Elettrolisi Acqua Carburante Idrogeno Ossigeno. Water electrolysis using ultra short pulse

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Questo credo che sia un metodo molto promettente da indagare per bene

A novel method of hydrogen generation by water electrolysis using an ultra-short-pulse power supply
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PULSED ELECTROLYSIS System, Shimizu & all

Journal of Applied Electrochemistry (2006) 36:419–423
Authors: Shimizu, Naohiro; Hotta, Souzaburo; Sekiya, Takayuki; Oda, Osamu1
Source: Journal of Applied Electrochemistry, Volume 36, Number 4, April 2006 , pp. 419-423(5)
Publisher: Springer

--- Abstract: A novel method of hydrogen generation by water electrolysis using ultra-short-pulse power supply is demonstrated.
The ultra-short-pulse power supply consists of a static induction thyristor (SIThy) and a specific circuit which is called the inductive energy storage (IES) circuit. It was found that by using an ultra-short pulse with the width of 300ns, electrolysis takes place with a mechanism dominated by electron transfer, which is different from the conventional diffusion limiting process in DC electrolysis.

--- Introduction: It is possible to generate hydrogen by conventional DC water electrolysis, but this is undesirable for enviromental reasons if the electrical energy for the electrolysis is produced in thermal power stations from fossil fuel because of the generation of carbon dioxide. Fuel cells are promising and various systems are being studied worldwide. The generation of carbon dioxide during hydrogen generation through natural gas for fuel cells can be reduced compared with thermal power stations, but carbon dioxide is still generated. Hydrogen generation by photo-catalysis is preferable but the process efficiency is still very low for practical applications.

Recently, water electrolysis has been reconsidered as a promising method for hydrogen generation since the cost of electricity is decreasing, mainly as a result of wind-generated power. Hydroelectricity and nuclear power can be also used for water electrolysis without generation of carbon dioxide. Even though the electricity cost is falling, it is known that the plant cost for water electrolysis by DC power still dominates a large part of the hydrogen production cost. It is therefore desirable to find a new method of generating hydrogen from water at lower cost. In the present work, we have examined for the first time the applicability of an ultra-short-pulse power supply for water electrolysis.

--- Principle: In the conventional DC electrolysis of water, hydrogen is generated as a result of electron transfer from the cathode electrode to adsorbed hydrogen ions on the electrode surface. This electrolysis occurs when the applied voltage between the anode and the cathode exceeds the water decomposition voltage of about 1.6V, the sum of the theoretical decomposition voltage of 1.23V at room temperature and the overvoltage of about 0.4V depending on electrode materials and other factors[1]. DC electrolysis is a diffusion limited process and the current flow in water is determined by the diffusion coefficient of ions. It is therefore difficult to increase the input power for a constant volume electrochemical cell without reduction in electrolysis efficiency.

We have applied an ultra-short pulsed power supply based on a static induction thyristor (SIThy), invented by Nishizawa et al. [2,3] and developed by Shimizu et al. [4,5], and an inductive energy storage (IES) circuit invented and developed by Iida et al. [6,7] and applied in several ways by Jiang et al. [8]. SIThys are Si devices with special structures for high power pulse generation and IES circuits are small-scaled circuits based on induction storage instead of conventional capacitor storage in order to use SIThys. We have applied SI thyristors developed in our laboratory to water electrolysis and found that water electrolysis occurs by a different mechanism from the conventional DC one.

When the ultra-short pulse voltage of less than seceral microseconds is applied to a water electrolysis bath, the voltage application is so fast neither the electric double layer nor the diffusion layer can be stably formed in the vicinity of electrodes.

The pulse width which is necessary for electrolysis without formation of the diffusion layer is estimated [9] to be:
Del.t<(1/4D).(X_ad/X)² (1)

Here, Del.t is the pulse width (s), D the diffusion coefficient (cm² s^-1), X_ad the density of hydrogen ions on the cathode electrode (cm^-2) and X (cm^-3) is the concentration of hydrogen ions in the solution. This equation was simply calculated under the assumption that the total amount of adsorbed ions, X_ad, is equal to the diffusion layer thickness d (cm) multiplied by X, and d must be larger than the diffusion length (4D Delt.t)^1/2 during the pulse application, considering that the pulse application duration must be shorter than the time necessary to fill the diffusion layer with hydrogen ions. From this equation, taking as D=2.3x10^-5 cm² s^-1 for proton diffusion coefficient [1], X=6x10²⁰ cm^-3 for 1M for KOH solution and X_ad=10¹⁵ cm^-2 for platinum metal surface, the pulse width is estimated to be about 3 microsecond. This means that electrolysis occurs without forming the diffusion layer in the present work since the pulse width is one tenth of this critical 3 microsec.. It is also known that the time necessary for the formation of the stable electrical double layer is of the order of several tens of milliseconds [1]. It is therefore evident that the stable electrical double layer is not formed during the present ultra-short pulse application. Since an electric field as high as 2.6-47V cm^-1 can be applied in the present work, the lack of formation of the stable electric double layer means that hydrogen ions can be moved faster than in conventional DC electrolysis. These different mechanisms that arise via ultra-short pulse application, leading to the absence of the diffusion layer and the stable electrical double layer, mau open the possibility of high capacity water electrolysis.

--- Experimental: In order to examine the possibility of water electrolysis by ultra-short pulses, 3.41 of 1M KOH solution were put in an electrolysis bath. 3.3x9cm² platinum plates were used as the anode and cathode. The distance between electrodes was set as 3 cm. The solution temperature was kept at 293 +-2 K during the experiment. A conventional DC power supply and an ultra-short pulse power supply were used for comparison. The ultra-short pulse power supply consisted of the IES circuit with a SIThy as shown in Figure1. Ultra-short pulses with a voltage pulse-width of about 300ns, with the secondary peak voltage rangin from 7.9 to 140V were applied to the electrochemical bath with the frequency of 2-25 kHz. The input power was changed by increasing the pulse frequency.

In the IES circuit (Figure1), the gate of the SIThy is connected to the anode through a diode. When the FET (Field Effect Transistor) is switched on, the current through the inductive coil (L1) gradually increases. When the FET is switched off at a certain current level, the current flow is instantly switched off and the inverse voltage V_p1 is induced through the coil (L1). This IES circuit is the simplest and most compact one yet reported for generating ultra-short pulses [6-8].

Fig.1. Ultra-short pulsed power supply circuit for water electrolysis based on the inductive energy storage (IES) circuit [6-7] with a static induction thyristor (SIThy).

In the case of water electrolysis using the above ultra-short pulse power, the water bath electrodes are connected to the secondary reactance L2 as seen in Figure1. The pulsed voltage V_p2 is induced in the secondary reactance L2, synchronized with the pulsed voltage V_p1 as seen in Figure2. In the first stage, when this secondary pulsed voltage is applied to the electrodes in the water bath, the bath acts as a quasi-capacitor since the pulse width is too short for ions in the bath to cause a current through the bath. This gives a very short pulsed current I_p2 in the circuit through the secondary coil (L2). This current is too rapid to be seen in the figure. The water bath is not a real capacitor since all electrons collected at the cathode are transferred to hydrogen ions and high voltage does not remain as in the case of conventional capacitors. After this pulsed voltage had been applied to the electrolysis bath, in the second stage, the current I2 flows through the circuit. This current flows very slowly as seen in the figure with several tens microseconds. Since the application of the pulsed voltage V_p2 was already terminated, this current flow I2 may not be due to electron transfer to hydrogen ions but ion transport in the bath, thus compensating the lack of hydrogen ions in the vicinity of the cathode electrode.

--- Results and discussion: The hydrogen generation rate and its efficiency are plotted as a function of the input power between the electrodes in Figure3. In the case of DC power electrolysis, when the applied voltage is increased, the current increases so that hydrogen generation rate increases, but the efficiency compared with the ideal generation rate decreases from 40% at 2.2V to 8% at 12.6V. Here, the ideal generation rate was calculated from thermodynamical data [10], for the thermodynamical energy for hydrogen to be converted to room temperature water. The decrease in efficiency can be explained because an electron with high energy can only reduce one hydrogen ion so that the difference between the applied voltage and the decomposition voltage is dissipated as heat. Since the current itself is also increased by increasing the applied voltage, electrons which are not used for hydrogen reduction are also dissipated as heat.

Contrary to the case of DC power electrolysis, ultra-short power electrolysis shows a quite different behaviour. As seen in Figure3(a), in the case of DC electrolysis, the hydrogen generation rate was not proportional to the input power. It deviates from the ideal line. The hydrogen generation efficiency is calculated as the ratio of the real generation rate to the ideal hydrogen generation rate and it can be seen in Figure3(b) that the efficiency is largely decreased in the case of DC electrolysis. This decrease is mainly because the energy of most electrons is dissipated as heat.

In the case of pulse power, it is seen in Figure3(a) that the hydrogen generation rate is increased as the peak voltage is decreased. It should be noted, however, that the hydrogen generation rate increases as a function of the input power. This behaviour is quite different from the case of DC electrolysis. When the input power is increased by increasing the pulse frequency, the efficiency was not decreased in the case of high peak voltages, and was increased in the case of low peak voltages as seen in Figure3(b). This behaviour is contrary to the case of DC power. This increase of the efficiency for the case of low peak voltage may be because the energy dissipation is decreased since each electron has lower energy and the pulse waveform is sharper for low peak voltages. For these reasons, power can be efficiently consumed for electrolysis. This fact implies that the ultra-short power electrolysis is a promising method in which the power application can be increased even with an increase in electrolysis efficiency.

In the case of DC power, the electric field is always present. The electrical double layer is also present and the diffusion layer always exist. The current flow is therefore determined by the diffusion of ions with a driving force of ion concentration difference. When the applied voltage is increased, the efficiency decreases. In the cse of DC power, the power applicable for a certain volume of the electrolysis bath is therefore limited.

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Fig.2. A typical example of pulse waveforms for the first and second stages. In the first stage, an ultra-short pulse with the width of about 300ns is applied. In the second stage, the current flows slowly.



Fig.3. Hydrogen generation rate (a) and its efficiency (b) as a function of the input power. In the case of pulsed power, various circuits with different voltage (Vp2), current (I2max) and frequency ((i)-(iv)) have been compared. The input power is the integration of the secondary voltage and current multiplied by the frequency. The ideal line was calculated from the thermodynamical energy for hydrogen to be converted to room temperature water. Hydrogen generation efficiencies in (b) were calculated as the hydrogen generation rate divided by the ideal hydrogen generation rate at the same input power.

In the case of ultra-short pulsed power, the electric field is applied for only a very short time less than several microseconds which is much shorter than the time necessary for the formation of the constant electric double layer. By the application of the ultra-short pulse, electrons are collected on the surface of the cathode electrode as in a capacitor. The electrons gathered however are quickly transferred to hydrogen ions for hydrogen generation so that electrons do not remain in the electrode as in a conventional capacitor. After this electron transfer, the current I2 flows slowly as shown in Figure2, probably due to the ion diffusion in the electrolysis bath.

From the above considerations, it can be concluded that the electrolysis mechanism for ultra-short pulse power is very different from that of DC electrolysis. DC electrolysis is based on electrical double layer formation and is a diffusion-limited process, while ultra-short pulse power electrolysis is based on the strong electric field application and the electron transfer limited process. This difference seems to be very important for the practical and industrial application of ultra-short power electrolysis since the electrolysis power can be increased without decreasing the efficiency.

--- Conclusion: We have shown in this preliminary work how an ultra-short power supply, consisting of a SIThy and an IES circuit, can be applied to water electrolysis for hydrogen generation. It has been found that an ultra-short pulse of about 300ns could generate hydrogen gas. It was also found that power could be increased without decreasing the electrolysis efficiency. The present results point to the possibility that water electrolysis by ultra-short pulsed power occurs under the electron transfer-rate limiting mechanism, which is different from the conventional diffusion-limiting mechanism in DC power electrolysis.

--- Ackonledgements: We thanks Messrs S. Ohno and T. Inaba for their encouragement of this work, Mrs K. Matsuhiro, Y. Imanishi and S. Tange for their helpful discussion, and Mr M. Imaeda for his experimental help.

--- References:
1 - T. Watanabe and S.Nakamura, Introduction to Electrochemistry: Chemistry of Electron Transport (Japan Chemical Society, 1996)
2 - J. Nishizawa, T. Teriyaki and J. Shibata, Res. Inst. Electrical Comm. Tohoku Univ. Tech. Rep., RIEC TR-36 (1973) 1.
3 - J. Nishizawa, T. Teriyaki and J. Shibata, IEEE Trans. Electron Dev., ED-22 (1975) 185.
4 - N. Shimizu, K.-S. Lee, M. Yuri, Y. Ikeda and K. Murdock, Proc. 10th Symp. Static Induct. Dev., SSID-97-6 (1997) 29.
5 - R. Hironaka, M. Watanabe, E. Hotta, A. Okino, M. Maeyama, K.-C. Ko and N. Shimizu, IEEE Trans. Plasma Sci. 28 (2000) 1524.
6 - K. Iida and T. Sakuma, Proc. 15th Symp. Static Induct. Dev., SSID-02-9 (2002) 45.
7 - N. Shimizu, T. Sekiya, K. Iida, Y. Imanishi, M. Kimura and J. Nishizawa, Proc. Int. Symp. Power Silicon. Dev. (ISPSD) P-30 (2004) 281.
8 - W. Jiang, K. Yatsui, K. Takayama, M. Akemoto, E. Nakayama, N. Shimizu, A. Tokuchi, S. Rukin, V. Tarasenko and A. Pachenko, Proc. IEEE 92 (2004) 1180.
9 - O. Oda and N. Shimizu, Japan Patent Pending, 2004-223595.
10 - O. Kubaschewski, E.L. Evans and C.B. Alcock, Metallurgical Thermochemistry (Pergamon Press, 1967).

---

Come si vede da questi test realizzati dal gruppo di Shimizu, l'elettrolisi a 12 volts Viola non e' per nulla efficiente anche se produce idrogeno e ossigeno in quantita'. Infatti si vede dal grafico dell'efficienza, dove l'efficienza e' calcolata come il rapporto tra tasso di generazione misurato nell'esperimento, rispetto al tasso ideale di generazione a parita' di energia impiegata. mentre per quanto riguarda l'efficienza dell'elettrolisi industriale usata al giorno d'oggi, ovvero nel grafico (a) l'ultimo puntino giallo ( 2.2V - 0.2A ), rispetto all'elettrolisi ad impulsi (Verde a 17 kHz ), si ha :

................ Energia ... Idrogeno ... Watt x Idrogeno
................ Watt ...... Cm3 sec-1 .. ?W ...........
......................................... x1 Cm3 sec-1

Elettrolisi DC
Industriale .... 0.35 ...... 0.018 ...... 19 W
2o punto ....... 1.1 ....... 0.060 ...... 18
3o punto ....... 2.9 ....... 0.110 ...... 26
4o punto ....... 5.6 ....... 0.200 ...... 28
5o punto ...... 11.0 ....... 0.310 ...... 35
6o punto ...... 25.0 ....... 0.600 ...... 42
7o punto ...... 77.0 ....... 1.100 ...... 70
8o 12.6V 20A . 240.0 ....... 2.200 ..... 109

Elettrolisi Impulsi
1o .. 7.5 kHz .. 0.65 ...... 0.025 ...... 26 W
2o . 15 . kHz .. 1.0 ....... 0.041 ...... 24
3o . 17 . kHz .. 1.03 ...... 0.064 ...... 16

Ovvero l'elettrolisi ad impulsi di 300 nano secondi e' piu' efficiente di quella in corrente continua a partire da circa 15000 impulsi al secondo, piu' o meno il punto di incrocio tra le due curve. Resta da vedere quanto efficiente sarebbe aumentare il numero degli impulsi ad esempio a 30000. Dal grafico (b) si capisce un'altra cosa importante: Passando dal test a 62V al test a 9.7V si nota una inversione di flessione della curva all'aumentare del numero di impulsi al secondo. Ovvero man mano che si diminuisce la tensione agli elettrodi, si arriva ad una tensione critica, al di sotto della quale, l'aumentare degli impulsi per secondo produce un'aumento di rendimento invece che una diminuzione. Quindi esistera' un fenomeno non menzionato che mangia energia senza produrre scissione dell'acqua, la percentuale di energia mangiata aumenta con l'aumento della tensione applicata. Guardando l'evoluzione dei test da 140V a 7.9v, e' molto probabile che un test ad esempio a 3V, potrebbe fornire un rendimento elevatissimo con una potenza sempre al di sotto di 1 watt ! Ultima faccenda evidente e' che le curve di rendimento per potenza tra elettrolisi ad impulsi e a corrente continua si incrociano invece che affiancarsi, quindi: - In CC aumentando la tensione, diminuisce l'efficienza, - Ad impulsi aumentando la frequenza degli impulsi, aumenta l'efficienza.

Edited by fabrizio3 - 4/4/2010, 10:28

Low current electrolisis - Kanarev
Kanarev

Published 19.12.2003 - Updated 04.11.2005
with drawing of the cell.
LOW CURRENT ELECTROLYSIS OF WATER
Ph. M. Kanarev

Un interesse all'energia dell'idrogeno sta aumentando da molti anni. Si spiega dal fatto che l'idrogeno è un corriere di energia inesauribile ed ambientalmente amichevole.
Ma la realizzazione di queste proprietà funziona al rallentatore a causa del grande consumo di energia per la sua produzione dall' acqua. Gli Elettrolizzatori più moderni consumano 4.0 kWh per metro cubico di questo gas.
Il processo di elettrolisi ha luogo da tensioni di 1.6-2.0 V e forza corrente di dozzine e centinaia di ampere. Quando un metro cubico di idrogeno è bruciato, 3.55 kWh di energia viene rilasciata [1].
Molti laboratori nel mondo sono impegnati a risolvere il problema di una riduzione di consumo di energia per produzione di idrogeno da acqua, ma non ci sono risultati significativi. Nel frattempo, un processo economico di decomposizione di molecole di acqua in idrogeno e l'ossigeno esiste nella natura.
Questo processo ha luogo durante la fotosintesi. Gli atomi di idrogeno sono separati da molecole di acqua e sono usati come giunzioni di collegamento mentre formano molecole organiche, e l'ossigeno viene rilasciato nell'aria.

Una domanda emerge: è possibile modellare un processo elettrolitico di decomposizione di acqua in idrogeno ed ossigeno come quello che ha luogo durante la fotosintesi?
Una ricerca di una replica a questa domanda ha dato luogo ad una semplice struttura di una cella (la Fig. 1) nella quale il processo prende luogo da tensione di 1.5-2.0 V tra l'anodo ed il catodo ed amperaggio di 0.02 A [1], [2].


Fig. 1 Modello di cella elettrolitica a bassa corrente (stadio di brevetto)

Gli elettrodi della cella sono fatti di acciaio. Aiuta ad evitare i fenomeni che sono propri ad una cella galvanica.
Ciononostante, agli elettrodi della cella, viene applicata una differenza potenziale di quasi 0.1 V in completa mancanza di soluzione elettrolitica in essa. Quando la soluzione è caricata, la differenza potenziale è aumentata.
Il segno positivo della carica appare sempre sull'elettrodo superiore, ed il segno negativo appare sul più basso. Se una fonte di corrente continua genera impulsi, la produzione di gas è aumentata.


Fig. 1a Elettrolizzatore a bassa corrente ( Brevetto Russo n. 2227817)

Come un modello di laboratorio la cella elettrolitica a bassa corrente, genera una piccola quantità di gas, un risoluzione di massa cambia definizione del metodo durante l'esperimento ed il calcolo a lungo termine di idrogeno e ossigeno rilasciato è il metodo più affidabile di definizione della loro quantità.
È conosciuto che un grammo atomo è uguale alla massa atomica di sostanza; un grammo molecola è uguale a massa molecolare di sostanza. Per esempio, il grammo molecola di idrogeno nella molecola di acqua è uguale a due grammi; il grammo atomo dell'atomo di ossigeno è 16 grammi.
Il grammo molecola di acqua è uguale a 18 grammi. La massa di idrogeno in una molecola di acqua è 2x100/18= 11.11%; la massa di ossigeno e' 16x100/18= 88.89%; questo rapporto di idrogeno e ossigeno e' riferito ad 1 litro di acqua. Significa che 111.11 grammi di idrogeno e 888.89 grammi di ossigeno, sono contenuti in 1000 grammi di acqua.
Un litro di idrogeno pesa 0.09 g; un litro di ossigeno pesa 1.47 g. Vuole dire che è possibile una produzione 111.11/0.09= 1234.44 litri di idrogeno e 888.89/1.47=604.69 litri di ossigeno da 1 litro di acqua.
Appare da questo che un grammo di acqua contiene 1.23 litri di idrogeno. Il consumo di energia per produzione di 1000 litri di idrogeno è 4 kWh e per 1 litro 4 Wh. Come stanno le cose, è possibile la produzione di 1.234 litri di idrogeno da un grammo di acqua, 1.234x4 =4.94 Wh ora sono spesi per produzione di idrogeno da 1 grammo di acqua.

Instruments and equipment used during the experiment

Special experimental low current electrolyzer (Fig. 3); voltmeter of the highest accuracy class (accuracy class of 0.2 GOST 9711-78); ammeter of the highest accuracy class (accuracy class of 0.2 GOST 9711-78)’ electronic scale with scale division value of 0.1 and 0.01 g; stop watch with scale division value of 0.1 s.

Tabella 1
Risultati sperimentali



Esempi di Oscillogramma

Fig. 2 Tensione


Fig. 3 Tensione


Fig. 4 Corrente


Fig. 5 Corrente


Oscillogramma di tensione, risultati del processo (Figure 2 e 3). Prendendo in esame il fattore di scala che è uguale a 10, noi troveremo un valore medio dell'ampiezza della tensione ad impulsi.
=[(0.20+0.24+0.12+0.10+0.30+0.18+0.16+0.12+0.30+ 0.24+0.30)/11] x10= 2,05 V .

Periodo di impulso Т=(24х2)/10=4.8 ms.
Durata di impulso =(2х1.45)/10=0.29 ms.
Frequenza di impulso =(1/0.001x4.8)=208.3 Hz.
Impulso periodo a impulso, rapporto di durata =48/0.29=16.55.
Fattore di rendimento (Duty factor) =0.5/16.55=0.0302.

La componente equivalente media degli impulsi di tensione, calcolato secondo le letture di oscillografo 2.05х0.0302= 0.062 V. In quel momento le letture di voltmetro erano 11.0 V.

La corrente oscillografica che tratta risultati (Figure 4 e 5). Prendete in considerazione il fattore di scala che è uguale a 10 e la resistenza di 0.1 ohm sulla quale noi troveremo un valore medio di corrente ad impulsi.
={[(9.0+7.0+2.0+11.5 +6.0+8.5+3.5+9.0+2.5+6.5)/10]x10}/0.1=655мА =0.655 А.

La corrente media nell'elettrolizzatore e' =0.655х0.0302=0.01978А =0.02А. La lettura dell'amperometro e' 0.02 A.

Una domanda subito emerge: perché il valore corrente secondo le letture dell'amperometro ed oscillografo e' lo stesso e il valore di tensione secondo le letture di oscillografo è 177.4 giunge meno che secondo le letture di voltmetro?
Una serie di esperimenti supplementari accompagnano questa domanda, mostrano che una cella di elettrolisi a bassa corrente, è un condensatore che gradualmente si scarica sotto l'influenza dei processi elettrolitici che hanno luogo in lui.
Un valore di questa scarica è compensato dagli impulsi di tensione, il cui valore medio è notevolmente minore del valore costante di tensione di carica di questo condensatore.

Così, il voltmetro mostra un valore di tensione di carica del condensatore, e l'oscillografo mostra un valore della sua ricarica, che e' caratterizzata dall'energia presa dalla linea e consumata dalla cella.
Appare da questo che per calcolare l'energia consumata dalla cella elettrolitica a bassa corrente, presa dalla linea, è necessario usare la tensione, che è registrata non dal voltmetro ma dall'oscillografo.
Come conseguenza, il consumo di energia per la produzione di idrogeno da acqua, nel caso di elettrolisi a bassa corrente, non è ridotto di 12 fold, ma pressocché 2000 fold

Così, un piccolo valore di corrente 0.02 A e tensione di 0.062 V permette a noi di supporre che all'interno dell'elettrolizzatore a bassa corrente, il processo di elettrolisi di acqua, è simile al processo che ha luogo durante la fotosintesi.
Nella fotosintesi, l'idrogeno separato dalla molecola di acqua, viene usato come un legame di collegamento al momento della formazione di molecola organica e l'ossigeno è rilasciato nell'aria. Nell'elettrolisi a bassa corrente, entrambe idrogeno ed ossigeno sono rilasciati nell'aria.

La fruttuosità di questa ipotesi attraente, non dovrebbe essere controllata una volta, ma ora è il solamente uno che dà un chiarimento soddisfacente di un risultato sperimentale ed insolito.

Nota: la liberazione di gas e' notata chiaramente durante molte ore dopo che la cella è stata disconnessa dalla linea.

Conclusioni

Indice di efficienza energetica dell'elettrolisi a bassa corrente, dovrebbe essere raffinata, ma in ogni caso sarà più grande che 10, ecco perché c'è ogni ragione per pensare che un modo a produzione di idrogeno poco costoso da acqua e transizione ad idrogeno energico è aperto.

Riferimenti
1. Kanarev Ph.M. The Foundation of Physchemistry of Microworld. The third edition. – Krasnodar: KSAU, 2003. http://Kanarev.innoplaza.net (In Russian, Part 1, Part 2).

2. Kanarev Ph.M. The Foundation of Physchemistry of Microworld. The second edition. (In English). http://book.physchemistry.innoplaza.net

Edited by fabrizio3 - 7/7/2011, 10:59

Proprieta' Idrogeno e Ossigeno

1. Proprietà dell'idrogeno

L'esistenza dell'idrogeno è nota da secoli, ma la sua vera natura comincia ad emergere solo intorno al XVI secolo quando Paracelso per primo descrisse un gas infiammabile prodotto per reazione dell'acido solforico con il ferro. In seguito, nel 1760, Henry Cavendish approfondì gli studi sulle proprietà e la preparazione dell'idrogeno dall'acqua e nel 1783 Lavoisier diede a questo gas il nome di idrogeno, che significa "generatore di acqua".

Esso rappresenta l'elemento più abbondante nell'universo, come risulta dall'analisi spettrale della luce emessa dalle stelle, che rivela che la maggior parte di esse sono costituite principalmente da idrogeno; ad esempio nel sole, la stella a noi più vicina, è presente per circa il 90%. Con l'ossigeno ed il silicio è uno degli elementi più diffusi (0,9% in peso) sulla crosta terrestre Molto raro è l'idrogeno allo stato elementare sul nostro pianeta in quanto l'attrazione gravitazionale terrestre, minore di quella delle stelle e dei grandi pianeti, è insufficiente a trattenere molecole molto leggere come quelle dell'idrogeno. Si trova libero nelle emanazioni vulcaniche, nelle sorgenti petrolifere, nelle fumarole e nell'atmosfera ad un'altezza superiore ai cento chilometri. Particolarmente abbondante è invece allo stato combinato: con l'ossigeno è presente nell'acqua di cui costituisce l'11,2% in peso; combinato con carbonio, ossigeno ed alcuni altri elementi è uno dei principali costituenti del mondo vegetale ed animale, l'organismo umano ne contiene circa il 10% del suo peso. Nel solo campo della chimica organica sono noti milioni di composti contenenti idrogeno che vanno dal più semplice degli idrocarburi, il metano, alle gigantesche proteine dei carboidrati con un enorme numero di atomi di idrogeno. Esso può formare molecole biatomiche che possono trovarsi in due stati energeticamente diversi e ciò è dovuto al fatto che atomi con numero dispari di protoni o di neutroni possono accoppiarsi nella formazione della molecola in modo parallelo o antiparallelo, dando luogo alle forme orto e para rispettivamente.

Nella tabella 2.1 sono riportate alcune importanti proprietà dell'idrogeno.

L'idrogeno è a temperatura ambiente un gas incolore, inodore e praticamente insolubile in acqua. Dopo l'elio è il gas più difficile a liquefarsi. E' un discreto conduttore del calore e dell'elettricità, viene facilmente assorbito da taluni metalli. Generalmente poco attivo a freddo, l'idrogeno dà luogo, a caldo o in presenza di catalizzatori a numerose reazioni chimiche.

Tab. 2.1 Proprietà dell'idrogeno.

Peso molecolare ...................... 2,016
Densità .............................. Kg/m3 0,0838
Potere calorifico superiore .......... MJ/Kg 141,9
...................................... MJ/m3 11,89
Potere calorifico inferiore .......... MJ/Kg 119,9
...................................... MJ/m3 10,05
Temperatura di ebollizione ........... K 20,3
Densità come liquido ................. Kg/m3 70,8
Temperatura di auto-ignizione ........ K 858
Limite di ignizione aerea ............ (vol. %) apr-75
Miscela stechiometrica aerea ......... (vol. %) 29,53
Temperatura di combustione aerea ..... K 2,318
Coefficiente di diffusione ........... cm2/s 0,61
Calore specifico ..................... KJ/(kg K) 14,89
--- Punto critico :
temperatura .......................... K 32,94
pressione ............................ bar 12,84
densita' ............................. Kg/m3 31,4

Sistema di Elettrolisi con purificazione e stoccaggio di Ossigeno e Idrogeno separatamente.

Solar Hydrogen Production by Electrolysis.pdf - by: Dangerous Laboratories

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Come Produrre Idrogeno in Casa dall’Energia Solare. Da un Dispositivo Inventato nel 1833 Parte il Nuovo Studio di un Team Italiano che Ri-scopre l’Interessante e Semplice Invenzione del Fisico G. D. Botto




Agli inizi del 1800, durante il picco della rivoluzione industriale, la scienza moderna ruotava intorno al vapore e agli altri motori alimentati a carbone. Quindi potrebbe sembrare un po’ fuori luogo che già nel 1833, un fisico italiano chiamato G. D. Botto eseguiva esperimenti su una tecnica particolare per la produzione di idrogeno.”L’idrogeno è l’elemento più comune sulla Terra, il più leggero e il più semplice nella sua struttura,” spiega Roberto De Luca dell’Università degli Studi di Salerno, “l’idrogeno in gas era già noto a al chimico francese Lavoisier alla fine del Diciottesimo secolo. Tuttavia, la produzione di idrogeno, al momento che G. D. Botto eseguì il suo esperimento, poteva essere solo considerato come un sotto-prodotto dell’elettrolisi”. De Luca è parte di una squadra italiana di scienziati che hanno infatti rivisitato gli esperimenti del fisico italiano per verificare se la tecnica potrebbe avere applicazioni per l’odierno problema energetico.

Nel dispositivo originale di G. D. Botto, alternando collegamenti di platino e di ferro e collegati fra loro con una catenella il tutto avvolto attorno ad un’asta di legno e riscaldando l’asta con una fiamma, Botto è stato in grado di generare una corrente elettrica nella catena attraverso la termocoppia dei 2 metalli. L’obiettivo originale di G. D. Botto infatti era quello di mostrare semplicemente che si potrebbero produrre energia elettrica utilizzando una termocoppia di due metalli.

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Il gruppo italiano è stato ispirato dalla convenienza del dispositivo per produrre idrogeno di G. D. Botto, che può essere facilmente fabbricato ed è composto da materiali ampiamente disponibili. I ricercatori hanno calcolato che, anche se una versione modificata del dispositivo di Botto produce una potenza elettrica molto bassa, si può ancora produrre abbastanza forza elettromotrice generando idrogeno. Le bolle di idrogeno nell’acqua che si creano mediante elettrolisi è stato il suo modo di confermare visivamente che la corrente elettrica era presente. Ma, dopo la scoperta originale di G. D. Botto, il contemporaneo team italiano ha ri-concepito il dispositivo per farlo diventare: un modo economico per produrre idrogeno senza avanzate tecniche industriali ma con componenti fai-da-te.

Con qualche accorgimento moderno, il team italiano è stato in grado di modificare il dispositivo di G. D. Botto in modo piuttosto ingegnoso. In primo luogo, ha sostituito la fiamma che Botto utilizzava per la produzione di calore con degli specchi parabolici per concentrare i raggi del sole nel tubo. In secondo luogo, ha sostituito il platino molto costoso con del rame. E in terzo luogo, al fine di creare una maggiore differenza di temperatura tra il lato riscaldato del tubo e il lato freddo, farebbero passare l’acqua al centro di esso.

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I ricercatori ritengono che, sebbene la potenza elettrica di uscita per il loro dispositivo sperimentale è di piccole dimensioni (solo circa 20 mW), essa potrebbe generare abbastanza corrente per la produzione di gas di idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua. “Riteniamo che questa idea potrebbe essere utilizzata per la produzione di gas idrogeno direttamente dall’energia solare, attraverso l’elettrolisi,” spiega De Luca, tuttavia continua il ricercatore, piuttosto di utilizzare una termocoppia di 2 metalli, sarebbe più efficiente utilizzare una centrale termoelettrica a semiconduttore per ottenere una più elevata potenza di uscita.

“Abbiamo imparato a conoscere l’idea di Botto attraverso il prezioso lavoro del professor Salvatore Ganci, co-autore di questo studio, che è un esperto nella storia della fisica”, continua De Luca. “E’ ora di scrivere un libro sugli strumenti scientifici costruiti da fisici della provincia di Genova nei primi anni del 19 ° secolo. Tra questi studi, vi è infatti il dispositivo utilizzato da Botto, con la quale è stato possibile dimostrare che l’elettricità poteva essere generata dal riscaldamento di una termocoppia di metalli. Senza il prezioso contributo del professor Ganci, questo lavoro non sarebbe stato possibile “. Per quanto riguarda il motivo per cui i ricercatori hanno suggerito di usare le radiazioni solari per riscaldare il dispositivo piuttosto che una fiamma, De Luca ha sottolineato i vantaggi economici del sole: “C’è una grande differenza, nella produzione di idrogeno, di utilizzare gratuitamente l’energia di una centrale nucleare che inizia a lavorare nelle prime ore del mattino e si ferma all’inizio della notte” riferendosi al nostro Sole.

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“L’energia solare sarà libera per i prossimi 5 miliardi di anni, circa. L’idrogeno può essere quindi liberamente prodotto (a meno che non si consideri il costo dell’acqua) fino a quando questa meraviglioso e perfettamente pulito impianto nucleare sarà splendente su di noi. L’idrogeno può quindi essere utilizzato per le nostre automobili e per illuminare le nostre case di notte, in futuro”. Non voleva ribadire anche questo il famoso professore del MIT Daniel Nocera: Sole + Acqua = Idrogeno? Ora stiamo solo aspettando che rilascino il progetto via web Internet in modo che tutti possiamo iniziare a sperimentare la propria produzione di idrogeno.

Edited by fabrizio3 - 7/7/2011, 10:56