Fuel Cell
Celle a combustibile
Chiechi Antonio
Chiozzi Samanta
Di cosa parleremo?
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Richiami storici
Idrogeno: combustibile del futuro
Come lavora una cella a combustibile?
Benefici
Ostacoli
Conduttori ionici (CSZ)
Conclusioni
Richiami storici
Sir William Grove
Fu il primo a sviluppare la Fuel Cell
1839: “batteria a gas”
1842:”catena a gas”
Problemi:
• Corrosione degli elettrodi
• Instabilità dei materiali
Francis Bacon
1950: prima vera Fuel Cell
• Elettrolita alcalino
(KOH) al posto
dell’acido fosforico
• Elettrodi in polvere
di nichel sinterizzata
NASA (National Aeronautics and
Space Administration)
1960: studi aeronautici e aerospaziali
Attuali applicazioni
La Manhattan Scientifics ha prodotto la
Hydrocycle, ossia una bicicletta da
montagna che usa idrogeno e aria come
combustibile ed emette solo vapore
acqueo come residuo.
Autonomia: 70100 km (lungo una
superficie piana)
Velocità max: 30 km/h
Tempo rifornimento: pochi minuti
Idrogeno: combustibile del
futuro!
L’idrogeno è l’elemento più abbondante dell’universo.
La sua molecola (H2) è la componente fondamentale
dell’acqua (H2O).
Caratteristiche:
• 1 elettrone + 1 protone
• 14 volte più leggero
dell’aria
• disponibile in quantità
illimitata
Problemi dell’utilizzo
dell’idrogeno:
• Estrazione (produzione)
• Immagazzinamento
Produzione dell’idrogeno:
• da combustibili fossili
• da biomasse
• da energia elettrica
Produzione da combustibili
fossili:
• Steam Reforming (gas naturale)
es. CH3OH + H2O  3H2 + CO2
(metanolo)
• Ossidazione parziale (combustibili più
pesanti e residui petroliferi)
es. C8H18 + 4O2 + 8H2O  17H2 + 8CO2
(benzina)
• Reforming autotermico
Produzione da energia
elettrica
Il sistema attualmente più
consolidato è l’elettrolisi dell’acqua.
Prodotto: H2 puro
Produzione da biomasse:
• Gassificazione di biomasse solide (fino
al 35% di H2)
• Fermentazione di rifiuti organici liquidi
(gas ad elevati contenuti di CO e
CH4successivi trattamenti)
• Produzione biologica (fotosintesi)
Immagazzinamento
dell’idrogeno:
• Gas compresso in serbatoi (come si fa per il
metano)
• Stoccaggio sottoforma liquida (punto di
ebollizione: -253 °C)
• Adsorbimento:
1.idruri metallici (ad es.TiH2)
2.carboni attivi a basse temperature e
pressioni
3.nanostrutture di carbonio
• Incapsulamento in microsfere di vetro
Come lavora una cella a
combustibile?
“Una Fuel Cell è un dispositivo
elettrochimico per la conversione (e
non immagazzinamento!) di energia
tramite due elettrodi di carica
opposta che producono elettricità,
acqua e calore per mezzo di un
combustibile e di un ossidante.”
2H2 + O2  2H2O + calore + elettricità
FUEL CELL TYPE
PEM
Electrolyte
Ion
Exchange
Membrane
Phosphoric
Acid
Carbonate
Solid
Oxide
Phosphoric
Acid
Alkali
Carbonates
Mixture
Yttria Zirconia
stabilized
Temp. °C
80
200
650
1,000
Charge Carrier
H+
H+
CO3=
O=
Solid
Immobilized
Liquid
Immobilized
Liquid
Solid
GraphiteBased
Stainless
Steel
Ceramic
Electrolyte
State
Cell Hardware
Catalyst
Cogeneration
Heat
Efficiency %
Carbon- or
Metal-Based
Platinum
Platinum
Nickel
Perovskites
None
Low Quality
High
High
<40
40-45
50-60
50-60
PEMFC (Proton Exchange Membrane)
Elementi costitutivi:
• Anodo: elettrodo
negativo
• Catodo: elettrodo
positivo
• Elettrolita (isolante
elettrico,conduttore di ioni
idrogeno)
• Catalizzatore:
favorisce la reazione tra
O2 e H2
Piatti Bipolari
Sono presenti se la Fuel Cell è costituita
da più elementi in serie
Benefici
• Per l’ambiente
• Ingegneristici
Benefici per l’ambiente:
• Alta efficienza: 1.aumento anche del
90%
2.no perdite
3.no combustione
• Basse emissioni: gli unici prodotti
sono acqua ed elettricità
Benefici ingegneristici:
• Flessibilità del carburante
• Alte densità di energie (in kw/l)
• Basse temperature e pressioni operative
(801000°C)
• Flessibiltà “On-site”
• Capacità di cogenerazione (riscaldamento)
• Rapida risposta alle variazioni di carico:
più combustibile  più energia
• Semplicità ingegneristica(silenziosità)
Ostacoli:
• Devono essere accettate dal
mercato
• Devono essere sviluppate
adeguate strutture per la reperibilità
dell’idrogeno (o del metanolo)
• Fonti d’investimento
• Fattori politici
Conduttori ionici
Trasporto ionico
Rappresenta il movimento di ioni
attraverso le vacanze, cosa ostacolata dal
superamento di barriere energetiche
anche alle alte temperature
Fast-ionic-conductors
• Alta mobilità ionica
• Bassa mobilità elettronica
Come avviene?
Sostituzione di siti reticolari
Siti
Creazione di vacanze nel reticolo
Aggiunta di elementi dopanti
nel reticolo
Fattori d’influenza:
• Dimensioni degli ioni mobili
• Carica degli ioni mobili
• Dimensioni degli spazi nel reticolo
Fattori aggiuntivi:
• Non è possibile fare l’ipotesi di
“sfere rigide” per gli ioni
• Semplici concetti relativi a corpi
massivi non sono appicabili
• Energia termica aumenta gli spazi
tra gli interstizi
Un esempio
Nel modello a sfere rigide gli interstizi
tra anioni di raggio ra in un reticolo CFC
potrebbe permettere il passaggio di cationi di
raggio 0.15 ra 
LiI  gli anioni I-(r=220pm)
 spazio interstiziale di 34pm
 Li+(r=55pm) nonpotrebbe passare
passaggio degli ioni litio è significativo
producendo
 = 5*10-5 S/m
Forza elettromotrice
G = -zFE
z è il numero di carica degli ioni
F costante di Faraday(96500 C/eq)
E forzaelettromotrice
G = -RTln(a1/ a2)
R è la costante dei gas
a1/ a2 può essere approssimato dal rapporto
delle pressioni dei gas degli elettrodi su
entrambi i lati dell’elettrolita o dal rapporto
delle concentrazione degli ioni in soluzione.
CSZ(Zirconia cubica
stabilizzata)
Conducibilità vs Temperatura
SOFC
• Temperatura di funzionamento
1000°C
• Nessun problema di gestione
dell’elettrolita
• Alta efficienza
• Possibilità di produrre H2 “onboard”
Schema di funzionamento
Anodo: H2 + O= H2O + 2eCO + O=  CO2 +2eCatodo: O2 + 4e-  2O=
Globalmente:H2 + ½ O2  H2O
Anodo
Tipicamente un “cermet” di Ni/Zr
stabilizzata
Problematiche nell’uso di tale materiale:
• Sinterizzazione del nickel alle alte
temperature
• Insufficiente affinità elettrochimica
• Deposizione “nerofumo”
MIEC (Mixed Ionic Electronic Conductors)
• Usano Sr, Co, Fe, La
• Deposizione sull’anodo di Ni-YSZ
• Densità di energia 0.1W/cm2 a 950°C
Variazione della resistenza
Resistenza
ohmica
R(idrogeno)
LSFC
SFC0.5
SFC0.8
2.2
2.2
0.7
R(metano)
0.40
1.0
0.50
R*(metano)
0.27
0.16
0.37
Conducibilità ionica
 = [ NiVNi - kNiVNi(1- VNi)](1 – P)1.5
dove V è la frazione di volume, k costante di
proporzionalità e P è la porosità.
Studi su Zr rinforzata con particelle di Fe, Cr,
acciaio inox hanno dimostrato:
• Aumento della conducibilità elettronica
(anche con basso contenuto di metallo e alta
porosità)
• Miglioramento della stabilità termica e
chimica alle alte temperature
De Bondt
ha dimostrato che la conducibilità
dipende inoltre da:
• dimensioni delle particelle
• morfologia
• distanza media
Materiali
Zirconia
Conducibilità (S/m)
0
20% di cromo
2.85
20% di ferro
0.627
20% AISI 316
91.49
Catodo
• Mix perovskite e LaMnO3
• Area specifica 520m2/g
Elettrolita
• Solitamente YSZ
Le celle per generare la tensione adatta,
vengono allineate in serie con una
interconnessione di Cromite di Lantanio
La0.8Ca0.2Cr0.3
Prezzi
Nextech Materials
Materiale
Forma
Area
Superficiale
50
150
500
1000
NiO/YSZ
Powder
5-10 m2/gr
n/a
$495
$995
$1,495
NiO/YSZ
Powder
15-20 m2/gr
n/a
$495
$995
$1,495
NiO/GDC
Powder
5-10 m2/gr
n/a
$545
$1,095
$1,645
NiO/GDC
Powder
15-20 m2/gr
n/a
$545
$1,095
$1,645
Ricerca
Diminuzione dei costi
Diminuzione
della temperatura
Risparmio energetico
Diminuzione degli stress
Termici nei materiali
Nextech Materials
Mix di Ce e Zr in opportune quantità
Vantaggi:
• Aumento delle proprietà meccaniche
• Aumento della conducibilità ionica
Applicazioni
WestingHouseElectrics
Conclusioni
• Idrogeno ed ossigeno puro sono stati
sostituiti con combustibili fossili più
comuni e aria
• Sono stati sviluppati elettrodi ed
elettroliti abbastanza economici
ENERGIA PIU’ PULITA!!!
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