Le batterie contengono una soluzione acida dove sono immersi due elettrodi. A questi due elettrodi viene imposta una differenza di potenziale che per le batterie è circa 2,7 V per elemento. In tali condizioni i cationi si muoveranno verso il catodo (caricato negativamente), mentre gli anioni si muoveranno verso l'anodo (caricato positivamente). Ai due elettrodi si hanno quindi i seguenti fenomeni:
- Acquisto di elettroni al catodo (riduzione) con produzione di idrogeno.
- Produzione di elettroni all'anodo (ossidazione) con produzione di ossigeno.
La reazione di sviluppo di idrogeno gassoso per soluzioni acide è:
Il calcolo della quantità di idrogeno prodotto passa attraverso l’utilizzo della costante di Faraday. La costante di Faraday è una costante utilizzata in chimica e in fisica che indica la quantità totale di carica elettrica di una mole di cariche elementari e vale F = 96485 C/mol.
Questo implica che 96485 Coulomb trasportano una mole di metallo o idrogeno del bagno galvanico.
La corrente elettrica è definita come coulomb/secondo ovvero una corrente di 100 A significa 100 C/s.
La quantità di moli “trasportate” al secondo vale quindi :
n = I/F
dove I è la corrente in Ampere e F la costante di Faraday.
In altri termini una corrente di 1 Ampere “trasporta” circa 10 x 10 -6 moli al secondo.
Utilizzando la massa molare dell’idrogeno ( 2 x 10 -3 kg/mol ) ottiene:
Q = 2 x 10 -8 x I = kg/s
Per esempio per produrre un kg di idrogeno in un ora servono circa 14000 A con 2,7 V ovvero circa 38 kW/h.
Calcolo della ventilazione necessaria per diluire l’idrogeno
Il principio di protezione si basa sulla diluizione della concentrazione all’interno del sistema tramite un’adeguata ventilazione forzata e naturale, facendo così in modo che la concentrazione sia inferiore a un certo valore. Il calcolo si basa quindi sulla verifica del rapporto tra la portata di ventilazione e la produzione di idrogeno. Per verificare l’effettiva diluizione si propone la formula QD 1.5 della CEI 31-35:2012
Dove
dG/dT = quantità idrogeno generata = Q = Kg/s
dV/dT = la portata di aria necessaria alla diluizione in m3/s
LEL = Limite inferiore di esplosività (5%) = 0,0033 kg/m3
Ta = temperatura (55°C) = 328 K
K = 0,5 (Coefficiente di sicurezza)
Scritta più semplicemente :
dV/dt = 340 x 2 x 10 -8 x I x 3600 = m3/h
o meglio:
Dv/dt= 0,050 x I = m3/h per elemento
Per esempio una batteria in carica da 100 A necessita di circa 2,4 m3/h (per un elemento) di aria pulita.
Normalmente la portata di ventilazione viene calcolata con la nuova CEI EN 62485-3:
Qi = 0,055 x n x Igas dove:
Qi= Portata d’aria di ventilazione della batteria i-esima (m3/h)
n = Numero di elementi in serie della batteria (tensione nominale diviso 2)
Igas = corrente che produce gas durante la fase di carica [A/100 Ah] = 0,4 x ICarica
Ipotizzando una batteria da 12 V con 100 A di carica con la CEI EN 62485-3 ottiene 13,2 m3/h.
Utilizzando il calcolo proposto (Costante di Faraday) si ottiene 14,4 m3/h.
Tenendo conto delle approssimazioni assunte e della costante K si può tranquillamente affermare che i due metodi di calcolo sono coincidenti.
