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Nei nuovi elettrolizzatori per produrre Idrogeno Verde dall'acqua un fattore importante è l'ottimizzazione dei flussi di liquido e gas nel complesso MEA (Membrane Electrochemical Assembly) con membrana PEM ( Proton Electrochemical Membrane), in particolare usando elevate densità di corrente oltre 5 A/cm2, con alte pressioni al catodo ed elevate temperature di esercizio.
La dinamica delle fasi liquida e gassosa sotto forma di bolle di gas sviluppate viene analizzata mediante immagini ottiche che si correlano con le prestazioni elettrochimiche della cella e della membrana PEM.
Si analizzano in particolare due tipi di flusso gas/liquido, e cioè il fusso a singola serpentina continua ed il flusso con componenti distinte parallele e contemporanee.
Si constata che il flusso a canali paralleli consente di ottenere prestazioni e rese elettrochimiche superiori rispetto al flusso a componente unica a serpentina sia mediante analisi ottica visiva strumentale e sia con valutazioni elettrochimiche.
Gli effetti del tipo di flusso gas/liquido (a canali paralleli o ad unica serpentina) dipendono essenzialmente dalla temperatura e dalla densità di corrente utilizzata nella cella elettrolitica.
Lo studio dimostra che il flusso unico a serpentina singola con il percorso in un unico canale provoca accumuli irregolari di gas che alla fine generano fenomeni di occlusione del canale singolo degradando le prestazioni complessive del sistema a membrana PEM-WE.
Usando elevate densità di corrente verso i 10 A/cm2 si formano notevoli volumi di gas che generano problemi nella evacuazione dei prodotti gassosi e difficoltà alle piastre elettrolitiche per ricevere adeguati rifornimenti di acqua per la reazione di elettrolisi.
Inoltre l'accumulo di gas può rendere difficoltoso l'accesso di acqua all'anodo generando regimi di flusso diversi e variabili che influenzano negativamente sia il trasporto di acqua che della fase gassosa.
Fattori influenti sulle condizioni di flusso sono la temperatura di reazione, l'interazione tra liquido e diversi gas generati, il trasferimento delle cariche elettriche, e la densità di corrente utilizzata.
L'influenza di questi fattori è più marcata nel regime fluido a grosse bolle anulari allungate che nel regime con piccole bolle di gas sferoidali.
Si verificano spesso transizioni dal regime a piccole bolle a quello a grosse bolle allungate anulari in funzione della variabilità dei parametri di controllo succitati, che insieme determinano la distribuzione regolare del gas nel liquido di trasporto.
In questo studio mediante una apparecchiatura ottica specifica sperimentale vengono analizzati con precisione i sistemi di flusso delle fasi liquido e gas nella cella elettrolitica secondo il percorso con canali paralleli oppure secondo il percorso singolo nell'unico canale continuo a serpentina, per stabilire la maggiore uniformità possibile del flusso di massa globale in funzione delle variabili fondamentali del processo elettrolitico che determinano la massima efficienza nella produzione di Idrogeno, in particolare la temperatura, la pressione catodica e la densità di corrente.
L'evoluzione della forma delle bolle di gas e del flusso complessivo della massa gas/liquido sono inoltre strettamente connessi alle prestazioni elettrochimiche del complesso MEA che gestisce la membrana PEM-WE costituente.
Si descrive il dispositivo per l'analisi ottica del flusso di massa nelle due condizioni operative di flusso a canali paralleli a confronto con il flusso nell'unico canale a serpentina nella cella a membrana PEM-WE assemblata nei vari componenti a costituire il sistema MEA, fornito dalla ITM Power / USA.
La MEA utilizzata ha una superficie attiva di 3.0 x 3.0 cm2 ed è composta da una membrana Nafion 115 ed elettrodi costituiti da un elettro-catalizzatore anodico di Iridio e Rutenio Diossidi in misura di 3 mg di catalizzatore/cm3 e da un elettro-catalizzatore catodico di Nero Platino per 0.6 mg/cm2.
MEA è costituita a sandwich da due strati micro-porosi di diffusione gas/liquido secondo lo schema riportato nello studio, con indicazione dei due differenti sistemi circolazione di flusso a canali paralleli oppure a serpentina singola continua.
Le misure ed il controllo ottico dei due tipi di flusso di massa gas/liquido sono stati effettuati a temperature dell'acqua in entrata differenti (25°C, 45°C, 80°C), le curve di polarizzazione voltaggio / intensità di corrente sono state registrate da 0,1 a 30 A, la visualizzazione delle immagini delle bolle di gas è stata effettuata a valori di densità di corrente da 0,1 A/cm2 a 3,3 A/cm2 alle tre diverse temperature e per quattro differenti flussi di acqua di 15, 30, 45 e 60 ml/min.
Il rapporto tra la quantità di acqua ricircolata e quella elettrolizzata è normalmente pari a 5 su elettrolizzatori industriali, che è sufficiente per impedire la disidratazione della membrana PEM, ed è stato utilizzato con un valore pari a 7,5 a 3A/cm2 e 15 ml/min di portata, ed un valore pari a 30 per 60 ml/min di portata.
I risultati ottenuti dimostrano che a densità di corrente molto bassa le bolle di gas sono piccole, numerose e di forma sferica, e tendono a rimanere attaccate alla superficie degli elettrodi.
Le bolle cominciano a staccarsi dagli elettrodi e a rimanere disperse nel flusso d'acqua quando la portata dell'acqua aumenta.
Quando la densità di corrente aumenta le piccole bolle sferiche aumentano e cominciano a coalescere insieme portando ad un regime di bolle sempre più grosse e di forma ellittica allungata con lunghezza superiore di varie volte la larghezza del canale.
Ulteriormente si formano delle bolle di notevole lunghezza unite tra loro da una serie di piccole bolle, come delle stringhe lungo il canale.
Nel flusso continuo a serpentina a densità di corrente elevata la quantità maggiore di gas si trasforma in un flusso anulare in cui il liquido fluisce lungo le pareti del canale, mentre un flusso unico di gas domina al centro del canale.
Alle velocità di gas elevate nel flusso a serpentina, corrispondenti ad elevate densità di corrente, il regime prevalente è quello delle lunghe bolle ellittiche lungo il canale.
Le bolle sono irregolari e disuniformi e le velocità sia del gas che del liquido diventano molto variabili lungo l'intero canale a serpentina.
La presenza di dette lunghe bolle di gas arrivano ad occupare l'intero canale ed a bloccare l'accesso di acqua al canale stesso, con notevole deterioramento della efficienza produttiva della cella elettrolitica.
Nel caso di flusso a più canali paralleli la discontinuità delle bolle viene rimossa più facilmente ed i canali liberati rapidamente da ingorghi di gas.
Per quanto riguarda la circolazione dell'acqua è possibile usare portate diverse tra loro tra lo scomparto anodico e quello catodico, fino ad arrivare con un flusso di acqua al catodo quasi nullo e la portata maggiorata in proporzione all'anodo.
La circolazione dell'acqua totale completa sia all'anodo che al catodo tende a generare una efficienza produttiva inferiore in Idrogeno, sopratutto alle basse temperature (per es. a 25° - 50°C), mentre l'efficienza aumenta nettamente aumentando la temperatura e riducendo la portata al catodo fin quasi ad avere acqua stagnante al catodo e piena circolazione all'anodo.
In generale l'aumento di temperatura fino ed oltre i 100°C, come anche l'aumento di densità di corrente fino ed oltre i 5 A/cm2, consentono aumenti notevoli di efficienza produttiva in Idrogeno.
Si conclude che il flusso a canali paralleli, anzichè l'unico canale a serpentina, regolarizza la formazione delle bolle di gas e consente aumenti di efficienza notevoli della cella MEA con membrana PEM.
L'aumento di portata d'acqua al comparto anodico, l'aumento di temperatura oltre i 100°C, come anche l'aumento di densità di corrente oltre 5 A/cm2 generano importanti aumenti di resa nella generazione di Idrogeno Verde elettrolitico.
Si constata che il flusso a canali paralleli consente di ottenere prestazioni e rese elettrochimiche superiori rispetto al flusso a componente unica a serpentina sia mediante analisi ottica visiva strumentale e sia con valutazioni elettrochimiche.
Gli effetti del tipo di flusso gas/liquido (a canali paralleli o ad unica serpentina) dipendono essenzialmente dalla temperatura e dalla densità di corrente utilizzata nella cella elettrolitica.
Lo studio dimostra che il flusso unico a serpentina singola con il percorso in un unico canale provoca accumuli irregolari di gas che alla fine generano fenomeni di occlusione del canale singolo degradando le prestazioni complessive del sistema a membrana PEM-WE.
Usando elevate densità di corrente verso i 10 A/cm2 si formano notevoli volumi di gas che generano problemi nella evacuazione dei prodotti gassosi e difficoltà alle piastre elettrolitiche per ricevere adeguati rifornimenti di acqua per la reazione di elettrolisi.
Inoltre l'accumulo di gas può rendere difficoltoso l'accesso di acqua all'anodo generando regimi di flusso diversi e variabili che influenzano negativamente sia il trasporto di acqua che della fase gassosa.
Fattori influenti sulle condizioni di flusso sono la temperatura di reazione, l'interazione tra liquido e diversi gas generati, il trasferimento delle cariche elettriche, e la densità di corrente utilizzata.
L'influenza di questi fattori è più marcata nel regime fluido a grosse bolle anulari allungate che nel regime con piccole bolle di gas sferoidali.
Si verificano spesso transizioni dal regime a piccole bolle a quello a grosse bolle allungate anulari in funzione della variabilità dei parametri di controllo succitati, che insieme determinano la distribuzione regolare del gas nel liquido di trasporto.
In questo studio mediante una apparecchiatura ottica specifica sperimentale vengono analizzati con precisione i sistemi di flusso delle fasi liquido e gas nella cella elettrolitica secondo il percorso con canali paralleli oppure secondo il percorso singolo nell'unico canale continuo a serpentina, per stabilire la maggiore uniformità possibile del flusso di massa globale in funzione delle variabili fondamentali del processo elettrolitico che determinano la massima efficienza nella produzione di Idrogeno, in particolare la temperatura, la pressione catodica e la densità di corrente.
L'evoluzione della forma delle bolle di gas e del flusso complessivo della massa gas/liquido sono inoltre strettamente connessi alle prestazioni elettrochimiche del complesso MEA che gestisce la membrana PEM-WE costituente.
Si descrive il dispositivo per l'analisi ottica del flusso di massa nelle due condizioni operative di flusso a canali paralleli a confronto con il flusso nell'unico canale a serpentina nella cella a membrana PEM-WE assemblata nei vari componenti a costituire il sistema MEA, fornito dalla ITM Power / USA.
La MEA utilizzata ha una superficie attiva di 3.0 x 3.0 cm2 ed è composta da una membrana Nafion 115 ed elettrodi costituiti da un elettro-catalizzatore anodico di Iridio e Rutenio Diossidi in misura di 3 mg di catalizzatore/cm3 e da un elettro-catalizzatore catodico di Nero Platino per 0.6 mg/cm2.
MEA è costituita a sandwich da due strati micro-porosi di diffusione gas/liquido secondo lo schema riportato nello studio, con indicazione dei due differenti sistemi circolazione di flusso a canali paralleli oppure a serpentina singola continua.
Le misure ed il controllo ottico dei due tipi di flusso di massa gas/liquido sono stati effettuati a temperature dell'acqua in entrata differenti (25°C, 45°C, 80°C), le curve di polarizzazione voltaggio / intensità di corrente sono state registrate da 0,1 a 30 A, la visualizzazione delle immagini delle bolle di gas è stata effettuata a valori di densità di corrente da 0,1 A/cm2 a 3,3 A/cm2 alle tre diverse temperature e per quattro differenti flussi di acqua di 15, 30, 45 e 60 ml/min.
Il rapporto tra la quantità di acqua ricircolata e quella elettrolizzata è normalmente pari a 5 su elettrolizzatori industriali, che è sufficiente per impedire la disidratazione della membrana PEM, ed è stato utilizzato con un valore pari a 7,5 a 3A/cm2 e 15 ml/min di portata, ed un valore pari a 30 per 60 ml/min di portata.
I risultati ottenuti dimostrano che a densità di corrente molto bassa le bolle di gas sono piccole, numerose e di forma sferica, e tendono a rimanere attaccate alla superficie degli elettrodi.
Le bolle cominciano a staccarsi dagli elettrodi e a rimanere disperse nel flusso d'acqua quando la portata dell'acqua aumenta.
Quando la densità di corrente aumenta le piccole bolle sferiche aumentano e cominciano a coalescere insieme portando ad un regime di bolle sempre più grosse e di forma ellittica allungata con lunghezza superiore di varie volte la larghezza del canale.
Ulteriormente si formano delle bolle di notevole lunghezza unite tra loro da una serie di piccole bolle, come delle stringhe lungo il canale.
Nel flusso continuo a serpentina a densità di corrente elevata la quantità maggiore di gas si trasforma in un flusso anulare in cui il liquido fluisce lungo le pareti del canale, mentre un flusso unico di gas domina al centro del canale.
Alle velocità di gas elevate nel flusso a serpentina, corrispondenti ad elevate densità di corrente, il regime prevalente è quello delle lunghe bolle ellittiche lungo il canale.
Le bolle sono irregolari e disuniformi e le velocità sia del gas che del liquido diventano molto variabili lungo l'intero canale a serpentina.
La presenza di dette lunghe bolle di gas arrivano ad occupare l'intero canale ed a bloccare l'accesso di acqua al canale stesso, con notevole deterioramento della efficienza produttiva della cella elettrolitica.
Nel caso di flusso a più canali paralleli la discontinuità delle bolle viene rimossa più facilmente ed i canali liberati rapidamente da ingorghi di gas.
Per quanto riguarda la circolazione dell'acqua è possibile usare portate diverse tra loro tra lo scomparto anodico e quello catodico, fino ad arrivare con un flusso di acqua al catodo quasi nullo e la portata maggiorata in proporzione all'anodo.
La circolazione dell'acqua totale completa sia all'anodo che al catodo tende a generare una efficienza produttiva inferiore in Idrogeno, sopratutto alle basse temperature (per es. a 25° - 50°C), mentre l'efficienza aumenta nettamente aumentando la temperatura e riducendo la portata al catodo fin quasi ad avere acqua stagnante al catodo e piena circolazione all'anodo.
In generale l'aumento di temperatura fino ed oltre i 100°C, come anche l'aumento di densità di corrente fino ed oltre i 5 A/cm2, consentono aumenti notevoli di efficienza produttiva in Idrogeno.
Si conclude che il flusso a canali paralleli, anzichè l'unico canale a serpentina, regolarizza la formazione delle bolle di gas e consente aumenti di efficienza notevoli della cella MEA con membrana PEM.
L'aumento di portata d'acqua al comparto anodico, l'aumento di temperatura oltre i 100°C, come anche l'aumento di densità di corrente oltre 5 A/cm2 generano importanti aumenti di resa nella generazione di Idrogeno Verde elettrolitico.
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