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CELLE A COMBUSTIBILE
fuel cell
1838 -
- nasce la prima fuel cell da parte di William Grove
- stesso anno del motore a combustione interna
La fuel cell è un generatore elettrochimico che converte energia chimica del combustibile direttamente in energia elettrica donata elettrochimica e con un basso impatto ambientale
reazione più stoichiometria e da elettrolisi dell'acqua (non produce neanche scarti)
Combustibile → reazione elettrochimica → energia elettrica
energia chimica → ciclo-energia meccanica
energia termica → termodinamica
Le fuel cell non hanno rendimento termodinamico (ciclo di Carnot)
inoltre producono energia con minime quantità di inquinamento
efficienza teorica del 100%
(in realtà 50/60%)
L'eliminazione della combustione permette alle fuel cell di produrre energia con minime quantità di inquinanti
L'efficienza è alta finché l'inquinamento sia minimo
efficienza di Carnot
n=1-T2/T1
teorica-efficienza impianto a carbone = 55%
realtà- impianto a carbone = 30/40%
automobile = 20/30%
efficienza dei pannelli fotovoltaici ≅ intorno al 30%
Le fuel cell hanno molti performance e molto efficienti (quindi meno consumo)
Funzionamento:
- reazione di conversione al catodo di ossidazione all'anodo
- sistema elettrotecnico che chiude il circuito nella movimentazione di ioni
- con flusso diretto esterno che chiude il circuito per generazione di elettroni
- Ogni molecola di gas che ossida elettronicamente può essere distribuita galvinica mentre portando alla formazione di energia → maggiore elettricità
IE il combustibile e le combustione vengono dall'esterno quindi non sono legate dall'esaurimento → differenza con le batterie
Componenti:
- cella → solo anione per reazione elettrochimica
- stack → insieme di celle combinate in parallelo per produrre la potenzialità meccanica
- balance of plant → comprende la gestione dei gas, della corrente e della temperatura
Cella
- anodo: reazione di ossidazione (genera -)
- elettrolita: deve consentire il passaggio di ioni
- catodo: reazione di riduzione (genera +)
Caratteristiche
- Conversione energetica diretta
- altri possibili motivi di conversione di energia
- silenzioso
- eff. prevedibile e dimostrato per celle la bassa temperatura
- capacità di 2 volte
- riduzione del combustibile
- buona performance
Aspetti negativi
- alti costi nel mercato
- durata e realizzabilità non dimostrato ad altre temperature
- elettrodi
- evoluzione del combustibile
PEMFC
cella a membrana permeabile → permette il movimento di protoni
- 160-220°C
Elettrolita
solido scarso conducibilità ionica
liquido buona conducibilità ionica
AFC
elettrolita: soluzione alcalina concentrata
PAFC
elettrolita: acido fosforico concentrato
SOFC
ossido di metallo
Esempio:
2 H2 + O2 → 2 H2O
ΔHf0: ΔHp = ΔHf0(H2O) - ΔHf0(H2) - 2858 KJ/mole
ΔSf0: ΔSp = S0(H2) - ΔSf0(O2) - 0,1633 KJ/mole.K
ΔG0: ΔH0 - TΔS0 = -237,34 KJ/mole
- Energia irreversibile persa
- Isoenergia realmente utile
nF (25°C) ΔG0 = 0,83
Poiché ΔrG = nFE E0 forma standard della cella è:
ΔE (T) −ΔG0 potenziale di riferimento forza elettromotricem = ΔVmV mole
(∂ΔrH0)T = ΔrCp
(∂ΔrS0)T = ΔrCp
(∂rG0)T = ΔrS0
Variazioni di ΔrH, ΔrS, ΔrG. Con la temperatura:
L'aumento di temperatura comporta un aumento di G reazione chimica. Di fatto di energia a dissipatore.
Maggiore efficienza.
La perdita di potenziale è causata da resistenze interne alla cella:
Rts = Ro + R(t)
Rts dipende dalla corrente.
Prevalga la differenza logNa e (potenziale esistente) OC = Open Circuit Voltage
mV = ΔrV E 1 RoiΔr E
m = b ln aIo
- corrente ideale
- α = b dipendendo dai materiali
- Connessione alla performance catetecia dell'elettrodo
TIPI DI FUEL CELLS
Prime celle elettrochimiche intorno al 1960/1950 con Bacon
- Ossidazione dell'idrogeno avviene facilmente in ambiente alcalino
AFC: fuel cell di tipo alcalino
Anodo: 2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-
Catodo: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
- Elettrolita: soluzione alcalina di KOH (mobile o statica)
- Elettrodi materiali: catodo NiO
Vantaggi:
- Ossidazione dell'idrogeno in ambiente alcalino è più favorevole che in altri ambienti
- Efficienze più alte rispetto ad altri sistemi
- Possibilità di non avere catodi e anodi pregiati
- Elettrolita liquido rende le AFC portatili
Svantaggi:
- Elettrolita delle AFC è molto sensibile alla CO2
- 2KOH + CO2 → K2CO3 + H2O
- Carbonati precipitando diminuiscono efficienza elettrochimica
2 Tipi:
-
Elettrolita mobile → ricircolo dell'elettrolita in un sistema chiuso
- Si può controllare la temperatura dell'elettrolita
- Avendo elettrolita al massimo della concentrazione di KOH costante
- Si può iniettare elettrolita KOH quando necessario
-
Elettrolita statico → materiale impregnante in un poro che può assorbire KOH
- Utilizzo di materiali porosi resistenti alla corrosione
- Tutte le connessioni sono senza pompe
- Controllo di acqua e temperatura in KOH e corrosione molto diretta
PEM: Fuel Cells a Membrana a Scambio Protonico
Piccole dimensioni:
- Agevolano il trasporto
- Le grandi dimensioni richiederebbero grandi quantità di Pt
Anodo:
2H2 → 4H+ + 4e- (fluusso elettronico)
Catodo:
O2 + 4e- + 4H+ → 2 H2O → l'acqua esce dal catodo
Elettrodo = 1/2 carbonio
Basse temperature di funzionamento quindi necessitano catalizzatori basati su: carbonio, stabilizzatori, e caratterizzazione elettrochimica tramite cicli di combustione.
Vantaggi
- Funzionano a basse temperature→(no ossidi azoto e zolfo)
- Facile domanda di energia (miniaturizzazione)
- Coppia ossido catodo rinforzato e tensioni:
- I capaci piccoli
- Nessuna emusione ossidazione da fluido
Svantaggi
- Il combustibile deve essere purissimo → Pt forma complessi instabili con CO
- Controllo dell'azoto
Stabilizzazione della Membrana
- Regime C.C ~ 300 kJ/mol
- Regime C.E ~ 550/600 kJ/mol
Polimero su base PTFE autonizzazione con attacchi ai catodi su cui terminano con SO3
Catene idrofobiche con zone idrofile (piani di polimero)
I processi inversi
Permettendo la conduzione prototonica e sostituito potenzialmente l'equilibrio amminoacidi e reagenti viene estratti