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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 elettromotrice

m = 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

Dettagli
Publisher
A.A. 2022-2023
135 pagine
SSD Scienze chimiche CHIM/03 Chimica generale e inorganica

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher .aaaraS di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Materiali inorganici funzionali e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Università degli Studi di Padova o del prof Glisenti Antonella.