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1 Chapter: 5 Tecnologia delle cella a combustibile

2 Contenuti Introduzione al background storico delle celle a combustibile. Elementi di base sulla cella a combustibile. Fondamenti di elettrochimica. Fondamenti di termodinamica. Celle a combustibile ad alta e a bassa temperatura. Integrazione delle celle a combustibile nei sistemi. Operazioni sulle celle a combustibile. Aspetti ambientali e di sicurezza.

3 Historical background Sir W.R.Grove B

4 Sir Groves Battery A sinistra è mostrato il principio di funzionamento di un elettrolizzatore; a destra quello di una cella a combustibile (Fonte: Larminie, 2000). B

5 Cronologia Sir W. Grove Applicazioni di nicchia Produzione pre-serie B 1838/39 Scoperta dell'effetto della cella a combustibile C.F. Schönbein On the Voltaic Polarization of Certain Solid and Fluid Substances Sir W. Grove On the Voltaic Series and the Combination of Gasses by Platinum 1843 Costruzione di una batteria a gas di Grove. 1889Il lavoro di L. Mond e C. Langer condusse alla prima cella a combust. alcalina. Essi scoprirono anche le alte perdite di polarizzazione all'elettrodo dell'ossigeno W.W. Jaques utilizzò come elettrolita idrossido di sodio fuso per convertire direttamente il carbone in elettricità W. Nernst realizzò uno studio sulle celle a combustibile a elettrolita solido (SOFC) F. Haber condusse ricerche termodinamiche sistematiche relative al consumo di idrogeno nelle celle a combustibile F.T. Bacon iniziò un programma di sviluppo delle celle a combustibile a lungo termine W. Schottky sviluppò i fondamenti teorici delle SOFC Primi risultati del lavoro sperimentale di E. Baur e H. Preis sulle SOFC F.T. Bacon costruì lil primo stack di celle alcaline da 5 kW funzionante Membranbrennstoffzelle versorgte Gemini Raumfahrzeug Konzept der phosphorsauren Brennstoffzelle durch UTC. 60/80ies Celle a combustibile alcaline sono impiegate nelle missioni dello SpaceShuttle Apollo Riscoperta dei polimeri.

6 Historical fuel cell applications U.S. Space program Applicazioni sotriche delle celle a combustibile Programma spaziale degli Stati Uniti: Batterie convenzionali troppo grandi, pesanti e tossiche. Fotovoltaico non ancora applicabile. Le navicelle spaziali caricano comunque a bordo H2 e O2. Acqua come prodotto di scarto. B

7 Celle a combustibile per il programma spaziale della NASA La cella dello Space Shuttle Orbiter. Una delle tre fuel cells a bordo dello Space Shuttle. Queste celle producono l'energia elettrica e l'acqua potabile quando la navicella è in volo. Produce 12 kW di energia elettrica e genera 154 litri di acqua (Fonte: NASA). B

8 Elementi di base sulla cella a combustibile Perchè abbiamo bisogno delle celle a combsutibile? Diminuzione della fornitura di petrolio. Riduzione dei gas serra. Riduzione delle emissioni tossiche. B

9 Visone d'insieme sulla tecnologia delle celle a combustibile Converisone diretta di energia chimica in energia elettrica. Conversione efficiente. Inquinamento ridotto grazie all'assenza di combustione diretta. Al contrario delle batterie, combustibile (idrogeno) e ossidante (aria) devono essere continuamente alimentati. B

10 Combustione fredda e calda Combustione fredda (Celle a combustibile): Reazione controllata (assenza di fiamma) Trasformazione diretta da energia chimica a energia elettrica Trasformazione indiretta attraverso un mezzo intermedio non necessaria! combustibile elettricità O H H Combustione calda: Processo di reazione non controllato Il calore rilasciato viene trasmesso a un fluido termovettore (ad es. acqua, vapore) Il fluido termovettore passa attraverso un ciclo che aziona una turbina con un alternatore Combustibile Calore Flusso Turbina Alternatore Elettricità Source: WBZU B

11 Efficienze in teoria Specialmente alle basse temperature le celle a combustaibile lavorano ad alte efficienze! Source: WBZU FC I Maggiore efficenza del processo elettrochimico ri spetto al ciclo di Carnot. Energia risparmiata Riduzione emissioni di CO2.

12 Efficienze reali! Fuel Cells Steam- and Gasturbines Diesel Gasoline Potenza elettrica Efficienza I

13 Componenti delle celle a combustibile Molti sistemi a celle a combsutibile comprendono un certo numero di componenti: Le celle, in cui avvengono le reazioni elettrochimiche. Gli stack, in cui le singole celle sono collegate da giunzioni elettriche per generare la potenza voluta. Sistema di controllo dell'impianto che comprende i dispositivi per la gestione dei flussi di alimentazione (incluso un fuel processor se necessario), gestione del calore, e il condizionamento della potenza elettrica oltre alle altre funzioni di interfaccia. B

14 Main cell components Principali componenti della cella B

15 Batteria vs Cella a Combustibile La batteria accumula energia nel reagente. La batteria si esaurisce quando i reagenti chimici sono completamente consumati. La cella a combustibile converte energia da un combustibile e un ossidante che sono erogati continuamente. B

16 Funzionamento di una PEM FC I

17 Nonostante sia auspicabile lutilizzo diretto di combustibili convenzionali nelle celle a combustibile, molte delle celle in via di sviluppo oggi utilizzano come combustibile idrogeno gassoso o un gas di sintesi ricco di idrogeno. Lidrogeno ha una alta reattività per le reazioni anodiche e può essere prodotto chimicamente da diversi combustibili fossili o rinnovabili oppure per via elettrolitica. Per le medesime ragioni pratiche, lossidante più comune è ossigeno gassoso che è prontamente disponibile in aria. Le celle a combustibile sono classificate secondo la scelta dellelettrolita e del combustibile, che di volta in volta determina le reazioni sugli elettrodi e il tipo di ioni che trasportano la carica elettrica attraverso lelettrolita. B

18 Critical functions of cell components Funzioni critiche dei componenti della cella Interfaccia trifasica. Regioni microscopiche. Elettrodi in contatto con lelettrolita. Prestazioni migliorate: Riduzione dello spessore dellelettrolita. Migliori materiali utilizzati nellelettrodo e nellelettrolita. Range di temperatura più ampi. B

19 Altre funzioni critiche dei componenti del dispositivo della Cella Elettrolita: Trasporta i reagenti diluiti verso lelettrodo. Conduce il carico ionico tra gli elettrodi. Barriera fisica tra il combustibile e lossidante. Elettrodi: Conducono gli elettroni alla e dallinterfaccia trifasica. Assicurano la distribuzione uniforme dei gas sulla cella. Assicurano che i prodotti della reazione vengano asportati. B

20 Elettrodi Materiale poroso. Materiale elettricamente conduttore. Catalizzatori richiesti alle basse temperature. Molte celle in fase di sviluppo sono planari (rettangolari o circolari) o tubolari. B

21 Applicazioni delle celle a combustibile Stazionario – Impianti di potenza. Trasporti – autoveicoli, scooters, biciclette. Impianti portatili – rimpiazzamento delle batterie. Vari – locomotive, aeroplani, navi, sottomarini. B

22 Fondamenti di Elettrochimica Le reazioni elettrochimiche comportano sia un trasferimento di carica elettrica, sia una variazione nellenergia libera di Gibbs, che è molto importante nel caso delle celle a combustibile. Energia libera di Gibbs = energia disponibile per compiere lavoro esterno, trascurando qualsiasi lavoro svolto dai ambiamenti di pressione e/o volume. In una cella a combustibile, il lavoro esterno comprende la movimentazione degli elettroni su un circuito esterno – qualsiasi lavoro imputabile a un cambiamento di volume tra lingresso e luscita non è legato alla cella a combustibile. B

23 Lavorando nellambito delle reazioni chimiche, il punto a energia zero è normalmente definito come elementi puri, allo stato normale, a pressione e temperatura standard (25°C, 0.1MPa). Il termine Energia libera di formazione di Gibbs, G f, oppure Energia libera di Gibbs è utilizzato quando si adotta questa convenzione. In una cella a combustibile è la variazione dellenergia libera di formazione di Gibbs, G f, che genera lenergia rilasciata. Questa variazione è la differenza tra lenergia libera di Gibbs dei prodotti e lenergia libera di Gibbs dei reagenti. G f = G f dei prodotti G f dei reagenti Se in una cella a combustibile non ci fossero perdite, tutta lenergia libera di Gibbs sarebbe convertita in energia elettrica. B

24 Potenziale teorico di una cella a combustibile In generale, il lavoro elettrico è il prodotto della carica per il potenziale W el = q·E dove W el = lavoro elettrico (Jmol -1 ) ;q = carica (Coulomb mol -1 ); E = potenziale (Volt). La carica trasferita nella reazione per mole di combustibile consumato è uguale a: q = -nN Avg q el dove n = numero degli elettroni trasferiti per molecola di combustibile; N avg = numero di molecole per mole (numero di Avogadro) = 6.022·10 23 molecole/mol; q el = carica di 1 elettrone = Coulomb. B

25 Il prodotto del n° di Avogadro per la carica di 1 elettrone si definisce come costante di Faraday: F = 96,485 Coulombs/electron-mol. -nN Avg q el = -nF Il lavoro elettrico è quindi: W el = -nFE La quantità massima di energia elettrica generata in una cella a combustibile corrisponde allenergia libera di Gibbs, ΔG: W el = ΔG Il potenziale teorico di una cella a combustibile è quindi E = -ΔG/(nF) Questa equazione fornisce la forza elettromotrice (FEM) o la tensione reversibile a circuito aperto della cella a combustibile. B

26 Consideriamo la cella a combustibile idrogeno/ossigeno. La reazione di base è H 2 2H + + 2e - (anodo) ½ O 2 + 2H + + 2e - H 2 O (catodo) H 2 + ½ O 2 H 2 O (complessiva) Per la cella a combustibile a idrogeno, per ciascuna molecola di acqua prodotta e per ciascuna molecola di idrogeno impiegata due elettroni passano sul circuito esterno. Così, la tensione reversibile a circuito aperto di una cella a idrogeno è: E = -ΔG/(2F) Visto che G, n e F sono noti, il potenziale teorico della cella a combustibile idrogeno/ossigeno a T = K è E = 1.23 Volt. B

27 Tensione reale di cella Cadute di tensione Tensione per una cella a combustibile a bassa temperatura e a pressione ambiente. Questo grafico è chiamato cirva di polarizzazione B

28 La forma caratteristica del grafico tensione/densità di corrente o curva di polarizzazione deriva da quattro diverse irreversibilità. 1.Perdite di attivazione. 2. Crossover del combustible e correnti interne. 3. Cadute Ohmiche. 4. Cadute per il trasporto dei reagenti o per concentrazione. B

29 Combinando tutte queste irreversibilità la tensione reale di una cella a combustibile è data dallequazione seguente: E = E ocv -ΔV act -ΔV ohm -ΔV trans B

30 Cadute per attivazione - equazione di Tafel Il diagramma di Tafel vale per reazioni chimiche lente e veloci. B

31 Il profilo della sovratensione di attivazione è dato dallequazione di Tafel: ΔV act = Bln( i i 0 ) La costante B è chiamata pendenza di Tafel ed è data da: B = RT (2aF) La densità di corrente i 0 è chiamata densità di corrente di scambio. B

32 Calore di reazione Consideriamo una cella a combustibile idrogeno/ossigeno. La reazione di base è H 2 2H + + 2e - (anodo) ½ O 2 + 2H + + 2e - H 2 O (cathodo) H 2 + ½ O 2 H 2 O (complessiva) La reazione complessiva è la stessa della reazione di combustione dellidrogeno. La combustione è un processo esotermico che significa che durante il processo viene rilasciata energia. H 2 + ½ O 2 H 2 O + heat Il calore o enthalpia (ΔH) di una reazione chimica è la differenza tra il calore di formazione dei prodotti e dei reagenti. Questo significa: ΔH = (h f ) H 2 O -(h f ) H 2 - ½ (h f ) O 2 Fondamenti di termodinamica B

33 Il calore di formazione dellacqua liquida è -286kjmol -1 a 25°C e il calore di formazione degli elementi è definito pari a zero. Quindi ΔH = (h f ) H2O -(h f ) H2 - ½ (h f ) O2 = -286 KJ/mol = - 286KJ/mol Il segno negativo significa che durante la reazione è stato rilasciato del calore e per questo ala reazione è esotermica. Quindi lequazione è: H 2 + ½ O 2 H 2 O KJ/mol Lentalpia della reazione di combustione dellidrogeno è anche chiamata il potere calorifico dellidrogeno. E la quantità di calore che può essere generato dalla combustione completa di 1 mole di idrogeno. B

34 Lavoro elettrico teorico Il potere calorifico dellidrogeno è utilizzato come una misura dellenergia in ingresso a una cella a combustibile. Questa è la quantità massima di energia che può essere estratta dallidrogeno. In una cella a combustibile una parte dellenergia in ingresso (ΔH) viene trasformata in elettricità e corrsiponde allenergia libera di Gibbs (ΔG). ΔG = ΔH -TΔS Ci sono alcune perdite irreversibili nella conversione energetica dovute alla formazione di entropia (ΔS). ΔS è la differenza tra lentropia dei prodotti e dei reagenti. ΔS = (s f ) H20 – (s f ) H2 – ½ (s f ) O2 Quindi, a 25°C, su KJmol -1 di energia disponibile, KJmol -1 possono essere convertiti in energia elettrica e i rimanenti 48.68KJmol -1 sono convertiti in calore. A temperature diverse da 25°C, questi valori sono diversi. B

35 Effetto della temperatura e della pressione Temperatura Il potenziale teorico di cella E = -ΔG/(nF) Cambia con la temperatura. E = - [ΔH/(nF)-TΔS/(nF)] B

36 Pressione La pressione provoca un cambiamento nellenergia libera di Gibbs, che può essere espresso nel modo seguente. dG = V m dP Dove V m = volume molare(m 3 mol -1 ); P= pressione(Pa). Per un gas ideale: PV m = RT Quindi: dG = RTdP/P Dopo lintegrazione: G = G 0 + RTln(P/P 0 ) G 0 è lenergia libera di Gibbs a temperatura e pressione standard (25°C e1atm), e P 0 è la pressione standard o di riferimento (1atm). Per qualsiasi reazione chimica: jA + kB mC + nD ΔG = mG C + nG D - jG A - kG B B

37 ΔG = ΔG 0 + RT ln {[ (P C /P 0 ) m (P D /P 0 ) n ] / [(P A /P 0 ) j (P B /P 0 ) k ]} Questa è lequazione di Nernst, dove P è la pressione parziale delle specie dei reagenti o dei prodotti e P 0 è la pressione di riferimento (ad es. 1atm). Per la reazione della cella a combustibile idrogeno/ossigeno lequazione di Nernst diventa: ΔG = ΔG 0 + RT ln [P H2O / (P H2 P O2 0.5 )] E = E 0 + RT/(nF) ln[P H2 P O2 0.5 /P H20 ] B

38 Efficienza teorica della cella a combustibile Lefficienza di ogni dispositivo per la conversione di energia è definita come il rapporto tra lenergia utile in uscita e lenergia in ingresso. Nel caso della cella a combustibile, lenergia utile in uscita è lenergia elettrica prodotta e lenergia in ingresso è lentalpia dellidrogeno. Considerando che tutta lenergia libera di Gibbs possa essere convertita in energia elettrica, la massima efficienza possibile di una cella a combustibile è: h = ΔG / ΔH = / = 83% B

39 Celle a combustibile ad alta e bassa temperatura Attualmente, sono disponibili sei tipologie di celle a combustibile come sistemi applicabili nel presente e nel futuro a breve termine. Le differenze si basano sulla temperatura, elettrolita e applicazione. B

40 Sulla base della loro temperatura operativa le celle a combustibile sono classificate come segue: Celle ad alta temperatura: Celle a Carbonati Fusi (MCFC). Celle a Ossidi Solidi (SOFC). Celle a temperatura intermedia: Celle ad elettrolita alcalino. Celle ad acido fosforico (PAFC). Celle a bassa temperatura: Celle a Membrana a Scambio Protonico (PEMFC). Celle a Metanolo Diretto (DMFC). B

41 Tipologie di Celle a Combustibile B

42 Celle a Carbonati Fusi (MCFC) Celle a combustibile ad alta temperatura B

43 Vantaggi delle MCFC: Grazie allalta temperatura è richiesta una catalisi elettrica onerosa. Svantaggi delle MCFC: Lelettrolita molto corrosivo e mobile richiede materiali costosi per la fabbricazione della cella requires. Lalta temperatura genera problemi sui materiali. Le alte resistenze interne limitano la densità di potenza. B

44 Celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC) Lelettrolita è un ossido solido metallico e non poroso, solitamente Y 2 O 3 - stabilizzato ZrO 2. Questo funziona come un conduttore di ioni ossidi. Tipicamente : lanodo è Co-ZrO 2 or Ni-ZrO 2 cermet (materiale ceramico-metallico). Il catodo è LaMnO 3. drogato con Sr. B

45 Sezione trasversale schematica di una cella tubolare SOFC di Siemes Westinghouse. B

46 Struttura del collettore del gas e connessioni tra celle per le celle tubolari SOFC. B

47 Vantaggi: La cella può essere modellata in diverse forme grazie allelettrolita solido. La costituzione solida ceramica riduce i problemi di corrosione. Lelettrolita solido permette anche una precisa ingegnerizzazione ed evita movimento di elettrolita. Svantaggi: Lespansione termica genera attriti tra i materiali. Nella configurazione a piatti la giunzione tra le celle è complessa. Lelevata temperatura operativa comporta limiti stringenti sui mateiriali. Processi di fabbricazione complessi. B

48 Celle a Combustibile a Media Temperatura Celle con elettrolita alcalino (AFC) B

49 Vantaggi: Prestazioni eccellenti con idrogeno e ossigeno rispetto ad altre celle a combustibile. Svantaggi: La sensibilità dellelettrolita alla presenza di CO 2 richiede lutilizzo di H 2 altamente puro come combustibile. Se viene utilizzata aria ambiente come ossidante deve essere rimossa la CO 2 presente in aria. B

50 Celle ad acido fosforico (PAFC) Le reazioni elettrochimiche sono: Anodo: H 2 2H + +2e - Catodo: ½ O 2 +2H + +2e - H 2 O Reazione complessiva: ½ O 2 +H 2 H 2 O Principio di funzionamento delle celle ad acido fosforico (fonte: UTC Fuel Cells). B

51 Svantaggi: Richiede un intensivo processo di processamento del combustibile per raggiungere buone prestazioni. La natura altamente corrosiva dellacido fosforico richiede lutilizzo di materiali costosi per lo stack. Vantaggi: Non molto sensibile al CO. Temperature operative sufficientemente basse per consentire limpiego di materiali comuni. Efficienze del sistema dimostrate dal 37 al 42% sul p.c.i. del gas naturale. Il calore prodotto può essere utilizzato in molte applicazioni di cogenerazione. B

52 Celle a Combustibile a Bassa Temperatura Celle a Membrana con Scambio Protonico (PEMFC). B

53 Le reazioni elettrochimiche sono: Anodo: 2H 2 4H + +4e - Catodo: O 2 +4H + +4e - 2H 2 O Reazione complessiva: O 2 +2H 2 2H 2 O B

54 Vantaggi: Elettrolita solido resistente al passaggio di combustibile. Basse temperature operative consentono un rapido avviamento. Assenza di componenti corrosivi nella cella. Svantaggi: Il delta di temperatura operativa è basso e ridotto e rende difficile la gestione del calore. Il calore espulso non è utilizzabile per la cogenerazione o in processi finali. La gestione dellacqua è una sfida importante. Sensibili allavvelenamento da quantità minime di agenti di contaminazione. B

55 Celle a Metanolo Diretto (DMFC ) E un modello speciale di cella a combustibile a bassa temperatura che si basa sulla tecnologia PEM. La temperatura operativa è simile a quella di una PEMFC. Il metanolo è introdotto direttamente nella cella senza il reforming in idrogeno. Il metanolo è un combustibile favorito perché può essere ricavato da gas naturale o da fonti rinnovabili (biomassa). Il catalizzatore è platino come per le PEMFC, a volte associato con Ru, Pb etc, che inducono un effetto positivo sullattività catalitica sullossidazione del metanolo. B

56 Le reazioni elettrochimiche sono: Anodo CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 6H + + 6e - Catodo O 2 +4H + +4e - 2H 2 O Reazione complessiva CH 3 OH + 1,5O 2 CO 2 +2H 2 O B

57 Integrazione dei sistemi con celle a combustibile Un sistema è definito come un insieme di unità, oggetti o componenti così combinati in modo tale da formare un tuttuno funzionante. Nel caso della cella a combustibile il sistema include tutti i componenti necessari richiesti per far funzionare uno stack e fornire corrente elettrica. Il sistema della cella a combustibile comprende solitamente uno stack, che è il cuore del sistema, un erogatore di ossidante, un erogatore di combustibile, un sistema di gestione del calore, uno per lacqua, il condizionamento della potenza e un sistema di strumentazione e controllo. Sistema ossigeno – idrogeno Sistema idrogeno – aria Sistema gas riformati - aria A seconda del combustibile e dellossidante il sistema della cella può essere organizzato in tre categorie: B

58 Assemblaggio dello stack di una PEM FC B

59 PFFC-STack (ZSW-Ulm) I Assemblaggio dello stack di una PEM FC

60 Backing layer MEA Piatto bipolare Fonte: Model of PEFC (ZSW-Ulm) Cornice sigillante Assemblaggio membrana elettrodo Piatto bipolare di grafite composita B Assemblaggio dello stack di una PEM FC

61 Sistema stazionario di celle a combustibile ZSW / ISE Anno di costruzione1999 location:Fachhochschule Ulm Reformer: Fraunhofer Institute ISE FC-System: ZSW Reformer Sistema della Cella a combustibile I

62 Unità di cogenerazione a FC Ossigeno Idrogeno Cella a combustibile Dissipatore di calore Energia elettrica Acqua prodotta dalla reazione Circuito raffreddamento Inverter Sistema stazionario (Modello per uso didattico) Location: WBZU Produttore: Heliocentris B

63 Funzionamento di una FC La prestazione di una cella a combustibile è soggetta a variabili operative reali (ad es. temperatura, pressione, composizione del gas, utilizzazione dei reagenti, densità di corrente), struttura della cella e altri fattori (impurità, vita della cella) che influenzano il potenziale teorico della cella e limportanza delle cadute di tensione. Le slides seguenti forniscono informazioni circa gli effetti di alcuni parametri operativi. I parametri considerati sono: Pressione. Temperatura. Portata dei gas. Umidità relativa dei gas. B

64 Laumento della pressione operativa ha i seguenti vantaggi: Riduce le cadute di tensione. Riduce le perdite di elettrolita per evaporazione. Aumenta lefficienza del sistema. Ma ci sono degli svantaggi: Aumento del costo del sistema. Aumento dei problemi sui componenti e sui materiali. Aumento dei costi per lenergia ausiliaria. Pressione B

65 La temperatura incide particolarmente su: Velocità di reazione agli elettrodi. Questa aumenta con la temperatura. Cadute Ohmiche. Lincidenza della temperatura sulla resistenza di cella è variabile in base al materiale, comunque per le celle ad alta temperatura leffetto generale di un incremento di temperatura è un significativa riduzione della resistenza, mentre per le celle a bassa temperatura lincidenza oltre il campo operativo è limitata. I processi di trasferimento della massa non sono fortemente affetti dai cambiamenti di temperatura nellambito dei tipici intervalli di temperatura e pressione tipici di molti tipi di celle a combustibile. Temperatura B

66 La portata dei reagenti allingresso della cella deve essere uguale o superiore rispetto alla velocità alla quale i reagenti vengono consumati allinterno della cella. La portata (mol/s) alla quale lidrogeno e lossigeno sono consumati è determinata dalla legge di Faraday: dN H2 /dt = I/(2F); dN O2 /dt = I/(4F) Dove dN/dt = portata consumata (mol/s); I = corrente (A); F= costante di Faraday (C/mol). I reagenti possono e in certi casi devono essere alimentati in eccesso rispetto al consumo. Il rapporto tra la portata reale allingresso della cella e il consumo dei reagenti è chiamato rapporto stechiometrico: S = (dN act /dt)/(dN cons /dt) Portate dei gas B

67 Portate maggiori comportano migliori prestazioni della cella a combustibile. Lidrogeno puro può essere alimentato in modalità dead-end (S=1) o con un rapporto stechiometrico leggermente superiore a 1; H2 in una miscela di gas deve essere alimentato con un maggiore valore di S. Similmente, per una portata di ossigeno puro la stechiometria richiesta è tra , ma quando viene utilizzata laria il rapporto S tipico è 2 o superiore.Due delle ragioni per cui la prestazione delle celle a combustibile cresce con portata daria in eccesso sono: Una maggiore portata di aria aiuta a rimuovere dallinterno della cella lacqua che si forma. Una maggiore portata mantiene una elevata concentrazione dellossigeno. B

68 Umidità relativa dei gas Poiché la membrana richiede acqua per mantenere la conduttività dei protoni, entrambi i gas reagenti devono essere solitamente umidificati prima di entrare nella cella. La percentuale di umidità è il rapporto tra la quantità di vapor dacqua presente nel flusso di gas e la quantità di gas secco. Lumidità relativa è il rapporto tra la pressione parziale del vapore dacqua, p v, e la pressione di saturazione, p vs, che rappresenta la massima quantità di vapore dacqua che può essere presente nel gas alle condizioni date: j =p v /p vs. La pressione di saturazione è solamente una funzione della temperatura. B

69 Strumenti di diagnosi per le celle a combustibile La diagnosi può essere utilizzata nei processi di progettazione delle fuel cell per determinare se ci sia qualche anomalia nella cella e individuare le cause possibili. Due strumenti tra gli altri possono fornire informazioni circa il funzionamento della cella a combustibile: La curva di polarizzazione. Interruzione della corrente. B

70 Curva di polarizzazione B

71 La curva di polarizzazione è utile ma non sempre fornisce informazioni sufficienti. Per esempio, non è in grado di distinguere tra lallagamento e lessiccamento di una cella (entrambi provocano una caduta di tensione). Il metodo di interruzione della corrente fornisce una misurazione veloce della resistenza della cella. Questo metodo consente di misurare la resistenza di una cella in funzione in qualsiasi momento attraverso rapide interruzioni di corrente. La resistenza della cella viene misurata come la differenza tra la tensione di cella prima e dopo linterruzione della corrente, dividendo per la corrente. Questo ci permette di distinguere tra diversi fenomeni seguendo landamento della resistenza di cella nel tempo. Interruzione della corrente B

72 Aspetti di sicurezza dellidrogeno come combustibile Lidrogeno comporta un rischio se non è gestito o controllato in modo appropriato, come qualsiasi combustibile o vettore di energia. Le caratteristiche fisiche specifiche dellidrogeno sono abbastanza diverse da quelle dei combustibili comuni. Alcune di queste proprietà rendono lidrogeno potenzialmente meno dannoso, mentre altre possono renderlo molto pericoloso. In generale, H 2 sembra comportare ricschi dello stesso ordine di grandezza rispetto ad altri combustibili. B

73 Probabilità di dispersioni Volume di combustibile rilasciato in caso di perdita Energia del combustibile rilasciato in caso di perdita Limite inferiore di infiammabilità in aria Energia minima di ignizione Energia esplosiva per energia accumulata Visibilità di fiamma Emissività di fiamma Tossicità dei fumi della fiamma Caratteristiche di sicurezza dellidrogeno a confronto con altri combustibili B

74 Volume e energia del combustibile rilasciata in caso di fuga: Per grandi perdite da serbatoi di stoccaggio ad alta pressione la fuga è limitata dalla velocità del suono. H 2 ha una velocità critica maggiore (1308 m/s) di quella del metano (449 m/s) e tende a fuoriuscire molto più velocemente allinizio. Tuttavia il gas naturale ha una densità energetica per unità di volume oltre 3 volte superiore allidrogeno, quindi una perdita di gas naturale rilascia più energia rispetto allidrogeno. Inoltre, nel caso di dispersione, lidrogeno diffonde nolto più velocemente di qualsiasi altro combustibile perciò il rischio è minore. Probabilità di fuga: Lidrogeno è la molecola più piccola, perciò ha una maggiore tendenza a sfuggire rispetto ad altri combustibili liquidi o gassosi. la propensione dellidrogeno a fuoriuscire attraverso fori o giunzioni delle linee dei combustibili a bassa pressione è da 1.26 a 2.8 volte rispetto al metano. B

75 Limite inferiore di infiammabilità in aria e energia minima di ignizione La miscela di aria e idrogeno può bruciare con un rapporto volumetrico relativamente ampio, tra il 4% e il 75% di idrogeno in aria. Altri combustibili hanno un campo di infiammabilità più ristretto, ad es. gas naturale (5.3-15%), propano ( %) e la benzina (1-7.8%). Il limite inferiore di infiammabilità per lidrogeno è 4 volte superiore alla benzina, 1.9 volte superiore al propano e leggermente inferiore al gas naturale. Lidrogeno ha una bassa energia di ignizione (0.02 mJ), circa un ordine di grandezza inferiore rispetto ad altri combustibili. B

76 Energia di esplosione per energia accumulata: Lidrogeno ha lenergia di esplosione per unità di volume più bassa (22 volte inferiore dei vapori di benzina). Visibilità di fiamma, emissività e tossicità dei fumi di combustione: La fiamma dellidrogeno è piuttosto invisibile, che può essere pericoloso. la fiamma dellidrogeno ha una bassa emissività (trasferimento di calore radiante ridotto). la fiamma dellidrogeno produce solo vapore dacqua (la fiamma della benzina anche fumi e polveri). B


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