ITUB20159792A1 - Sistema e procedimento per la generazione di idrogeno gassoso a richiesta - Google Patents
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Description
"Sistema e procedimento per la generazione di idrogeno gassoso a richiesta"
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo dell'invenzione
La presente invenzione si riferisce a un sistema e un procedimento per la generazione di idrogeno gassoso.
Tecnica nota e problema tecnico generale
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.
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).
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.
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.
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.
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).
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).
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.
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 .
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.
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 .
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 .
II combustibile primario per molti sistemi di generazione distribuiti è il gas naturale, ma 1'idrogeno è un candidato naturale per utilizzi futuri.
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.
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.
I principali procedimenti per la produzione di idrogeno sono in generale 1'elettrolisi dell'acqua e il reforming del gas naturale.
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.
Al momento, sono disponibili varie tecnologie di stoccaggio dell'idrogeno . Alcune di esse verranno brevemente descritte nel seguito.
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 .
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 .
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).
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.
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 .
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.
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.
Scopo dell'invenzione
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.
Sintesi dell'invenzione
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.
In particolare, lo scopo dell'invenzione è raggiunto da un sistema per la generazione di idrogeno gassoso su richiesta includente:
un primo ambiente di stoccaggio per una prima soluzione elettrolitica, detta prima soluzione elettrolitica includendo acqua e un primo elettrolita alcalino,
- un primo gruppo di alimentazione per detta prima soluzione elettrolitica,
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,
- 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,
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.
Lo scopo dell'invenzione è inoltre raggiunto da un procedimento per la generazione di idrogeno gassoso a richiesta, il procedimento comprendendo:
- 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,
- una fase di stoccaggio del metallo depositato su detto catodo in un secondo ambiente di stoccaggio,
- 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.
Breve descrizione delle figure
L'invenzione sarà ora descritta con riferimento alle figure annesse, date a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:
la figura 1 è una rappresentazione schematica a blocchi di un sistema in base all'invenzione,
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,
- la figura 3 è una vista schematica in sezione di una cella elettrolitica di deposizione del sistema in base all'invenzione,
- la figura 4 è una vista ortogonale corrispondente alla figura 3,
- la figura 5 è una vista prospettica schematica e in sezione di una cella galvanica di generazione del sistema in base all'invenzione,
- la figura 6 è una vista ortogonale corrispondente alla figura 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,
la figura 1OA e la figura 1OB illustrano viste schematiche in sezione di un componente di figura 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,
- la figura 12A illustra una variante del circuito associata a una specifica forma di esecuzione delle celle galvaniche,
- 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
- 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.
Descrizione particolareggiata dell*invenzione
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
Ciò significa che 1'anodo AN_C è realizzato come un elemento cilindrico elongato circondato da un mantello cilindrico costituente il catodo.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Il nodo circuitale J è oltretutto in comunicazione di fluido con:
- 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,
- 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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:
Rmi, Rmo = resistenze di shunt dei collettori di ammissione (M3) e scarico (M4)
Ri, Ro = resistenze di shunt dei canali in ingresso e uscita dalle celle 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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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:
Le reazioni parziali che si sviluppano al catodo CT_C e all'anodo AN_C sono invece le seguenti
Catodo
Anodo
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.
Un secondo prodotto di reazione è lo zinco metallico (sostanzialmente) puro, che si deposita sul catodo sotto forma aggregato spugnoso di particelle metalliche.
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.
Un guarto prodotto di reazione è 1'ossigeno gassoso 02che viene liberato in atmosfera attraverso la bocca M2_4 e la valvola 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.
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.
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.
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.
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 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 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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
- il gruppo di alimentazione P2 alimenta una portata di seconda soluzione elettrolitica e zinco al secondo collettore di alimentazione 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.
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
Zn+2KGH+2 3⁄40 → K2Zn(OH)4+H2-
In cui:
Reazione al catodo
23⁄40 2e<“>→H2+2QH<“>
Reazione all'anodo
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.
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.
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.
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.
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.
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) .
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.
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).
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.
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_>.
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:
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).
Ciò permette di utilizzare una quantità inferiore di soluzione a parità di quantità di Zn (e quindi di precursore ) da processare.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 .
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 .
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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 .
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.
Ciascun volume di controllo include una o più luci PT in comunicazione con 1'interno del volume di contenimento per :
- 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),
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).
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.
Ciascuna delle giranti IMI , IM2, IMn può essere azionata in rotazione in modo indipendente dalle altre giranti .
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'.
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.
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'.
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.
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.
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.
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.
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.
In particolare, ciascuna cella DI', D2', Dn' include: - un collettore di corrente 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;
- una membrana porosa PM
- un catodo 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.
Inoltre:
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),
- 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
- 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.
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.
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.
Le celle DI', D2 , Dn' sono funzionalmente identiche alle celle DI, D2, Dn in guanto svolgono macroscopicamente - la medesima funzione.
Differiscono tuttavia dalle celle DI', D2', Dn' per alcuni dettagli di funzionamento, in particolare:
- 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;
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,
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.
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:
- la membrana PM
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)
- 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)
- uno strato idrofobo HB del medesimo materiale dello strato impermeabile solo al gas (3⁄4 in questo caso)
- uno strato di separazione SL che è permeabile solo rispetto al gas (3⁄4 in questo caso).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
- 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 .
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.
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.
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.
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.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1 . Sistema (SY) per la generazione di idrogeno gassoso a richiesta includente : - un primo ambiente di stoccaggio (1; VS) per una prima soluzione elettrolitica, detta prima soluzione elettrolitica includendo acgua e un primo elettrolita alcalino, - un primo gruppo di alimentazione (PI; IMI, IM2, IMn) per detta prima soluzione elettrolitica, - almeno una cella elettrolitica di deposizione (CI, C2, Cn; CI', C2', Cn') includente un anodo (AN_C), un catodo (CT_C) e configurata per processare una portata di prima soluzione elettrolitica alimentata, durante il funzionamento, mediante detto primo gruppo di alimentazione (PI; IMI, IM2, IMn), - un secondo ambiente di stoccaggio (2) configurato per raccogliere un metallo, particolarmente zinco, che durante il funzionamento si deposita sul catodo (CT_C) dell' almeno una cella elettrolitica di deposizione (CI, C2, Cn; Cl', C2', Cn'), - almeno una cella galvanica di generazione (DI, D2, Dn; DI', D2', Dn') configurata per processare una portata di una seconda soluzione elettrolitica e metallo raccolto nel secondo ambiente di stoccaggio (2), e rilasciare idrogeno gassoso ed energia elettrica.
- 2 . Sistema (SY) secondo la rivendicazione 1, includente una pluralità di celle elettrolitiche di deposizione (Cl, C2, Cn), e includente inoltre un primo collettore di alimentazione (MI) e un primo collettore di scarico (M2) associati a dette celle elettrolitiche di deposizione (Cl, C2, Cn), in cui detto primo collettore di alimentazione (MI) comprende una prima bocca di lavoro (MI_1) configurata per ricevere detta prima soluzione elettrolitica da detto primo gruppo di alimentazione (PI), e una seconda bocca di lavoro (Ml_2) per ciascuna cella elettrolitica di deposizione (CI, C2, Cn) configurata per veicolare detta prima soluzione elettrolitica nella corrispondente cella elettrolitica di deposizione (CI, C2, Cn) , in cui detto primo collettore di scarico (M2) include una prima bocca di lavoro (M2_l) per ciascuna cella elettrolitica di deposizione (CI, C2, Cn) configurata per ricevere una portata di detta seconda soluzione elettrolitica dalla corrispondente cella elettrolitiche di deposizione (CI, C2, Cn), e una seconda bocca di lavoro (M2_2) configurata per lo scarico di detta portata di seconda soluzione elettrolitica .
- 3. Sistema (SY) secondo la rivendicazione 2, in cui: - la prima bocca di lavoro (Ml_l) del primo collettore di alimentazione (MI) e il primo gruppo di alimentazione (PI) sono in comunicazione di fluido disciplinata mediante una prima valvola (VI) commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa, - ciascuna seconda bocca di lavoro (M2_2) del primo collettore di scarico (M2) è in comunicazione di fluido con un nodo circuitale (J), la comunicazione di fluido fra la seconda bocca di lavoro (M2_2) del primo collettore di scarico (M2) e il nodo circuitale (J) essendo disciplinata mediante una seconda valvola (V2) commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa, il primo collettore di scarico (M2) include una terza bocca di lavoro (M2_3) in comunicazione di fluido con detto primo gruppo di alimentazione (PI), la comunicazione di fluido fra la terza bocca di lavoro (M2_3) del primo collettore di scarico (M2) e detto primo gruppo di alimentazione (Pi) essendo disciplinata mediante una terza valvola (V3) commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa, - il primo collettore di alimentazione (Mi) include una terza bocca di lavoro (Ml_3) in comunicazione di fluido con detto nodo circuitale (J), la comunicazione di fluido fra la terza bocca di lavoro (Ml_3) del primo collettore di ammissione (Mi) e detto nodo circuitale (J) essendo disciplinata mediante una quarta valvola (V4) commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa.
- 4. Sistema (SY) secondo la rivendicazione 3 , in cui detto nodo circuitale (J) è in comunicazione di fluido con: - detto primo ambiente di stoccaggio (1), in cui la comunicazione di fluido fra il nodo circuitale (J) e il primo ambiente di stoccaggio (1) è disciplinata mediante una quinta valvola (V5) commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa, - detto secondo ambiente di stoccaggio (2), in cui la comunicazione di fluido fra il nodo circuitale (J) e il secondo ambiente di stoccaggio (2) è disciplinata mediante una sesta valvola (V6) commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa.
- 5. Sistema (SY) secondo la rivendicazione 4, includente un elemento filtrante (Fi) disposto fra detto nodo circuitale (J) e detta quinta valvola (V5) e fra detto nodo circuitale (J) e detta sesta valvola (V6).
- 6. Sistema (SY) secondo la rivendicazione 1, includente una pluralità di celle elettrolitiche di deposizione (Ci', C2' , Cn') immerse in un volume di contenimento (VS) avente una bocca di alimentazione (C_IN) configurata per 1'ammissione di detta prima soluzione elettrolitica, e una bocca di scarico (C_OUT) in comunicazione di fluido con detto secondo ambiente di stoccaggio (2), in cui a ciascuna cella elettrolitica di deposizione (Cl', C2', Cn') è operativamente associata una girante (IMI, IM2, IMn ) alloggiata in un volume di controllo e configurata per la circolazione di detta prima soluzione elettrolitica attraverso la cella elettrolitica di deposizione (Cl', C2', Cn') corrispondente.
- 7. Sistema (SY) secondo la rivendicazione 6, in cui ciascun volume di controllo include una o più luci (PT) in comunicazione con 1'interno di detto volume di contenimento per: - 1'aspirazione di detta prima soluzione elettrolitica da parte di detta girante (IMI, IM2, IMn) e 1'invio di detta prima soluzione elettrolitica in un 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 primo verso di rotazione, 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 verso di rotazione, in cui il primo verso di rotazione corrisponde a una fase di deposizione di metallo sul catodo (CT_C) della cella elettrolitica di deposizione (Cl', C2', Cn'), mentre il secondo verso di rotazione corrisponde a una fase di rimozione del metallo depositato dal catodo (CT_C).
- 8. Sistema (SY) secondo una gualsiasi delle rivendicazioni precedenti , includente una pluralità di celle galvaniche di generazione (DI, D2, Dn), e includente inoltre un secondo collettore di ammissione (M3) e un secondo collettore di scarico (M4) associati a dette celle di generazione (Di, D2, Dn) in cui: - detto secondo collettore di ammissione (M3) include una prima bocca di lavoro (M3_l) in comunicazione di fluido con detto secondo ambiente di stoccaggio (2), la comunicazione di fluido fra la prima bocca di lavoro (M3_l) del secondo collettore di ammissione (M3) e il secondo ambiente di stoccaggio essendo disciplinata mediante una settima valvola (V7) commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa, - detto secondo collettore di ammissione (M3) include una seconda bocca di lavoro (M3_2) per ciascuna cella galvanica di generazione (Di, D2, Dn) configurata per l alimentazione della corrispondente cella di generazione (Di, D2, Dn) con una portata di detta seconda soluzione elettrolitica e detto metallo raccolto nel secondo ambiente di stoccaggio (2), - detto secondo collettore di scarico (M4) include una prima bocca di lavoro (M4_1) per ciascuna cella galvanica di generazione (Di, D2, Dn) configurata per ricevere idrogeno gassoso e una terza soluzione elettrolitica, - detto secondo collettore di scarico (M4) include una seconda bocca di lavoro (M4_2) configurata per lo scarico di detta terza soluzione elettrolitica verso un ambiente di aspirazione di un secondo gruppo di alimentazione (P2), e include inoltre una terza bocca di lavoro (M4_3) per lo scarico di idrogeno gassoso, - detto secondo gruppo di alimentazione (P2) essendo in comunicazione di fluido con la prima bocca di lavoro (M3 1) del secondo collettore di ammissione (M3), la comunicazione di fluido fra la prima bocca di lavoro (M3_l) del secondo collettore di ammissione (M3) e il secondo gruppo di alimentazione (P2) essendo disciplinata mediante un'ottava valvola (V8) commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa, ed essendo inoltre in comunicazione di fluido con detto primo ambiente di stoccaggio (1), in cui la comunicazione di fluido fra la prima bocca di lavoro (M3_l) del secondo collettore di ammissione (M3) e il primo ambiente di stoccaggio è disciplinata mediante una nona valvola (V9) commutabile fra una posizione aperta e una posizione chiusa.
- 9. Sistema (SY) secondo la rivendicazione 8, in cui le celle galvaniche di generazione (DI', D2', Dn') hanno geometria piana e includono, ciascuna: - un collettore di corrente (CC_D), - un corpo di ammissione (CM_D1) cui è operativamente associato il collettore di corrente (CC_D), detto corpo di ammissione (CM_D1) essendo configurato per ricevere detta seconda soluzione elettrolitica e detto metallo depositato nelle celle elettrolitiche di deposizione (CI, C2, Cn; Gl', C2', Cn'), detto metallo definendo un anodo (AN_D') della cella; - una membrana porosa (PM) - un catodo (CT_D') un corpo di scarico (CM_D2) configurato per raccogliere idrogeno gassoso e in comunicazione di fluido con la prima bocca di lavoro (M4_1) del secondo collettore di scarico (M4).
- 10. Sistema (SY) secondo la rivendicazione 9, in cui: - detto collettore di corrente (CC_D) è accoppiato a detto corpo di ammissione (CM_D1) in modo da offrire un'area di contatto con il metallo ricevibile nel corpo di ammissione (CM_D1), detta membrana porosa (PM) è disposta fra detto catodo (CT_D') e detto corpo di ammissione (CM_D1), e - detto corpo di scarico (CM_D2) è disposto da un lato opposto di detto catodo (CT_D') rispetto a detta membrana porosa (PM).
- 11. Procedimento per la generazione di idrogeno gassoso a richiesta, il procedimento comprendendo: - una fase di alimentazione di una prima soluzione elettrolitica da un primo ambiente di stoccaggio (1; VS) ad almeno una cella elettrolitica di deposizione (Cl, C2, Cn; CI', C2' , Cn'), detta prima soluzione elettrolitica includendo un primo elettrolita alcalino e acqua, ciascuna cella elettrolitica di deposizione (Cl, C2, Cn; Cl', C2', Cn') includendo un anodo (AN_C), un catodo (CT_C) ed essendo comandata per processare detta prima soluzione elettrolitica per ottenere il deposito di un metallo, particolarmente zinco, su detto catodo (CT_C), - una fase di stoccaggio del metallo depositato su detto catodo (CT_C) in un secondo ambiente di stoccaggio (2), - una fase di alimentazione del metallo stoccato nel secondo ambiente di stoccaggio (2) e di una seconda soluzione elettrolitica includente un secondo elettrolita alcalino e acqua ad almeno una cella galvanica di generazione (DI, D2, Dn; DI', D2', Dn'), ciascuna cella galvanica di generazione (DI, D2, Dn; DI', D2', Dn') essendo comandata per processare la portata di detta seconda soluzione elettrolitica e detto metallo stoccato nel secondo ambiente di stoccaggio (2) per il rilascio di idrogeno gassoso ed energia elettrica.
- 12. Procedimento secondo la rivendicazione 11, in cui: - detto processare detta prima soluzione elettrolitica include inoltre ottenere detta seconda soluzione elettrolitica, - detto stoccare nel secondo ambiente di stoccaggio (2) il metallo depositato sul catodo (CT_C) di ciascuna cella elettrolitica di deposizione (CI, C2, Cn; CI', C2' Cn' ) include inoltre stoccarvi anche la seconda soluzione elettrolitica .
- 13. Procedimento secondo la rivendicazione 11 o la rivendicazione 12, in cui energia elettrica ed una terza soluzione elettrolitica sono inoltre rilasciate da ciascuna cella galvanica di generazione (DI, D2, Dn; DI', D2', Dn') durante il processamento della portata di detta seconda soluzione elettrolitica e detto metallo stoccato nel secondo ambiente di stoccaggio (2).
- 14. Procedimento secondo una gualsiasi delle rivendicazioni 11 a 13, in cui il procedimento è implementato in un sistema (SY) in accordo con la rivendicazione 8, in cui: durante la fase di alimentazione della prima soluzione elettrolitica all' almeno una cella elettrolitica di deposizione (CI, C2, Cn) la prima valvola (VI), la seconda valvola (V2 ), e ia guinta valvola (V5) sono in posizione aperta, mentre la terza valvola (V3), la guarta valvola (V4), e la sesta valvola (V6) sono in posizione chiusa, è prevista una fase di lavaggio del metallo depositato sul catodo (CT_C) di ciascuna cella elettrolitica di deposizione (Cl, C2, Cn) in cui la prima valvola (VI), la seconda valvola (V2) e la sesta valvola sono in posizione chiusa, mentre la terza valvola (V3), la quarta valvola (V4) e la quinta valvola (V5) sono in posizione aperta, e detta seconda soluzione elettrolitica è alimentata da detto primo collettore di scarico (M2) a detto primo collettore di alimentazione (Mi) attraverso le celle per asportare il metallo depositato sul catodo (CT_C), - durante la fase di alimentazione della portata della seconda soluzione elettrolitica e del metallo stoccato nel secondo ambiente di stoccaqqio (2) la settima valvola (V7) è mantenuta aperta per un intervallo di tempo predeterminato, quindi commutata in posizione chiusa, 1'ottava valvola (V8) è mantenuta in posizione aperta, e la nona valvola (V9) è mantenuta in posizione chiusa, cosicché viene instaurata, successivamente a detto intervallo di tempo predeterminato, una circolazione di una portata di seconda soluzione elettrolitica attraverso le celle qalvaniche di generazione (Di, D2, Dn) ad opera del secondo gruppo di alimentazione (P2).
- 15. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 11 a 13, in cui il procedimento è implementato in un sistema (SY) in accordo con la rivendicazione 8, in cui - detta fase di alimentazione di una prima soluzione elettrolitica da un primo ambiente di stoccaggio (VS) ad almeno una cella elettrolitica di deposizione (CI', C2', Cn') è realizzata mediante aspirazione di detta prima soluzione elettrolitica da parte di una corrispondente girante (IMI, IM2, IMn) e 1'invio di essa in un volume di reazione (VC) della corrispondente cella elettrolitica di deposizione (Ci', C2', Cn'), detta girante (IMI, IM2, IMn) essendo azionata in un primo verso di rotazione, - detta fase di stoccaggio è preceduta da una fase di rimozione del metallo depositato al catodo (CT_C) dell'una o più celle elettrolitiche di deposizione (CI', C2', Cn') mediante la mandata di una portata di prima soluzione elettrolitica aspirata dal volume di reazione (VC) della corrispondente cella elettrolitica di deposizione (CI', C2', Cn') attraverso detta una o più luci (PT), detta girante (IMI, IM2, IMn) essendo azionata in un secondo verso di rotazione, opposto al primo verso di rotazione.
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