Fuel cell (caratteristiche e diversi tipi di celle)

Celle a Combustibile

• 1839: nascita della prima fuel cell da parte di Sir William Grove
• → nello stesso anno della nascita a combustione interna

→ Fuel cell = dispositivo elettrochimico che converte energia chimica del comburente e combustione in energia elettrica donata al sistema

→ Energia elevata ed ambientale

reazione più esotermica e fa elettrolisi dell'acqua (non produce menanti scarati)

reazione elettrochimica

• combustione⇢energia
• energia termica⇢ciclo⇢energia meccanica

→ Le fuel cell non hanno emissioni termodinamiche

→ → invece producono energia con minima quantità di inquinamento

→ efficiente teorica del 100%

(in realtà 80/100)

L'eliminazione della combustione permette alle fuel cell di produrre energia con minimi quantitativi di inquinanti

L'efficienza è oltre i gas che l'inquinamento sia minima

efficienza di carnot

teorica - efficiente √ impianto al carbone ≤ 55%

→ realizzato - impianto al carbone 50/60%

→ Automobile 20/30%

Efficienza dei pannelli fotovoltaici è intorno al 30%

→ Le fuel cell hanno molto permanentmi e molto efficienti (quindi meno consumo)

Funzionamento

• reazione di riduzione al catodo di un'ossidazione al anonodo,
• Sistema elettrochimico che chiude il circuito nella movimentazione di ioni
• · Presenza di catodo che chiude facendo produrre elettroni

· può essere supportato da ossidatore chimicamente per essere bruciato galvanica e mento portando alla formazione di energia = inmagine idroelettrica

→ Le combustibili ed le combustione vengono dall'esterno quindi non sono legate dal esaurimento → differenza con le batterie

Componenti

• cella → dove avviene la rezzione elettrochimica
• stack → insieme di celle combinate in parallelo per produrre la potenza meccanica
• • bilanco di potenza → comprendere la gestione dei gas, della corrente e della temperatura

Cella → corrente → elettricità anodo e catodo

• Anodo - reazione di ossidazione (genera e-)
• Elettrolita - deve consentire la conduzione (ioni)
• Catodo - devono avvenire le 1/2 reazioni

• Combustibile - deve essere sempre fornito in maniera continua
• Batterie - disponibilè una quantità di energia
• Celle - disponibilè continua di energia
• Non dipendono dalle dimensioni della cella, dalla scelta dei materiali

Caratteristiche:

• Conversione energetica diretta (no combustione)
• No gas in movimento per la conversione di energia
• Silenzioso (no inquinamento acustico)
• Alla probabilità dimostrata per celle a bassa temperatura
• Capacità di zeolito dimostrata per celle a bassa temperatura
• Costo per il combustibile
• Basse performance → low design
• Utilizzo di materiali dal potere che può essere aumentato o diminuito
• Possibilità di alimentazioni di potenza

Altri svantaggi:

• H2 non esiste nel mercato
• Oliatura e reazionalizzatore non dimostrato ad alte temperature
• La batteria
• Tecnologia non familiare per potenze industriali
• Vendibilità del combustibile (per dispositivi a bassa temperatura)
• H atte funzionano solo con H2

PEMFC → cella o membrana permeabile → permette il movimento di protoni

60-120°C → H2 → H+ → O2 → Problema della conduttività ionica → H2O

• Elettrolita - solido - scarsa conducibilità ionica
• Liquido - problema della corusione
• Buone prestazioni per la conducibilità ionica

AFC → elettrolita → soluzione concentrata di KOH

60-200°C → OH- → O2 → H2O

• Elettrolita - acido fosforico concentrato
• 160/200°C → OH- → H2O

• SOFC → elettrolita - biossido di Niob
• 600/1000°C → O2- → O2-

Esempio:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

ΔH_f⁰ = H_p⁰ - H_r⁰ΔH_f⁰(H₂O) = -286 kJ/molS⁰ = S_p⁰ - S_r⁰S⁰(O₂), S⁰(H₂) = -0,1633 kJ/mol∙K

ΔG⁰ = ΔH⁰ - TΔS⁰ = -237,36 kJ/molE_energia < E_non Energia trasformabile perso

mg (25°C) ΔG⁰ = -0,83

Poiché ΔrG = nFE, il potenziale standard della cella è:

• Δn E(T) = -ΔrG⁰ / nF
•  m  T'mE = ΔV / mE(potenziale di performanza)(forza elettromotrice)

Riscrizioni di ΔrH, ΔrS, ΔrG con la temperatura:

• (∂ΔrH⁰ / ∂T) _P = ΔrC_P
• (∂ΔrS⁰ / ∂T) _P = ΔrC_P / T
• (∂ΔrG⁰ / ∂T) _P = -ΔrS⁰

L'aumento della temperatura comporta un aumento di G reazione chimica.Ti arricchisci più velocemente (Aumento di energia o dilatazione)Maggiore prodimento

La perdita di potenziale è dovuto alla resistenza interna alla cella:

• R_tot = R₀ + R(i)
• Determina dalla corrente  generale che se il potenziale interno
• Preleva se il potenziale risultato

Prolungamento del potenziale c'e attuale all'OCV

OCV = Open circuit voltage(potenziale calcolato in condizione ideale)

• mV = Δrν E + R₀ * 1 / Ρ_el* Δψη

• m = b ln I / I₀
• b = R / dnF
• Corrente idealeI = b (dimedio da materia)

Connesso alle performance caratteristica dell'elettrodo

TIPI DI FUEL CELLS

Prime celle elettrochimiche intorno al 1950/1960 con l'idrogeno.

AFC: fuel cell di tipo alcalino

• anodo: 2H₂ + 4OH^- → 4H₂O + 4e^-
• catodo: O₂ + 2H₂O + 4e^- → 4OH^-

elettrolita dove conduce bene l'OH^-

elettrolita: soluzione alcalina di KOH (mobile o statica)

• elettrodi molto meno costosi
• anodo: Ni/carbone
• catodo: AgO

Vantaggi:

• reazione dell'idrogeno in un mezzo alcalino → più facile sviluppo rispetto a mezzo acido

Svantaggi:

• elettrolita delle AFC è molto sensibile alla CO₂
• 2KOH + CO₂ → K₂CO₃ + H₂O
• corrosioni precludono utilizzo in ambienti aperti

2 tipi:

1. elettrolita mobile
2. elettrolita statico

ricircolo dell'elettrolita in un sistema chiuso

• può controllare la temperatura dell'elettrolita
• KOH → più alta concentrazione

PEM: fuel cells a membrana a scambio protonico

Piccole dimensioni: → diffusa nei trasporti

Anodo:

LHz → (H₂) ^{2H+ + 2e-}

Catodo:

(O₂) + 4e^- + 4H⁺ → 2H₂O → bagno acido al catodo

Elettrodi: Pt/Carbonio

Temperatura di funzionamento bassa, quindi necessitano catalizzatori nobili

• Carbonio stabilizzante del catalizzatore
• Elettrolita in polimero che conduce ioni

Vantaggi

• Funzionano a basse temperature (70°C-80°C anche accensione e spegnito)
• Alta densità di energia (miniaturizzazione)
• Elevata efficienza numero di fasi multiple di reazioni
• Bassa perdita di potenza da freddo

Svantaggi

• Combustibile deve essere purissimo ⇒ Pt forma complessi stabili con Co
  • minimo le catalizzatore
• Contenuto d'acqua

Stabilizzazione della membrana:

• Regione C-C → 300 kj/mol
• Regione C-F → 550/600 kj/mol
• memoria molto forte e idrofobica

Derivati di PFTE (politetrafluoroetilene e Teflon) autoprotezione con catenova con ramificazioni laterali che terminano con So₃Na

Polimero solubile in alcool etilico

Elettrolito: 2 catene idrofobiche con catene idrofile (frame di polimero)

nel processo di stiraturazione

permette la conducibilità protonica sostituendo potenziale

la biopene umidificare, trapparri all'essicato

evaporizzazione dell'acqua

Elettrodo: Platinizzatore. Platino formato da particelle molto piccole di platino su una matrice di carbonio

Il Pt è molto fine e ricopre una grande porzione dell'ultra superficie del carbonio (maggior contatto con i reagentti)

Possibile legami di protezione facili con esano di carbonio

elettrodo ed elettrolita contenuti separatamente - e unità | pol per eleagole

costruire elettrodo e direttamente multil'eletrolita