total_nickel-FUEL_CELL_T

COME REALIZZARE UNA FUEL CELL con il nickel (senza il platino) = Fuel_Cell_T

Sommario
Nel seguito indicheremo come costruire una fuel cell, che chiameremo Fuel_Cell_T, per verificare che su elettrodi di grafite può essere utilizzato come catalizzatore il nickel (anziché il platino) ed ottenere risultati analoghi a quelli ottenibili alle fuel cell in commercio. Il dispositivo qui descritto è solo un prototipo che opera a bassa pressione (siamo intorno alla pressione che gonfia un palloncino a un diametro di 10 cm, cioé 0,033 psi maggiore di quella esterna). Per la sperimentazione a pressioni superiori necessita una diversa configurazione della fuel cell che consenta la maggiore pressione, ma le tensioni ottenibili dalla fuel_cell_T sono ulteriormente migliorabili proprio grazie al maggiore afflusso dei gas. Ciò nonostante è significativa la sperimentazione a bassa pressione per vedere se il nuovo catalizzatore sia efficiente rispetto alle fuel cell di tipo PEM.

Anzitutto vediamo cosa esiste in commercio:
http://www.ebay.it/itm/reversible-PEM-Brennstoffzelle-Wasserstoff-fuel-cell-hydrogen-renewable-Energy-/181231234725?hash=item2a32392ea5

è una fuel celle di tipo con polimero a circa 30 euro.

Il video dove la esamino:

Analisi SINTETICA del prototipo:

L’idea è di realizzare con fogli di plexiglass incollati tra loro e tenuti compatti grazie a barrette filettate, le varie sezioni di una cella a combustione (in inglese: fuel cell). Come catalizzatore sarà usato nickel per depositazione su un solo lato di ciascun disco di grafite, con la tecnica detta dei “bagni di watts”. Esattamente il nickel è depositato in modo elettrolitico dal lato verso il serbatoio. Infatti il serbatoio avrà collocazione intermedia tra i dischi e avrà un sistema di riempimento e svuotamento grazie a due tubi autonomi input/output. Ci saranno inoltre altri due tubicini (sezione esterna consigliata circa 5 mm) di svuotamento dei liquidi che si formano per reazione chimica sulle due facce estreme della pila di fogli di plexiglass che servono da contenitore. Ciò è possibile perché ciascun foglio dello spessore di 5 mm e di lato 8 cm, ha un foro centrale per l’alloggio della grafite. si veda lo schema di fig.1.

click x zoom

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Fig. 1

Servono almeno 3 sezioni:

1° sezione: contiene nel plexiglass (dove il plexiglass ha funzione di isolante) il disco di grafite che funziona da polo (+) positivo. Si tratta di un disco di diametro 6 cm, spessore 1,5 cm, forma circolare.

2° sezione: contiene nel plexiglass un disco di plastica, pvc, un serbatoio che conterrà -a sua volta- il liquido composto da acqua distillata e sali (concentrazione nel “serbatoio” ipotesi (ip1) uso “fuel cell” = KOH al 25%, ossia 25 gr di KOH, in 100 gr di H2O).
Attenzione n.1: il KOH ustiona la pelle e può portare alla cecità agli occhi e non va inalato.

3° sezione: contiene nel plexiglass il disco di grafite che funziona da polo (-) negativo. Anche il disco del polo negativo ha le stesse dimensioni di quello positivo.
Alle due facce esterne della cella sono collegati i tubicini che convogliano gas in modo separato: da un lato andrà l’idrogeno e dal lato opposto ossigeno.
Attenzione n.2: questi gas sono esplosivi e vanno trattatati solo da chi abbia competenze di chimica/fisica/ingegneria. Sono particolarmente rischiosi sia se entrano a contatto e sia al crescere della temperatura. Usare norme di sicurezza come la aspirazione dei gas, oppure operare a bassa pressione ed in aria aperta.

ELENCO DEI MATERIALI e strumenti per la FUEL_CELL_T

Vedi foto del dispositivo in fig. 2 (oltre che lo schema di fig. 1)
(seguirà un video dimostrativo che mostrerà le misure mentre il dispositivo è in funzione)

Fig.2

  1. Plexiglass(*1) in lastre da 5 mm da ritagliare con (a1) seghetto per ferro con motore elettrico, ma utilizzato su plexiglass per tagliarlo in quadrati. (‘ai’ indica l’arnese, a, i-esimo), (*i indica i materiali) http://www.ebay.it/itm/Lastra-in-plexiglass-trasparente-5mm-20x20cm-/111613326876?hash=item19fcac361c
  2. occhiali di protezione(*2) durante la lavorazione di ritaglio del plexiglass (da fermare con morsetti). http://www.ebay.it/itm/Occhiali-Protettivi-Eurostar-Protezione-Di-Lavoro-Protezione-Saldatura-/281265439546?hash=item417cba033a
  3. (a2) fresa circolare, (*3) utilizzata con morsetti, per realizzare fori nel plexiglass (usare trapano con frizione che impedisca la rotazione in caso di blocco della fresa). http://www.ebay.it/itm/FRESE-SEGHE-A-TAZZA-BIMETALLICA-SERIE-9-PEZZI-PER-METALLO-VALEX-FRESA-SEGA-FORA-/151697083055?hash=item2351d9caaf
  4. (a3) trapano, (*4) con mandrino per fresa, a velocità variabile con frizione anti blocco.
    http://www.ferramentacarozzi.it/IT/tassellatore-makita-hr2600.html
  5. tubi di gomma(*5) da 5 mm (sez esterna) per l’afflusso di gas (H2 e O2) dalla cella che li produce alla fuel cell
    http://www.ebay.it/itm/Clear-Translucent-Silicone-Tubing-FDA-Approved-Milk-Hose-Beer-Pipe-Soft-Rubber-/221489619116?var=&hash=item3391cf60ac
    accessori di collegamento:
    http://www.ebay.it/itm/Quality-Plastic-Hose-Pipe-Tube-Connector-Joiner-Connect-Silicone-Rubber-PVC-Join-/351045008970?var=&hash=item51bbe9be4a
  6. grafite in lastra di spessore da 1,5 cm da tagliare con fresa a forma circolare (6 cm). (*6)
    http://www.ebay.it/itm/LASTRA-PER-SALDARE-IN-GRAFITE-mm-300x200x15-/180619758561?hash=item2a0dc6cbe1 [le frese oltre che tagliare il plexigless con fori da 5 cm e da 6 cm (secondo il foro esterno della fresa), vedi fig. 1, saranno utilizzate per tagliare la grafite senza la punta centrale della fresa ed utilizzando, quindi, il cerchio secondo il foro interno della fresa, con fi da 6 cm circa.]
  7. Barrette filettate(*7) da 4 mm, con bulloncini per uso come tiranti sui fogli di plexiglass
  8. KOH in forma di sale(*8) (Attenzione n.3attenzione il KOH è corrosivo per la pelle, e crea cecità per gli occhi) da diluire con acqua distillata o demineralizzata (non usare il NaOH, poiché i gas prodotti per elettrolisi non sono risultano produrre H2 e O2 con la stessa concentrazione alle dosi consigliate): va messo nel serbatoio della cella fuel cell (DOSE= 25 gr di KOH in 100 gr di H2O) e va anche messo nel ciclo di elettrolisi che produce H2 e O2 (DOSE=25gr di KOH in 100 gr di H2O).
  9. Acqua demineralizzata(*9) (si può usare quella venduta per le batterie della autovetture)

ELENCI DEI MATERIALI e strumenti per produrre i gas H2 e O2 grazie a elettrolisi:

  1. due vasche di pvc da usare capovolte (*10): alla prima vasca collegare il primo elettrodo (barretta filettata), alla seconda vasca il secondo elettrodo (barretta filettata)
  2. dalle due vasche partono anche dei tubicini di pvc(*11) (due per vasca): sono 2 perché il primo va a fornire il gas, e il secondo ad uno strumento di misura, e grazie a una diramazione anche ad un palloncino di gomma per verificare che si gonfia il palloncino, ma senza esplodere.
  3. Trasformatore variabile (di tipo variac)(*12) per realizzare la continua grazie a ponte raddrizzatore e condensatori.

NICKELATURA della grafite con i bagni di Watts:
la storia:
http://www.effectrode.com/fascinating-story-nickel-plating-characterized-resourceful-individuals-companies-responding-industry-needs/

predisposizione:
ANODIZZAZIONE = pulitura della grafite

pulitura della grafite e creazione della porosità solo su una faccia (quella che guarda il serbatoio quando sarà montata): collegare la grafite sul polo + (anodo di elettrolisi) e mettere sul polo meno un elettrodo per esempio una barra filettata di acciaio inox. Non tenere in anodizzazione per un tempo troppo lungo, altrimenti la grafite (tipo usato per costruzione di elettrodi che è abbastanza compatta per non fare passare liquidi nella porosità della grafite stessa) diviene troppo porosa. In particolare fa mascherata una delle due facce del disco di grafite di modo che rimanga abbastanza impermeabile. Una anodizzazione a 6 volt, con le dimensioni dei dischi da circa 6 cm di diametro e 1,5 cm di spessore, durerà circa 10 minuti ed il parametro da verificare come significativo è che la corrente non sia maggiore di 0,2 Ampere.

NICKELATURA:

  1. lastra di nickel puro 5 cm x 2 cm x 1 mm (circa) da usare sul polo + durante la elettrolisi in cui solo una faccia della grafite è lasciata a reagire e la seconda faccia è coperta per non reagire.
  2. Nel bagno di watt vanno messi i sali di nickel (vedi seguito Bagni di Watts), il disco di grafite collegato come catodo. Sulla faccia da nickelare va messa la piastrina di nickel puro collegato come anodo.
  3. Realizzare in questo modo due cilindri di nickel facendo scorrere corrente per circa un ora ai valori di tensione applicata=6 volt ma soprattuto con i valori di corrente applicata=0,2 Ampere perché il deposito di nickel è controllabile in modo più preciso rispetto alla corrente che fluisce e la tensione deve variare a secondo delle dimensioni e massa della grafite in modo che si abbia la corrente consigliata.

FUEL CELL di tipo PEM per comparare i risultati:
da ebay:

http://www.ebay.it/itm/reversible-PEM-Brennstoffzelle-Wasserstoff-fuel-cell-hydrogen-renewable-Energy-/181231234725?hash=item2a32392ea5

da sperimentazione:

Bagni di Watts:

Non sempre sono univoche le dosi dei sali .. sia come tipo di sali e sia come proporzioni:
Le dosi da noi implementate sono le seguenti:

  1. NiSO4.6H2O (nickel sulfate hexahydrate) = 250 gr/litro
  2. NiCl2.6H2O (nickel chloride hexahydrate) = 50 gr/litro
  3. H3BO3 (boric acid) = 40 gr/litro
  4. temperatura di nickelatura ideale = 60°C (ma agisce anche a temperature più basse fino a quella di 25 °C).

PROCEDURA per verificare il funzionamento a bassa pressione:

  1. Montate la parte elettrica della elettrolisi per produrre i gas (H2, O2 grazie al KOH), ma senza collegare per ora alla alimentazione di rete elettrica.
  2. Attenzione al fatto che le vasche per immagazzinare H2 e O2 tendono a divenire delle mongolfiere e quindi devono essere incastrate in una vasca più grande che le unisce e su cui deve essere messa una zavorra per impedire che si alzino a galleggiare nell’aria.
  3. Le due vasche (principalmente separate) per i gas, inoltre devono essere collegate da un tubo di grande sezione (minimo 1 cm) che sia sotto il livello del liquido, dove anche sotto il livello del liquido con KOH (a 25 gr i 1000 gr di H2O: concentrazione minima 2,5% (ip2) in ipotesi di produzione gas) sono immersi gli elettrodi.
  4. Collegate i tubi idraulici ai palloni che monitorano la produzione di H2 e O2 prima di alimentare in modo elettrico il circuito. Collegate sullo stesso ramo dei tubi un misuratore differenziale di pressione in grado di darvi una lettura tra la pressione in aria libera e nel pallone (monitorate l’idrogeno e lasciate al secondo pallone di monitorare l’ossigeno che sarà circa la metà della produzione dell’idrogeno che va meglio controllato, perché è esplosivo al contatto con l’ossigeno).
  5. Ora provate a collegare la strumentazione con cui date la tensione continua alla cella di elettrolisi e monitorate la tensione applicata alla cella, la corrente continua che vi scorre.
  6. Quindi collegate i tubi gas alla fuel cell (per i tappi alle linee idrauliche piegate i tubi e introducete dei chiodi di acciaio (come “tappi”. Nota bene: se la sezione dei tubi gas è quella compatibile) che non lascino disperdere i gas: se operate al chiuso consiglio un aspiratore durante queste manovre, oppure operate all’aperto.
  7. La fuel cell ha una sua camera con KOH e due elettrodi collegati alla grafite che è posizionata in modo che la parte non trattata sia impermeabile al KOH e la parte nickelata sia a contatto con la soluzione di KOH.
  8. Misuratore di ph
  9. Dovreste vedere il vedere di 0,57 volt sugli elettrodi della fuel cell esattamente come li da una fuel cell commerciale, a membrana o con platino.

***

[CIT ON]
AGGIORNAMENTI PER LA DOCUMENTAZIONE VIDEO:

Nella sezione attuale aggiungeremo la documentazione video e alcune note che spiegano passo passo la sperimentazione:

video numero 1:
data registrazione  (editing): 18 febbraio 2015


OGGETTO: fuel cell di tipo PEM

viene mostrato come su una fuel cell di tipo PEM (acquistata on line con circa 30 euro) è possibile l’utilizzo sia in
(1)  produzione di H2 e O2
(2) realizzazione di una tensione di circa  0,6 volt dc (continua)

video numero 2:
data registrazione (editing): 3 novembre 2015

OGGETTO: fuel cell PEM + macchina per elettrolisi ME-1

ci serve una macchina elettrochimica (chiamiamola ME-1) per produrre idrogeno (H2) ed ossigeno (O2) -> NON come nel video precedente in cui la stessa fuel cell PEM era usata prima per produrre H2 e O2 e poi per esserne alimentata! .. MA una macchina distinta poiché deve divenire uno standard sia da applicare alla <<fuel cell PEM>> e anche a quella <<fuel cell_T>>, ossia con nickel al posto del polimero.
Nella trattazione precedente abbiamo mostrato in Fig. 1 come sarà il prototipo con il nickel, ma non abbiamo ancora mostrato come è fatta la ME-1. Si potrà vedere nel video seguente (registrato in realtà il 2 nov 2015, ed editato il 3 nov 2015) che ho utilizzato dei contenitori in plastica (di cui metto lo schema qui di seguito: vedi Fig. 3) che consentono di avere una separazione dei gas ottenibili dalla elettrolisi.

Fig. 3 (click x zoom)

Le ipotesi di elettrolisi sono le seguenti:

1) generazione di tensione alternata di v1=10 volt (ac) (grazie a variac)

2) metto la tensione v1 in input ad un raddrizzatore di corrente e ottengo una tensione in continua v2=10 volt (dc) grazie a circuito il cui schema è al link seguente:  https://i0.wp.com/www.partitoviola.it/images/kit-1.jpg

3) applico la tensione v2 alla ME-1 (sugli elettrodi nella parte emersa dal liquido di elettrolisi) e questa (la ME-1) produce H2 (sul polo elettrodo negativo detto catodo) e produce O2 (sul polo elettrodo positivo detto anodo).

4) H2 & O2 sono messi in input alla fuel cell PEM

5) si eseguono varie misure di conferma del processo in tensione elettrica, ma anche di pressione, e infine di crescita della tensione generata dalla fuel cell PEM che si alimenta di H2 e O2 e che raggiunge in circa un ora di applicazione del processo la tensione di circa 600 milli volt (0,6 volt in continua) se la concentrazione del liquido di elettrolisi è 25 gr di KOH in 1000 gr di H2O.

Nota Bene:

sono in elaborazioni nuovi video per gli esperimenti sul prototipo di cui le caratteristiche sono già nella descrizione precedente.

video numero 3:
data registrazione  (editing): 6 novembre 2015

OGGETTO: fuel cell Grafite+Nickel

In questo ciclo di esperimenti con la produzione di idrogeno ed ossigeno grazie alla elettrolisi, sto mostrando vari prototipi di fuel cell. Questa volta esaminiamo una elettrolisi con 25 gr di KOH/ litro (H2O), e una fuel cell con serbatoio con 40 gr di KOH/in 80 gr di H2O (50%). La novità è il passaggio dal prototipo con plexiglass (mostrato alla fine del filmato) a un prototipo senza plexiglass con idralica in pvc e guarnizioni. L’efficienza è diminuita a causa della maggiore distanza e della minore superficie di reazione tra i dischi di grafite ricoperti di Nickel dal lato del serbatoio, ma la reazione è più stabile e il processo non si avvelena per l’uso dei collanti che non sono più presenti. I dischi di grafite sono dello spessore sempre di circa 1,5 cm, e la nickelatura è con bagni di Watts per un periodo di circa 1 ora. Questi esperimenti -pur da miglirare nella tecnologia- mostrano come la grafite può essere usata con il nickel per ottenere fuel cell

video numero 4:
data registrazione  (editing): 6 novembre 2015

OGGETTO: fuel cell Grafite se costruita in plexiglass

Per completezza di documentazione la fuel celle mostrata nel video ha avuto le stesse caratteristiche della fuel cell PEM (membrana polimerica). Ma non è più un prototipo utilizzabile a causa dell’avvelenamento dei collanti. Nonostante ciò consente alcune utili informazioni come il fatto della relazione tra distanza tra gli elettrodi ed efficienza, e anche come la efficenza migliori con la maggiore superficie di reazione. Infatti in questo prototipo si sono raggiunti 600 millivolt di differenza di potenziale erogati dalla cella in presenza di H2 ed O2, mentre nel prototipo sempre del 6 novembre del video con i tubi in pvc la differenza di potenziale raggiunto dopo circa 30 minuti era di 14.8 millivolt.
Saranno indicazioni utili per la costruzione del prossimo prototipo di fuel cell con grafite e nickel.

video numero 6:
data registrazione  (editing): in elaborazione

[bip]

OGGETTO:

Nello studio delle fuel cell realizzate con elettrolita alkalino (AFC) la nostra sperimentazione sta studiando il piano storico e -a tal fine- segnaliamo lo studio seguente liberamente consultabile on line:

https://87eb298c-a-62cb3a1a-s-sites.googlegroups.com/site/senthilvssc/Home/fuel-cells/FuelCellSystemsExplained_Second.Edition_Wiley2003_.pdf?attachauth=ANoY7cpwM7UiNBD9PqfYI-O0CVsxDVBZTFXo2X4ybdB3FIlmj5ZBWgD0E10IN9DOwSap9OWZPX3vHsq3pUR9YR_AEW_Jbb4sOsDh5amJ2OYKr0oXTDwJExBw2IXtCsv0r6KcIyf2v0MG8HTJsYTgDAgICaR1y8Cht08nl8LwhIf6YBmAfdohYAXr8YgIkghjhuCIUKRJxKPHsNteTfLSvaOAE_4o9otw2TY_ZLUuNZjoYYVq4chT5WgRCWZbBaQ9fcbcCd-VnGYrRjQLWdPRZpr6V0pi0J4rv_Zq_zZ_q4zSKB09ytADsf4%3D&attredirects=0

Quindi dopo attento esame della impostazione dei dispositivi attuali, ci siamo convinti che è SBAGLIATO il concetto di agire lateralmente all’elettrolita per premere con H2 oppure O2 verso il serbatoio elettrolitico perché ciò non rispetta la simmetria -pure possibile- del cicli inverso che si vuole realizzare rispetto al ciclo diretto della elettrolisi.

Infatti nella elettrolisi è la tensione data a due conduttori a produrre H2 sul polo (-) e O2 sul polo (+) a cui è applicata una tensione elettrica continua (dc).

Da cui le molecole di H2 e O2 interagiscono sulla superficie delle barre immerse nel liquido per aversi la reazione ed il flusso gas è <<fuori dalle barre e a contatto con il liquido>>.

A nostro avviso -per simmetria- ora H2 e O2 non devono semplicemente “rispettivamente scorrere sul (-) e (+)” separati da un elettrolita, ma entrare in una struttura interna alla barra immersa, quindi in una barra cava, in un tubo, possibilmente di acciaio inox per valutare meglio quale katalizzatore sia migliore e come lasciarlo sulla posizione di contatto affinché H2 e O2 si possano “fratturare” e quindi ionizzarsi in H+ e OH- e quindi avvicinare la reazione chimica per una corrente che nel metallo sarà elettronica, mentre nel liquido sarà ionica (attraverso quindi H+ e OH- ed eventuali sali di aumento di conduzione come quelli prodotti da KOH).

Da queste riflessioni stiamo studiando la “nuova forma” da dare al nuovo prototipo di cui poi mostreremo il video.

Anticipiamo che quindi dobbiamo procurarci delle <<barre cave>> in cui introdurre H2 e O2. Ma la struttura cristallina di un metallo non è adatta al fratturarsi di H2 e O2 e presentarsi in elettrolisi.

Da cui sulla estremità delle barre utilizzeremo anzitutto grafite e sul lato elettrolita sarà grafite nickelata tramite bagni di Watts.

(continua)

ultimo aggiornamento (documenti video): 10 novembre 2015, ore 9:08

***

[CIT Off]

Note IMPORTANTI:

NON devono sperimentare persone che non abbiano competenze specifiche nelle seguenti materie:
-FISICA
-CHIMICA
-INGEGNERIA

Nel caso siano un gruppo di studio le competenze possono essere distribuite tra più soggetti, ma va discussa la pericolosità della sperimentazione prima del collaudo, e solo successivamente operare la sperimentazione.

Infatti gli esperimenti sono molto pericolosi per i danni che può causare una erronea gestione della sperimentazione.

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