Generatore di idrogeno ad alta pressione

 

Uno dei più semplici metodi per ottenere gas idrogeno e quello per via elettrolitica usando il voltametro di Hoffman, (F02)

 

usando il voltametro di Hoffman è subito chiaro che con questo sistema non è possibile ottenere pressioni di H2 superiori a 1 – 1,5 bar, chi necessita di pressioni superiore deve ricorrere ad una pompa per comprimere il gas in apposito contenitore, tutte queste operazioni non fanno che introdurre inquinanti : O2, N2 e vapori di olio nella miscela di H2.
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 - qui un progetto più dettagliato

 

Di seguito, (F1) riporto il progetto ed i relativi schemi per la realizzazione di un elettrolizzatore ad alta pressione 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 anni fa e lo uso tuttora quando necessario.

Il mio generatore non è adatto per generare grosse quantità di H2 ma per caricare piccole bombole 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 a 19 V 1 A, necessita inoltre di una pompa da vuoto a parte da usare all’avvio del sistema.

 

 

Descrizione dei componenti del sistema in 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 di NaOH
-9 bombola di raccolta gas
-10, 11, colonne elettrodo in acciaio inox resistente alle soluzioni di NaOH
-12 blocco base del contenitore dell’elettrolita in plexiglass con 140 cc di NaOH 20% (vedi F2)
-13, 14colonne di lavaggio in pvc contenenti H2O deaerata.
-15 colonna in PVC per la deumidificazione dell’idrogeno contenente drierite o gel di silice
-16 unita 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.

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 si avrà sempre pressione O2 > pressione H2.
Durante il funzionamento, l’aumento della pressione O2 rispetto ad H2 spingerà il livello dell’elettrolita nella 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 devono essere 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 da usare 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 totalmente 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 di acciaio inox 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.
Sono stati usati tubicini in teflon (tubi azzurri) dove vi è contatto con la sol. 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.

 

Di seguito schema dell’elettronica di controllo, (F4).

 

Sotto blocco del Reattore elettrolitico con misure del prototipo realizzato (in mm, nel disegno sono state omesse le guarnizioni di tenuta), (F2)

 

In (F5ad), il prototipo da me realizzato anni fa.

 

 

© C. D.C.

 

Bibliografia:

- High-pressure electrolysis
- Low-Cost High-Pressure Hydrogen Generator