ITUB20159792A1 - SYSTEM AND PROCEDURE FOR THE GENERATION OF HYDROGEN GASEOUS ON REQUEST - Google Patents
SYSTEM AND PROCEDURE FOR THE GENERATION OF HYDROGEN GASEOUS ON REQUEST Download PDFInfo
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Description
"Sistema e procedimento per la generazione di idrogeno gassoso a richiesta" "System and process for the generation of gaseous hydrogen on request"
TESTO DELLA DESCRIZIONE TEXT OF THE DESCRIPTION
Campo dell'invenzione Field of the invention
La presente invenzione si riferisce a un sistema e un procedimento per la generazione di idrogeno gassoso. The present invention refers to a system and a process for the generation of gaseous hydrogen.
Tecnica nota e problema tecnico generale Known technique and general technical problem
Il rapido esaurimento di combustibili fossili e, allo stesso tempo, 1'aumento dell'inquinamento e dei relativi rischi ambientali hanno promosso la ricerca di nuove fonti di energia. The rapid depletion of fossil fuels and, at the same time, the increase in pollution and related environmental risks have promoted the search for new energy sources.
In modo contestuale al recente sviluppo su larga scala di risorse energetiche rinnovabili (solare, eolica, maree), è sorto un bisogno sempre crescente di sviluppare una tecnologia efficiente per lo stoccaggio di energia, in modo tale da rendere il più stabile possibile 1'alimentazione dell'energia stessa trasformata a partire da tali fonti, nonché in modo da poter modulare 1'erogazione di energia durante periodi di massimo e minimo consumo (in particolar modo per quanto concerne 1'energia elettrica). In conjunction with the recent large-scale development of renewable energy resources (solar, wind, tidal), an ever-increasing need has arisen to develop an efficient technology for energy storage, in order to make the power supply as stable as possible. of the energy itself transformed from these sources, as well as in such a way as to be able to modulate the supply of energy during periods of maximum and minimum consumption (especially as regards electricity).
I miglioramenti resi disponibili nel campo delle fonti di energia rinnovabili costituiscono quindi il punto di partenza per la ricerca di forme migliorate di stoccaggio di energia, e hanno altresì fatto emergere la necessità di soluzioni di stoccaggio efficaci anche per energia proveniente da fonti non rinnovabili. The improvements made available in the field of renewable energy sources therefore constitute the starting point for the search for improved forms of energy storage, and have also highlighted the need for effective storage solutions also for energy from non-renewable sources.
Lo sviluppo di tecnologie di stoccaggio di energia può essere essenziale, ad esempio, anche in vista di una transizione verso la produzione di energia sostenibile: in particolare, lo stoccaggio di energia consente di svincolare la produzione di energia dal consumo di energia, riducendo guindi la necessità di un costante monitoraggio e predizione della domanda di picco degli utenti. The development of energy storage technologies can be essential, for example, also in view of a transition towards sustainable energy production: in particular, energy storage allows to decouple energy production from energy consumption, thus reducing the need for constant monitoring and prediction of users' peak demand.
Lo stoccaggio di energia fornisce benefici economici tangibili in guanto consente di ridurre la produzione energetica di un impianto: in altre parole, 1'obiettivo di produzione in termini energetici sarebbe guello di una domanda media invece di una domanda di picco. Energy storage provides tangible economic benefits as it allows to reduce the energy production of a plant: in other words, the production target in energy terms would be an average demand instead of a peak demand.
Le linee di trasmissione dell 'energia, così come 1'equipaggiamento associato, possono guindi essere dimensionate per soddisfare domande medie di potenza. In aggiunta, lo stoccaggio di energia mitiga alcuni problemi associati all'intermittenza nella generazione di energia da fonti rinnovabili (fotovoltaico, eolico e maree in primis). The power transmission lines, as well as the associated equipment, can therefore be sized to meet average power demands. In addition, energy storage mitigates some problems associated with intermittency in the generation of energy from renewable sources (photovoltaic, wind and tides above all).
Le fonti energetiche rinnovabili con efficienti soluzioni di stoccaggio energetico possono guidare la transizione dalla tradizionale produzione centralizzata di potenza guaie guella da impianti a carbone, gas, nucleari, che richiedono una rete per la trasmissione di energia a lunga distanza, verso sistemi a risorse energetiche distribuite (c.d. sistemi "DER", acronimo di Distributed Energy Resources). Renewable energy sources with efficient energy storage solutions can drive the transition from traditional centralized power generation from coal, gas, nuclear plants, which require a grid for long-distance energy transmission, to distributed energy resource systems. (so-called "DER" systems, acronym for Distributed Energy Resources).
I sistemi DER includono, ad esempio, piccole sorgenti di generazione di potenza site in prossimità del luogo di utilizzo dell'energia elettrica (ad esempio per uso domestico o professionale) . Un'efficiente soluzione di stoccaggio energetico fornisce guindi un 'alternativa al costoso miglioramento della tradizionale rete di distribuzione della potenza elettrica. DER systems include, for example, small power generation sources located near the place of use of electricity (for example for domestic or professional use). An efficient energy storage solution therefore provides an alternative to the costly improvement of the traditional electrical power distribution network.
Il ricorso a sistemi DER costituisce un' opzione più snella ed economica rispetto alla costruzione di grossi e impianti centralizzati per la generazione di potenza e associate linee di trasmissione di potenza ad alta tensione . The use of DER systems constitutes a leaner and cheaper option than the construction of large and centralized plants for the generation of power and associated high voltage power transmission lines.
I sistemi DER offrono infatti agli utenti la possibilità di beneficiare di costi ridotti , una più elevata affidabilità del servizio, una più elevata gualità della potenza generata, una maggiore efficienza energetica, fino all'indipendenza energetica stessa. In fact, DER systems offer users the possibility of benefiting from reduced costs, higher reliability of the service, higher equality of the generated power, greater energy efficiency, up to energy independence itself.
L'utilizzo di tecnologie di generazione di energia elettrica di tipo distribuito rinnovabili , assieme alle c.d . "energie verdi" guali 1'energia eolica, 1' energia solare (fotovoltaico) , 1'energia geotermica, 1'energia da biomasse o 1'energia da produzione idroelettrica possono anche fornire un significativo beneficio ambientale . The use of distributed renewable electricity generation technologies, together with the so-called "green energy" such as wind power, solar (photovoltaic) power, geothermal power, biomass power, or hydroelectric power generation can also provide significant environmental benefit.
I dispositivi di distribuzione di energia in sistemi DER comprendono un panorama di tecnologie includente le celle a combustibile (fuel celi), le miero-tur bine, i motori alternativi , le tecnologie per la riduzione del carico e per la gestione energetica . La tecnologia DER include anche interfacce elettroniche di potenza, così come dispositivi di comunicazione e controllo per la distribuzione e il funzionamento efficienti delle singole unità di generazione , sistemi a pacchetto multipli e blocchi di alimentazione aggregati . Energy distribution devices in DER systems encompass a range of technologies including fuel cells, micro-turbines, reciprocating engines, load reduction and energy management technologies. DER technology also includes electronic power interfaces, as well as communication and control devices for efficient distribution and operation of single generation units, multiple packet systems and aggregate power blocks.
II combustibile primario per molti sistemi di generazione distribuiti è il gas naturale, ma 1'idrogeno è un candidato naturale per utilizzi futuri. The primary fuel for many distributed generation systems is natural gas, but hydrogen is a natural candidate for future uses.
L'idrogeno gassoso è un efficace vettore di energia con un contenuto specifico di energia molto alto (circa 120 MJ/kilogrammo) . È stato dimostrato che l'idrogeno può essere utilizzato per il trasporto, il riscaldamento e la generazione di potenza elettrica, e può rimpiazzare tutti i combustibili di uso corrente nelle applicazioni attualmente disponibili. Hydrogen gas is an effective energy carrier with a very high specific energy content (about 120 MJ / kilogram). It has been shown that hydrogen can be used for transportation, heating and electrical power generation, and can replace all commonly used fuels in currently available applications.
L'idrogeno è 1'elemento più leggero e più abbondante sulla terra. Tuttavia, al contrario dell'ossigeno, 1'idrogeno non è disponibile in forma libera in natura in concentrazioni significative . L'idrogeno viene prodotto utilizzando sia fonti energetiche rinnovabili, sia fonti energetiche non rinnovabili, sfruttando svariate tecnologie di processo. Le tecnologie disponibili per la produzione di idrogeno includono il reforming del gas naturale, la gassificazione del carbone da biomasse, e la scissione dell'acqua tramite elettrolisi, foto-elettrolisi, produzione foto-biologica, cicli termochimici di scissione dell'acgua e decomposizione ad alta temperatura. Hydrogen is the lightest and most abundant element on earth. However, unlike oxygen, hydrogen is not available in free form in nature in significant concentrations. Hydrogen is produced using both renewable energy sources and non-renewable energy sources, using various process technologies. Technologies available for hydrogen production include natural gas reforming, coal gasification from biomass, and water splitting by electrolysis, photo-electrolysis, photo-biological production, thermochemical water splitting and water decomposition cycles. high temperature.
I principali procedimenti per la produzione di idrogeno sono in generale 1'elettrolisi dell'acqua e il reforming del gas naturale. The main processes for the production of hydrogen are generally water electrolysis and natural gas reforming.
La foto elettrolisi, la produzione foto biologica e la decomposizione ad alta temperatura sono - invece - nella loro fase iniziale di sviluppo. Pertanto, occorrono ancora molti stadi di ricerca per rendere gueste tecnologie mature per applicazioni commerciali, il che non ne fa una soluzione appetibile nell'immediato. Photo electrolysis, photo biological production and high temperature decomposition are - on the other hand - in their initial phase of development. Therefore, many stages of research are still needed to make these technologies mature for commercial applications, which does not make them an attractive solution in the short term.
Al momento, sono disponibili varie tecnologie di stoccaggio dell'idrogeno . Alcune di esse verranno brevemente descritte nel seguito. At present, various hydrogen storage technologies are available. Some of them will be briefly described below.
La tecnologia più semplice consiste nello stoccaggio dell' idrogeno gassoso in forma compressa. E una soluzione percorribile a temperatura ambiente , ed è altresì molto semplice la gestione delle fasi di compressione e rilascio dell' idrogeno . Tuttavia, la densità di stoccaggio (intesa in termini di densità energetica) è molto bassa se rapportata ad altri procedimenti . The simplest technology consists in the storage of gaseous hydrogen in compressed form. It is a viable solution at room temperature, and the management of the hydrogen compression and release phases is also very simple. However, the storage density (understood in terms of energy density) is very low when compared to other processes.
Un 'altra tecnologia disponibile è lo stoccaggio di idrogeno in forma liquida: tuttavia, occorre tener presente che il dispendio energetico per liquefare 1 'idrogeno gassoso va dal 25% al 45% dell'energia stoccata, il che limita già in parte la convenienza del procedimento . Another available technology is the storage of hydrogen in liquid form: however, it must be borne in mind that the energy expenditure to liquefy the gaseous hydrogen ranges from 25% to 45% of the stored energy, which already partially limits the convenience of the method .
La densità di stoccaggio di idrogeno (intesa in termini di densità energetica) è molto alta, però 1'efficienza pratica del procedimento è ulteriormente compromessa dal fatto che 1'idrogeno ha una temperatura di ebollizione pari a circa -253 “C, il che rende necessario predisporre ingombranti strati di materiale isolante per mantenere la temperatura al di sotto di tale valore (altrimenti 1'idrogeno semplicemente passa in fase vapore). The storage density of hydrogen (understood in terms of energy density) is very high, however the practical efficiency of the process is further compromised by the fact that hydrogen has a boiling temperature of about -253 "C, which makes It is necessary to prepare bulky layers of insulating material to keep the temperature below this value (otherwise the hydrogen simply passes into the vapor phase).
Vi sono poi le tecnologie di stoccaggio di idrogeno in substrati di idruri metallici . Queste tecnologie prevedono che i metalli in polvere assordano idrogeno ad alte pressioni . Il processo di stoccaggio è associato inoltre al rilascio di calore, ed è reso reversibile diminuendo la pressione e fornendo calore. Then there are hydrogen storage technologies in metal hydride substrates. These technologies involve powdered metals deafening hydrogen at high pressures. The storage process is also associated with the release of heat, and is made reversible by decreasing the pressure and providing heat.
Il principale problema di queste tecnologie consiste nel peso del materiale che realizza il substrato assorbente : un serbatoio di stoccaggio con substrato di idruri metallici peserebbe all'incirca 600 kg, un'enormità a confronto con gli 80 kg di un serbatoio di idrogeno compresso di taglia comparabile . The main problem with these technologies is the weight of the material that makes the absorbent substrate: a storage tank with metal hydride substrate would weigh approximately 600 kg, an enormous amount compared to the 80 kg of a compressed hydrogen tank of size. comparable.
Ancora un'ulteriore tecnologia di stoccaggio di idrogeno sfrutta 1'assorbimento di idrogeno da parte del carbonio. Applicando una determinata pressione 1'idrogeno si lega con materiali carboniosi porosi, quali ad esempio i nanotubi. Still a further hydrogen storage technology exploits the absorption of hydrogen by carbon. By applying a certain pressure, hydrogen binds with porous carbonaceous materials, such as nanotubes.
Tuttavia, quest'ultima soluzione risulta particolarmente onerosa dal punto di vista economico e particolarmente complessa nella gestione per la maggior parte delle applicazioni commerciali di interesse. However, the latter solution is particularly costly from an economic point of view and particularly complex in the management for most of the commercial applications of interest.
Scopo dell'invenzione Purpose of the invention
Lo scopo dell'invenzione è quello di risolvere i problemi tecnici precedentemente menzionati . In particolare, scopo dell'invenzione è fornire una soluzione efficace ed economica per lo stoccaggio di energia finalizzata alla produzione di idrogeno, anche con cicli di ricarica, che sia caratterizzata da un'alta densità energetica di stoccaggio, e che consenta altresì il rilascio di idrogeno su richiesta. The object of the invention is to solve the aforementioned technical problems. In particular, the purpose of the invention is to provide an effective and economical solution for the storage of energy aimed at the production of hydrogen, also with recharging cycles, which is characterized by a high storage energy density, and which also allows the release of hydrogen on request.
Sintesi dell'invenzione Summary of the invention
Lo scopo della presente invenzione è raggiunto da un sistema e un procedimento avente le caratteristiche formanti oggetto delle rivendicazioni che seguono, le quali formano parte integrante dell 'insegnamento tecnico qui somministrato in relazione all'invenzione. The object of the present invention is achieved by a system and a process having the characteristics forming the subject of the following claims, which form an integral part of the technical teaching administered herein in relation to the invention.
In particolare, lo scopo dell'invenzione è raggiunto da un sistema per la generazione di idrogeno gassoso su richiesta includente: In particular, the object of the invention is achieved by a system for the generation of gaseous hydrogen on demand including:
un primo ambiente di stoccaggio per una prima soluzione elettrolitica, detta prima soluzione elettrolitica includendo acqua e un primo elettrolita alcalino, a first storage environment for a first electrolytic solution, called a first electrolytic solution including water and a first alkaline electrolyte,
- un primo gruppo di alimentazione per detta prima soluzione elettrolitica, - a first power supply unit for said first electrolytic solution,
almeno una cella elettrolitica di deposizione includente un anodo, un catodo e configurata per processare una portata di prima soluzione elettrolitica alimentata, durante il funzionamento, mediante detto primo gruppo di alimentazione, at least one electrolytic deposition cell including an anode, a cathode and configured to process a flow rate of first electrolytic solution fed, during operation, by said first power supply unit,
- un secondo ambiente di stoccaggio configurato per raccogliere un metallo che, durante il funzionamento, si deposita sul catodo dell'almeno una cella elettrolitica di deposizione, - a second storage environment configured to collect a metal which, during operation, is deposited on the cathode of the at least one electrolytic deposition cell,
almeno una cella galvanica di generazione configurata per processare una portata di una seconda soluzione elettrolitica e metallo raccolto nel secondo ambiente di stoccaggio, e rilasciare idrogeno gassoso ed energia elettrica. at least one galvanic generation cell configured to process a flow rate of a second electrolytic solution and metal collected in the second storage environment, and to release gaseous hydrogen and electrical energy.
Lo scopo dell'invenzione è inoltre raggiunto da un procedimento per la generazione di idrogeno gassoso a richiesta, il procedimento comprendendo: The object of the invention is also achieved by a process for the generation of gaseous hydrogen on demand, the process comprising:
- una fase di alimentazione di una prima soluzione elettrolitica da un primo ambiente di stoccaggio ad almeno una cella elettrolitica di deposizione, detta prima soluzione elettrolitica includendo un primo elettrolita alcalino e acqua, ciascuna cella elettrolitica di deposizione includendo un anodo, un catodo ed essendo comandata per processare detta prima soluzione elettrolitica per ottenere il deposito di un metallo, particolarmente zinco, su detto catodo, - a step of feeding a first electrolytic solution from a first storage environment to at least one electrolytic deposition cell, said first electrolytic solution including a first alkaline electrolyte and water, each electrolytic deposition cell including an anode, a cathode and being controlled to process said first electrolytic solution to obtain the deposit of a metal, particularly zinc, on said cathode,
- una fase di stoccaggio del metallo depositato su detto catodo in un secondo ambiente di stoccaggio, - a storage step of the metal deposited on said cathode in a second storage environment,
- una fase di alimentazione del metallo stoccato nel secondo ambiente di stoccaggio e di una seconda soluzione elettrolitica includente un secondo elettrolita alcalino e acqua ad almeno una cella galvanica di generazione, ciascuna cella galvanica di generazione essendo comandata per processare la portata di detta seconda soluzione elettrolitica e detto metallo stoccato nel secondo ambiente di stoccaggio per il rilascio di idrogeno gassoso ed energia elettrica. - a feeding phase of the metal stored in the second storage environment and of a second electrolytic solution including a second alkaline electrolyte and water to at least one galvanic generation cell, each galvanic generation cell being controlled to process the flow rate of said second electrolytic solution and said metal stored in the second storage environment for the release of gaseous hydrogen and electrical energy.
Breve descrizione delle figure Brief description of the figures
L'invenzione sarà ora descritta con riferimento alle figure annesse, date a puro titolo di esempio non limitativo, in cui: The invention will now be described with reference to the attached figures, given purely by way of non-limiting example, in which:
la figura 1 è una rappresentazione schematica a blocchi di un sistema in base all'invenzione, Figure 1 is a block diagrammatic representation of a system according to the invention,
le figure 2A e 2B sono due rappresentazioni circuitali schematiche di due sezioni del sistema in base all'invenzione, in cui la figura 2B è il prosieguo della figura 2A a partire dal riferimento A marcato con linea a tratto e punto in figura 2A, Figures 2A and 2B are two schematic circuit representations of two sections of the system according to the invention, in which Figure 2B is the continuation of Figure 2A starting from the reference A marked with dashed line and dot in Figure 2A,
- la figura 3 è una vista schematica in sezione di una cella elettrolitica di deposizione del sistema in base all'invenzione, Figure 3 is a schematic sectional view of an electrolytic deposition cell of the system according to the invention,
- la figura 4 è una vista ortogonale corrispondente alla figura 3, - figure 4 is an orthogonal view corresponding to figure 3,
- la figura 5 è una vista prospettica schematica e in sezione di una cella galvanica di generazione del sistema in base all'invenzione, Figure 5 is a schematic and sectional perspective view of a galvanic cell for generating the system according to the invention,
- la figura 6 è una vista ortogonale corrispondente alla figura 5, figure 6 is an orthogonal view corresponding to figure 5,
- le figure 7 e 8 sono viste analoghe alla figura 6 e illustrano equipaggiamenti ulteriori della cella galvanica, - la figura 9 corrisponde sostanzialmente alla vista di figura 2A, ma si riferisce a un'ulteriore forma di esecuzione del sistema, - figures 7 and 8 are views similar to figure 6 and illustrate further equipments of the galvanic cell, - figure 9 substantially corresponds to the view of figure 2A, but refers to a further embodiment of the system,
la figura 1OA e la figura 1OB illustrano viste schematiche in sezione di un componente di figura 9, Figure 1OA and Figure 1OB illustrate schematic sectional views of a component of Figure 9,
- la figura 11 illustra una vista prospettica esplosa di una cella galvanica impiegata in ancora un'ulteriore forma di esecuzione del sistema in base all'invenzione, - la figura 12 è una vista in sezione della cella di figura il, - figure 11 shows an exploded perspective view of a galvanic cell used in still a further embodiment of the system according to the invention, - figure 12 is a sectional view of the cell of figure 11,
- la figura 12A illustra una variante del circuito associata a una specifica forma di esecuzione delle celle galvaniche, Figure 12A illustrates a variant of the circuit associated with a specific embodiment of the galvanic cells,
- la figura 13 è una vista schematica di una batteria di celle galvaniche del tipo di figura 12 (c.d. "stack"), - la figura 14 è una vista schematica di una forma di esecuzione di un elettrodo della cella delle figure il a 13, e - figure 13 is a schematic view of a battery of galvanic cells of the type of figure 12 (so-called "stack"), - figure 14 is a schematic view of an embodiment of an electrode of the cell of figures 11 to 13, And
- la figura 15 è uno schema elettrico eguivalente di una sezione di generazione includente una batteria composta a titolo esemplificativo - da guattro celle di generazione. Figure 15 is an equivalent electrical diagram of a generation section including a battery composed by way of example - of four generation cells.
Descrizione particolareggiata dell*invenzione DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Il riferimento SY in figura 1 individua un sistema per la generazione di idrogeno gassoso su richiesta in base a varie forme di esecuzione dell'invenzione. Il sistema SY include una sezione di stoccaggio di energia indicata con il riferimento ST e una sezione di generazione di idrogeno ed energia elettrica indicata con il riferimento GE. Reference SY in Figure 1 identifies a system for the generation of gaseous hydrogen on demand according to various embodiments of the invention. The SY system includes an energy storage section denoted by the reference ST and a hydrogen and electric power generation section denoted by the reference GE.
Come visibile dal diagramma di figura 1, la sezione di stoccaggio di energia è alimentata con una prima soluzione elettrolitica prelevata da un primo ambiente di stoccaggio indicato con il riferimento 1. Il primo ambiente di stoccaggio 1 è alimentato, anche se non necessariamente in modo esclusivo, mediante i prodotti di reazione del gruppo di generazione GE. As can be seen from the diagram in figure 1, the energy storage section is powered with a first electrolytic solution taken from a first storage environment indicated with reference 1. The first storage environment 1 is powered, even if not necessarily exclusively , using the reaction products of the GE generation group.
La sezione di stoccaggio ST rilascia ossigeno gassoso in atmosfera e rilascia come prodotto di reazione una seconda soluzione elettrolitica e un metallo in forma sostanzialmente pura, i guali possono essere stoccati - in combinazione o in alternativa in un secondo ambiente di stoccaggio indicato con il riferimento 2. The storage section ST releases gaseous oxygen into the atmosphere and releases as a reaction product a second electrolytic solution and a metal in substantially pure form, which can be stored - in combination or alternatively in a second storage environment indicated with reference 2 .
Il secondo ambiente di stoccaggio 2 fornisce 1'alimentazione per la sezione di generazione GE, la guaie restituisce energia elettrica, idrogeno gassoso che alimenta una cella a combustibile FC (o in generale un utenza come una caldaia o un motore a combustione interna), e una terza soluzione elettrolitica, che preferibilmente ha la medesima composizione della prima soluzione elettrolitica (sostanzialmente si verifica un reintegro di elettrolita, e guindi un reintegro della prima soluzione elettrolitica) e alimenta il primo ambiente di stoccaggio 1. The second storage environment 2 provides the power supply for the generation section GE, the guaie returns electrical energy, gaseous hydrogen which powers a fuel cell FC (or in general a utility such as a boiler or an internal combustion engine), and a third electrolytic solution, which preferably has the same composition as the first electrolytic solution (substantially a replenishment of the electrolyte occurs, and consequently a replenishment of the first electrolytic solution) and feeds the first storage environment 1.
Come visibile in figura 1, la cella a combustibile FC rilascia acqua H20 che di preferenza viene re-immessa in alimentazione alla sezione di stoccaggio ST (in alternativa alla sezione di generazione GE) per costituire o reintegrare la prima soluzione elettrolitica (in guesto caso come solvente, e non come elettrolita). As can be seen in figure 1, the fuel cell FC releases water H20 which is preferably fed back into the storage section ST (as an alternative to the generation section GE) to constitute or reintegrate the first electrolytic solution (in this case as solvent, and not as an electrolyte).
A valle di guesta prima descrizione circuitale e funzionale del sistema SY, si considerino ora le seguenti descrizioni dettagliate della sezione di stoccaggio ST e della sezione di generazione GE. Con riferimento alla figura 2A, la sezione di generazione ST include il primo ambiente di stoccaggio 1 per la prima soluzione elettrolitica. Nell'esempio preferito qui considerato la prima soluzione elettrolitica è una soluzione acquosa includente acqua e un primo elettrolita alcalino, in particolare zincato di potassio K2Zn(OH)4-Il primo ambiente di stoccaggio 1 è di preferenza un serbatoio di servizio nel quale è accumulato un certo quantitativo della prima soluzione elettrolitica. Tale quantitativo può essere eventualmente integrato con il contributo di un serbatoio esterno di dimensioni maggiori, separato dal sistema SY. Downstream of this first circuit and functional description of the system SY, the following detailed descriptions of the storage section ST and of the generation section GE are now considered. With reference to Figure 2A, the generation section ST includes the first storage environment 1 for the first electrolytic solution. In the preferred example considered here, the first electrolytic solution is an aqueous solution including water and a first alkaline electrolyte, in particular potassium zincate K2Zn (OH) 4 - The first storage environment 1 is preferably a service tank in which it is accumulated a certain amount of the first electrolyte solution. This quantity can possibly be integrated with the contribution of a larger external tank, separated from the SY system.
Il primo ambiente di stoccaggio 1 è in comunicazione di fluido con un primo gruppo di alimentazione PI, in particolare una pompa la cui bocca di aspirazione è in comunicazione di fluido con una bocca di uscita dell'ambiente di stoccaggio 1. The first storage environment 1 is in fluid communication with a first supply unit P1, in particular a pump whose suction mouth is in fluid communication with an outlet of the storage environment 1.
La sezione di stoccaggio ST include inoltre almeno una cella elettrolitica di deposizione che è configurata per processare la prima soluzione elettrolitica proveniente dal serbatoio 1. Sebbene possano essere previste forme di esecuzione in cui è presente un'unica cella elettrolitica di deposizione, nella forma di esecuzione preferita qui illustrata è presente una pluralità di celle elettrolitiche (tre in questo caso) CI, C2, Cn, ove 1'ultimo riferimento Cn sta ad indicare che il numero può essere anche diverso (maggiore o minore) da tre, che è il numero mostrato. The storage section ST further includes at least one electrolytic deposition cell which is configured to process the first electrolytic solution from tank 1. Although embodiments may be envisaged in which a single electrolytic deposition cell is present, in the embodiment preferred illustrated here is a plurality of electrolytic cells (three in this case) C1, C2, Cn, where the last reference Cn indicates that the number can also be different (greater or less) from three, which is the number shown.
Con riferimento combinato alla figura 2A e alle figure 3 a 4, ciascuna cella CI, C2, Cn è una cella elettrolitica includente un anodo AN_C, in questo caso un elettrodo positivo, un catodo CT_C, in questo caso un elettrodo negativo, e ha preferibilmente geometria cilindrica. With combined reference to Figure 2A and Figures 3 to 4, each cell C1, C2, Cn is an electrolytic cell including an anode AN_C, in this case a positive electrode, a cathode CT_C, in this case a negative electrode, and preferably has cylindrical geometry.
Ciò significa che 1'anodo AN_C è realizzato come un elemento cilindrico elongato circondato da un mantello cilindrico costituente il catodo. This means that the anode AN_C is realized as an elongated cylindrical element surrounded by a cylindrical shell constituting the cathode.
L'anodo AN_C può essere realizzato di nichel, leghe di nichel, o materiali compositi a base di nichel (ad esempio carbonio attivato polvere di nichel PTFE come legante, oppure Raney Nichel PTFE come legante), acciaio inossidabile. In alternativa esso può comprendere un supporto (ad esempio di acciaio) sul guaie sono riportati in funzione di componenti catalitici metalli guali platino e/o palladio. The anode AN_C can be made of nickel, nickel alloys, or composite materials based on nickel (for example activated carbon nickel powder PTFE as binder, or Raney Nickel PTFE as binder), stainless steel. Alternatively, it can comprise a support (for example of steel) on the sheaths which are plotted as a function of catalytic components such as platinum and / or palladium.
Il catodo CT_C può essere realizzato, ad esempio, di zinco o di acciaio inossidabile, di nichel o sue leghe. Più in generale, il catodo CT_C è realizzato di un materiale conduttivo resistente alla soluzione alcalina e sul guaie lo zinco abbia bassa aderenza. The cathode CT_C can be made, for example, of zinc or stainless steel, nickel or its alloys. More generally, the cathode CT_C is made of a conductive material resistant to the alkaline solution and zinc has low adhesion on the sheaths.
Fra 1'anodo AN_C e il catodo CT_C è definito un volume di reazione toroidale indicato con il riferimento VC ove ha luogo 1'elettrolisi. 1/anodo AN_C e il catodo CT_C sono inoltre connessi a una sorgente di alimentazione elettrica, in particolare un generatore di tensione, di preferenza un generatore di tensione controllato elettronicamente. Between the anode AN_C and the cathode CT_C a toroidal reaction volume is defined, indicated with the reference VC where the electrolysis takes place. The anode AN_C and the cathode CT_C are also connected to an electrical power source, in particular a voltage generator, preferably an electronically controlled voltage generator.
Alla pluralità di celle elettrolitiche di deposizione CI, C2, Cn sono associati un primo collettore di alimentazione MI e un primo collettore di scarico M2. Le denominazioni gui utilizzate non sono da intendersi ad ogni modo esclusive o limitative rispetto alla funzione tecnica di essi. Come si vedrà in seguito, i collettori di alimentazione e di scarico MI ed M2 possono occasionalmente invertire la loro funzione in dipendenza dalla fase del procedimento di generazione di idrogeno che è in corso. A first supply manifold M1 and a first exhaust manifold M2 are associated with the plurality of electrolytic deposition cells Cl, C2, Cn. The gui denominations used are not to be intended in any way exclusive or limiting with respect to their technical function. As will be seen below, the supply and exhaust manifolds M1 and M2 may occasionally reverse their function depending on the step of the hydrogen generation process which is in progress.
Il primo collettore di alimentazione MI comprende una prima bocca di lavoro Ml_l configurata per ricevere una portata di prima soluzione elettrolitica dal primo gruppo di alimentazione PI e include inoltre una pluralità di seconde bocche di lavoro Ml_2, in cui è presente una bocca Ml_2 per ciascuna cella CI, C2, Cn. Ciascuna bocca di lavoro Ml_2 è in particolare in comunicazione di fluido con il volume di reazione VC ed è configurata per veicolare la prima soluzione elettrolitica nella corrispondente cella elettrolitica di deposizione. The first feed manifold M1 comprises a first working mouth Ml_1 configured to receive a flow rate of the first electrolytic solution from the first feeding group P1 and further includes a plurality of second working mouths M1_2, in which there is a mouth Ml_2 for each cell CI, C2, Cn. Each working mouth M1_2 is in particular in fluid communication with the reaction volume VC and is configured to convey the first electrolytic solution into the corresponding electrolytic deposition cell.
Il primo collettore di scarico M2 include a sua volta una prima bocca di lavoro M2_l per ciascuna cella elettrolitica di deposizione CI, C2, Cn, in cui ciascuna bocca di lavoro M2_l è configurata per ricevere una portata di prodotto di reazione dalle celle di deposizione CI, C2, Cn. Il prodotto di reazione delle celle CI, C2, Cn include una seconda soluzione elettrolitica, la guaie a sua volta include acqua e un secondo elettrolita alcalino (idrossido di potassio KOH), come verrà successivamente descritto. Il primo collettore di scarico M2 include inoltre una seconda bocca di lavoro M2_2 configurata per lo scarico della portata di prodotto di reazione delle celle di deposizione CI, C2, Cn. The first discharge manifold M2 in turn includes a first working mouth M2_l for each electrolytic deposition cell C1, C2, Cn, in which each working mouth M2_l is configured to receive a flow rate of reaction product from the deposition cells C1 , C2, Cn. The reaction product of the cells Cl, C2, Cn includes a second electrolytic solution, the cell in turn includes water and a second alkaline electrolyte (potassium hydroxide KOH), as will be described later. The first discharge manifold M2 also includes a second working mouth M2_2 configured for discharging the reaction product flow rate of the deposition cells Cl, C2, Cn.
La prima bocca di lavoro Ml_l del primo collettore di alimentazione MI e il primo gruppo di alimentazione PI, in particolare una bocca di mandata della pompa che definisce il gruppo PI, sono in comunicazione di fluido disciplinata mediante una prima valvola VI commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa. The first working port Ml_l of the first supply manifold M1 and the first supply group PI, in particular a delivery port of the pump which defines the group PI, are in fluid communication governed by a first valve VI which can be switched between an open position and a closed position.
La seconda bocca di lavoro M2_2 del primo collettore di scarico M2 è in comunicazione di fluido con un nodo circuitale J, e ia comunicazione di fluido della bocca M22 con il nodo circuitale J è disciplinata mediante una seconda valvola V2 commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa. The second working port M2_2 of the first discharge manifold M2 is in fluid communication with a circuit node J, and the fluid communication of the port M22 with the circuit node J is governed by a second valve V2 which can be switched between an open position and a closed position.
Il primo collettore di scarico M2 include inoltre una terza bocca di lavoro M2_3 in comunicazione di fluido con il primo gruppo di alimentazione PI, in particolare con la bocca di mandata anzidetta. La comunicazione di fluido fra la terza bocca di lavoro M2_3 e il primo gruppo di alimentazione PI è disciplinata mediante una terza valvola V3 commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa. The first discharge manifold M2 also includes a third working mouth M2_3 in fluid communication with the first supply unit P1, in particular with the aforesaid delivery mouth. The fluid communication between the third working mouth M2_3 and the first supply unit P1 is governed by a third valve V3 which can be switched between an open position and a closed position.
Infine, il primo collettore di alimentazione MI include a sua volta una terza bocca di lavoro Ml_3, anch'essa in comunicazione di fluido con il nodo circuitale J. La comunicazione di fluido fra la bocca Ml_3 e il nodo circuitale J è disciplinata mediante una guarta valvola V4 commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa. Finally, the first supply manifold M1 in turn includes a third working port Ml_3, also in fluid communication with the circuit node J. The fluid communication between the port Ml_3 and the circuit node J is governed by a seal V4 valve switchable between an open position and a closed position.
Il nodo circuitale J è oltretutto in comunicazione di fluido con: The circuit node J is also in fluid communication with:
- il primo ambiente di stoccaggio 1, in particolare con una bocca di ammissione di esso, in cui la comunicazione di fluido è disciplinata mediante una guinta valvola V5 commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa, - the first storage environment 1, in particular with an inlet of it, in which the fluid communication is regulated by means of a valve V5 which can be switched between an open position and a closed position,
- il secondo ambiente di stoccaggio 2, in particolare una bocca di ammissione di esso, in cui la comunicazione di fluido è disciplinata mediante una sesta valvola V6 commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa. - the second storage environment 2, in particular an inlet of it, in which the fluid communication is regulated by means of a sixth valve V6 which can be switched between an open position and a closed position.
Il gruppo di stoccaggio ST include inoltre un elemento filtrante FI disposto a valle del nodo circuitale J, in particolare disposto fra il nodo circuitale J e la quinta valvola V5, e il nodo circuitale J e la sesta valvola V6. The storage unit ST also includes a filtering element FI arranged downstream of the circuit node J, in particular arranged between the circuit node J and the fifth valve V5, and the circuit node J and the sixth valve V6.
1/elemento filtrante FI sostanzialmente è a monte di una biforcazione che parte da esso e alla quale fanno capo le valvole V5 e V6. 1 / the filtering element FI is substantially upstream of a bifurcation which starts from it and to which the valves V5 and V6 belong.
Con riferimento alla fiqura 2B, la quale riporta per migliore riferimento anche una porzione della sezione già illustrata in figura 2A e corrispondente alla sezione circuitale compresa fra i riferimenti A e B, verrà ora descritta la sezione di generazione GE. With reference to Figure 2B, which also reports for better reference a portion of the section already illustrated in Figure 2A and corresponding to the circuit section comprised between references A and B, the generation section GE will now be described.
La sezione di generazione GE include almeno una cella galvanica di generazione configurata per il rilascio di idrogeno gassoso e di energia elettrica. Sebbene possano essere previste forme di esecuzione includenti un'unica cella galvanica di generazione, nella forma di esecuzione preferita qui illustrata è presente una pluralità di celle galvaniche (tre in questo caso) DI, D2, Dn, ove 1'ultimo riferimento Dn sta ad indicare che il numero può essere anche diverso (maggiore o minore) da tre, che è il numero mostrato. The generation section GE includes at least one galvanic generation cell configured for the release of gaseous hydrogen and electrical energy. Although embodiments including a single galvanic generation cell can be provided, in the preferred embodiment illustrated here there is a plurality of galvanic cells (three in this case) D1, D2, Dn, where the last reference Dn stands for indicate that the number can also be different (greater or less) from three, which is the number shown.
Con riferimento alle Figure 5 e 6, ciascuna cella galvanica di generazione include un anodo AN_D, in questo caso un elettrodo negativo, un catodo CT_D, in questo caso un elettrodo positivo, ed è configurata per processare una soluzione elettrolitica includente un elettrolita alcalino, e un metallo in essa disperso, corrispondente al metallo depositato per elettrolisi nelle celle di reazione CI, C2, Cn. A valle del processamento ciascuna cella è configurata per rilasciare idrogeno gassoso, energia elettrica e una terza soluzione elettrolitica. Si osservi che 1'anodo AN_D, come verrà nel seguito descritto, viene fisicamente e funzionalmente costituito al momento dell'immissione di zinco (o in generale di un metallo depositato sul catodo CT_C e successivamente rimosso) entro la cella, essendo esso definito dallo zinco stesso. With reference to Figures 5 and 6, each galvanic generation cell includes an anode AN_D, in this case a negative electrode, a cathode CT_D, in this case a positive electrode, and is configured to process an electrolytic solution including an alkaline electrolyte, and a metal dispersed therein, corresponding to the metal deposited by electrolysis in the reaction cells Cl, C2, Cn. Downstream of the processing, each cell is configured to release gaseous hydrogen, electricity and a third electrolytic solution. It should be noted that the anode AN_D, as will be described below, is physically and functionally constituted at the moment of the introduction of zinc (or in general of a metal deposited on the cathode CT_C and subsequently removed) into the cell, being defined by the zinc same.
Nel caso in cui, come nella forma di esecuzione preferita qui illustrata, la portata di specie chimiche che alimenta le celle DI, D2, Dn corrisponde a più prodotti di reazione delle celle elettrolitiche di deposizione, e in particolare quelli stoccati nell'ambiente di stoccaggio 2 (ossia non solo il metallo depositato per elettrolisi, ma anche la seconda soluzione elettrolitica di acqua e idrossido di potassio KOH), la terza soluzione elettrolitica ha eguale composizione rispetto alla prima e funge come reintegro della soluzione elettrolitica nel primo ambiente di stoccaggio 1. In the case in which, as in the preferred embodiment illustrated here, the flow of chemical species that feed the cells DI, D2, Dn corresponds to several reaction products of the electrolytic deposition cells, and in particular those stored in the storage environment 2 (i.e. not only the metal deposited by electrolysis, but also the second electrolytic solution of water and potassium hydroxide KOH), the third electrolytic solution has the same composition as the first and acts as a replenishment of the electrolytic solution in the first storage environment 1.
Con riferimento alle figure 5 e 6, preferibilmente le celle DI, D2, Dn sono celle cilindriche includenti un mantello cilindrico cavo e un elemento cilindrico elongato disposto coassiale al mantello cilindrico e definente il catodo CT_D. Il catodo CT_D è preferibilmente realizzato mediante un elemento poroso di schiuma di nichel (oppure rete di nichel o acciaio inossidabile) (c.d. "hydrogen evolving electrode" ). Il mantello cilindrico funge da collettore di corrente e può essere realizzato di materiale metallico o anche di materiale plastico con 1'applicazione di una lastra di rame all'interno di esso, preferibilmente arricchita da collettori a punta BR With reference to Figures 5 and 6, preferably the cells D1, D2, Dn are cylindrical cells including a hollow cylindrical shell and an elongated cylindrical element arranged coaxial to the cylindrical shell and defining the cathode CT_D. The cathode CT_D is preferably made by means of a porous element of nickel foam (or nickel or stainless steel mesh) (so-called "hydrogen evolving electrode"). The cylindrical shell acts as a current collector and can be made of metal material or even of plastic material with the application of a copper plate inside it, preferably enriched by tip collectors BR
Le celle DI, D2, Dn sono inoltre chiuse a una base da un fondello BT cieco. Nel volume toroidale compreso fra il catodo CT_D e il mantello cilindrico è disposta una membrana cilindrica porosa PM, di preferenza polimerica. La membrana PM è porosa rispetto ai liquidi e ai gas, ma trattiene la polvere di zinco. In tal modo, si apprezzerà, può essere costituito 1'anodo AN_D corrispondente a un volume toroidale di polvere di zinco contenuto entro il volume VD1. The cells DI, D2, Dn are also closed to a base by a blind BT bottom. A porous cylindrical membrane PM, preferably polymeric, is arranged in the toroidal volume comprised between the cathode CT_D and the cylindrical shell. The PM membrane is porous with respect to liquids and gases, but retains zinc dust. In this way, it will be appreciated, the anode AN_D corresponding to a toroidal volume of zinc powder contained within the volume VD1 can be constituted.
Sono così individuati due volumi notevoli della cella galvanica DI, D2, Dn identificati dai riferimenti VD1 e VD2, in cui tali volumi sono volumi toroidali concentrici (VD1 è esterno rispetto a VD2) configurati per lo scambio di massa ed energia con 1'ambiente esterno. Two significant volumes of the galvanic cell DI, D2, Dn identified by the references VD1 and VD2 are thus identified, in which these volumes are concentric toroidal volumes (VD1 is external with respect to VD2) configured for mass and energy exchange with the external environment .
Con riferimento alla figura 2B, alla pluralità di celle galvaniche di generazione di idrogeno gassoso è associato un secondo collettore di alimentazione M3 e un secondo collettore di scarico M4. With reference to Figure 2B, a second supply manifold M3 and a second exhaust manifold M4 are associated with the plurality of galvanic cells for generating gaseous hydrogen.
Il secondo collettore di alimentazione M3 include una prima bocca di lavoro M3_l in comunicazione di fluido con il secondo ambiente di stoccaggio 2, in particolare con una bocca di uscita di esso, in cui la comunicazione di fluido è disciplinata mediante una settima valvola V7 commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa. The second supply manifold M3 includes a first working port M3_l in fluid communication with the second storage environment 2, in particular with an outlet port thereof, in which the fluid communication is regulated by means of a seventh valve V7 which can be switched between one open position and one closed position.
Il secondo collettore di alimentazione M3 include inoltre una seconda bocca di lavoro M3_2 per ciascuna cella di generazione DI, D2, Dn, configurata per alimentare la corrispondente cella di generazione con la soluzione elettrolitica e il metallo in essa disperso, nella forma di esecuzione illustrata la seconda soluzione elettrolitica e il metallo stoccati nell'ambiente 2. A tale scopo, ciascuna bocca di lavoro M3_2 è in comunicazione di fluido con il volume VD1, come illustrato nelle figure 5 e 6. The second power supply manifold M3 also includes a second working mouth M3_2 for each generation cell DI, D2, Dn, configured to supply the corresponding generation cell with the electrolytic solution and the metal dispersed therein, in the embodiment illustrated the second electrolytic solution and the metal stored in the environment 2. For this purpose, each working mouth M3_2 is in fluid communication with the volume VD1, as illustrated in Figures 5 and 6.
La presenza di elettrolita conduttivo (KOH) è causa di perdite energetiche dovute all'instaurarsi di correnti di shunt tra celle DI, D2, Dn adiacenti. Per ovviare a guesto inconveniente si può adottare una soluzione "meccanica", frapponendo un dispositivo di separazione fisica tra il collettore e le celle come ad esempio un distributore a cassetto rotante del tipo illustrato in US 6,162,555 (in generale applicabile a prescindere dalla geometria delle celle, ma preferibilmente applicato in caso di celle piane, che verranno successivamente descritte ), oppure una soluzione "elettrica" utilizzando i c.d. resistori di shunt. Ciò corrisponde alla realizzazione di percorsi di ammissione e scarico della seconda soluzione elettrolitica (considerata con composizione in evoluzione) nella corrispondente cella di generazione in le cui lunghezza e sezione siano scelte in modo tale da aumentare la resistenza elettrica della soluzione elettrolitica ivi contenuta e limitare la corrente dispersa. Un esempio di schema elettrico equivalente del sistema è illustrato in figura 15, ove le resistenze di shunt sono indicate con la seguente notazione: The presence of conductive electrolyte (KOH) causes energy losses due to the establishment of shunt currents between adjacent cells DI, D2, Dn. To obviate this drawback, a "mechanical" solution can be adopted, by placing a physical separation device between the manifold and the cells, such as a rotating drawer distributor of the type illustrated in US 6,162,555 (generally applicable regardless of the geometry of the cells , but preferably applied in the case of flat cells, which will be described later), or an "electrical" solution using the so-called shunt resistors. This corresponds to the creation of admission and discharge paths of the second electrolytic solution (considered with an evolving composition) in the corresponding generation cell in whose length and section are chosen in such a way as to increase the electrical resistance of the electrolytic solution contained therein and limit the leakage current. An example of an equivalent electrical diagram of the system is shown in figure 15, where the shunt resistances are indicated with the following notation:
Rmi, Rmo = resistenze di shunt dei collettori di ammissione (M3) e scarico (M4) Rmi, Rmo = shunt resistors of the inlet (M3) and exhaust (M4) manifolds
Ri, Ro = resistenze di shunt dei canali in ingresso e uscita dalle celle DI, D2, D3, Dn Ri, Ro = shunt resistances of the input and output channels from the cells DI, D2, D3, Dn
Re = resistenza interna della cella (Vo è la tensione agli elettrodi della cella, LD il carico elettrico applicato alla batteria di celle). Re = internal resistance of the cell (Vo is the voltage at the electrodes of the cell, LD the electrical load applied to the cell battery).
Il secondo collettore di scarico M4 include una prima bocca di lavoro M4_l per ciascuna cella di generazione DI, D2, Dn la guaie è configurata per ricevere idrogeno gassoso e la terza soluzione elettrolitica dalla cella corrispondente. A tale scopo, sussiste una comunicazione di fluido fra il volume VD2 e la corrispondente bocca M4_l come illustrato nelle figure 5 e 6. The second exhaust manifold M4 includes a first working port M4_1 for each generation cell D1, D2, Dn the guaie is configured to receive hydrogen gas and the third electrolyte solution from the corresponding cell. For this purpose, there is a fluid communication between the volume VD2 and the corresponding mouth M4_l as illustrated in Figures 5 and 6.
La membrana PM è pervia (permeabile) rispetto alla soluzione elettrolitica che alimenta la cella galvanica, ma è impervia rispetto al metallo disperso nella soluzione elettrolitica stessa, che in tal modo rimane confinato fra il mantello cilindrico e la membrana PM. La soluzione elettrolitica invece può attraversare la membrana PM e invadere il volume VD2. The PM membrane is pervious (permeable) with respect to the electrolytic solution that feeds the galvanic cell, but is impervious with respect to the metal dispersed in the electrolytic solution itself, which thus remains confined between the cylindrical mantle and the PM membrane. The electrolyte solution, on the other hand, can cross the PM membrane and invade the VD2 volume.
L'anodo AN_D e il catodo CT_D delle celle galvaniche DI, D2, Dn sono di preferenza collegati elettricamente fra loro mediante interruttori a due posizioni (aperto/chiuso, vedere interruttore SW1 in figura 7 ) o interruttori reostatici (vedere interruttore SW2 in figura 8), i guali sono attivabili da parte dell'utente in funzione della richiesta di energia elettrica mediante un comune comando manuale o elettronico. Nel caso di celle DI, D2, Dn connesse in serie fra loro, i capi dell'interruttore reostatico coincidono con i capi della serie. The anode AN_D and the cathode CT_D of the galvanic cells DI, D2, Dn are preferably electrically connected to each other by means of two-position switches (open / closed, see switch SW1 in figure 7) or rheostatic switches (see switch SW2 in figure 8) ), which can be activated by the user according to the demand for electricity by means of a common manual or electronic command. In the case of cells D1, D2, Dn connected in series with each other, the ends of the rheostatic switch coincide with the ends of the series.
Come accennato, il mantello cilindrico delle celle DI, D2, Dn è inoltre di preferenza dotato, su parte o tutta della sua superficie interna, di una schiera di elettrodi a punta BR che, come si vedrà nel seguito, sono configurati per veicolare 1'elettricità all'interno dell'anodo AN_D che entra nella cella stessa. As mentioned, the cylindrical shell of the cells D1, D2, Dn is also preferably equipped, on part or all of its internal surface, with an array of pointed electrodes BR which, as will be seen below, are configured to convey 1 ' electricity inside the anode AN_D which enters the cell itself.
Il secondo collettore di scarico M4 include inoltre una seconda bocca di lavoro M4_2 configurata per lo scarico della terza soluzione elettrolitica verso un ambiente di aspirazione di un secondo gruppo di alimentazione P2, includente in particolare una seconda pompa, il guaie è configurato per la circolazione della terza soluzione elettrolitica all'interno della sezione di generazione GE. The second exhaust manifold M4 also includes a second working mouth M4_2 configured for the discharge of the third electrolytic solution to an intake environment of a second power supply unit P2, including in particular a second pump, the guaie is configured for the circulation of the third electrolytic solution within the GE generation section.
Il secondo collettore di scarico M4 include infine una terza bocca di lavoro M4_3 configurata per lo scarico di idrogeno gassoso verso 1'esterno, regolata mediante una valvola G2. Alla valvola G2 può di preferenza essere connessa 1'ammissione della cella a combustibile FC. Finally, the second exhaust manifold M4 includes a third working mouth M4_3 configured for the discharge of gaseous hydrogen towards the outside, regulated by means of a valve G2. The inlet of the fuel cell FC can preferably be connected to the valve G2.
Il secondo gruppo di alimentazione P2, in particolare una bocca di mandata della corrispondente seconda pompa, è inoltre in comunicazione di fluido con la prima bocca di lavoro M3_l del secondo collettore di alimentazione M3, in cui la comunicazione di fluido è disciplinata mediante un'ottava valvola V8 commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa. The second supply unit P2, in particular a delivery port of the corresponding second pump, is also in fluid communication with the first working port M3_l of the second supply manifold M3, in which the fluid communication is governed by an octave V8 valve switchable between an open position and a closed position.
Inoltre, il gruppo di alimentazione P2, in particolare una bocca di mandata della corrispondente seconda pompa, è in comunicazione di fluido con il primo ambiente di stoccaggio 1, in particolare la bocca di ammissione di esso. La comunicazione di fluido è disciplinata mediante una nona valvola V9 commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa. Furthermore, the supply unit P2, in particular a delivery port of the corresponding second pump, is in fluid communication with the first storage environment 1, in particular its inlet port. Fluid communication is governed by a ninth valve V9 which can be switched between an open position and a closed position.
Il funzionamento del sistema SY è il seguente. Con il supporto di tutte le figure gui descritte, all'interno del primo ambiente di stoccaggio 1 è stoccato un certo guantitativo della prima soluzione elettrolitica, che nella forma di esecuzione preferita gui considerata include acgua e un primo elettrolita alcalino consistente in zincato di potassio Κ∑η(ΟΗ). The operation of the SY system is as follows. With the support of all the figures gui described, a certain glove of the first electrolytic solution is stored inside the first storage environment 1, which in the preferred embodiment considered includes water and a first alkaline electrolyte consisting of potassium zincate Κ ∑η (ΟΗ).
Il procedimento di generazione di idrogeno gassoso su richiesta in base all'invenzione comprende una prima fase di alimentazione della prima soluzione elettrolitica dal primo ambiente di stoccaggio 1 all'una o più celle elettrolitiche di deposizione CI, C2, Cn. The process for generating gaseous hydrogen on request according to the invention comprises a first step for feeding the first electrolytic solution from the first storage environment 1 to one or more electrolytic deposition cells Cl, C2, Cn.
Durante tale fase le valvole VI , V2 e V5 sono mantenute in posizione aperta, mentre le valvole V3, V4 e V6 sono mantenute in posizione chiusa. Ciò significa che è definito un percorso obbligato per la soluzione elettrolitica, messa in circolazione mediante il gruppo di alimentazione PI, che prevede 1'attraversamento della valvola VI, 1'invasione del collettore MI attraverso la bocca Ml_l, e 1'ingresso nelle celle CI, C2, Cn, attraverso le bocche Ml_2. During this phase the valves VI, V2 and V5 are kept in the open position, while the valves V3, V4 and V6 are kept in the closed position. This means that an obligatory path is defined for the electrolytic solution, put into circulation by the power supply unit PI, which foresees the crossing of the valve VI, the invasion of the collector MI through the port Ml_l, and the entry into the cells CI , C2, Cn, through the mouths Ml_2.
La soluzione elettrolitica che entra nel volume VC delle celle Cl, C2, Cn viene guindi sottoposta a elettrolisi . A tale scopo, le celle Cl, C2, Cn, vengono alimentate elettricamente con una tensione elettrica applicata fra anodo AN_C e catodo CT_C in modo da innescare la seguente reazione: The electrolytic solution which enters the volume VC of the cells Cl, C2, Cn is then subjected to electrolysis. For this purpose, the cells Cl, C2, Cn are electrically powered with an electric voltage applied between anode AN_C and cathode CT_C so as to trigger the following reaction:
Le reazioni parziali che si sviluppano al catodo CT_C e all'anodo AN_C sono invece le seguenti The partial reactions that develop at the cathode CT_C and at the anode AN_C are instead the following
Catodo Cathode
Anodo Anode
Dalle reazioni di cui sopra è evidente come la prima soluzione elettrolitica venga elettrolizzata producendo come primo prodotto di reazione un secondo elettrolita alcalino, l'idrossido di potassio KOH che è utile nella successiva fase di generazione di idrogeno nella sezione GE. From the above reactions it is evident how the first electrolytic solution is electrolyzed producing as the first reaction product a second alkaline electrolyte, the potassium hydroxide KOH which is useful in the subsequent hydrogen generation step in the GE section.
Un secondo prodotto di reazione è lo zinco metallico (sostanzialmente) puro, che si deposita sul catodo sotto forma aggregato spugnoso di particelle metalliche. A second reaction product is (substantially) pure metallic zinc, which is deposited on the cathode in the form of a spongy aggregate of metal particles.
Un terzo prodotto di reazione è 1'acqua H20 che assieme all'idrossido di potassio KOH realizza - secondo le modalità che verranno a breve descritte - la seconda soluzione elettrolitica di cui sopra. A third reaction product is water H20 which, together with potassium hydroxide KOH, creates - according to the modalities that will be described shortly - the second electrolytic solution mentioned above.
Un guarto prodotto di reazione è 1'ossigeno gassoso 02che viene liberato in atmosfera attraverso la bocca M2_4 e la valvola Gl. A reaction product is the gaseous oxygen 02 which is released into the atmosphere through the port M2_4 and the valve Gl.
Il tecnico del ramo apprezzerà peraltro che il funzionamento delle celle CI, C2, Cn prevede un flusso assiale (puro o con componente prevalentemente assiale) dall'una all'altra estremità delle celle. L'alimentazione (bocche Ml_2) avviene preferibilmente dal basso, e 1'uscita dei prodotti di reazione liquidi (seconda soluzione elettrolitica) e gassosi (ossigeno) attraverso le bocche M2_l avviene per conseguenza dall'alto. The person skilled in the art will also appreciate that the operation of the cells Cl, C2, Cn provides for an axial flow (pure or with a predominantly axial component) from one end of the cells to the other. The feeding (ports Ml_2) preferably takes place from below, and the outlet of the liquid (second electrolytic solution) and gaseous (oxygen) reaction products through the ports M2_1 consequently occurs from above.
La reazione di elettrolisi avviene sostanzialmente in regime di flusso permanente: la circolazione della soluzione elettrolitica di zincato di potassio K2Zn(GH)4attraverso le celle CI, C2, Cn restituisce una seconda soluzione elettrolitica che, in ragione del suo ricircolo attraverso le celle CI, C2, Cn ad opera del gruppo PI, è progressivamente più ricca di idrossido di potassio KOH e progressivamente più povera di zincato di potassio K2Zn(OH)4. The electrolysis reaction basically takes place in a permanent flow regime: the circulation of the electrolytic solution of potassium zincate K2Zn (GH) 4 through the cells CI, C2, Cn returns a second electrolytic solution which, due to its recirculation through the cells CI, C2, Cn by the PI group, is progressively richer in potassium hydroxide KOH and progressively poorer in potassium zincate K2Zn (OH) 4.
La reazione di cui sopra, e con essa l'alimentazione della soluzione elettrolitica (originariamente prima, progressivamente seconda) da parte del gruppo di alimentazione PI alle celle CI, C2, Cn, prosegue fintanto che la concentrazione di zincato di potassio K2Zn(OH)4nella seconda soluzione elettrolitica (con concentrazioni delle specie chimiche in evoluzione) che alimenta le celle CI, C2, Cn raggiunge valori minimi, in particolare inferiori a un valore di soglia. The above reaction, and with it the feeding of the electrolytic solution (originally first, progressively second) by the power supply unit PI to the cells CI, C2, Cn, continues as long as the concentration of potassium zincate K2Zn (OH) 4 in the second electrolytic solution (with concentrations of the chemical species in evolution) that feeds the cells Cl, C2, Cn reaches minimum values, in particular lower than a threshold value.
Il criterio per determinare il valore di soglia è di natura energetica. La spesa in termini di energia per massa di zinco depositata aumenta al diminuire della concentrazione di ioni zincato (Zn(OH)4<Ξ+>): il valore di soglia è scelto al fine di limitare la spesa energetica specifica al di sotto di un determinato valore. The criterion for determining the threshold value is of an energetic nature. The expenditure in terms of energy per mass of zinc deposited increases as the concentration of galvanized ions decreases (Zn (OH) 4 <Ξ +>): the threshold value is chosen in order to limit the specific energy expenditure below a certain value.
In più, occorre considerare che lo spazio tra gli elettrodi AN_C e CT_C durante la deposizione tende a diminuire per via della crescita dello strato di zinco: occorre evitare il cortocircuito tra gli elettrodi, ed evitare che si blocchi la via di passaggio per il flusso dell'elettrolita (oltre a evitare di staccare lo zinco in fase di deposizione). In addition, it must be considered that the space between the electrodes AN_C and CT_C during deposition tends to decrease due to the growth of the zinc layer: it is necessary to avoid the short circuit between the electrodes, and to avoid blocking the passageway for the flow of the electrolyte (in addition to avoiding detaching the zinc during deposition).
In tal caso si procede a una fase di stoccaggio dello zinco metallico depositato sul catodo CT_C nel secondo ambiente di stoccaggio 2. In tale fase le valvole VI, V2 e V6 vengono commutate in posizione chiusa, mentre le valvole V3, V4 e V5 vengono commutate in posizione aperta. Ciò significa - fra 1'altro - che viene invertita temporaneamente la funzione dei collettori di ammissione e di scarico MI, M2, come peraltro precedentemente accennato. In this case, a storage phase is carried out for the metallic zinc deposited on the cathode CT_C in the second storage environment 2. In this phase, the valves VI, V2 and V6 are switched to closed position, while the valves V3, V4 and V5 are switched in the open position. This means - among other things - that the function of the inlet and exhaust manifolds M1, M2 is temporarily reversed, as previously mentioned.
In particolare, è ora il collettore M2 a ricevere una portata di seconda soluzione elettrolitica a bassa concentrazione di zincato di potassio Κ2Ζη(ΟΗ)4e ad alta concentrazione di idrossido di potassio KOH attraverso la valvola V3 e la bocca M2_3. Da guesta, tale soluzione elettrolitica invade il collettore M2 e attraverso le bocche M2 1 invade le celle Ci, C2, Cn con un flusso assiale (alto >> basso) opposto al flusso assiale (basso >> alto) con il quale le celle elettrolitiche vengono alimentate per la reazione di elettrolisi. In tale fase inoltre è interrotta 1'alimentazione elettrica a ciascuna delle celle CI, C2, Cn. In particular, it is now the manifold M2 that receives a second electrolytic solution with a low concentration of potassium zincate Κ2Ζη (ΟΗ) 4 and a high concentration of potassium hydroxide KOH through the valve V3 and the port M2_3. From this, this electrolytic solution invades the collector M2 and through the ports M2 1 invades the cells Ci, C2, Cn with an axial flow (high >> low) opposite to the axial flow (low >> high) with which the electrolytic cells they are fed for the electrolysis reaction. In this phase, the electrical power supply to each of the cells Cl, C2, Cn is also interrupted.
La circolazione della seconda soluzione elettrolitica a bassa concentrazione di zincato di potassio K2Zn(OH)4e ad alta concentrazione di idrossido di potassio KOH all'interno delle celle Cl, C2, Cn realizza un lavaggio del catodo CT_C con conseguente distacco dello strato di zinco metallico spugnoso su di esso depositato. In alternativa può essere previsto un sistema meccanico per il distacco dello zinco, ad esempio un sistema a vibrazione con frequenze ultrasoniche. The circulation of the second electrolytic solution with a low concentration of potassium zincate K2Zn (OH) 4e with a high concentration of potassium hydroxide KOH inside the cells Cl, C2, Cn carries out a washing of the cathode CT_C with consequent detachment of the metallic zinc layer spongy on it deposited. Alternatively, a mechanical system for zinc detachment can be provided, for example a vibration system with ultrasonic frequencies.
Lo zinco lavato in questo modo viene quindi raccolto assieme alla seconda soluzione elettrolitica a bassa concentrazione di zincato di potassio K2Zn(OH)4e ad alta concentrazione di idrossido di potassio KOH all'interno del collettore MI, e da questo avviato attraverso la valvola V4 e il nodo circuitale J all'interno del filtro FI, nel quale si deposita lo zinco metallico spugnoso. The zinc washed in this way is then collected together with the second electrolytic solution with a low concentration of potassium zincate K2Zn (OH) 4e with a high concentration of potassium hydroxide KOH inside the manifold MI, and from this it is started through the valve V4 and the circuit node J inside the filter FI, in which the spongy metallic zinc is deposited.
Il filtro FI separa la frazione solida costituita da zinco metallico dalla frazione liquida (acqua , KOH, K2Zn(GH)4). Se la frazione liquida contiene zincato di potassio K2Zn(OH)4in concentrazioni ancora sfruttabili per 1'elettrolisi, si commutano le valvole nella configurazione iniziale (VI, V2, V5 aperte, V3, V4, V6 chiuse) e ricomincia la fase di alimentazione della soluzione elettrolitica che cessa quando la concentrazione di zincato di potassio K2Zn (OH)4raggiunge valori che la rendono non più sfruttabile, con nuova commutazione delle valvole (VI, V2 e V6 chiuse, V3, V4 e V5 aperte) e successiva fase di scarico dello zinco nel filtro FI in aggiunta a guello precedentemente depositato. La soluzione acguosa che risulta a valle di guesta fase corrisponde alla seconda soluzione elettrolitica includente acqua e idrossido di potassio KOH (oltre a minimi guantitativi di zincato di potassio K2Zn(GH)4), ossia in cui l'evoluzione delle concentrazioni di idrossido di potassio KOH e zincato di potassio K2Zn(OH)4ha raggiunto una condizione che la rende sfruttabile in un altro processo all'interno del sistema SY, in particolare nella sezione di generazione GE. The FI filter separates the solid fraction consisting of metallic zinc from the liquid fraction (water, KOH, K2Zn (GH) 4). If the liquid fraction contains potassium zincate K2Zn (OH) 4 in concentrations still exploitable for electrolysis, the valves are switched to the initial configuration (VI, V2, V5 open, V3, V4, V6 closed) and the power supply phase of the electrolytic solution that ceases when the concentration of potassium zincate K2Zn (OH) 4 reaches values that make it no longer usable, with new switching of the valves (VI, V2 and V6 closed, V3, V4 and V5 open) and subsequent discharge phase of the zinc in the FI filter in addition to previously deposited ointment. The watery solution that results downstream of this phase corresponds to the second electrolytic solution including water and potassium hydroxide KOH (in addition to the minimum guantitatives of potassium zincate K2Zn (GH) 4), i.e. in which the evolution of potassium hydroxide concentrations KOH and potassium zincate K2Zn (OH) 4 has reached a condition that makes it usable in another process within the SY system, in particular in the GE generation section.
Può guindi essere avviato lo stoccaggio dello zinco depositato sul catodo CT_C e raccolto nel filtro FI tramite riversamento di esso all 'interno dell'ambiente di stoccaggio 2 attraverso la valvola V6, che è allo scopo commutata in posizione aperta. Preferibilmente, veduto che la concentrazione di idrossido di potassio KOH ha raggiunto una condizione che la rende sfruttabile nella sezione di generazione GE, anche la seconda soluzione elettrolitica è stoccata nell'ambiente 2 assieme allo zinco depositato per elettrolisi, che in guesto modo rimane disperso nella soluzione acguosa (senza costituire un soluto vero e proprio). The storage of the zinc deposited on the cathode CT_C and collected in the filter FI can then be started by pouring it into the storage environment 2 through the valve V6, which for this purpose is switched to the open position. Preferably, seeing that the concentration of potassium hydroxide KOH has reached a condition that makes it usable in the generation section GE, also the second electrolytic solution is stored in the environment 2 together with the zinc deposited by electrolysis, which thus remains dispersed in the watery solution (without constituting a real solute).
Si osservi che, in generale, pur essendo un'opzione preferita non è necessario stoccare sia la seconda soluzione elettrolitica, sia lo zinco raccolto nel filtro FI, all'interno dell'ambiente di stoccaggio 2. In alcune forme di esecuzione è previsto un stoccaggio del solo zinco raccolto nel filtro FI all'interno del serbatoio 2, con stoccaggio separato della seconda soluzione elettrolitica in un secondo serbatoio. It should be noted that, in general, although it is a preferred option, it is not necessary to store both the second electrolytic solution and the zinc collected in the filter FI, inside the storage environment 2. In some embodiments, storage is provided only of the zinc collected in the filter FI inside the tank 2, with separate storage of the second electrolytic solution in a second tank.
Questo perché, in base a un vantaggioso aspetto dell'invenzione, la sezione di stoccaggio ST e la sezione di generazione GE possono essere installati in luoghi diversi. A tal proposito, 1'ambiente di stoccaggio 2 è realizzato come serbatoio di stoccaggio di energia separabile e trasferibile in modo completamente sicuro per un successivo utilizzo come alimentazione per le celle galvaniche DI, D2, Dn. This is because, according to an advantageous aspect of the invention, the storage section ST and the generating section GE can be installed in different places. In this regard, the storage environment 2 is designed as a separable and transferable energy storage tank in a completely safe way for subsequent use as a power supply for the galvanic cells D1, D2, Dn.
Infatti, il serbatoio 2 non contiene alcun gas in pressione, e in particolare non contiene idrogeno gassoso in pressione (facilmente infiammabile). Al contrario, il serbatoio 2 contiene un materiale inerte guaie lo zinco, che è oltretutto perfettamente eco-compatibile. In fact, the tank 2 does not contain any gas under pressure, and in particular it does not contain gaseous hydrogen under pressure (easily flammable). On the contrary, the tank 2 contains an inert material which causes zinc, which is, moreover, perfectly eco-compatible.
Lo zinco può essere guindi trasferito altrove nel serbatoio 2 per 1'impiego nella sezione di generazione GE con la sola aggiunta - al momento dell'installazione nella sezione GE - di acgua e di un elettrolita alcalino, preferibilmente l'idrossido di potassio KOH che già compone la seconda soluzione elettrolitica. In alternativa, è possibile trasportare zinco e soluzione elettrolitica assieme. The zinc can then be transferred elsewhere in the tank 2 for use in the generation section GE with the sole addition - at the time of installation in the GE section - of water and an alkaline electrolyte, preferably the potassium hydroxide KOH which already composes the second electrolytic solution. Alternatively, zinc and electrolyte solution can be transported together.
Il tecnico del ramo apprezzerà guindi 1'estrema convenienza del sistema SY in base all'invenzione: l'idrossido di potassio KOH è un composto commercialmente disponibile a basso costo e in una forma facilmente trasportabile (pellet o polvere). L'acgua è normalmente prelevatile dalla rete idrica, per cui è possibile ricreare in separata sede le medesime condizioni di alimentazione proprie del sistema SY guando sussiste integrazione fisica (oltre che funzionale) fra le due sezioni ST e GE, ossia guando sia lo zinco metallico, sia la seconda soluzione elettrolitica vengono stoccati all'interno del serbatoio 2. The person skilled in the art will therefore appreciate the extreme convenience of the SY system according to the invention: potassium hydroxide KOH is a commercially available compound at low cost and in an easily transportable form (pellet or powder). The water is normally drawn from the water mains, so it is possible to recreate the same power supply conditions of the SY system separately when there is physical (as well as functional) integration between the two sections ST and GE, i.e. when both the metallic zinc , both the second electrolytic solution are stored inside the tank 2.
Con riferimento alla figura 2B, guaie che siano le specie stoccate all'interno del serbatoio 2, una volta che il serbatoio 2 è messo in comunicazione di fluido con la sezione di generazione GE (apertura valvola V7), può essere avviato il processo di generazione di idrogeno gassoso e di produzione contestuale di energia elettrica. With reference to figure 2B, whether it is the species stored inside the tank 2, once the tank 2 is put in fluid communication with the generation section GE (valve opening V7), the generation process can be started of gaseous hydrogen and simultaneous production of electricity.
Tale processo prevede in generale una fase di alimentazione del metallo (zinco) stoccato nel secondo ambiente di stoccaggio 2 e della seconda soluzione elettrolitica - sia essa già presente nell'ambiente 2 o aggiunta successivamente - all'una o più celle galvaniche DI, D2, Dn di generazione. This process generally involves a phase of feeding the metal (zinc) stored in the second storage environment 2 and the second electrolytic solution - whether it is already present in environment 2 or added subsequently - to one or more galvanic cells DI, D2, Generation dn.
Ciò avviene di preferenza in due fasi ulteriori.E' in particolare prevista una fase di carico del circuito in cui la valvola V7 e la valvola V8 sono mantenute in posizione aperta, mentre la valvola V9 è mantenuta in posizione chiusa. Nella fase di carico, che dura lo spazio di un intervallo di tempo predeterminato nel guaie la valvola V7 è mantenuta aperta, il complesso di seconda soluzione elettrolitica e zinco invade il circuito dell'unità di generazione GE. Una volta caricato il circuito, a valle dell'intervallo di tempo predeterminato anzidetto, la valvola V7 viene commutata in posizione chiusa, la valvola V9 viene mantenuta in posizione chiusa e rimane aperta la sola valvola V8. Si apprezzerà pertanto, anche con riferimento ai versi di percorrenza illustrati in figura 2B, che viene definito un circuito chiuso in cui: This preferably takes place in two further phases. In particular, a circuit loading phase is provided in which the valve V7 and the valve V8 are kept in the open position, while the valve V9 is kept in the closed position. In the loading phase, which lasts the space of a predetermined time interval in the fault, the valve V7 is kept open, the complex of second electrolytic and zinc solution invades the circuit of the generating unit GE. Once the circuit has been loaded, downstream of the aforementioned predetermined time interval, the valve V7 is switched to the closed position, the valve V9 is kept in the closed position and only the valve V8 remains open. It will therefore be appreciated, also with reference to the travel directions illustrated in figure 2B, that a closed circuit is defined in which:
- il gruppo di alimentazione P2 alimenta una portata di seconda soluzione elettrolitica e zinco al secondo collettore di alimentazione M3, - the power supply unit P2 supplies a flow rate of second electrolytic solution and zinc to the second power supply manifold M3,
- dal collettore M3 la portata di seconda soluzione elettrolitica e zinco entra nelle celle DI, D2, Dn attraverso le bocche M3_2, viene processata, e dalle celle DI, D2, Dn medesime fuoriesce una portata di idrogeno gassoso H2 e di una terza soluzione elettrolitica. - from the manifold M3 the flow rate of the second electrolytic solution and zinc enters the cells DI, D2, Dn through the ports M3_2, it is processed, and from the cells DI, D2, Dn themselves a flow of gaseous hydrogen H2 and a third electrolytic solution come out .
Il processamento della portata in questione avviene completamente a richiesta: l'utente da inizio al processo di generazione dell'idrogeno semplicemente chiudendo 1'interruttore SW1 o SW2 che equipaggia ciascuna cella (il tutto può convenientemente essere comandato per via elettronica). Questo instaura la reazione inversa rispetto all'elettrolisi di cui sopra, in particolare The processing of the flow rate in question takes place completely on request: the user starts the hydrogen generation process simply by closing the switch SW1 or SW2 that equips each cell (everything can conveniently be controlled electronically). This sets up the reverse reaction with respect to the above electrolysis, in particular
Zn+2KGH+2 3⁄40 → K2Zn(OH)4+H2- Zn + 2KGH + 2 3⁄40 → K2Zn (OH) 4 + H2-
In cui: In which:
Reazione al catodo Reaction at the cathode
23⁄40 2e<“>→H2+2QH<“>23⁄40 2e <“> → H2 + 2QH <“>
Reazione all'anodo Reaction to the anode
Zn+40H<“>→Zn(OH)4<2“>+2e<“>Zn + 40H <“> → Zn (OH) 4 <2“> + 2e <“>
Con il supporto delle figure 5 a 8, all'interno di ciascuna cella DI, D2, Dn, avvengono - più in dettaglio - i seguenti fenomeni. With the support of figures 5 to 8, inside each cell D1, D2, Dn, the following phenomena occur - in more detail -.
Dalla bocca M3_2 una portata di seconda soluzione elettrolitica e zinco metallico invade il volume toroidale VD1. La soluzione elettrolitica bagna la membrana porosa PM e lo zinco metallico, ma soltanto la soluzione elettrolitica passa attraverso la membrana porosa PM. From the mouth M3_2 a flow of second electrolytic solution and metallic zinc invades the toroidal volume VD1. The electrolyte solution wets the porous membrane PM and the metallic zinc, but only the electrolyte solution passes through the porous membrane PM.
Lo zinco rimane quindi concentrato nel volume toroidale VD1 ed è a contatto con il collettore di corrente (mantello cilindrico di metallo o lastra di rame con punte collettrici BR), che è configurato per veicolare il flusso di cariche elettriche entro lo strato di zinco. The zinc therefore remains concentrated in the toroidal volume VD1 and is in contact with the current collector (cylindrical metal mantle or copper plate with BR collector tips), which is configured to convey the flow of electrical charges within the zinc layer.
Alla chiusura del circuito fra 1'anodo AN_D e il catodo CT_D si instaura il flusso di elettroni fra di essi e la reazione di cui sopra, con contestuale generazione di energia elettrica e idrogeno gassoso. When the circuit is closed between the anode AN_D and the cathode CT_D, the flow of electrons is established between them and the above reaction, with the simultaneous generation of electrical energy and gaseous hydrogen.
La terza soluzione elettrolitica va progressivamente arricchendosi di zincato di potassio K2Zn(OH)4via via che essa viene ricircolata all' alimentazione delle celle galvaniche Di, D2, Dn, mentre 1'idrossido di potassio KOH -per conseguenza - si converte per reazione con lo zinco a formare, fra l'altro, lo zincato di potassio K2Zn(GH)4. The third electrolytic solution is progressively enriched with potassium zincate K2Zn (OH) 4 as it is recirculated to the power supply of the galvanic cells Di, D2, Dn, while the potassium hydroxide KOH - consequently - is converted by reaction with the zinc to form, among other things, potassium zincate K2Zn (GH) 4.
La terza soluzione elettrolitica invade il secondo collettore di scarico M4 attraverso le bocche M4_l e 1 idrogeno gassoso viene liberato attraverso la bocca M4_3 e la valvola G2 , mentre la soluzione elettrolitica è ricircolata all 'aspirazione del gruppo P2 attraverso la bocca M4_2 . La presenza del fondello BT determina inoltre un flusso emi-toroidale della portata di specie chimiche nelle celle Di, D2, Dn, con ingresso dall' alto e uscita dall'alto (preferibilmente) . The third electrolytic solution invades the second exhaust manifold M4 through the ports M4_l and 1 hydrogen gas is released through the port M4_3 and the valve G2, while the electrolytic solution is recirculated to the suction of the group P2 through the port M4_2. The presence of the bottom BT also determines a hemi-toroidal flow of the flow rate of chemical species in the cells Di, D2, Dn, with inlet from the top and outlet from the top (preferably).
Anche in guesto caso, occorrono svariati cicli della portata di terza soluzione elettrolitica (in origine seconda) e zinco metallico (progressivamente residuo) per reintegrare la concentrazione iniziale dell' elettrolita K2Zn(GH)4, vale a dire la concentrazione che caratterizza la prima soluzione elettrolitica nel serbatoio 1. Also in this case, several cycles of the flow rate of the third electrolytic solution (originally the second) and metallic zinc (progressively residual) are required to restore the initial concentration of the electrolyte K2Zn (GH) 4, i.e. the concentration that characterizes the first solution. electrolyte in the tank 1.
Al raggiungimento di tale condizione , la terza soluzione elettrolitica ha sostanzialmente la medesima composizione della prima soluzione elettrolitica, e soprattutto - ha sostanzialmente la medesima concentrazione di zincato di potassio K2Zn(OH)4che caratterizza la prima soluzione elettrolitica nel serbatoio 1 (oltre a minimi guantitativi di idrossido di potassio KOH). Upon reaching this condition, the third electrolytic solution has substantially the same composition as the first electrolytic solution, and above all - it has substantially the same concentration of potassium zincate K2Zn (OH) 4 which characterizes the first electrolytic solution in tank 1 (in addition to minimum glove of potassium hydroxide KOH).
Se, nel caso di sezioni ST e GE situate in luoghi diversi, invece dell'idrossido di potassio KOH si utilizza un diverso elettrolita alcalino (ad esempio idrossido di sodio NaOH o idrossido di litio LiOH), allora la terza soluzione elettrolitica non avrà la medesima composizione della prima soluzione elettrolitica di zincato di potassio K2Zn(OH)4per il semplice fatto che 1'idrossido di sodio che si consuma da origine a zincato di sodio Na2Zn(OH)4. Più in generale, qualora si sia interessati a utilizzare la terza soluzione elettrolitica come reintegro della prima soluzione elettrolitica senza prevedere ulteriori stadi di trattamento occorre che il metallo alcalino nell'elettrolita (zincato) della prima soluzione elettrolitica coincida col metallo alcalino dell'elettrolita (idrossido) della seconda soluzione elettrolitica. Si osservi inoltre che se sussiste contemporaneità fra la deposizione dello zinco sul catodo CT_C delle celle Ci, C2, Cn e il consumo di idrogeno da parte di un utilizzatore, ad esempio la cella a combustibile FC, può essere realizzata un'ulteriore integrazione energetica fra 1'utilizzatore (FC) e il sistema SY inviando 1'ossigeno liberato dal collettore M2 all'alimentazione dell'utilizzatore stesso. If, in the case of ST and GE sections located in different locations, a different alkaline electrolyte (e.g. sodium hydroxide NaOH or lithium hydroxide LiOH) is used instead of potassium hydroxide KOH, then the third electrolyte solution will not have the same composition of the first electrolytic solution of potassium zincate K2Zn (OH) 4 for the simple fact that the sodium hydroxide that is consumed gives rise to sodium zincate Na2Zn (OH) 4. More generally, if you are interested in using the third electrolytic solution as a replenishment of the first electrolytic solution without providing for further treatment stages, it is necessary that the alkali metal in the electrolyte (galvanized) of the first electrolyte solution coincides with the alkaline metal of the electrolyte (hydroxide ) of the second electrolyte solution. It should also be noted that if there is contemporaneity between the deposition of zinc on the cathode CT_C of the cells Ci, C2, Cn and the consumption of hydrogen by a user, for example the fuel cell FC, a further energy integration can be achieved between The user (FC) and the SY system by sending the oxygen released by the manifold M2 to the user's power supply.
Durante la fase di produzione di idrogeno e corrente elettrica nella sezione GE, la reazione all'anodo porta alla formazione di ioni zincato Zn(OH)4<2_>. During the production phase of hydrogen and electric current in the GE section, the reaction at the anode leads to the formation of galvanized ions Zn (OH) 4 <2_>.
In realtà lo zincato Zn(OH)4<2->è un prodotto intermedio e metastabile della reazione, che molto lentamente procede oltre secondo la seguente reazione: Actually the zincate Zn (OH) 4 <2-> is an intermediate and metastable product of the reaction, which very slowly proceeds further according to the following reaction:
Questa seconda reazione porta alla formazione di ossido di zinco ZnO, acqua e ioni idrossido OH-. In forme di esecuzione preferite si cerca di mantenere lo zinco all' interno dello ione zincato evitando di far procedere la reazione : in questo modo si ha la formazione di una soluzione supersatura di ioni zincato. Il vantaqgio rispetto a far proseguire la reazione è il seguente : il limite di solubilità dell'ossido di zinco ZnO in soluzioni alcaline di idrossido di potassio KOH è nell'ordine dei 60 g/1 di Zn, mentre si riescono ad ottenere concentrazioni anche 3-4 volte superiori per la solubilità dello zincato Zn (OH)4<2->(formazione di soluzioni supersature di zincato con anche 300g/l di Zn). This second reaction leads to the formation of zinc oxide ZnO, water and OH- hydroxide ions. In preferred embodiments an attempt is made to keep the zinc inside the galvanized ion avoiding the reaction proceeding: in this way a supersaturated solution of galvanized ions is formed. The advantage with respect to continuing the reaction is the following: the solubility limit of zinc oxide ZnO in alkaline solutions of potassium hydroxide KOH is in the order of 60 g / 1 of Zn, while concentrations can be obtained even 3 -4 times higher for the solubility of zincate Zn (OH) 4 <2-> (formation of supersaturated solutions of zinc with even 300g / l of Zn).
Ciò permette di utilizzare una quantità inferiore di soluzione a parità di quantità di Zn (e quindi di precursore ) da processare. This allows to use a smaller quantity of solution for the same quantity of Zn (and therefore of precursor) to be processed.
In particolari applicazioni , tuttavia, potrebbe essere conveniente utilizzare un quantitativo di elettrolita molto limitato (vantaggio in peso e volume occupato) in modo da far precipitare 1'ossido di zinco ZnO . Chiaramente in questi casi occorrerà prevedere un'uscita di drenaggio dalle celle DI ,D2,Dn per rimuovere tutto il soluto precipitato (ZnO). La sezione di stoccaggio ST dovrà inoltre essere alimentata con una prima soluzione elettrolitica in cui la concentrazione di Zn è legata alla solubilità dell'ossido di Zinco (circa 60g/l). Quest'ultima applicazione ha un vantaggio nel caso la sezione GE sia separata dalla sezione ST e vi siano inoltre esigenze di contenimento di pesi e spazi occupati. In particular applications, however, it could be convenient to use a very limited amount of electrolyte (advantage in weight and volume occupied) so as to precipitate the zinc oxide ZnO. Clearly in these cases it will be necessary to provide a drainage outlet from the cells DI, D2, Dn to remove all the precipitated solute (ZnO). The storage section ST must also be fed with a first electrolytic solution in which the concentration of Zn is linked to the solubility of the zinc oxide (about 60g / l). This last application has an advantage in case the GE section is separated from the ST section and there are also needs to contain weights and occupied spaces.
Il tecnico del ramo apprezzerà quindi 1 'estremo vantaggio della presente invenzione . In particolare , 1 'energia viene stoccata senza gas in pressione e senza substrati di ritenzione dell'idrogeno. Semplicemente, 1'energia è stoccata - per così dire - in forma di precursore consistente in zinco metallico. The person skilled in the art will therefore appreciate the extreme advantage of the present invention. In particular, the energy is stored without gas under pressure and without hydrogen retention substrates. Simply, the energy is stored - so to speak - in the form of a precursor consisting of metallic zinc.
Vengono così risolti tutti i problemi di taglia, tecnologie di processo, e ingombri che caratterizzano i substrati o i procedimenti di stoccaggio energetico di tipo noto: lo zinco non presenta difficoltà o restrizioni al trasporto, è eco-compatibile e può essere facilmente combinato con una soluzione elettrolitica realizzata al momento per 1'impiego su una sezione di generazione GE situata altrove rispetto alla sezione di stoccaggio ST. Il sistema può inoltre avere potenze differenti in funzione della dimensione e/o del numero delle celle CI, C2, Cn, che definiscono la massima potenza stoccabile. In this way, all the problems of size, process technologies, and dimensions that characterize known substrates or energy storage processes are solved: zinc does not present difficulties or restrictions in transport, it is eco-compatible and can be easily combined with a solution. electrolytic realized at the moment for use on a generation section GE located elsewhere with respect to the storage section ST. The system can also have different powers depending on the size and / or the number of cells CI, C2, Cn, which define the maximum storable power.
La potenza elettrica in uscita dipende invece dalle dimensioni dell'elettrodo per 1'evoluzione dell'idrogeno (Hydrogen evolving electrode) che costituisce il catodo CT_D di ciascuna cella DI, D2, Dn. La capacità del sistema, ossia la guantità di energia stoccabile per unità di tempo dipende invece unicamente dalla dimensione del serbatoio 1, che definisce la guantità di prima soluzione elettrolitica circolante nel sistema. The electric power output depends on the size of the electrode for the evolution of the hydrogen (Hydrogen evolving electrode) which constitutes the cathode CT_D of each cell D1, D2, Dn. The capacity of the system, ie the amount of energy that can be stored per unit of time, on the other hand, depends solely on the size of the tank 1, which defines the amount of the first electrolytic solution circulating in the system.
Variando le dimensioni del serbatoio 1, senza variare le dimensioni della macchina è possibile lavorare con una capacità più alta. Questo significa che è possibile realizzare un sistema estremamente compatto rispetto ai sistemi di tipo noto e installabile in un gualsiasi ambiente, anche domestico. By varying the size of tank 1, without changing the size of the machine, it is possible to work with a higher capacity. This means that it is possible to realize an extremely compact system with respect to known systems and installable in any environment, even domestic.
Inoltre, in base a un vantaggioso aspetto della presente invenzione, la velocità della reazione elettrochimica all'interno delle celle galvaniche DI, D2, Dn può essere significativamente migliorata con un preriscaldamento della seconda soluzione elettrolitica a una temperatura di circa 40-80 °C, che è una temperatura di preriscaldamento tipicamente ottenibile mediante integrazione del sistema SY con un impianto solare termico, oppure mediante sfruttamento del calore di scarto della cella a combustibile FC. Furthermore, according to an advantageous aspect of the present invention, the speed of the electrochemical reaction inside the galvanic cells DI, D2, Dn can be significantly improved by preheating the second electrolytic solution to a temperature of about 40-80 ° C, which is a preheating temperature typically obtainable by integrating the SY system with a solar thermal system, or by exploiting the waste heat of the fuel cell FC.
Infatti, a temperatura ambiente - circa 20 °C - la reazione nelle celle DI, D2, Dn procede a velocità ridotta. Al contrario, con il preriscaldamento a 40-80 °C la reazione procede in modo stabile e veloce. In fact, at room temperature - about 20 ° C - the reaction in the cells DI, D2, Dn proceeds at a reduced speed. On the contrary, with preheating to 40-80 ° C the reaction proceeds in a stable and fast way.
La scelta di un ambiente alcalino per le reazioni nelle celle CI, C2, Cn cons ente di minimizzare le dimensioni della macchina poiché la densità di corrente utilizzabile (valori di picco, a regime si rimane su valori inferiori) è di circa 30-40 A/dm<2>pertanto è possibile realizzare celle con elettrodi più piccoli. The choice of an alkaline environment for the reactions in the cells CI, C2, Cn allows to minimize the dimensions of the machine since the usable current density (peak values, in steady state it remains on lower values) is about 30-40 A / dm <2> therefore it is possible to make cells with smaller electrodes.
Se si lavorasse in ambiente acido come nel caso di sistemi noti, la densità di corrente massima utilizzabile è di circa un ordine di grandezza inferiore (3-4 A/dm<2>), oltre la guaie si realizza elettrolisi completa con generazione di idrogeno . If working in an acidic environment as in the case of known systems, the maximum usable current density is about an order of magnitude lower (3-4 A / dm <2>), beyond the fault complete electrolysis with generation of hydrogen is achieved .
All'interno delle celle Gl, C2, Cn, lo zinco può essere lasciato immerso nella soluzione elettrolitica KOH 3⁄40 senza che si produca idrogeno, specialmente se lo zinco è puro. Si può riprendere a depositare zinco in un secondo momento, ed è inoltre possibile stoccare zinco e soluzione elettrolitica assieme addirittura all 'interno delle celle Gl , C2, Cn. Ciò sarebbe impossibile in ambiente acido poiché ciò eroderebbe lo zinco . Rispetto a soluzioni note che prevedono la deposizione di zinco in ambiente acido (non in forma di polvere ) la soluzione in base all' invenzione ha un vantaggio economico : nelle predette soluzioni note c'è necessità di aumentare il numero di celle per aumentare la capacità del sistema, mentre nella soluzione in base all'invenzione è sufficiente aumentare le dimensioni del serbatoio . Inside the cells Gl, C2, Cn, zinc can be left immersed in the 3⁄40 KOH electrolytic solution without producing hydrogen, especially if the zinc is pure. It is possible to resume depositing zinc at a later time, and it is also possible to store zinc and electrolytic solution together even inside the cells Gl, C2, Cn. This would be impossible in an acidic environment as this would erode the zinc. Compared to known solutions which provide for the deposition of zinc in an acidic environment (not in the form of powder), the solution according to the invention has an economic advantage: in the aforementioned known solutions there is a need to increase the number of cells to increase the capacity of the system, while in the solution according to the invention it is sufficient to increase the size of the tank.
Naturalmente , i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione, così come definito dalle rivendicazioni annesse. Naturally, the details of construction and the embodiments may be widely varied with respect to what has been described and illustrated without thereby departing from the scope of protection of the present invention, as defined by the attached claims.
A tal proposito , sebbene nelle forme di esecuzione descritte il metallo che funge da precursore per lo stoccaggio di energia è lo zinco, in forme di esecuzione alternative è possibile utilizzare altri metalli , ad esempio ferro o manganese. In this regard, although in the embodiments described the metal that acts as a precursor for energy storage is zinc, in alternative embodiments it is possible to use other metals, for example iron or manganese.
Con riferimento alla figura 9 , verrà ora illustrata una forma di esecuzione del sistema SY in base all' invenzione che include una variante della sezione di stoccaggio fin qui illustrata. With reference to Figure 9, an embodiment of the SY system according to the invention will now be illustrated which includes a variant of the storage section illustrated up to now.
La sezione di stoccaggio ST' include il serbatoio 1 per la prima soluzione elettrolitica, di nuovo una soluzione acquosa includente acqua e un primo elettrolita alcalino, in particolare zincato di potassio Κ∑η(ΟΗ). The storage section ST 'includes the tank 1 for the first electrolytic solution, again an aqueous solution including water and a first alkaline electrolyte, in particular potassium zincate Κ∑η (ΟΗ).
Il serbatoio 1 è in comunicazione di fluido con la pompa Pi, in particolare una pompa la cui bocca di aspirazione è in comunicazione di fluido con una bocca di uscita del serbatoio 1. The tank 1 is in fluid communication with the pump Pi, in particular a pump whose suction mouth is in fluid communication with an outlet of the tank 1.
La sezione di stoccaggio ST' include inoltre almeno una cella elettrolitica di deposizione che è configurata per processare la prima soluzione elettrolitica proveniente dal serbatoio 1. Sebbene possano essere previste forme di esecuzione in cui è presente un 'unica cella elettrolitica di deposizione, nella forma di esecuzione preferita qui illustrata è presente una pluralità di celle elettrolitiche (tre in questo caso) CI' , C2' , Cn', ove l'ultimo riferimento Cn sta ad indicare che il numero può essere anche diverso (maggiore o minore ) da tre, che è il numero mostrato. Le celle elettrolitiche CI' , C2', Cn' sono immerse in un volume di contenimento VS che in questa forma di esecuzione è funzionalmente equivalente all'ambiente di stoccaggio (o serbatoio) 1 per la sezione ST. The storage section ST 'further includes at least one electrolytic deposition cell which is configured to process the first electrolytic solution coming from the tank 1. Although embodiments can be envisaged in which a single electrolytic deposition cell is present, in the form of preferred embodiment illustrated here is a plurality of electrolytic cells (three in this case) Cl ', C2', Cn ', where the last reference Cn indicates that the number can also be different (greater or less) from three, which is the number shown. The electrolytic cells Cl ', C2', Cn 'are immersed in a containment volume VS which in this embodiment is functionally equivalent to the storage environment (or tank) 1 for the section ST.
Il volume VS include una bocca di alimentazione C_IN che riceve fluido dalla pompa PI, e una bocca di scarico C_OUT che è configurata per smaltire i prodotti (solidi e fluidi ) contenuto nel volume VS. Sull'involucro del volume VS è inoltre predisposta la valvola Gl precedentemente descritta . La bocca C_OUT è in comunicazione di fluido con la bocca di ammissione del secondo ambiente di stoccaggio 2, ove la comunicazione di fluido è disciplinata mediante la valvola V6 come precedentemente descritto. The VS volume includes a C_IN supply port which receives fluid from the PI pump, and a C_OUT discharge port which is configured to dispose of the products (solids and fluids) contained in the VS volume. The previously described valve Gl is also arranged on the casing of the volume VS. The port C_OUT is in fluid communication with the inlet port of the second storage environment 2, where the fluid communication is governed by the valve V6 as previously described.
Con riferimento combinato alla figura 9 e alle figure 10A, 10B, ciascuna cella Cl', C2', Cn' ha la medesima struttura delle celle Cl, C2, Cn (cella elettrolitica includente 1' anodo AN_C, positivo, e il catodo CT_C, negativo, e avente preferibilmente geometria cilindrica) . Vale pertanto per interno la relativa descrizione già offerta rispetto a tali celle, ove questa non riguardi aspetti manifestamente incompatibili . With combined reference to Figure 9 and Figures 10A, 10B, each cell Cl ', C2', Cn 'has the same structure as the cells Cl, C2, Cn (electrolytic cell including the positive anode AN_C and the cathode CT_C, negative, and preferably having cylindrical geometry). Therefore, the relative description already offered with respect to these cells is valid internally, if this does not concern manifestly incompatible aspects.
A ciascuna cella elettrolitica di deposizione Cl', C2' , Cn' è operativamente associata una girante IMI , IM2, IMn alloggiata in un corrispondente volume di controllo e costituente - funzionalmente - un gruppo di alimentazione configurato per la circolazione della prima soluzione elettrolitica attraverso la corrispondente cella elettrolitica di deposizione Cl', C2', Cn'. In tal senso, la funzione delle giranti IMI, IM2, IMn è analoga a guella della pompa PI nella sezione ST. Each electrolytic deposition cell Cl ', C2', Cn 'is operatively associated with an impeller IMI, IM2, IMn housed in a corresponding control volume and constituting - functionally - a power supply unit configured for the circulation of the first electrolytic solution through the corresponding electrolytic deposition cell Cl ', C2', Cn '. In this sense, the function of the impellers IMI, IM2, IMn is similar to that of the pump PI in the section ST.
Ciascun volume di controllo include una o più luci PT in comunicazione con 1'interno del volume di contenimento per : Each control volume includes one or more PT ports in communication with the interior of the containment volume for:
- 1'aspirazione della prima soluzione elettrolitica da parte della girante IMI, IM2, IMn e 1'invio della prima soluzione elettrolitica nel volume di reazione VC della corrispondente cella elettrolitica di deposizione CI', C2', Cn' all' occorrenza di un azionamento della girante IMI, IM2 , IMn in un primo verso di rotazione (figura 10A), - the suction of the first electrolytic solution by the impeller IMI, IM2, IMn and the sending of the first electrolytic solution into the reaction volume VC of the corresponding electrolytic deposition cell CI ', C2', Cn 'at the occurrence of an actuation of the impeller IMI, IM2, IMn in a first direction of rotation (figure 10A),
la mandata di una portata di prima soluzione elettrolitica aspirata dal volume di reazione (VC) della corrispondente cella elettrolitica di deposizione Cl', C2', Cn' all' occorrenza di un azionamento della girante IMI, IM2 , IMn in un secondo verso di rotazione, opposto al primo (figura 1OB). the delivery of a flow rate of the first electrolytic solution sucked by the reaction volume (VC) of the corresponding electrolytic deposition cell Cl ', C2', Cn 'on the occurrence of an impeller drive IMI, IM2, IMn in a second direction of rotation , opposite to the first (figure 1OB).
Il primo verso di rotazione corrisponde a una fase di deposizione di metallo sul catodo CT_C della cella elettrolitica di deposizione , mentre il secondo verso di rotazione corrisponde a una fase di rimozione/lavaggio del metallo depositato dal catodo CT_C. The first direction of rotation corresponds to a phase of metal deposition on the cathode CT_C of the electrolytic deposition cell, while the second direction of rotation corresponds to a phase of removal / washing of the metal deposited by the cathode CT_C.
Ciascuna delle giranti IMI , IM2, IMn può essere azionata in rotazione in modo indipendente dalle altre giranti . Each of the impellers IMI, IM2, IMn can be rotated independently from the other impellers.
In prossimità del fondo del volume VS è disposto un filtro a schermo FI . A tal proposito, si osservi che la guota geometrica delle giranti IMI, IM2 , IMn - e per conseguenza delle celle Cl', C2', Cn' che sono coassiali e al di sopra delle giranti IMI , IM2, IMn - è pari o superiore alla guota del filtro a schermo FI'. A screen filter FI is arranged near the bottom of the volume VS. In this regard, it should be noted that the geometric guote of the impellers IMI, IM2, IMn - and consequently of the cells Cl ', C2', Cn 'which are coaxial and above the impellers IMI, IM2, IMn - is equal to or greater to the FI 'screen filter guide.
La pompa PI va semplicemente a integrare il funzionamento delle giranti IMI , IM2, IMn: essa perde la sua funzione di circolazione della prima soluzione elettrolitica (che possiede, invece, nella sezione ST) durante la fase di deposizione o di lavaggio delle celle Ci' , C2', Cn' durante la fase di rimozione dello zinco, ma funge da semplice pompa di carico di prima soluzione elettrolitica nel volume VS. The PI pump simply integrates the functioning of the impellers IMI, IM2, IMn: it loses its circulation function of the first electrolytic solution (which it possesses, instead, in the ST section) during the deposition or washing phase of the cells Ci ' , C2 ', Cn' during the zinc removal step, but acts as a simple loading pump for the first electrolytic solution in the VS volume.
A tal proposito, durante la fase di deposizione dello zinco, le giranti (una o più) sono azionate nel primo verso di rotazione come illustrato in figura 10A. la valvola V6 è in posizione chiusa, mentre la pompa Pi è ferma. Durante la fase di lavaggio delle celle per rimuovere lo zinco depositato al catodo CT_C, ferme restando le condizioni operative della valvola V6 e della pompa Pi, le giranti IMI , IM2, IMn sono azionate in rotazione in verso opposto: la polvere di zinco che evacua attraverso le luci PT migra verso il fondo del volume VS per gravità, attraversando il filtro a schermo FI'. In this regard, during the zinc deposition phase, the impellers (one or more) are driven in the first direction of rotation as illustrated in Figure 10A. valve V6 is in closed position, while pump Pi is stopped. During the washing phase of the cells to remove the zinc deposited at the cathode CT_C, without prejudice to the operating conditions of the valve V6 and the pump Pi, the impellers IMI, IM2, IMn are rotated in the opposite direction: the zinc dust that evacuates through the lights PT it migrates towards the bottom of the volume VS by gravity, passing through the screen filter FI '.
Quest'ultimo impedisce la ri-aspirazione delle polveri metalliche dal fondo del volume VS guaiora si proceda a una nuova fase di deposizione di zinco (se la concentrazione di zinco nella prima soluzione elettrolitica - in evoluzione verso la composizione della seconda soluzione elettrolitica lo consente ): le polveri metalliche semplicemente rimangono adagiate sul fondo, senza essere trascinate in sospensione dal moto del fluido nel volume VS. The latter prevents the re-aspiration of the metal powders from the bottom of the volume VS failing to proceed to a new phase of zinc deposition (if the concentration of zinc in the first electrolytic solution - evolving towards the composition of the second electrolytic solution allows it) : the metal powders simply remain lying on the bottom, without being dragged into suspension by the motion of the fluid in the volume VS.
Al termine della fase (o delle fasi) di deposizione (deposizione e lavaggio) di zinco, la valvola V6 viene commutata in posizione aperta e il complesso di seconda soluzione elettrolitica e polvere di zinco viene riversato nel serbatoio 2 . In alternativa, la frazione liguida può essere riversata in un ambiente di stoccaggio separato, lasciando al serbatoio 2 la sola polvere di zinco come precedentemente descritto. At the end of the zinc deposition (deposition and washing) phase (s), valve V6 is switched to the open position and the complex of second electrolytic solution and zinc powder is poured into tank 2. Alternatively, the liquid fraction can be poured into a separate storage environment, leaving only the zinc powder to the tank 2 as previously described.
Il vantaggio principale di un sistema SY includente la sezione di generazione ST' consiste nel fatto che è possibile eliminare i collettori di ammissione di scarico MI, M2 assieme alle corrispondenti valvole VI a V5 (con notevole semplificazione) , e altresì nel fatto che è possibile variare la guantità di energia - o meglio di precursore - stoccata semplicemente variando il numero di giranti contemporaneamente attive. The main advantage of a SY system including the generation section ST 'consists in the fact that it is possible to eliminate the exhaust inlet manifolds MI, M2 together with the corresponding valves VI to V5 (with considerable simplification), and also in the fact that it is possible vary the amount of energy - or rather the precursor - stored simply by varying the number of simultaneously active impellers.
Con riferimento alle figure 11 a 14, verrà ora descritta una forma di esecuzione alternativa delle celle di generazione. Tali celle possono essere impiegate nella sezione GE sia nell'eventualità che essa cooperi con una sezione di stoccaggio del tipo ST, sia che essa cooperi con una sezione di stoccaggio del tipo ST' appena descritto. With reference to Figures 11 to 14, an alternative embodiment of the generation cells will now be described. These cells can be used in the GE section either in the event that it cooperates with a storage section of the ST type, or in the event that it cooperates with a storage section of the type ST 'just described.
Con riferimento alle figure 11 e 12, in luogo delle celle di generazione cilindriche DI, D2, Dn, è possibile utilizzare celle di generazione DI', D2', Dn' aventi geometria piana. With reference to Figures 11 and 12, instead of the cylindrical generation cells D1, D2, Dn, it is possible to use generation cells D1 ', D2', Dn 'having plane geometry.
In particolare, ciascuna cella DI', D2', Dn' include: - un collettore di corrente CC_D, In particular, each cell DI ', D2', Dn 'includes: - a current collector CC_D,
un corpo di ammissione CM_D1 accoppiato al collettore di corrente CC_D e configurato per ricevere detta seconda soluzione elettrolitica e il metallo (zinco) depositato nelle celle elettrolitiche di deposizione, in cui il metallo (in polvere) definisce un anodo AN_D' della cella; an admission body CM_D1 coupled to the current collector CC_D and configured to receive said second electrolytic solution and the metal (zinc) deposited in the electrolytic deposition cells, in which the metal (in powder form) defines an anode AN_D 'of the cell;
- una membrana porosa PM - a porous membrane PM
- un catodo CT D' - a cathode CT D '
un corpo di scarico CM_D2 configurato per raccogliere idrogeno gassoso e - in funzione della struttura del catodo CT_D' - seconda soluzione elettrolitica, e in comunicazione di fluido con la prima bocca di lavoro M4_l del secondo collettore di scarico M4 per il rilascio di idrogeno gassoso e seconda soluzione elettrolitica (in evoluzione). In talune forme di esecuzione, come si vedrà nel seguito, 1'idrogeno e la seconda soluzione elettrolitica possono essere rilasciate in ambienti separati. a discharge body CM_D2 configured to collect gaseous hydrogen and - depending on the structure of the cathode CT_D '- second electrolytic solution, and in fluid communication with the first working mouth M4_l of the second exhaust manifold M4 for the release of gaseous hydrogen and second electrolytic solution (evolving). In some embodiments, as will be seen below, the hydrogen and the second electrolytic solution can be released in separate environments.
Inoltre: Furthermore:
il collettore di corrente CC_D è operativamente associato al corpo di ammissione CM_D1 in modo da offrire un'area di contatto con il metallo ricevibile nel corpo di ammissione CM_D1, consentendo in tal modo di veicolare cariche elettriche attraverso il metallo stesso; ciò significa che il collettore CC_D può essere disposto entro il corpo CM_D1 in posizione opposta rispetto alla membrana PM o in posizione intermedia, oppure ancora può essere disposto a contatto o in stretta prossimità con la membrana PM, nel qual caso il collettore CC_D dovrà offrire aree di passaggio per la seconda soluzione elettrolitica (ad esempio può essere realizzato come una rete di rame), the current collector CC_D is operatively associated with the admission body CM_D1 so as to offer a contact area with the receivable metal in the admission body CM_D1, thus allowing electric charges to be conveyed through the metal itself; this means that the manifold CC_D can be arranged inside the body CM_D1 in an opposite position with respect to the membrane PM or in an intermediate position, or it can be arranged in contact with or in close proximity to the membrane PM, in which case the manifold CC_D must offer areas of passage for the second electrolytic solution (for example it can be realized as a copper network),
- la membrana porosa PM è disposta fra il catodo CT_D' e il corpo di ammissione CM_D1 (in talune forme di esecuzione la membrana PM è laminata con il catodo, vedi oltre), e - the porous membrane PM is arranged between the cathode CT_D 'and the admission body CM_D1 (in some embodiments the membrane PM is laminated with the cathode, see below), and
- il corpo di scarico CM_D2 è disposto da un lato opposto del catodo CT_D' rispetto alla membrana porosa PM; in tal modo,i due corpi CM_D1 e CM_D2 si trovano in posizioni di estremità della cella. - the discharge body CM_D2 is arranged on an opposite side of the cathode CT_D 'with respect to the porous membrane PM; in this way, the two bodies CM_D1 and CM_D2 are at the end positions of the cell.
Le celle DI', D2', Dn' ben si prestano, in ragione della loro geometria piana, alla costituzione di una batteria di celle (c.d. "stack") che preveda non solo un collegamento elettrico in serie fra le celle galvaniche (come peraltro è comungue realizzato nelle celle DI, D2, Dn), ma anche un collegamento meccanico. The cells DI ', D2', Dn 'lend themselves well, due to their plane geometry, to the constitution of a battery of cells (so-called "stack") which provides not only an electrical connection in series between the galvanic cells (as also it is commonly realized in cells DI, D2, Dn), but also a mechanical connection.
Si faccia riferimento a tal proposito alla figura 13, che illustra una batteria di celle DI'-D8'. Si osservi come 1'interfaccia elettrica di ogni modulo della batteria sia localizzata fra collettore di corrente CC_D di una cella e catodo CT_D' della cella immediatamente precedente, mentre 1'interfaccia meccanica è fra i corpi CM_D2 e CM_D1 della cella successiva. In this regard, reference is made to figure 13, which illustrates a battery of cells D'-D8 '. Observe how the electrical interface of each battery module is located between the current collector CC_D of one cell and the cathode CT_D 'of the immediately preceding cell, while the mechanical interface is between the bodies CM_D2 and CM_D1 of the next cell.
Le celle DI', D2 , Dn' sono funzionalmente identiche alle celle DI, D2, Dn in guanto svolgono macroscopicamente - la medesima funzione. Cells DI ', D2, Dn' are functionally identical to cells DI, D2, Dn in glove they perform macroscopically - the same function.
Differiscono tuttavia dalle celle DI', D2', Dn' per alcuni dettagli di funzionamento, in particolare: However, they differ from cells DI ', D2', Dn 'for some operating details, in particular:
- 1'ingresso dello zinco in polvere e della seconda soluzione elettrolitica nel volume VD1 può avvenire dall'alto come illustrato nelle figure 11 e 12 (ad esempio dal collettore M3 attraverso le bocche M3_2 corrispondenti, oppure da una tramoggia che riceve zinco e seconda soluzione elettrolitica dal collettore M3 o che funge essa stessa da collettore M3, con relativa valvola di alimentazione delle celle), oppure può avvenire mediante passaggi ortogonali al piano della cella (ossia aventi direzione che procede dal collettore CC_D al corpo di scarico CM_D2), che realizzano essi stessi i collettori di ammissione e di scarico M3, M4; - the entry of the zinc powder and the second electrolytic solution into the volume VD1 can take place from above as illustrated in figures 11 and 12 (for example from the manifold M3 through the corresponding M3_2 ports, or from a hopper which receives zinc and second solution electrolytic from the M3 manifold or which acts itself as M3 manifold, with relative supply valve to the cells), or it can take place through passages orthogonal to the cell plane (i.e. having a direction that proceeds from the manifold CC_D to the discharge body CM_D2), which create themselves the M3, M4 inlet and exhaust manifolds;
il collettore di corrente CC_D, piano e non cilindrico, può essere installato in posizione lievemente inclinata per favorire la discesa delle particelle di zinco, the flat, non-cylindrical current collector CC_D can be installed in a slightly inclined position to facilitate the descent of the zinc particles,
il catodo CT_D' può essere realizzato in configurazione a doppio strato includente uno strato idrofilo e uno strato idrofobo, in cui lo strato idrofilo è affacciato verso la membrana porosa PM, mentre lo strato idrofobo è affacciato verso il volume VD2. the cathode CT_D 'can be made in a double layer configuration including a hydrophilic layer and a hydrophobic layer, in which the hydrophilic layer faces the porous membrane PM, while the hydrophobic layer faces the volume VD2.
In alternativa, il catodo CT_D' può essere realizzato con struttura a triplo strato, come illustrato in figura 14. Un elettrodo siffatto comprende, tutti laminati assieme fra loro e procedendo da destra verso sinistra nella vista della figura: Alternatively, the cathode CT_D 'can be made with a triple layer structure, as illustrated in figure 14. Such an electrode comprises, all laminated together and proceeding from right to left in the view of the figure:
- la membrana PM - the PM membrane
uno strato idrofilo HF realizzato di carbonio attivato, nichel e PTFE come legante, oppure Raney Nichel PTFE; tale strato è permeabile al liquido (seconda soluzione elettrolitica in questo caso) e al gas (3⁄4 in questo caso) a hydrophilic HF layer made of activated carbon, nickel and PTFE as a binder, or Raney Nickel PTFE; this layer is permeable to liquid (second electrolytic solution in this case) and to gas (3⁄4 in this case)
- un collettore di corrente (funzionalmente il catodo CT_D') di nichel poroso CR, permeabile a liquido (seconda soluzione elettrolitica in questo caso) e gas (3⁄4 in questo caso) - a current collector (functionally the cathode CT_D ') of porous nickel CR, permeable to liquid (second electrolytic solution in this case) and gas (3⁄4 in this case)
- uno strato idrofobo HB del medesimo materiale dello strato impermeabile solo al gas (3⁄4 in questo caso) - a hydrophobic HB layer of the same material as the gas-only layer (3⁄4 in this case)
- uno strato di separazione SL che è permeabile solo rispetto al gas (3⁄4 in questo caso). - a separation layer SL which is only permeable with respect to gas (3⁄4 in this case).
Si tenga inoltre presente che in assenza di laminazione integrale della membrana PM con i rimanenti strati, la struttura diviene identica a quella dell'elettrodo a doppio strato di cui sopra. It should also be noted that in the absence of integral lamination of the PM membrane with the remaining layers, the structure becomes identical to that of the above double-layer electrode.
A livello di funzionamento, le celle DI' D2', Dn' operano in modo analogo alle celle DI, D2, Dn. L'utente da inizio al processo di generazione dell'idrogeno semplicemente chiudendo il circuito elettrico ai capi degli elettrodi della singola cella (o della serie delle celle). L'anodo AN_D', costituito dalla polvere di zinco nel volume VD1, gradualmente viene eroso per formare una soluzione elettrolitica progressivamente più ricca di zincato di potassio Κ2Ζη(ΟΗ)4, con contestuale generazione di idrogeno gassoso al catodo CT_D', con contestuale generazione di energia elettrica. At the operating level, the cells D1 'D2', Dn 'operate in a similar way to the cells D1, D2, Dn. The user starts the hydrogen generation process by simply closing the electrical circuit at the ends of the electrodes of the single cell (or series of cells). The anode AN_D ', consisting of the zinc dust in the volume VD1, is gradually eroded to form an electrolytic solution progressively richer in potassium zincate Κ2Ζη (ΟΗ) 4, with simultaneous generation of gaseous hydrogen at the cathode CT_D', with simultaneous generation of electricity.
La soluzione elettrolitica che entra nel volume VD1 (di forma sostanzialmente parallelepipeda) bagna la membrana porosa PM e lo zinco metallico (l'anodo AN_D'), ma soltanto la soluzione elettrolitica passa attraverso la membrana porosa PM. The electrolytic solution entering the volume VD1 (substantially parallelepiped in shape) wets the porous membrane PM and the metallic zinc (the anode AN_D '), but only the electrolytic solution passes through the porous membrane PM.
Lo zinco rimane quindi concentrato nel volume VD1 ed è a contatto con il collettore di corrente (ad esempio una lastra di rame con punte collettrici BR), che è configurato per veicolare il flusso di cariche elettriche entro lo strato di zinco. The zinc therefore remains concentrated in the volume VD1 and is in contact with the current collector (for example a copper plate with BR collector tips), which is configured to convey the flow of electrical charges within the zinc layer.
La terza soluzione elettrolitica va progressivamente arricchendosi di zincato di potassio K2Zn(OH)4via via che essa viene ricircolata all'alimentazione delle celle galvaniche DI', D2', Dn', mentre 1'idrossido di potassio KOH - per conseguenza - si converte per reazione con lo zinco a formare, fra 1'altro, lo zincato di potassio K2Zn(OH)4. The third electrolytic solution is progressively enriched with potassium zincate K2Zn (OH) 4 as it is recirculated to supply the galvanic cells DI ', D2', Dn ', while the potassium hydroxide KOH - consequently - is converted by reaction with zinc to form, among other things, potassium zincate K2Zn (OH) 4.
La terza soluzione elettrolitica invade il secondo collettore di scarico M4 attraverso le bocche M4_l e 1'idrogeno gassoso viene liberato attraverso la bocca M4_3 e la valvola G2, mentre la soluzione elettrolitica è ricircolata all'aspirazione del gruppo P2 attraverso la bocca M42. The third electrolytic solution invades the second exhaust manifold M4 through the ports M4_l and the gaseous hydrogen is released through the port M4_3 and the valve G2, while the electrolytic solution is recirculated to the intake of the group P2 through the port M42.
Nel caso di catodo CT_D' a doppio o triplo strato la seconda soluzione elettrolitica che viene ricircolata attraverso le celle DI', D2', Dn' penetra la membrana porosa PM e il catodo CT_D', ma quest'ultimo solo fino al termine dello strato idrofilo. In the case of a double or triple layer cathode CT_D ', the second electrolytic solution that is recirculated through the cells DI', D2 ', Dn' penetrates the porous membrane PM and the cathode CT_D ', but the latter only until the end of the layer hydrophilic.
Lo strato idrofobo può essere attraversato dal solo idrogeno gassoso 3⁄4 . Si avranno in tal modo due bocche di uscita separate per i prodotti della reazione elettrochimica all'interno delle celle DI', D2', Dn', ossia: The hydrophobic layer can only be crossed by hydrogen gas 3⁄4. In this way there will be two separate outlets for the products of the electrochemical reaction inside the cells DI ', D2', Dn ', that is:
- un prima bocca di uscita che raccoglie il liquido (seconda soluzione elettrolitica) che bagna la membrana PM e il catodo CT_D' e che funge da collettore per la seconda soluzione elettrolitica, sfociando all'esterno di preferenza in corrispondenza del fondo del corpo CM_D1, e una seconda bocca di uscita comunicante con il volume VD2 e con la corrispondente bocca M4_l del collettore M4, in corrispondenza della quale si raccoglie 1'idrogeno gassoso 3⁄4 . - a first outlet that collects the liquid (second electrolytic solution) which wets the membrane PM and the cathode CT_D 'and which acts as a collector for the second electrolytic solution, flowing outwards preferably at the bottom of the CM_D1 body, and a second outlet mouth communicating with the volume VD2 and with the corresponding mouth M4_l of the manifold M4, in correspondence with which the gaseous hydrogen 3⁄4 is collected.
Con riferimento alla figura 12A, è illustrato uno schema circuitale della sezione di generazione del sistema SY nel caso di elettrodo a doppio o triplo strato. I riferimenti identici a quelli precedentemente utilizzati designano i medesimi componenti. With reference to Figure 12A, a circuit diagram of the generation section of the system SY in the case of double or triple layer electrode is shown. References identical to those previously used designate the same components.
In questa forma di esecuzione, cui si applica la descrizione precedente ove non manifestamente incompatibile, il collettore M4 è sdoppiato in un primo e un secondo collettore. In particolare, il primo collettore (che mantiene il riferimento M4 semplice) reca le medesime connessioni con il resto del circuito già descritte. Tuttavia, il primo collettore M4 perde la valvola G2, ed è ora sito da una parte opposta rispetto al collettore M3. Le bocche M4_l ora raccolgono la sola seconda soluzione elettrolitica che si raccoglie nella cavità interna all'elettrodo CT_D', e che è schematicamente rappresentata con linea a tratteggio in figura 12A. la bocca M4_2 è regolarmente in comunicazione di fluido con 1'ammissione della pompa P2. In this embodiment, to which the preceding description applies where not manifestly incompatible, the manifold M4 is split into a first and a second manifold. In particular, the first manifold (which keeps the reference M4 simple) has the same connections with the rest of the circuit already described. However, the first M4 manifold loses the G2 valve, and is now located opposite the M3 manifold. The mouths M4_1 now collect only the second electrolytic solution which collects in the cavity inside the CT_D 'electrode, and which is schematically represented with a broken line in figure 12A. the port M4_2 is regularly in fluid communication with the inlet of the pump P2.
Il secondo collettore, identificato dal riferimento M4' include prime bocche di lavoro (ammissione) M4'_1 in comunicazione di fluido con il volume VD2. Tali bocche raccolgono 1'idrogeno gassoso che si scarica al catodo CT_D'. La valvola G2 è ora collocata sul collettore M4', e veicola 1'idrogeno gassoso all'esterno verso un'utenza, ad esempio 1'alimentazione della cella a combustibile FC. The second manifold, identified by the reference M4 'includes first working ports (admission) M4'_1 in fluid communication with the volume VD2. These mouths collect the gaseous hydrogen which is discharged to the cathode CT_D '. The valve G2 is now located on the manifold M4 ', and conveys the gaseous hydrogen outside towards a user, for example the supply of the fuel cell FC.
Al pari delle celle DI, D2, Dn, occorrono svariati cicli della portata di terza soluzione elettrolitica (in origine seconda) e zinco metallico (progressivamente residuo) per reintegrare la concentrazione iniziale dell'elettrolita K2Zn(OH)4, vale a dire la concentrazione che caratterizza la prima soluzione elettrolitica nel serbatoio 1. Like the cells DI, D2, Dn, several cycles of the flow rate of the third electrolytic solution (originally the second) and metallic zinc (progressively residual) are required to restore the initial concentration of the electrolyte K2Zn (OH) 4, i.e. the concentration which characterizes the first electrolyte solution in tank 1.
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