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.

 

Dott. Fisico Giovanni Gavelli & Partners

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