(Dott. Gaetano Squadrito)
FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA COMBUSTIBILE
Tanto per cominciare vediamo cos'è una cella a combustibile, o fuel cell in
inglese.
Una cella a combustibile è un "reattore chimico", ….
…continuamente
alimentato con
combustibile
(idrogeno)…
…generando
energia elettrica…
…e con il
comburente (aria),
che reagiscono tra
loro…
…ed acqua come
prodotto finale
della reazione.
Poiché nessuno è
perfetto, non tutta
l'energia chimica
iniziale viene
trasformata in
elettricità e, quindi
otterremo anche
La forza elettromotrice ha sempre lo stesso valore
del calore.
costante e le fuel cell non sono soggette a scarica, al
contrario delle batterie e degli accumulatori.
Ovviamente fintanto che vengano forniti il
combustibile ed il comburente.
La reazione chimica che
viene
sfruttata è quella di
2H
2 + O2 => 2H2O
formazione dell'acqua.
la cella+funzioniHPerché
=>
2H + 2e
2
dobbiamo separare le
Odue
2e- => 2O-semireazioni
2 +
Questa reazione a temperatura ambiente produce un'energia totale di
circa 290 mila Joule per mole di combustibile, di cui circa 240 mila
sfruttabili, mentre il potenziale di circuito aperto sarà di 1,2 volt circa.
Per poter sfruttare bene le FC dobbiamo accrescere il potenziale, quindi
le porremo in serie. Le impileremo formando una PILA di FC, in Inglese
Stack.
A 25°C
DV= 1.2 Volt circa
E(totale) = 285 800 J/mole H2
E(utile) = 237 200 J/mole H2
Ma vediamo come è fatto uno stack di celle a
combustibile, ci riferiremo ad uno stack
polimerico, poi vedremo cosa significa, ma il
principio è uguale per tutti gli stack di FC.
Uno stack è formato da una molteplicità di elementi. Tra cui si distinguono i piatti di
alimentazione e assemblaggio, i piatti bipolari che separano tra loro celle contigue,
l'insieme elettrodi-elettrolito che è il cuore dello stack. A sua volta l'insieme
elettrodi-elettrolito è composto da più parti: uno strato diffusivo che permette ai gas
di raggiungere lo strato catalitico di ciascun elettrodo, dove avviene la reazione e
che è posto a contatto con l'elettrolito.
Su un elettrodo detto anodo avverrà
la reazione di ossidazione del gas
combustibile (Idrogeno), mentre al
catodo avverrà la reazione di
riduzione del gas comburente
(Ossigeno) con l'utilizzazione degli
elettroni provenienti dal circuito
elettrico esterno (carico elettrico);
affinchè il tutto funzioni l'elettrolito
deve permettere il passaggio del
flusso di ioni, impedendo quello di
elettroni.
Il carburante è direttamente
trasformato in elettricità, senza
combustione, ma c'è comunque una
piccola dispersione di calore.
Tra i più avanzati sistemi di
trasformazione di energia a basso
tasso d'inquinamento, le fuel cell,
letteralmente "celle a combustibile",
sono quelle che hanno le maggiori
capacità di utilizzo dell'idrogeno.
Ma qual è la storia delle FC?
La storia comincia con Volta e la sua invenzione della
Pila.
1799
Volta inventa la pila (che chiama
"elettromotore perpetuo").
Essa è costituita dalla sovrapposizione
in serie di sistemi elementari “CUelettrolito-Zn”.
1800
In una lettera spedita il 20 marzo,
Volta annuncia l'invenzione della
pila a Sir Joseph Banks, presidente
della Royal Society di Londra
Si apre un mondo nuovo ed in pochi anni si scoprono
l'elettrolisi…
la reversibilità delle pile,…
1803
1806
Ritter scopre la reversibilità
della sua pila e di quella di
Volta e apre la strada alle
ricerche sulle pile a gas e
sugli accumulatori
Theodor von Grotthuss
formula una prima teoria
dell'elettrolisi: l'ossigeno
tende a portarsi verso il
polo positivo, l'idrogeno
verso quello negativo
…e Becherel formula le prime considerazioni energetiche sulle pile
1809
Antoine César
Becquerel formula una
prima considerazione
energetica sulle pile
tra il 1810 e il 1850 è un pullulare di innovazioni e scoperte nel
campo dell'elettricità e del magnetismo, qui citiamo sole le
principali scoperte riguardanti le pile. Tra queste c'è la pila di
Grove.
1810-1850
Rapidi e notevoli sviluppi delle pile:nuove tecnologie, teorie
scientifiche sul funzionamento.
Invenzioni: pila a secco, pila Daniel.
Teoria: leggi di Colulomb, Faraday, Ohm e Joule.
1839
Tra le altre invenzioni ve n’è una di un certo William Robert
Grove, un avvocato inglese appassionato di chimica. Che
dopo il suo esperimento scrisse a Faraday:”non so a cosa
possa servire”.
LA PILA: due elettrodi di platino posti in due contenitori,
uno pieno d'idrogeno e l'altro di ossigeno, sono
parzialmente immersi in acido solforico. Tra i due elettrodi
si sviluppa un flusso costante di corrente, mentre in
entrambi i contenitori si forma dell'acqua.
Grove riesce a dissociare l'acqua, usando l'energia
elettrica ricavata dalla sua stessa composizione,
dimostrando anche la reversibilità di questa pila a gas
(idrogeno e ossigeno).
La pila a gas di
Grove viene
considerata
l'antesignana
delle pile a
combustibile.
Ma saltiamo a tempi più recenti, lo sviluppo vero e proprio
comincia intorno al 1940, tra le due guerre mondiali.
Ma è la corsa allo spazio che ne sancisce la possibilità di
applicazione pratica.
Nei veicoli spaziali, programmi GEMINI ed APOLLO, le FC
hanno costituito un sicuro e autonomo mezzo per generare
l'energia elettrica richiesta dei vari sistemi di bordo:
comunicazioni, dispositivi di guida, strumenti di controllo,
apparati di climatizzazione degli ambienti e illuminazione. Il
programma Gemini utilizzava celle a elettrolita acido da 1 kW,
mentre nel programma Apollo la potenza delle "fuel cell" è salita
a 1,4 kW.
In entrambi i casi le celle erano utilizzate insieme a
convenzionali batterie d'accumulo.
L'avaria dell'Apollo XIII, che non ha potuto compiere la sua
missione sulla Luna e che ha lasciato per qualche giorno il
mondo intero con il fiato sospeso per la sorte degli astronauti, è
stata dovuta al danneggiamento accidentale dei serbatoi di
ossigeno che alimentavano le celle a combustibile.
1936
Emil Baur e H. Preis realizzano una cella a
combustibile a metano (celle a combustibile ad
acido fosforico - PAFC)
1947
O.K. Davtyan sviluppa una cella a
combustibile con elettrolito solido (SOFC)
1954
Francis Thomas Bacon realizza, per la
Britain's National Research Development
Corporation, una cella a combustibile a
idrogeno e ossigeno, con elettrolito alcalino
(AFC), da cui nel 1958 otterrà una pila (stack)
usando elettrodi del diametro di 25 cm.
1955
J.L. Weininger realizza una pila a combustibile a
carbonati fusi (MCFC)
Anni ‘60
Alla General Electric (GE), Thomas Grubb e Leonard
Niedrach sviluppano una piccola pila a combustibile a
elettrolito polimerico (PEMFC o PEFC) per le
applicazioni spaziali della NASA.
Pochi anni dopo, viene lanciato il primo veicolo
spaziale dotato di celle PEFC.
La Union Carbide inizia lo sviluppo di pile a
combustibile a elettrolito alcalino (AFC)
Oggi siamo finalmente vicini all'applicazione di massa. Dove?
Ovunque si debba produrre o utilizzare energia elettrica. Quindi…
…nelle centrali elettriche,
…nelle automobili.
…nei dispositivi elettronici,
Quali combustibili useremo? Principalmente idrogeno
proveniente dalle fonti più disparate
buttando via
oppure
idrogeno
proveniente
E. Solare
daE.fonti
quali
Eolica
il solare e
l'eolico
il prodotto di scarto
sarà O
ossigeno.
2
potremo usare
Derivati derivati
idrocarburi
del
dalpetrolio
petrolio o il
metano
o provenienti il carbonio
da fonti
Biogas sotto forma
biologiche
Bioetanolo di anidride
CO2
come il biogas, carbonica
Separazione
Elettrolisi
L'idrogeno così ottenuto
verrà utilizzatoH
nelle…
2
Calore
e fornirà energia e calore per gli usi
quotidiani.
Elettricità
Celle a
combustibile
Ma
La
Vedete
risposta
comeun
abbiamo
semplice
sta nel visto
loro
schema
funzionamento,
di celle
di a
funzionamento
combustibile
ogni tipo
ve
dei
dine
diversi
cella
sono
avrà
tipi
di un
di
diverso tipo.cella
Quali
e utilizzeremo?
le temperature
utilizzo preferenziale.
di esercizio tipiche.
Esausto
Anodo
Alcaline
Polimeriche
Ac. Fosforico
Carbonati
Fusi
Ossido
Solido
Anodo Elettrolito Catodo
Esausto
Catodo
Nelle celle alcaline lo ione trasportato è OH-, funzionano bene con idrogeno e ossigeno
puro, e non tollerano
andranno utilizzate dove sono
H2 l'anidride
OHcarbonica,
Oquindi
2
H
O
T=120-250°C
2
disponibili reagenti puri.
Le polimeriche e quelle ad acido fosforico lavoranoHa basse
temperature quindi danno
2O
un calore di scarto
Però
la CO 2.-100°C
Inoltre possono
H2 poco utilizzabile.
H+
O2sopportano benissimoT=25
usare come combustibile miscele di idrogeno ed altri gas, le polimeriche possono
utilizzare in modo diretto anche il metanolo (un alcool). Attualmente le celle ad acido
H2O e residenziali,
Huniche
H+
T=160-220°C
fosforico sono le
commercializzate
usi industriali
ma pongono
2
Oper
2
alcuni problemi a causa della presenza dell'acido.
Le celle a carbonati fusi utilizzano lo ione co3-- e possono utilizzare anche il metano in
CO2 diretto. Lavorano a temperature tali da dare calore di scarto ad alto valore
modo quasi
=
O2
CO
3
T=600-650°C
per cicli secondari.
saranno le prossime
H2 Pongono ancora dei problemi ma probabilmente
H
O
celle2ad essere commercializzate su largaCO
scala.
2
Le celle ad ossido solido, usano per elettrolito un ossido che a temperatura ambiente è
O= le più promettenti
O2
totalmente
isolante
ed4inerte. Sono
per l'industria. Il loro calore di
2 /CH
H2 O H
T=700-1000°C
scarto è facilmente riutilizzabile e possono usare direttamente alcuni idrocarburi come
combustibile
Combustibile
Ossidante
Quindi
utilizzeremo
le celle
alcaline per
applicazioni
spaziali e
speciali
Alcaline
Eff El. = 60%
Le celle ad acido
fosforico per la
generazione di
potenze medie,
complessi
residenziali e
piccole industrie
Ac. Fosforico
Eff.El. = 40-45%
Le celle polimeriche per gli usi civili e per i trasporti
Polimeriche
Eff. El. = 35-50%
Ossido
Solido
Eff. El.= 50-55%
Le celle ad ossido solido e a
carbonati fusi per le grandi
generazioni: grande industria,
centrali elettriche ecc. magari
utilizzando dei cicli combinati
così da accrescere l'efficienza di
conversione del combustibile.
Ciclo combinato con
SOFC o MCFC
Eff. >75%
Quali sono le celle a combustibile che useremo giornalmente?
Le candidate più probabili all’uso giornaliero sono le Celle
ad Elettrolito Polimerico (PEFC o PEMFC), mentre le altre
saranno riservate agli usi industriali e speciali.
Perché?
Le PEFC offrono diversi vantaggi rispetto alle altre:
1) l’elettrolito solido evita eventuali perdite;
2) lavorano a basse temperature, si possono avviare
anche a -20°C (con H2), e possono utilizzare l’aria;
3) la loro gestione non richiede controlli sofisticati e
possono utilizzare il metanolo come combustibile.
come è fatta una
cella ad elettrolito
polimerico alcune
foto di PEM
realizzate nel nostro
istituto.
ESEMPI DI APPLICAZIONE GIA’
ESISTENTIDELLE PEFC
AUTOBUS
IMBARCAZIONI
L’aereo HELIOS della NASA
TELECAMERE
Come sarà fatta l’AUTO PEFC
+
+
+
+
hydrogen
input
anode
Cella a
Combust.
Combustibile
Idrogeno
Aria
- +
+
electrolyte
+ electric
motor
-
platinum
catalyst
+
+
+
cathode
water
output
BATT
+electric
motor
-
AUX
Power
Conditioning
Unit
RISC
ACCESSORI
Perché non sono già in vendita?
• Costo: le componenti delle celle a combustibile hanno ancora
dei costi eccessivi se confrontati con i sistemi convenzionali.
•Durata: alcuni sistemi di celle a combustibile hanno dei cicli di
vita media ancora troppo corti rispetto alle richieste.
• Accettazione da parte del pubblico: l’uso dell’idrogeno non
è facilmente accettabile da parte del pubblico.
• Adeguamento delle strutture: è necessario adeguare le
strutture esistenti sia per la distribuzione del combustibile che per
il collegamento alla rete elettrica dei generatori a celle a
combustibile