entra all’anodo dal raccordo di alimentazione viene eliminata per elettro-permeazione, umidificando la corrente di idrogeno gassoso prodotto al catodo. Tale dispositivo rende quindi possibile produrre idrogeno “in situ†, evitando Γ immagazzinaggio di significative quantità di gas in bombole. Lo stoccaggio deU’idrogeno richiede l’utilizzo di bombole a pressione molto elevata, generalmente 200-800 bar, che sono sottoposte a numerose ed onerose normative di sicurezza. Inoltre, anche nel caso di un consumo limitato di 3⁄4, lo stoccaggio in bombola richiede Γ installazione di serbatoi relativamente grandi. Lo stoccaggio dell’idrogeno in serbatoi presenta un ulteriore svantaggio, ossia la riduzione della pressione del gas al progredire del suo consumo (svuotamento del dispositivo). Tale situazione richiede una modulazione automatizzata dei riduttori di pressione al fine di disporre di una corrente di gas con pressione e portata stabili e costanti. Gli apparecchi che producono “in situ†idrogeno tramite elettrolisi, denominati “Generatori di idrogeno ", evitano all’ utilizzatore gli svantaggi sopra elencati. Nei generatori di idrogeno, il gas à ̈ ottenuto per reazione di splitting dell’acqua secondo il processo di elettrolisi (3). L’ossigeno che si ottiene viene disperso nell’ambiente. La necessità di produrre idrogeno ad una pressione più alta di quella atmosferica impone di costruire celle in grado di operare sotto pressione. Tale obiettivo à ̈ perseguibile se i compartimenti anodico e catodico sono chiusi ermeticamente. Le celle elettrolitiche ermetiche già proposte in letteratura richiedono l’utilizzo di reti metalliche con una elevata dimensione dei pori (reti macro porose) al fine di creare una struttura cava che permetta il trasporto dei gas e dei reagenti. L'utilizzo di tali elementi rappresenta un inconveniente, infatti in molti casi può portare alla rottura della membrana, soprattutto durante le operazioni di assemblaggio delle varie parti della cella. In particolare, quando la pressione di contatto rete metallica-membrana aumenta, i bordi dei pori della rete metallica possono danneggiare la membrana. Un secondo inconveniente riguarda l'operazione di chiusura della cella, che in genere viene effettuata con piastre metalliche elettricamente conduttive. In tal caso vi à ̈ la necessità di realizzare un efficiente isolamento elettrico delle parti meccaniche (viti, etc.) per evitare cortocircuiti tra l’anodo ed il catodo. Un ulteriore inconveniente dei dispositivi descritti sopra riguarda l’utilizzo di guarnizioni a base polimerica (siliconi, gomme, etc.), che vengono poste a diretto contatto con la membrana. L’utilizzo di questi componenti rende poco agevoli il montaggio e lo smontaggio della cella. Nelle celle per elettrolisi classiche sopra descritte, un ultimo inconveniente riguarda l’elevata probabilità che i MEA si perforino in fase di lavoro del dispositivo. In tali circostanze, le alte densità di corrente che attraversano la cella danneggiano gravemente sia le superfici dei collettori di corrente (reti metalliche) che le piastre metalliche, compromettendo così sia la planarità superficiale degli elettrodi, sia il contatto elettrico tra MEA, piastra metallica e rete metallica. Infine, il passaggio di corrente attraverso la cella produce calore per effetto Joule a causa della resistenza interna della stessa. Tale fenomeno à ̈ responsabile del riscaldamento della cella, con conseguente dissipazione di energia e riduzione della durata di vita operativa del dispositivo. Nelle celle per elettrolisi tradizionali, tali fenomeni dissipativi sono stati risolti ponendo le piastre metalliche a diretto contatto con l’ambiente esterno.

Sommario dell’invenzione

L’invenzione descrive una cella per elettrolisi di tipo “nucleo -guscio†, dove il nucleo à ̈ costituito da un blocco di materiale dielettrico che contiene una configurazione elettrodica. Tale dispositivo, rispetto alle attuali celle per elettrolisi presenti sul mercato, riduce il consumo energetico, à ̈ più sicuro ed à ̈ più resistente dal punto di vista meccanico. Il nucleo dielettrico della cella à ̈ mostrato nella rappresentazione esplosa di Fig. 2a e consiste delle seguenti parti: 10, 13) O-Ring; 11, 14) guarnizione in Teflon a sezione rettangolare; 12, 15) guarnizione a sezione rettangolare; 16, 17) parte circolare di materiale dielettrico. È cruciale che la struttura del nucleo sia basata su materiali dielettrici con le seguenti caratteristiche: a) costante dielettrica pari o inferiore a jjj§§ a 25°C e 1 kH§§|i|§j conducibilità termica |3⁄4f§jl||si iaplH 1 W-(m-K)<'1>. Il nucleo della cella à ̈ costituito da materiale dielettrico con l’obiettivo di: a) risolvere i problemi prima descritti e riscontrati di frequente nelle celle convenzionali; b) garantire l’isolamento elettrico tra gli elettrodi; c) realizzare una buona tenuta della pressione in cella attraverso la chiusura ermetica effettuata dal guscio. I materiali più adatti per la realizzazione del nucleo della cella includono il politetrafluoroetilene (PTFE), il polipropilene (PP), i materiali ceramici, i materiali ibridi inorganico-organici ed altri. L’uso di una configurazione elettrodica inclusa all’ interno di un blocco di materiale dielettrico presenta ulteriori vantaggi, tra cui: a) la limitazione di eventuali dissipazioni elettriche; b) il mantenimento della cella all’equilibrio termico, evitando la dissipazione nell’ambiente esterno dell’energia termica che à ̈ stata prodotta dalle elevate densità di corrente esistenti tra gli elettrodi. L’immagazzinamento di tale energia termica migliora l’attività catalitica del materiale elettrodico e l’efficienza di cella. Ciò porta ad una marcata diminuzione della resistenza elettrica globale del sistema e ad un significativo aumento dell’efficienza dell’intero dispositivo. Inoltre, l’isolamento elettrico della configurazione elettrodica della cella diminuisce la probabilità di cortocircuitare i collettori di corrente sia in fase di assemblaggio sia in fase di lavoro del sistema. Il guscio (involucro esterno) proposto in questa invenzione ha una funzione prettamente strutturale. Infatti, esso serve per sigillare il nucleo ed evitare così possibili perdite di reagenti e prodotti. Grazie alla tenuta del nucleo, garantita dal guscio, à ̈ possibile raggiungere pressioni di gas pari a 20 barg. Si deve segnalare che il guscio funge anche da supporto per i raccordi PAI e PA2 di Fig. 3a e IC1 di Fig. 3b. I raccordi PAI, PA2 e IC1 consentono rispettivamente: a) l’ingresso dell’acqua; b) l’uscita dell’ossigeno e dell’acqua; c) l’uscita dell’idrogeno e dell’acqua. L’introduzione di una cella a nucleo dielettrico porta anche dei cospicui vantaggi sia in termini economici sia in termini tecnici nel caso di guasti. Infatti, in caso di rottura della membrana il nucleo evita che il guscio venga danneggiato. In definitiva, la cella nucleo-guscio a comparti offre la possibilità di sostituire solo la parte danneggiata, abbattendo così i costi di riparazione. Un ulteriore elemento di novità della cella qui proposta à ̈ costituito dall’utilizzo di collettori di corrente basati su tessuto metallico di titanio (vedi 4, 5 in Fig. la). Tale componente, che sostituisce le reti di titanio comunemente utilizzate nelle celle convenzionali, garantisce un buon contatto elettrico tra Γ elettrocatalizzatore e l’elettronica di controllo, migliorando il trasporto di reagenti e prodotti da e verso i siti attivi dell’ elettrocatalizzatore. Il buon funzionamento di quest’ultimo componente à ̈ dovuto alla porosità del tessuto di titanio, che à ̈ pari circa all’80%. Infine, nella cella oggeto della presente invenzione sono stati eliminati i contati tra la membrana a scambio ionico e le guarnizioni a tenuta, risolvendo i problemi illustrati in precedenza. In conclusione, l’utilizzo della cella a nucleo dielettrico dotata delle carateristiche geometriche prima descrite ha permesso una netta separazione tra il MEA ed il comparto isolante, facilitando così la manutenzione del dispositivo.

Descrizione dell’invenzione

L’innovazione della cella elettrolitica à ̈ rappresentata dalla presenza di un nucleo di materiale dielettrico che contiene la configurazione elettrodica (alloggiamento della membrana) costituita da due collettori di corrente e da una membrana a conducibilità ionica. Tale configurazione à ̈ mostrata in Fig. 1, mentre una sua rappresentazione esplosa à ̈ mostrata in Fig. la. Al centro del sistema si ha la membrana polimerica a scambio ionico (Fig. la - 1) sulle cui facce sono stati depositati l’elettrodo anodico (Fig. la - 2) e l’elettrodo catodico (Fig. la - 3). Su entrambi i lati della membrana viene posizionato il tessuto metallico microporoso di titanio (Fig. la - 4, 5) ed il tutto viene racchiuso tra due piastre metalliche (anodica, Fig. la - 6 e catodica, Fig. la - 7). I tessuti di titanio e le piastre fungono da collettori di corrente. L’utilizzo delle reti metalliche microporose ha un duplice scopo: a) creare su tutta l’area degli elettrodi una struttura capillare, atta al trasporto dei reagenti e dei prodotti coinvolti nella reazione di splitting dell’acqua; b) garantire il contato elettrico tra l’elettrodo e la piastra metallica, otimizzando l’adesione elettrodo-piastra metallica all’interfaccia. Le piastre metalliche (Fig. 4 - 6, 7 ) hanno la duplice funzione di: a) colletori di corrente; e b) modulatori dei flussi entranti e uscenti dalla cella eletrolitica. La distribuzione dei reagenti e dei prodotti da e verso i siti ativi à ̈ otimizzata realizzando su una delle facce di queste piastre opportuni canali, che possono essere modulati sia in quantità sia in dimensione. Sulla piastra anodica i canali (Fig. 4 - 6) sono più numerosi rispeto a quelli presenti sulla piastra catodica (Fig. 4 - 7) a causa del flusso d’acqua in entrata all’anodo. I detagli geometrici dei canali, realizzati sulle piastre metalliche anodiche e catodiche, sono mostrati rispetivamente in Fig. 4a ed in Fig. 4b. L’assemblaggio della membrana si completa avvitando su entrambe le piastre metalliche un grano (Fig. la - 8, 9) che permete di collegare la piastra all’alimentazione elettrica esterna. La configurazione elettrodica assemblata viene quindi inserita all’interno del nucleo (Fig. 2). La sezione anodica del nucleo à ̈ formata da un O-Ring (Fig. 2a - 10) , una guarnizione di Teflon a sezione rettangolare (Fig. 2a - 11), una guarnizione a sezione rettangolare in gomma (Fig. 2a - 12) e da un componente circolare di materiale dielettrico (Fig. 2a - 16). Sul componente 16 di Fig. 2a sono presenti tre fori (Fig. 2 - Fori Al, A2, A3). Il foro Al permette di alimentare il MEA con acqua. Il foro A2 permette la fuoriuscita dell’acqua in eccesso e dell’ossigeno formatosi durante il processo di elettrolisi. Infine, il foro A3 consente al grano, avvitato sulla piastra metallica anodica, di attraversare il componente dielettrico. La sezione catodica del comparto isolante à ̈ formata da un O-Ring (Fig. 2a - 13), ima guarnizione di Teflon a sezione rettangolare (Fig. 2a - 14), una guarnizione a sezione rettangolare in gomma (Fig. 2a - 15) e un componente circolare di materiale dielettrico (Fig. 2a - 17). Sul componente 17 di Fig. 2a sono presenti due fori (Fig. 2a - Fori Cl, C2). Il foro CI permette la fuoriuscita dell’idrogeno gassoso prodotto e dell’acqua elettropermeata attraverso la membrana durante il processo di elettrolisi. Il foro C2 permette al grano, avvitato sulla piastra metallica catodica, di attraversare il componente dielettrico. Tutte le guarnizioni presenti nel nucleo di Fig. 2a servono a realizzare la tenuta in pressione del nucleo, evitando la fuoriuscita dalla cella di acqua, ossigeno ed idrogeno. Tale configurazione ha permesso di raggiungere pressioni di idrogeno fino a 20 bar senza alcuno sfiato di gas. Le guarnizioni di Teflon (Fig. 2a - 11, 14) evitano che le guarnizioni a sezione rettangolare (Fig. 2a - 12, 15) aderiscano al MEA (Fig. la - 1). Infatti, le guarnizioni assicurano un perfetto isolamento all’interfaccia e nel caso di manutenzione straordinaria della cella rendono semplice la rimozione della configurazione elettrodica e della membrana dal nucleo. Si ribadisce che il nucleo descritto sopra esercita la duplice funzione di isolante termico e di isolante elettrico. La bassa costante termica del materiale con cui à ̈ costruito il nucleo (Î ̄3⁄4®1ÏŠÏ 13⁄4|Î ̄|Î ̄|3⁄4Î ̄<ι>3⁄4Î ̄Î ̄ 1 W (mK)<'1>), consente di recuperare gran parte dell’energia termica sviluppata durante il processo di elettrolisi dell’acqua aH’intemo della cella. Tale energia termica viene trasferita al MEA ed all’ acqua presente in cella innalzando la temperatura interna della configurazione elettrodica e migliorando in modo significativo l’attività catalitica dell’elettrocatalizzatore. In questo modo si ottiene una diminuzione della resistenza ohmica della cella di elettrolisi ed un miglioramento dell’efficienza di cella. Inoltre, il riscaldamento del MEA e dell’acqua aumenta le costanti cinetiche delle reazioni elettrochimiche sia di riduzione (1) sia di ossidazione (2), migliorando significativamente le prestazioni del dispositivo. L’utilizzo di materiali a costante dielettrica pari o inferiore a β (a 25 °C e a 1 kHz) permette di ottenere nuclei perfettamente isolati dal punto di vista elettrico. Quindi, l’uso di un nucleo elettricamente isolato, come quello qui descritto, elimina ogni possibilità di dispersione accidentale di corrente elettrica nella cella sia in fase di lavoro sia in fase di montaggio. Infatti, nel dispositivo qui proposto, le piastre metalliche sono inserite all’interno del nucleo e non sono a contatto con l’ambiente esterno come accade per le celle ad elettrolisi classiche. In conclusione, la configurazione elettrodica dell’invenzione qui descritta à ̈ isolata dall’ambiente esterno sia termicamente sia elettricamente. L’alimentazione elettrica della cella viene effettuata attraverso i grani, che sono avvitati sulle piastre metalliche (Fig. la - 8, 9) e che sono collegati all’ elettronica di controllo del dispositivo attraverso cavi di potenza. Il nucleo (Fig. 2), che contiene l’alloggiamento della membrana (Fig. 1), viene infine inserito nel guscio (Fig. 3). Il guscio, che consente di realizzare le necessarie tenute meccaniche della cella, si divide in due sezioni: a) sezione anodica (Fig. 3 - 18); b) sezione catodica (Fig. 3 - 19). La sezione anodica à ̈ composta di tre componenti: 1) una ghiera circolare (Fig. 3a - 20); 2) un disco metallico (Fig. 3a - 21); e 3) una rondella metallica (Fig. 3a - 22). Il disco metallico (Fig. 3a - 21) à ̈ avvitato sulla ghiera circolare (Fig. 3a - 20). La ghiera circolare à ̈ caratterizzata dalla presenza di otto fori passanti (Fig. 3 a - 23) per l’alloggiamento delle viti di chiusura della cella elettrolitica. Sulla ghiera circolare sono presenti due ulteriori fori filettati passanti (Fig. 3a - Foro 24, 25) allineati con quelli del nucleo (Fig. 2a - Foro Al, A2). Su uno dei fori della ghiera circolare (Fig. 3a - Foro 24) viene avvitato un bocchettone porta gomma (Fig. 3a - PAI) munito di O-Ring a tenuta (Fig. 3a -26). Tale bocchettone permette di alimentare il nucleo della cella elettrolitica con acqua. Sull’altro foro della ghiera circolare (Fig. 3 a - Foro 25) viene avvitato un bocchettone porta gomma (Fig. 3a - PA2) munito di O-Ring a tenuta (Fig. 3a - 27). Tale bocchettone permette la fuoriuscita dal nucleo della cella dell’acqua in eccesso e dell’ossigeno prodotto. La rondella metallica (Fig. 3a - 22) viene inserita attorno al grano (Fig. la - 8) che à ̈ avvitato sulla piastra metallica anodica. Anche la struttura di supporto catodica à ̈ composta da tre componenti: 1) una ghiera circolare (Fig. 3b - 28); 2) un disco metallico (Fig. 3b - 29); e 3) una rondella metallica (Fig. 3b - 30). Il disco metallico (Fig. 3b - 29) à ̈ avvitato sulla ghiera circolare (Fig. 3b - 28). Sulla ghiera circolare sono presenti otto fori filettati (Fig. 3b - 31) che servono a fissare le viti di chiusura della cella. In tale ghiera (Fig. 3b - 28), à ̈ presente un foro passante filettato (Fig. 3b - Foro 32) che à ̈ allineato con quello del nucleo (Fig. 2a - Foro Cl). Il foro filettato serve ad avvitare un bocchettone (Fig. 3b - IC1) munito di un innesto rapido (Fig. 3b - IC2) e di un O-Ring a tenuta (Fig. 3b - 33). Tale bocchettone permette l’uscita dal nucleo della cella dell’idrogeno gassoso prodotto e dell’acqua elettro -permeata attraverso la membrana. La rondella metallica di Fig. 3b - 30 viene inserita attorno al grano di Fig. la - 9 che à ̈ avvitato sulla piastra metallica catodica. Le sezioni, anodica e catodica, vengono quindi fissate tra loro attraverso otto viti che passano attraverso i fori passanti mostrati in Fig. 3a - 26 e si fissano sui fori filettati di Fig. 3b - 31. Il serraggio di queste viti completa la chiusura ermetica della cella, assicurando la tenuta stagna del dispositivo. Il montaggio di un ME A in una configurazione elettrodica inserita all’interno di un nucleo di materiale dielettrico evita, in fase di chiusura, Γ isolamento delle viti di serraggio. Infatti, nella cella della presente invenzione i collettori di corrente non vengono mai a contatto con le strutture metalliche del supporto. In definitiva la cella di elettrolisi descritta in questa proposta di invenzione à ̈ il risultato dell’assemblaggio di tre sezioni principali: a) l’alloggiamento del MEA (Fig. 1); b) il nucleo (Fig. 2); e c) il guscio (Fig. 3). Tale configurazione à ̈ molto flessibile: nel caso in cui una delle parti della cella si rompa, à ̈ facile sostituirla e recuperare le altre componenti. La rottura della membrana à ̈ la causa principale di malfunzionamento delle celle per elettrolisi. Solitamente il danno resta circoscritto alla membrana e/o alle componenti a contatto con quest’ultima. In lai caso, per risolvere i problemi della cella qui proposta, à ̈ sufficiente sostituire l’alloggiamento della membrana e recuperare il blocco dielettrico ed il guscio. Nel caso in cui si registri il danneggiamento dei materiali dielettrici si può comunque recuperare il guscio. Quindi, la cella oggetto della presente invenzione permette di effettuare riparazioni mirate e poco costose, limitando il tempo ed i costi dell’ assistenza tecnica. La cella di elettrolisi sopra descritta à ̈ il centro di un dispositivo più complesso, costituito da un insieme di sezioni che servono a far funzionare in modo ottimale la cella. Il sistema che comprende la cella e tutte le sezioni per la modulazione dei flussi e per il controllo dei parametri della macchina prende il nome di “Generatore di idrogeno†. In Fig. 5 à ̈ mostrato uno schema a blocchi di un generatore di idrogeno. Il dispositivo à ̈ composto da sette blocchi: le celle di elettrolisi (blocco A); il serbatoio di alimentazione dell’acqua (blocco B); Tinsieme dei dispositivi di separazione gas/liquido (blocco C); l’insieme dei sensori di controllo (blocco D); il sistema per la gestione dei flussi (blocco E); le colonne di purificazione (blocco F); l’elettronica di controllo e visualizzazione (blocco G). Il blocco A include le celle di elettrolisi. Il numero di celle presenti all’interno del generatore di idrogeno dipende dalla portata finale dell’idrogeno che si intende produrre. Le celle di elettrolisi vengono alimentate con acqua purissima, proveniente dal serbatoio di alimentazione presente all’interno della macchina. Il blocco B comprende il serbatoio di alimentazione dell’acqua e tutti i tubi per rifornire le celle del blocco A. Il blocco C racchiude i seguenti tre separatori gas/liquido: a) il sistema per la separazione acqua/ossigeno; e b) i due dispositivi per la separazione acqua/idrogeno. Durante il funzionamento, all’anodo si produce ossigeno. L’ossigeno gassoso prodotto e l’acqua liquida in eccesso vengono mandati al separatore gas/liquido. In genere l’ossigeno viene disperso nell’ambiente, mentre l’acqua viene riciclata nel serbatoio di alimentazione. Al catodo si ha sia la produzione di idrogeno sia l’accumulo di acqua elettropermeata attraverso la membrana a scambio ionico. Il flusso catodico viene condotto all’interno di un separatore gas/liquido che ha il compito di separare l’idrogeno gassoso dall’acqua liquida. Tale separatore, che funziona ad alta pressione, à ̈ equipaggiato con un galleggiante che permette lo spurgo in automatico dell’acqua. Tale spurgo à ̈ realizzato grazie alla pressione dell’idrogeno e non compromette la stabilità della pressione del sistema. L’acqua ottenuta viene ulteriormente degassata dall’idrogeno in un altro separatore gas/liquido. Il gas prodotto da questi due ultimi processi di degassazione viene rilasciato nell’ambiente esterno, mentre l’acqua viene riciclata e reintrodotta nel serbatoio di alimentazione nel blocco B. L’idrogeno ad alta pressione in uscita dal separatore gas/liquido viene inviato al blocco E, che comprende anche l’insieme delle elettrovalvole e dei rispettivi dispositivi per la gestione dei parametri di flusso del gas prodotto. L’idrogeno in uscita dal blocco E viene introdotto nelle colonne di purificazione che costituiscono il blocco F. Tali colonne sono basate su miscele anidrificanti come setacci molecolari, catalizzatori, gel di silice, zeoliti, ecc... che sono in grado di effettuare una efficiente purificazione e disidratazione dell’idrogeno. La rigenerazione delle colonne di purificazione avviene in automatico: mentre una colonna lavora, l’altra viene riscaldata per far evaporare i componenti trattenuti durante il processo di purificazione. In questo modo la macchina può lavorare in continuo, evitando pause ed interventi di manutenzione per la rigenerazione delle colonne di purificazione. L’idrogeno purificato ritorna nel blocco E per poi essere direzionato alla pressione desiderata dall’utenza all’uscita del generatore. I blocchi D e G gestiscono il funzionamento di tutto il generatore. Il blocco D à ̈ composto dai sensori atti a monitorare: a) la pressione interna dei gas e dei liquidi; b) la pressione in uscita del gas; c) la temperatura delle colonne di purificazione; e d) la purezza ed il livello dell’acqua. I dati rilevati dai sensori sono inviati alla scheda elettronica inclusa nel blocco G, che elabora i segnali in ingresso e modula la produzione di idrogeno a seconda delle impostazioni predisposte dall’utente. Inoltre, la scheda elettronica gestisce: a) le elettrovalvole; b) le ventole di raffreddamento, e c) la portata dell’alimentazione dell’acqua. La scheda à ̈ collegata ad un display grafico che permette di impostare e visualizzare i parametri di gestione del dispositivo. La scheda elettronica ed il display costituiscono il blocco G. La funzionalità simultanea e correlata dei blocchi D ed E permette di rilevare le possibili anomalie che possono verificarsi nella macchina, avvertendo l’utente tramite segnali acustici, o visivi montati sul display. Nel caso in cui vengano rilevate gravi anomalie, la macchina si arresta in automatico immediatamente, garantendo così un elevato grado di sicurezza nei locali in cui essa à ̈ installata.

Breve descrizione delle figure

Fig. 1. Configurazione elettrodica mostrante l’alloggiamento della membrana.

Fig. la. Esploso dell’ alloggiamento della membrana.

Fig. 2. Schema del nucleo basato su materiali dielettrici. All’ interno del nucleo dielettrico à ̈ inserita la configurazione elettrodica.

Fig. 2a. Schema della rappresentazione esplosa del nucleo.

Fig. 3. Schema del guscio della cella.

Fig. 3a. Schema che mostra una rappresentazione esplosa della sezione anodica del guscio. Fig. 3b. Schema che mostra una rappresentazione esplosa della sezione catodica del guscio. Fig. 4. Rappresentazione delle piastre metalliche anodiche (6) e catodiche (7).

Fig. 4a. Dettaglio della struttura dei canali presenti sulla piastra metallica anodica.

Fig. 4b. Dettaglio della struttura dei canali presenti sulla piastra metallica catodica.

Fig. 5. Schema a blocchi del generatore di idrogeno.

Claims (21)

1. TITOLO Elettrolizzatore a cella "nucleo-guscio" con nucleo a base di materiali dielettrici a bassa permettività Rivendicazioni 1. Un elettrolizzatore basato su di una cella “nucleo-guscio†per la conversione di energia elettrica in idrogeno.
2. 2. Un elettrolizzatore come al punto 1 dove la cella nucleo-guscio consiste di tre componenti principali: a) il “nucleo†della cella, basato su di un materiale altamente dielettrico che contiene al suo interno la configurazione elettrodica; e b) il “guscio†che avvolge il nucleo dielettrico e garantisce la tenuta della cella.
3. 3. Una cella come al punto 1 e 2 dove il nucleo à ̈ basato su di un materiale dielettrico avente le seguenti proprietà: a) una permittività a 25°C e 1 kHz inferiore a 2J8; eb) un coefficiente di trasferimento termico compresotra0,2 ed 1S· W-(m-K)<'1>.
4. 4. Una cella come al punto 1 e 2 dove il guscio che racchiude il nucleo dielettrico à ̈ costituito da una struttura metallica, ceramica o polimerica in grado di chiudere ermeticamente il nucleo della cella in modo che la camera del blocco dielettrico, che contiene la configurazione elettrodica, possa rimanere ad alta pressione senza perdite di gas.
5. 5. Una cella come al punto 1, 2, e 3 dove il nucleo dielettrico à ̈ costituito da qualsiasi tipo di materiale polimerico, ceramico composito o ibrido inorganico-organico.
6. 6. Una cella come al punto 1, 2 e 4 dove il guscio à ̈ costituito da qualsiasi tipo di materiale metallico (acciaio, Ti, leghe metalliche di Ni, Cu, Mn, Au, Ag ed altri) o da materiali ceramici, polimerici, compositi, ibridi inorganico-organici in grado di fornire una gabbia per il nucleo dielettrico; il materialedeve presentare un modulo di maggiore di 50g un modulodi scorrimento maggiore di 18i gpaed modulo di
7. 7. Un nucleo come al punto 1, 2 e 3 dove la camera interna contiene una configurazione elettrodica costituita da due collettori di corrente e da un assemblaggio membranaelettrodo.
8. 8. Una configurazione elettrodica come ai punti 1, 2, 3 e 7 dove i collettori di corrente anodici e catodici sono costituiti da reti, piastre, tessuti o spugne metalliche a base di Ti, Ni, Au, Pt ed altri.
9. 9. Un guscio metallico come nel punto 6 che funge da supporto per i raccordi che consentono: a) l’ingresso dell’acqua; b) l’uscita dell’ossigeno e dell’acqua; e c) l’uscita dell’idrogeno e dell’acqua.
10. 10. Una configurazione elettrodica come ai punti 1, 2, 3, 7 e 8 dove i collettori di corrente a base di reti, piastre, tessuti o spugne metalliche a base di Ti, Ni, Au, Pt ed altri, che sono a contatto con il ME A, vengono supportati su piastre metalliche.
11. 11. Una configurazione elettrodica come al punto 10 dove le piastre metalliche hanno la duplice funzione di: a) collettori di corrente; e b) sistemi di modulazione dei flussi entranti ed uscenti dalla cella.
12. 12. Le piastre collettrici di corrente del punto 11 che ottimizzano il trasporto di reagenti e prodotti al MEA attraverso opportuni canali. I canali sono creati sulla superficie delle piastre e sono più densi sulla piastra anodica.
13. 13. Cella come ai punti 1, 2 e 3 dove il contatto elettrico del MEA con i dispositivi esterni alla cella elettrolitica dell’ elettrolizzai ore à ̈ effettuato mediante opportuni grani che, dopo aver attraversato il nucleo dielettrico incluso nel guscio, vengono avvitati sulla piastra metallica elettrodica.
14. 14. Elettrolizzatore costituito dalla cella descritta nei punti 1, 2 e 3 che à ̈ alimentata con l’acqua fornita dal serbatoio del blocco B di Fig. 5.
15. 15. Elettrolizzatore costituito dalla cella descritta nei punti 1, 2 e 3 dove i gas prodotti per reazione di splitting dell’acqua vengono purificati da separatori gas/liquido inclusi nel blocco C di Fig. 5.
16. 16. Elettrolizzatore costituito dalla cella descritta nei punti 1, 2 e 3 dove l’acqua ottenuta per trattamento della corrente gassosa di ossigeno nei separatori gas/liquido viene riciclata nel serbatoio di acqua del punto 14.
17. 17. Elettrolizzatore costituito dalla cella descritta nei punti 1, 2 e 3 dove l’acqua presente nel flusso catodico di idrogeno à ̈ isolata dal gas da un separatore gas/liquido ad alta pressione equipaggiato con un galleggiante. Tale sistema permette lo spurgo in automatico dell’acqua senza alterare la stabilità delle pressioni del sistema.
18. 18. Elettrolizzatore costituito dalla cella descritta nei punti 1, 2 e 3 dove l’idrogeno ad alta pressione in uscita dal separatore gas/liquido viene anidrifìcato su colonne. Le colonne sono costituite da materiali disidratanti tipo setacci molecolari, catalizzatori, gel di silice, zeoliti ed altri.
19. 19. Elettrolizzatore costituito dalla cella descritta nei punti 1, 2 e 3 dove le colonne anidrificanti dei gas sono rigenerate in automatico come segue: mentre una colonna lavora, l’altra viene rigenerata per riscaldamento.
20. 20. Elettrolizzatore costituito dalla cella descritta nei punti 1, 2 e 3 dove la funzionalità della cella viene monitorata da un insieme di sensori presenti nel blocco D di Fig. 5. 1 sensori servono per misurare: a) la pressione interna dei gas e dei liquidi; b) la pressione esterna del gas; c) la temperatura della colonna di purificazione; e d) la purezza ed il livello dell’acqua.
21. 21. Elettrolizzatore costituito dalla cella descritta nei punti 1, 2 e 3 dove il monitoraggio dei parametri funzionali del dispositivo e la loro visualizzazione e gestione à ̈ realizzata mediante un’opportuna scheda elettronica collegata ad un display grafico (blocco D e G) di Fig. 5.