Capitolo 4 FUEL CELLS

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1 Capitolo 4 FUEL CELLS 4.1 LA TECNOLOGIA Il funzionamento di una cella o pila a combustibile può essere così schematizzato: Il combustibile gassoso (ad esempio H2), è inviato all anodo (elettrodo negativo, dove avviene l ossidazione del combustibile e la produzione di elettroni); Il comburente (ad esempio aria od ossigeno) è inviato al catodo (elettrodo positivo, dove avviene la reazione di riduzione dell ossigeno con gli elettroni provenienti dal circuito esterno collegato con l anodo); La reazione chimica avviene attraverso scambio di ioni mediante l elettrolita; Si produce così corrente elettrica chiudendo il circuito fra gli elettrodi. Fig. 4.1 Schema di funzionamento di una Fuel Cell 75

2 Il sistema descritto è in grado di funzionare sino a che viene alimentato con continuità di combustibile ed ossidante. Esistono diverse tipologie di celle a combustibile: A-FC (Alcaline), PEM-FC (Proton Exchange Membrane), PA-FC (Phosphoric Acid), MC-FC (Molten Carbonate), e SO-FC (Solid Oxide). Entrando più nel dettaglio si vede che la cella è composta da due elettrodi in materiale poroso, separati da un elettrolita. Gli elettrodi fungono da siti catalitici per le reazioni di cella che fondamentalmente consumano idrogeno ed ossigeno, con produzione di acqua e passaggio di corrente nel circuito esterno. L elettrolita invece ha la funzione di condurre gli ioni prodotti da una reazione e consumati dall altra, chiudendo il circuito elettrico all interno della cella. La trasformazione elettrochimica è accompagnata da produzione di calore, che è necessario estrarre per mantenere costante la temperatura di funzionamento della cella. Una singola cella produce normalmente una tensione di circa 0.7 V e correnti comprese fra 300 e 800 ma / cm 2, quindi per ottenere la potenza ed il voltaggio desiderato più celle sono disposte in serie, a mezzo di piatti bipolari, a formare il cosiddetto stack. Più stack, a loro volta, sono assemblati in moduli, per ottenere generatori della potenza richiesta. Inoltre, esse, necessitando di idrogeno puro per il loro funzionamento per cui devono essere collegate ad un sistema di trattamento del combustibile o ad un ellettrolizzatore che produce direttamente idrogeno puro al 99%. 76

3 Fig. 4.2 Schema di uno stack di Fuel Cell (ENEA) Ad oggi, vi sono cinque tipi di Fuel Cells che utilizzano come combustibile l idrogeno e che sono caratterizzate in termini dei componenti elettrolitici e della temperatura d esercizio. Le AFC e le PEM operano a bassa temperatura, mentre operano ad alta temperatura le PAFC, le MCFC e le SOFC. Le celle alcaline di tipo AFC (Alcaline Fuel Cell), la cui configurazione attualmente è costituita da elettrodi con basso carico di metallo catalizzatore (platino) con supporto poroso di carbonio su una mesh di nickel, possono fornire energia elettrica già a temperatura ambiente ma sono progettate per dare il massimo output intorno ai 70 C. 77

4 Attualmente sono in fase di sviluppo delle AFC per applicazioni in automobili ma, in questo caso, hanno lo svantaggio di dover essere alimentate con ossigeno puro e non con l aria. Volendo usare l aria si deve prima eliminare il biossido di carbonio (CO 2 ) che avvelena l elettrolita e questa eliminazione richiede dispositivi tecnici supplementari. La cella ad elettrolita solido polimerico di tipo PEMFC (Proton Exchange Membrane) è quella che, negli ultimi anni, ha avuto i maggiori sviluppi per le applicazioni di piccola-media taglia. Essa adotta come elettrolita un sottile polimero che permette ai protoni di attraversarlo ma che, nello stesso tempo, isola dai contatti elettrici; la cella opera a basse temperature (80 C). La tecnologia PEM- FC è disponibile commercialmente per basse potenze, tipicamente fino a 10 kw. I parametri che influenzano le prestazioni di una PEM sono sicuramente la temperatura (si dovrebbero trovare migliori risultati a temperature maggiori dei 78

5 collaudati 80 C), la presenza del gas ossidante al catodo e la sua pressione. La ricerca è orientata a migliorare le prestazioni di celle funzionanti ad aria e con pressioni poco superiori a quella atmosferica. E' possibile, ora, fare un confronto fra queste due tecnologie che sono le più simili per quel che riguarda il range di potenza, la temperatura di funzionamento ed il tipo di applicazione che verrà sviluppata nel capitolo successivo: - Le AFC contengono mediamente un quinto del platino contenuto nelle PEM, essendo quindi meno costose, ma per quanto riguarda tale differenza l obiettivo a lungo termine è quello di ridurre sensibilmente il carico di platino all anodo e al catodo fino a poter rendere confrontabile questo aspetto nei due tipi di celle; - Le AFC funzionano ad una pressione di pochi mbar, mentre le PEM a pressioni di 2-4 atmosfere per cui necessitano di dispendiosi compressori che incidono sull efficienza; - Le PEM consentono però di raggiungere densità di potenze più elevate; - non esiste il problema della CO2 né quello della corrosività dell elettrolita e questo è un fattore molto importante per restare in linea con quanto detto nei capitoli precedenti. Gli obiettivi ed i programmi di ricerca e sviluppo, per quel che riguarda le applicazioni stazionarie delle PEM, sono quelli di arrivare ad uno stack con vita utile di almeno ore e ad un costo dell elettricità competitivo con quello della rete, senza tenere conto dei numerosi vantaggi quali la possibilità di cogenerazione, emissioni molto contenute sia in termini di inquinanti che di rumori 79

6 e, infine, la modularità, nel senso che permette di variare la capacità senza modificare essenzialmente il rendimento del sistema. Fig. 4.3 Stack di una cella PEM La tecnologia delle PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cells) è disponibile in commercio già da tempo; l efficienza elettrica si attesta intorno al 40% e le unità stazionarie possono erogare fino a 200 kw operando con gas naturale; la temperatura operativa è di circa 200 C; l elettrolita è invece costituito da una membrana di acido fosforico. La cella a combustibile ad acido fosforico (PAFC) è il tipo che ha raggiunto la maggiore maturità tecnologica ed economica. Grazie alla sua alta temperatura d esercizio, essa è ideale per l applicazione in centrali di cogenerazione. 80

7 Uno svantaggio è che, a temperature sotto i 42 C, l acido fosforico cristallizza e questo processo irreversibile rende la cella inutilizzabile. Fig. 4.4 Centrale di cogenerazione con celle a combustibile PAFC Le FC a carbonati fusi del tipo MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) tecnicamente offrono le migliori potenzialità per essere accoppiate con impianti di gassificazione di biomassa, in quanto possono sia accettare monossido di carbonio all alimentazione che inoltre tollerare piccole quantità di anidride carbonica, la quale viene utilizzata nella reazione catodica ed ottenuta come prodotto di quella anodica. Tale tipo di cella opera a circa 650 C ed offre la più alta efficienza rispetto a tutte le altre FC ( 45-55% ). E stata installata in molti impianti pilota, ma ancora non è disponibile a livello commerciale. 81

8 Le celle a combustibile a ossidi solidi ceramici di tipo SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) lavorano con l ossigeno dell aria e idrogeno. La temperatura d esercizio è compresa tra 800 e 1000 C. L alta temperatura consente, all interno della cella, un parziale reforming di gas naturale in idrogeno. Così si riduce notevolmente il dispendio della produzione di idrogeno. La SOFC è prodotta non solo in piastre, ma anche in forma tubolare. Il catodo, l elettrolita e l anodo sono disposti sulla superficie interna del tubo di ceramica. Il gas comburente attraversa l interno del tubo, mentre l ossigeno dell aria passa all esterno. L ambito d'applicazione è la produzione di energia decentralizzata con potenze a partire da 100 kw. Le celle a combustibile da ossidi solidi si prestano sia ad applicazioni fisse sia mobili. Impianti fissi sono sviluppati sia per il settore residenziale che per applicazioni industriali. È possibile prelevare il calore ad alta temperatura e usarlo in processi industriali. Sono in via di sviluppo anche SOFC per grandi centrali in cui il calore è usato per produrre energia elettrica mediante turbine a gas. Si prevede che queste centrali possano raggiungere un rendimento del 70%. Le SOFC destinate ad applicazioni 82

9 mobili non riguardano la costruzione di motori, bensì la sostituzione delle convenzionali batterie di automobili. Il motivo è il crescente numero di apparecchi elettrici nelle automobili, ma anche quello di avere a disposizione, per tempi prolungati, corrente elettrica anche quando il motore è spento. Il carburante è in questo caso la benzina che, prima dell introduzione nella cella a combustibile, deve subire un reforming e una desolforazione. Il problema per le celle SOFC è rappresentato dai costi ancora proibitivi. Come generatori di energia elettrica si vogliono qui sintetizzare ulteriori vantaggi di queste celle a combustibile: bassa manutenzione per l assenza di importanti organi in movimento (ad esclusione dei sistemi di pompaggio e ricircolazione dei gas); 83

10 facilità nell individuazione dei siti d installazione, anche in zone densamente abitate e/o con ristretti vincoli ambientali; capacità di offrire energia elettrica di elevata qualità, in termini di continuità, disponibilità, possibilità di regolazione locale della potenza, pronta risposta alle variazioni di carico. Grazie ai vantaggi sopra esposti, nel medio termine, le celle a combustibile possono assumere un ruolo determinante nella generazione stazionaria di potenza, soprattutto nei riguardi della generazione distribuita che in questi anni ha acquistato una importanza notevole. 84

11 4.2 CONSIDERAZIONI SUL RENDIMENTO DEL SISTEMA A FUEL CELL Un ulteriore parametro su cui agire per variare l efficienza di una cella è la percentuale di utilizzazione del combustibile. Essa è definita come il rapporto fra l idrogeno consumato nella cella e quello immesso nella stessa: U H in H H in out = = f H H cons in Sebbene, dal punto di vista teorico, si potrebbe pensare di portare il valore di Uf al 100%, l esperienza mostra che il valore ottimo di Uf si attesta intorno all 80%. Ciò deriva sia dalla necessità di avere una riserva combustibile indispensabile per fornire energia al sistema di trattamento, nei casi in cui la cella lo preveda (oggetto della tesi ciò non è necessario in quanto l elettrolizzatore produce idrogeno puro al 99%), che per evitare un calo del potenziale massimo termodinamico ottenibile. Il rendimento di un sistema reale a Fuel Cells si può esprimere come: η = m W el, reale * PCI comb comb dove: W el, reale mcomb PCI comb = lavoro elettrico reale = portata idrogeno in ingresso = potere calorifico inferiore dell idrogeno 85