Claudio
2016-01-02 20:57
Progetto per la realizzazione di un generatore di idrogeno ad alta pressione
I metodi usati per ottenere industrialmente idrogeno sono:
- Steam Methane Reforming (Smr) a partire dal gas naturale, processo industriale per ottenere grosse quantità di idrogeno, il più economico,
- Gassificazione del carbone (una delle più vecchie tecniche)
- Elettrolisi dell’acqua
- Altri metodi li potete trovare qui: https://it.wikipedia.org/wiki/Produzione_di_idrogeno
In laboratorio l’ idrogeno si ricava:
-Mediante reazione dello zinco con un’acido tramite l’ apparecchio di Kipp, F01
-Reazione dell’ alluminio in trucioli o pezzetti con una soluzione di NaOH sempre con l’apparecchio di Kipp, F01
-Per elettrolisi con il voltametro di Hoffman, F02
Usando il voltametro di Hoffman è subito chiaro che non è possibile ottenere da questo sistema pressioni di H2 superiori a 0,5 – 1 bar, chi necessita di pressioni superiore deve ricorrere ad una pompa per comprimere il gas in apposito contenitore, e tutto questo contribuisce ad introdurre inquinanti : O2, N2 e vapori di olio nel gas idrogeno.
Il sistema più corretto è ottenere direttamente per elettrolisi, idrogeno ad alta pressione tramite apparati che usano membrane PEM a scambio protonico.
Qui una breve descrizione https://en.wikipedia.org/wiki/High-pressure_electrolysis
qui un progetto più dettagliato: http://www.osti.gov/scitech/servlets/purl/926321http://www.osti.gov/scitech/servlets/purl/926321
Di seguito, riporto il progetto ed i relativi schemi per la realizzazione di un elettrolizzatore ad alta pressione da laboratorio che si basa su una variazioni del classico voltametro di Hoffman, senza l’ uso di costose e difficili da reperire membrane PEM. Ho realizzato un prototipo di questo generatore circa 2 anni fa e lo uso tuttora, F1.
Il mio generatore non è adatto per generare grosse quantità di H2 ma per caricare bomboline da 0,5 – 1l con idrogeno molto puro privo di altri gas ed inquinanti alla pressione max di 10 – 15 bar (la pressione max dipende dalla resistenza meccanica dei materiali usati); si compone di un reattore elettrolitico, due colonne di lavaggio per i gas in uscita, una colonna per la deumidificazione dell’idrogeno, 2 valvole a sfera, un’elettrovalvola per alta pressione, 4 mini rubinetti a sfera, 1 rubinetto d’ingresso a 3 vie in acciaio inox resistente a soluzioni concentrate di NaOH, un circuito elettronico per gestire il sistema, 2 manometri ed un amperometro da 5 A . Il sistema prevede il caricamento automatico dell’elettrolita e la sua espulsione alla fine del ciclo di lavoro.
Richiede l’uso di un alimentatore in grado di erogare una corrente di 5 A e tensione regolabile da 4 – 15V, più una tensione separata da 15-16 V 1 A, necessita inoltre di una pompa da vuoto da usare all’avvio del sistema .
Descrizione dei componenti del sistema , F1:
1 presa connessione per il vuoto
2,3,4,8 mini rubinetti a sfera
5,6 valvole a sfera
7 rubinetto a 3 vie in acciaio inox resistente a soluzioni alcaline
9 bombola di raccolta gas
10, 11 colonne elettrodo, in acciaio inox di spessore adeguato, 2-3 mm, resistente alle soluzioni di NaOH
12 blocco base del contenitore dell’elettrolita in plexiglass con 140 cc di NaOH 20% (vedi F2)
13, 14 colonne di lavaggio in pvc contenenti H2O deaerata
15 colonna in PVC per la deumidificazione dell’idrogeno contenente drierite o gel di silice
16 unità elettronica di controllo (vedi F4)
17 elettrovalvola
18 dischi in feltro
19 in tutti i componenti per la tenuta vengono usate guarnizioni siliconiche per alte temperature
Descrizione del principio di funzionamento del generatore, F1.
Mentre nel voltametro di Hoffman c’è bilanciamento fra la pressione dell’ idrogeno e dell’ossigeno prodotti, (la camera di raccolta dell’H2 è di volume doppio rispetto a quella dell’O2), nel mio caso il volume di raccolta H2, colonna (10), è maggiore del 5 – 10% rispetto al doppio del volume di raccolta O2, colonna (11), di conseguenza durante il funzionamento si avrà sempre pressione O2 > pressione H2.
Durante il funzionamento l’aumento della pressione O2 rispetto ad H2 spingerà il livello dell’elettrolita della colonna (11) verso il basso sino al limite del tubo-elettrodo in Ni-Cr colonna (11), si avrà una brusca diminuzione e poi interruzione della corrente assorbita, l’elettronica rileva subito l’evento e fa scattare l’elettrovalvola che scarica in atmosfera l’eccesso di O2 permettendo al livello dell’elettrolita della colonna (11) di risalire in zona conduzione. Chiaramente vanno assolutamente evitate oscillazione rapide nei livelli dell’elettrolita nei 2 tubi, causate da un espulsione troppo rapida dell’O2, che potrebbero portare ad un travaso di bolle di O2 nella camera riservata all’ H2 il problema è stato risolto inserendo un inserto cilindrico con foro capillare all’uscita dell’ elettrovalvola, il segreto del sistema è tutto qui.
Procedura usata per l’ avvio del generatore, F1:
1) dopo aver caricato di acqua deaerata le colonne di lavaggio (13 e 14), con il rubinetto (7 ) in pos. A, attacco la pompa da vuoto alla connessione (1) ed aspiro sino a 0,1 torr, sposto poi il rubinetto (7) in pos B.
2) con rubinetto (8) chiuso procedo all’evacuazione prima al connettore (3) e poi al connettore (4) chiudendo poi in sequenza i rubinetti, se la bombola (9) è vuota attraverso la connessione (2) procedo a mettere anche questa zona sotto vuoto.
3) Immergo il tubo capillare per il caricamento in un becker contenente 140 ml di elettrolita (NaOH 20%) sposto il rubinetto (7) in pos C, l’elettrolita viene aspirato all’interno del reattore riporto poi il rubinetto (7) in posizione B, il sistema è ora carico e sotto vuoto non resta che dare tensione al generatore.
Altre caratteristiche del sistema e particolari
La corrente assorbita dal sistema varia da 2 a 4 A con 15 V di alimentazione, la temperatura dell’elettrolita dopo ore di funzionamento arriva a 60 ºC, la funzione delle 2 colonne elettrodo è anche quella di disperdere il calore generato all’esterno.
Come elettrovalvola (19) ho usato una valvola per GPL, usata negli impianti di autotrazione a GPL. Le due valvole ( 5, 6) sono due valvole a sfera che isolano le 2 colonne (13, 14) dal reattore elettrolitico (12) (che resta la parte più delicata del sistema), in caso di perdite nel reattore la pressione nel resto dell’impianto viene conservata
conservata.
Sono stati usati tubicini in teflon (tubi azzurri) dove vi è contatto con la soluzione di NaOH e tubicini per aria compressa (tubi arancione) con relativi connettori dove c’è solo passaggio di gas. I rubinetti (2,3,4,8) sono rubinetti a sfera usati nei normali impianti idraulici, il rubinetto a 3 vie (7) e le due valvole (5,6) sono in materiale resistente alle soluzioni di NaOH.
Le due colonne di lavaggio (13, 14) sono necessarie in quanto nella cella elettrolitica che lavora intorno a 60º C si forma un aerosol corrosivo di elettrolita.
Rispetto alle celle elettrolitiche tradizionali il percorso ionico tra i due elettrodi è superiore e la sezione di passaggio è inferiore; questo significa una maggiore resistenza equivalente e da qui ne discende la necessita di alimentare la cella con tensione più elevata del normale al fine di avere un adeguato passaggio di corrente.
Come elettrolita viene usata una soluzione di NaOH al 20%
Per caricare a 10 bar una bombolina da 0,5 l ci vogliono parecchie ore, però il generatore una volta avviato procede in automatico (basta controllare che la pressione non salga sopra i 15 bar) finita la carica di una bombola si può procedere con un’altra carica.
Una carica da 140 ml di elettrolita è sufficiente a caricare di idrogeno 3 bombole da 0,5 l a 10- 12 bar.
A carica ultimata si utilizza la pressione nel reattore per scaricare all’esterno l’elettrolita residuo ruotando in posizione C il rubinetto (7) .
Reattore elettrolitico con misure del prototipo realizzato in mm (nel disegno sono stati omessi alcuni particolari: guarnizioni di tenuta, ecc.), F2
Un esploso del reattore (nel disegno mancano alcuni particolari), F3
Schema dell’elettronica di controllo, F4
In F5A, B, C, D il prototipo da me realizzato usando come supporto per reattore e colonne lo chassis di un apparecchio scientifico smantellato.
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