Pile e Celle a combustibile

PILE, CELLE a Combustibile
FUSIONE FREDDA  –  Introduzione 

La cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che, come una normale batteria, trasforma energia chimica in energia elettrica in corrente continua, utilizzabile direttamente per alimentare un carico elettrico (ad esempio un motore elettrico).

La differenza principale, rispetto ad un normale accumulatore è che, mentre in questo l’elettrodo stesso viene consumato durante la scarica e va quindi rigenerato durante la ricarica, nella fuel cell la “pila” continua a funzionare finche’ viene fornito reagente agli elettrodi, che in questo caso non si consumano, ma costituiscono solo il supporto sul quale avvengono le reazioni chimiche.

Più precisamente la fuel cell (in questo caso parliamo di una fuel cell cosiddetta “PEM”) è costituita da due elettrodi, un anodo e un catodo, separati da un elettrolita, che invece di essere liquido, è solido e costituito da una sottile membrana polimerica, la quale consente il passaggio solo dei protoni H+ dall’anodo al catodo (“PEM” significa appunto “Proton Exchange Membrane”).

All’anodo viene fornito idrogeno gassoso (puro) e qui, per mezzo di un catalizzatore (platino), viene separato in protoni ed elettroni secondo la reazione riportata in figura. A questo punto, mentre i protoni migrano verso il catodo attraverso la membrana polimerica, gli elettroni, non potendo attraversare la membrana, arrivano al catodo passando attraverso un circuito esterno, generando una corrente elettrica.
Al catodo, contemporaneamente, arriva ossigeno (che può essere quello contenuto nell’aria) e qui si ricombina, sempre con l’aiuto di un catalizzatore (platino anche qui), con i protoni provenienti dalla membrana e con gli elettroni provenienti dal circuito esterno, formando acqua secondo la reazione riportata in figura.

Poichè una singola cella fornisce ai morsetti una tensione di circa 0,6 V, è necessario collegare più celle in serie, fino ad ottenere la tensione desiderata. Naturalmente ad ogni cella andrà fornito idrogeno all’anodo e ossigeno, o aria, al catodo.
Una struttura di questo tipo viene definita “Stack”. Oggi esistono stack di celle PEM costituiti anche da 200 celle collegate in serie.
Rispetto ad altri sistemi di conversione di energia le fuel cells presentano vantaggi e svantaggi.

VANTAGGI:

Zero Emissioni: un veicolo alimentato con Fuel cells ha come unica emissione acqua, se operato con idrogeno puro, mentre se si utilizza un reformer a bordo bisogna tenere conto delle sue emissioni. Il funzionamento è perfettamente silenzioso, se si eccettua il rumore generato dagli ausiliari necessari per il suo funzionamento;

Alta efficienza: una fuel cell ha un’efficienza molto più alta di un normale motore a combustione interna, in quanto, non risentendo dei limiti di Carnot come tutte le macchine termiche, ha un rendimento che non è limitato dalla massima temperatura raggiungibile. Questo discorso vale anche e soprattutto ai carichi parziali, dove spesso un motore a combustione interna ha difficoltà ad operare alla massima efficienza;

Rapida risposta al carico: una fuel cell ha una risposta rapidissima alle variazioni del carico proprie di un veicolo stradale; inoltre è in grado di autoregolarsi al variare delle richieste di carico, mantenendo sempre la massima efficienza;

Bassa temperatura operativa: le fuel cells di tipo PEM operano a temperature intorno ai 70°C, molto più basse delle temperature operative dei motori a combustione interna. Questo rende l’impianto e il loro utilizzo sul veicolo molto più semplice;

Trasformazioni energetiche ridotte: come si vede dalla figura in basso, una fuel cell opera lo stesso numero di trasformazioni energetiche di un motore a combustione interna, ma con efficienza maggiore, per cui non c’è un decremento di rendimento complessivo dovuto a trasformazioni energetiche aggiuntive;

Tempo di rifornimento: un veicolo equipaggiato con una fuel cell, contrariamente ai normali veicoli elettrici, ha tempi di rifornimento (“ricarica”) del tutto confrontabili con quelli dei veicoli endotermici tradizionali; inoltre l’autonomia operativa non è limitata dalle dimensioni del pacco batterie, ma solo dalle dimensioni del serbatoio, esattamente come i veicoli tradizionali.

SVANTAGGI
Idrogeno: uno degli svantaggi maggiori è nel fatto che l’idrogeno è un gas ancora molto costoso da acquistare, anche se è facile trovare soluzioni economiche di auto-produzione o produzione da fonti rinnovabili; inoltre è un gas potenzialmente pericoloso e necessita di particolari accorgimenti per lo stoccaggio a bordo;
Impurezze: allo stato attuale le fuel cells risentono molto di eventuali impurezze presenti nel combustibile (per la presenza del catalizzatore), per cui è necessario utilizzare idrogeno sufficientemente puro; questo obbliga ad utilizzare idrogeno prodotto da elettrolisi dell’acqua o a depurarlo se prodotto tramite reforming;
Catalizzatore costoso: attualmente il catalizzatore usato agli elettrodi è Platino, che è un metallo molto costoso e costituisce una delle voci di costo principali della fuel cell; – vedi sotto
Ghiaccio: per l’umidificazione delle membrane (che resta ancora uno dei punti più critici per il buon funzionamento delle fuel cells) si utilizza acqua pura, eventualmente sfruttando anche quella prodotta al catodo; questo significa che a basse temperature c’è il rischio che si formi del ghiaccio all’interno della cella, danneggiandola;
Tecnologia nuova: la tecnologia delle fuel cells è stata approfondita soltanto da pochi anni, pertanto, pur avendo di fronte senza dubbio notevoli passi avanti da compiere, è ancora allo stato iniziale, e perciò risulta essere (anche a causa della totale assenza di economie di scala) ancora molto costosa;
Assenza di infrastrutture: un altro problema che frena lo sviluppo di veicoli ad idrogeno è l’assenza di un’infrastruttura per l’approvvigionamento, che oggi risulta ancora difficile da realizzare a costi competitivi.
Tratto da: micro-vett.it

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Un nuovo materiale per celle a combustibile
Consente una conversione del combustibile in elettricità più efficiente e a temperature più basse rispetto ad altre tecnologie convenzionali, riducendo i costi
Un nuovo materiale ceramico descritto sull’ultimo numero di “Science” potrebbe rappresentare un passo decisivo per le celle a combustibile a ossido solido, dispositivi che generano elettricità direttamente da un ampia gamma di combustibili liquidi e gassosi senza la necessità di separare l’idrogeno.
Sebbene la durata a lungo termine del nuovo materiale conduttore a ioni miscelati debba ancora essere dimostrata, il suo sviluppo potrebbe consentire di affrontare due dei maggiori problemi con questo tipo di celle: la tolleranza allo zolfo nei combustibili e la resistenza ai residui di carbonio.
Un ulteriore vantaggio sarebbe quello di garantire una conversione del combustibile in elettricità più efficiente di altre tecnologie convenzionali, e a temperature più basse, riducendo potenzialmente i costi dei materiali e di fabbricazione.
Come tutte le celle a combustibile, le celle a ossido solido (SOFC) utilizzano un processo elettrochimico per produrre elettricità ossidando un combustibile. Come dice il nome, i SOFC utilizzano un elettrolita ceramico, un materiale noto come zirconia stabilizzata con ittrio (YSZ).
L’anodo della cella a combustibile utilizza un composto costituito da YSZ e nichel. Questo anodo fornisce un’eccellente attività catalitica per l’ossidazione del combustibile, una buona conducibilità per la raccolta della corrente generata, e la compatibilità dell’elettrolita contenuto nella cella, che è anch’esso YSZ.
Ma il materiale ha tre inconvenienti significativi: anche piccole quantità di zolfo presente nel combustibile contaminano l’anodo riducendone drasticamente l’efficienza, e gli idrocarburi determinano depositi di carbonio sull’anodo e poiché l’YSZ ha una conducibilità limitata a basse temperature. Di conseguenza, i combustibili utilizzati nelle SOFC, come per esempio il gas propano, devono essere purificati per rimuovere lo zolfo, con un incremento notevole dei costi. 

Inoltre, l’acqua in forma di vapore deve essere immessa in un reformer che converte gli idrocarburi in idrogeno e monossido di carbonio prima di alimentare le celle a combustibile, aggiungendo complessità al sistema e riducendone l’efficienza. Infine, l’operatività ad alta temperatura implica che le celle debbano essere costruite con materiali costosi.
Il nuovo materiale, denominato BZCYYb (Barium-Zirconium-Cerium-Yttrium-Ytterbium Oxide) e sviluppato di Meilin Liu della School of Materials Science and Engineering del Georgia Institute of Technology, risolve tutti e tre i problemi dell’anodo, poiché tollera la presenza di solfuro di idrogeno in concentrazioni di 50 parti per milione, non accumula carbonio e può funzionare a temperature di “soli” 500 gradi Celsius.

Per questi motivi, potrebbe essere utilizzato in un’ampia gamma di applicazioni; come rivestimento degli anodi a Ni-YSZ convenzionali, come sostituto dell’YSZ nell’anodo o dell’intero sistema elettrolitico. (fc)
Tratto da: lescienze.espresso.repubblica.it

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Una Cella a Combustibile senza Platino – 22 aprile 2011
L’utilizzo di materiali a basso costo al posto del prezioso metallo è uno dei presupposti per la larga diffusione dell’alimentazione a idrogeno
Le celle a combustibile a idrogeno potrebbero presto fare a meno del costoso platino, sostituito da dispositivi più sostenibili dal punto di vista ambientale, secondo quanto reso noto dai ricercatori del Los Alamos National Laboratory sulle pagine della rivista Science.
Gang Wu, Christina Johnston, e Piotr Zelenay, in collaborazione con Karren More dell’Oak Ridge National Laboratory descrivono l’uso di un catalizzatore senza platino nel catodo di una cella a combustibile. L’eliminazione del metallo prezioso, più costoso dell’oro, risolverebbe un ostacolo economico significativo all’ampia diffusione delle celle a combustibile su larga scala.
In condizioni ottimali, le cellule a combustibile a idrogeno producono vapore acqueo come unico prodotto di scarto. Tuttavia, a causa dell’uso del platino come catalizzatore necessario per facilitare la reazione che produce elettricità in una cella a combustibile, l’ampio uso di celle a combustibile nelle applicazioni più comuni e la conseguente domanda sempre più consistente potrebbe portare a costi proibitivi.
I ricercatori del Los Alamos hanno sviluppato catalizzatori in metalli non preziosi per la parte della cella che reagisce con l’ossigeno. I catalizzatori utilizzano carbonio, parzialmente derivato da polianilina mediante un processo ad alta temperatura, e ferro e cobalto al posto del platino, ottenendo complessivamente una potenza in uscita più elevata, una buona efficienza e una maggiore durata del dispositivo.
Le celle contenenti il catalizzatore carbonio-ferro-cobalto non solo generano una corrente paragonabile a quella basata sul prezioso metallo, ma si comportano meglio anche in seguito a ripetuti cicli di avviamento-spegnimento, un processo che danneggia abbastanza velocemente i catalizzatori convenzionali.
Infine, il nuovo catalizzatore è in grado di determinare in modo più completo la conversione dell’idrogeno e dell’ossigeno in acqua invece di produrre grandi quantità di perossido di idrogeno, che può ridurre anche del 50 per cento la potenza in uscita e distruggere le membrane polimeriche interne necessarie al funzionamento della cella. (fc)
Tratto da. Lescienze.espresso.repubblica.it