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(Dott. Gaetano Squadrito). FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA COMBUSTIBILE Tanto per cominciare vediamo cos'è una cella a combustibile, o fuel cell in inglese.

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Presentazione sul tema: "(Dott. Gaetano Squadrito). FUNZIONAMENTO DI UNA CELLA COMBUSTIBILE Tanto per cominciare vediamo cos'è una cella a combustibile, o fuel cell in inglese."— Transcript della presentazione:

1 (Dott. Gaetano Squadrito)

2 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)… …e con il comburente (aria), che reagiscono tra loro… …generando energia elettrica elettrica… …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 del calore. La forza elettromotrice ha sempre lo stesso valore 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.

3 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. Perché la cella funzioni dobbiamo separare le due semireazioni La reazione chimica che viene sfruttata è quella di formazione dell'acqua. A 25°CE(totale) = J/mole H 2 DV= 1.2 Volt circaE(utile) = J/mole H 2 2H 2 + O 2 => 2H 2 O H 2 => 2H + + 2e - O 2 + 2e - => 2O -- 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.

4 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.

5 1800 In una lettera spedita il 20 marzo, Volta annuncia l'invenzione della pila a Sir Joseph Banks, presidente della Royal Society di Londra 1799 Volta inventa la pila (che chiama "elettromotore perpetuo"). Essa è costituita dalla sovrapposizione in serie di sistemi elementari “CU- elettrolito-Zn”. Ma qual è la storia delle FC? La storia comincia con Volta e la sua invenzione della Pila.

6 1803 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 1806 Theodor von Grotthuss formula una prima teoria dell'elettrolisi: l'ossigeno tende a portarsi verso il polo positivo, l'idrogeno verso quello negativo 1809 Antoine César Becquerel formula una prima considerazione energetica sulle pile Si apre un mondo nuovo ed in pochi anni si scoprono la reversibilità delle pile,… l'elettrolisi… …e Becherel formula le prime considerazioni energetiche sulle pile

7 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 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”. 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.

8 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.

9 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.

10 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.

11 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)

12 Oggi siamo finalmente vicini all'applicazione di massa. Dove? Ovunque si debba produrre o utilizzare energia elettrica. Quindi… …nelle centrali elettriche, …nei dispositivi elettronici, …nelle automobili.

13 e fornirà energia e calore per gli usi quotidiani. Calore Elettricità L'idrogeno così ottenuto verrà utilizzato nelle… H2H2 il prodotto di scarto sarà ossigeno. O2O2 oppure idrogeno proveniente da fonti quali il solare e l'eolico o provenienti da fonti biologiche come il biogas, Biogas Bioetanolo buttando via il carbonio sotto forma di anidride carbonica CO 2 potremo usare idrocarburi derivati dal petrolio o il metano Separazione Celle a combustibile Elettrolisi Quali combustibili useremo? Principalmente idrogeno proveniente dalle fonti più disparate Derivati del petrolio E. Solare E. Eolica

14 AnodoCatodo Elettrolito OssidanteCombustibile Esausto Catodo Esausto Anodo H 2 /CH 4 H2H2 H2H2 H2H2 H2H2 H2OH2O H2OH2O H2OH2O H2OH2O CO 2 O2O2 CO 3 = O=O= H+H+ OH - O2O2 O2O2 O2O2 O2O2 CO 2 H2OH2O H+H+ Alcaline Ac. Fosforico Carbonati Fusi Ossido Solido Polimeriche T= °C T= °C T= °C T= °C T= °C Ma come abbiamo visto di celle a combustibile ve ne sono di diverso tipo. Quali utilizzeremo? La risposta sta nel loro funzionamento, ogni tipo di cella avr à un utilizzo preferenziale. Vedete un semplice schema di funzionamento dei diversi tipi di cella e le temperature di esercizio tipiche. Nelle celle alcaline lo ione trasportato è OH-, funzionano bene con idrogeno e ossigeno puro, e non tollerano l'anidride carbonica, quindi andranno utilizzate dove sono disponibili reagenti puri. Le polimeriche e quelle ad acido fosforico lavorano a basse temperature quindi danno un calore di scarto poco utilizzabile. Però sopportano benissimo la CO 2. Inoltre possono 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 fosforico sono le uniche commercializzate per usi industriali e residenziali, ma pongono alcuni problemi a causa della presenza dell'acido. Le celle a carbonati fusi utilizzano lo ione co 3 -- e possono utilizzare anche il metano in modo quasi diretto. Lavorano a temperature tali da dare calore di scarto ad alto valore per cicli secondari. Pongono ancora dei problemi ma probabilmente saranno le prossime celle ad essere commercializzate su larga scala. Le celle ad ossido solido, usano per elettrolito un ossido che a temperatura ambiente è totalmente isolante ed inerte. Sono le più promettenti per l'industria. Il loro calore di scarto è facilmente riutilizzabile e possono usare direttamente alcuni idrocarburi come combustibile AnodoCatodo Elettrolito OssidanteCombustibile Esausto Catodo Esausto Anodo H 2 /CH 4 H2H2 H2H2 H2H2 H2H2 H2OH2O H2OH2O H2OH2O H2OH2O CO 2 O2O2 CO 3 = O=O= H+H+ OH - O2O2 O2O2 O2O2 O2O2 CO 2 H2OH2O H+H+ Alcaline Ac. Fosforico Carbonati Fusi Ossido Solido Polimeriche T= °C T= °C T= °C T= °C T= °C

15 Quindi utilizzeremo le celle alcaline per applicazioni spaziali e speciali AlcalineEff El. = 60% Ac. FosforicoEff.El. = 40-45% Le celle ad acido fosforico per la generazione di potenze medie, complessi residenziali e piccole industrie

16 PolimericheEff. El. = 35-50% Le celle polimeriche per gli usi civili e per i trasporti

17 Ossido Solido Eff. El.= 50-55% Ciclo combinato con SOFC o MCFC Eff. >75% 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.

18 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: 3) la loro gestione non richiede controlli sofisticati e possono utilizzare il metanolo come combustibile. 2) lavorano a basse temperature, si possono avviare anche a -20°C (con H 2 ), e possono utilizzare l’aria; 1) l’elettrolito solido evita eventuali perdite;

19 come è fatta una cella ad elettrolito polimerico alcune foto di PEM realizzate nel nostro istituto.

20 ESEMPI DI APPLICAZIONE GIA’ ESISTENTIDELLE PEFC AUTOBUS TELECAMERE IMBARCAZIONI L’aereo HELIOS della NASA

21 electric motor Combustibile Cella a Combust. Idrogeno anode cathode platinum catalyst hydrogen input - water output electrolyte Aria Come sarà fatta l’AUTO PEFC

22 RISC ACCESSORI BATTAUX Power Conditioning Unit - + electric motor

23 Perché non sono già in vendita? Costo: le componenti delle celle a combustibile hanno ancora dei costi eccessivi se confrontati con i sistemi convenzionali. 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 Accettazione da parte del pubblico: l’uso dell’idrogeno non è facilmente accettabile da parte del pubblico. Durata: alcuni sistemi di celle a combustibile hanno dei cicli di vita media ancora troppo corti rispetto alle richieste.


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