IT202000008329A1

IT202000008329A1 - Alimentatore elettrico per cella elettrolitica

Info

Publication number: IT202000008329A1
Application number: IT102020000008329A
Authority: IT
Inventors: Andreas Hummer; Aldo Masotti
Original assignee: Acca Ind S R L
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2021-12-09
Also published as: EP4162098A1; WO2021250590A1

Description

ALIMENTATORE ELETTRICO PER CELLA ELETTROLITICA

SCOPO DELL?INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce a un alimentatore elettrico per celle elettrolitiche impiegate in vari settori industriali per i quali sia utile scindere l?acqua nei gas idrogeno e ossigeno. L?alimentatore ha lo scopo di ridurre il consumo di energia di almeno il 10% rispetto ai valori commerciali attuali (250 ? 280 watts per LPM) e avvicinandosi al teorico limite di Faraday di 146 watt per litro minuto e a superare i problemi di peso rispetto agli alimentatori elettrici dotati di trasformatori aventi bobine con avvolgimento di rame e dielettrico metallico, denominato lamierino che, essendo sostanzialmente ferro aumentano considerevolmente il peso.

STATO DELL?ARTE

Gli alimentatori elettrici noti utilizzati per questo tipo di celle elettrolitiche sono divisi in due categorie principali.

Una prima categoria riguarda gli alimentatori elettronici che operano in modo analogo a un motore elettrico in modalit? PWM. In modo pi? dettagliato tali alimentatori sono configurati con un?elettronica che utilizza il metodo della nota Pulse width modulation (PWM).

La seconda categoria riguarda dei trasformatori dalla corrente alternata monofase o trifase agganciando la cella a valle di diodi o su una sola fase o su tutte o su un ponte a diodi. In modo pi? dettagliato tali alimentatori sono configurati come un normale trasformatore nell?accezione di macchina elettrica statica a corrente alternata reversibile.

DESCRIZIONE DELL?INVENZIONE

L?invenzione consiste nell?utilizzo dell?induzione magnetica per alimentare una cella elettrolitica trasformando il lato cella in un circuito equivalente RLC con la possibilit? di essere mandato in risonanza avendo cos? la possibilit? di ridurre il consumo di energia di nelle stesse misura di guadagno osservabili fra un circuito risonante ed uno non risonante, il guadagno dipende dalle dimensioni fisiche ? dai parametri di frequenza e corrente, pur non essendo calcolabile a priori il fenomeno ? ben noto, nel nostro caso la cella che ha caratteristiche combinate equivalenti ad un circuito RLC se portata in risonanza avr? bisogno della sola energia aggiuntiva utile a scindere l?acqua superando il problema del sovravoltaggio di cella. Il circuito non ? chiuso n? senza perdite ma l?opportuna risonanza di cella minimizza la quantit? di energia da immettere per mantenere la scissione dell?acqua.

I problemi degli alimentatori elettrici per celle elettrolitiche noti hanno altres? un peso considerevole che costituisce uno svantaggio nelle applicazioni mobili, a titolo esemplificativo la maneggevolezza delle celle elettrolitiche ? ostacolata da pesi dai 400 kg in su per le celle industriali

I vantaggi di risparmio energetico sopra ricavati e i citati inconvenienti sono vantaggiosamente conseguenti dall?alimentatore elettrico oggetto del presente trovato.

Il trovato in oggetto si riferisce a un alimentatore per cella elettrolitica composto da 3 elementi di base. Un primo elemento ? un?elettronica che crea una induzione magnetica attraverso un avvolgimento primario sostanzialmente equivalente a quella di un fornello ad induzione (induction stove da 20 <- >50 khz ), ?denominata elettronica di governo? che ha anche la funzione di controllo e di sicurezza a fini normativi. L?elettronica di governo dell?alimentatore oggetto del presente trovato ? separata galvanicamente dalla cella elettrolitica stessa proteggendo cos? l?elettronica stessa dalle interazioni galvaniche con la cella.

Un secondo elemento ? un induttore elettromagnetico collegato alla citata elettronica di governo, ? accoppiato per induzione a una prima ed una seconda bobina piatta, che costituiscono il terzo elemento, che sono idonee ad essere collegate alla cella elettrolitica.

Ciascuna delle due bobine piatte prevede almeno 11 avvolgimenti complanari di un cavo bifilare e tra le due bobine ? posizionato il dispositivo induttore.

Il cavo bifilare di ciascuna delle due bobine piatte ha un capo collegato ad una prima lamina e l?altro capo ad una seconda lamina fra di loro tenute in contatto solo dalla soluzione di elettrolita della cella elettrolitica.

L?estremo del cavo bifilare delle bobine, che denomineremo primo estremo di ciascuna delle due bobine piatte, ? ideoneo ad essere collegato ad una prima lamina e l?altro estremo del cavo bifilare di ciascuna delle due bobine piatte ? idoneo ad essere collegato ad una seconda lamina. In una forma di realizzazione preferita, almeno una lamina passiva ? posta tra la prima e secondo lamina per ottenere la caduta di voltaggio necessaria a mantenere la differenza di potenziale fra la prima e la seconda lamina con una faccia di ciascuna lamina preferibilmente parallela alla faccia dell?altra lamina per ottenere il processo di elettrolisi.

Com?? noto la decomposizione dell'acqua in idrogeno ed ossigeno in condizioni standard ? una reazione sfavorita in termini termodinamici poich? entrambe le semireazioni che intervengono hanno potenziali negativi. Anodo (ossidazione): 2H2O(l) ? O2(g) 4H+(aq) 4e- E0ox= 1,229 V Catodo (riduzione): 4H2O 4e- ? 2H2 4OH- E0rid = -0,830 V.L'energia libera di Gibbs per il processo in condizioni standard vale 474,4 kJ/mol, il che traduce la non spontaneit? della reazione. La differenza di potenziale a livello teorico da applicare per dissociare l'acqua ? 1.229 V a 25 ?C ma in concreto tali condizioni rendono il processo impossibile in assenza della somministrazione di energia dall'esterno con l'applicazione di un potenziale elettrico agli elettrodi.

L?alimentatore elettrico oggetto del presente trovato consente che la sovratensione da applicare alla cella sia minima per superare le perdite portandola ai voltaggi indicati da 1,75 a 2,5 volts di differenza di potenziale fra le facce della prima e della seconda lamina La distanziata delle due bobine dal dispositivo induttore ? stata individuata sperimentalmente da 0,5 a 30 mm.

In maniera analogamente sperimentale ? stato individuato che ciascun filo del cavo bifilare deve avere una dimensione minima di 2x0,35 mm<2 >e massima di 2x3mm<2 >.

DESCRIZIONE DELLE FIGURE

La figura 1 mostra il complesso dell?alimentatore elettrico per cella elettrolitica oggetto della presente invenzione e l?elettronica di governo (1) della cella elettrolitica che ? separata galvanicamente dalla cella elettrolitica stessa, oltre all? induttore elettromagnetico (2) collegato alla elettronica di governo (1) che ? accoppiato per induzione ad una prima bobina piatta (3<1>) e una seconda bobina piatta (3<2>) ciascuna collegata alla cella elettrolitica, non rappresentata graficamente.

La figura 2 mostra le due bobine piatte (3<1 >e 3<2>) ed entrambe mostrano 11 avvolgimenti complanari di un cavo bifilare (4) collegato ad una prima lamina (6<1>) avente la funzione di anodo ed una seconda lamina (6<2>) avente la funzione di catodo ed una lamina passiva (7) fra la prima lamina (6<1>) e la seconda lamina (6<2 >) idonea ad ottenere la caduta di voltaggio necessaria a mantenere la differenza di potenziale fra la prima lamina (6<1>) e la seconda lamina (6<2>). Un primo estremo (A) del cavo bifilare (4), di dimensione minima di 2x0,35 mm<2 >e massima di 2x3mm<2>. Ciascuna delle due bobine piatte (3<1 >e 3<2>) ? collegata alla prima lamina (6<1>) e l?altro estremo (B) del cavo bifilare (4) di ciascuna delle due bobine piatte (3<1 >e 3<2>) collegato alla seconda lama (6<2>). Detta figura 2 mostra altres? un dispositivo induttore (5) posizionato tra le due bobine piatte (3<1 >e 3<2>). La distanziata di ciascuna delle due bobine piatte (3<1 >e 3<2>) dal dispositivo induttore (2) ? da 0,5 a 10 mm.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Alimentatore elettrico per cella elettrolitica caratterizzata dal fatto di essere dotato di un?elettronica di governo (1) della cella elettrolitica separata galvanicamente dalla cella elettrolitica stessa e comprendente un induttore elettromagnetico (2) collegato alla elettronica di governo (1) accoppiato per induzione ad una prima bobina piatta (3<1>) e una seconda bobina piatta (3<2>) idonea ad collegata alla cella elettrolitica .
2. Alimentatore elettrico secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che ciascuna delle due bobine piatte (3<1 >e 3<2>) comprendente almeno 11 avvolgimenti complanari di un cavo bifilare (4) accoppiate per induzione magnetica ad un dispositivo induttore (2) posizionato tra le due bobine piatte (3<1 >e 3<2>) in cavit? ermetica ;
3. Alimentatore elettrico secondo la rivendicazione 2 caratterizzata dal fatto che il cavo bifilare (4) di ciascuna delle due bobine piatte (3<1 >e 3<2>) ? idoneo ad essere collegato ad almeno una prima lamina (6<1>) ed almeno una seconda lamina (6<2>) idonee ad essere immerse nell?elettrolita della cella elettrolitica ed essendo il primo estremo (A) del cavo bifilare (4) di ciascuna delle due bobine piatte (3<1 >e 3<2>) idoneo ad essere collegato alla prima lamina (6<1>) e l?altro estremo (B) del cavo bifilare (4) di ciascuna delle due bobine piatte (3<1 >e 3<2>) idoneo ad essere collegato alla seconda lama (6<2>)
4. Alimentatore secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che il cavo bifilare (4) ha una dimensione minima di 2x0,35 mm<2 >e massima di 2x3mm<2 >di ciascun filo del cavo bifilare (4).
5. Alimentatore secondo la rivendicazione 2 caratterizzata dal fatto che ciascuna delle due bobine piatte (3<1 >e 3<2>) ? distanziata dal dispositivo induttore (2) da 0,5 a 10 mm.
6. Alimentatore secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una lamina passiva (7) fra la prima lamina (6<1>) e la seconda lamina (6<2>) essendo detta lamina passiva (7) idonea ad ottenere la caduta di voltaggio necessaria a mantenere la differenza di potenziale fra la prima lamina (6<1>) e la seconda lamina (6<2>)