SISTEMI ELETTROCHIMICI

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Olivia Brunetti
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1 Università degli studi di Palermo SISTEMI ELETTROCHIMICI Dott. Ing. Serena Randazzo Dipartimento di Ingegneria Chimica, Gestionale, Informatica e Meccanica

2 OUTLINE 1) Introduzione sui sistemi elettrochimici 2) La cella elettrochimica 3) Pile ricaricabili 4) Parametri di una batteria 5) Richiami di termodinamica

3 SISTEMI ELETTROCHIMICI di prima specie: PILE o GENERATORI sistemi che convertono l energia chimica generata dalle reazioni redox agli elettrodi in elettrica di seconda specie: ELETTROLIZZATORI sistemi che convertono energia elettrica in energia chimica con lo scopo di fare avvenire delle reazioni redox agli elettrodi

elettrica di seconda specie: ELETTROLIZZATORI sistemi che convertono energia

4 GENERATORI ELETTRICI PRIMARI: convertono energia chimica in elettrica una sola volta SECONDARI o PILE RICARICABILI o anche detti ACCUMULATORI: sono convertitori invertibili di energia, designati per sopportare svariati cicli di carica e scarica FUEL CELLS o CELLE A COMBUSTIBILE: in cui i reagenti sono immagazzinati fuori dalla cella ed alimentati in continuo

di energia, designati per sopportare svariati cicli di carica e scarica FUEL CELLS o

5 CELLA ELETTROCHIMICA (I) E costituita da: Due conduttori di prima specie: ELETTRODI (metalli o semiconduttori) Un conduttore di seconda specie: ELETTROLITA (soluzioni acquose e non, sali fusi e solidi a conducibilità ionica)

6 PILA ELETTRICA ANODO (-) elettrodo riducente: fornisce elettroni al circuito esterno e si ossida CATODO (+) elettrodo ossidante: accetta elettroni dal circuito esterno e si riduce ELETTROLITA: mezzo che consente il trasferimento della carica come ioni nella cella tra anodo e catodo

elettroni dal circuito esterno e si riduce ELETTROLITA: mezzo che

7 PILA RICARICABILE Fase di SCARICA: anodo (-): reazione di ossidazione catodo (+): reazione di riduzione Fase di CARICA: catodo (-): reazione di riduzione anodo (+): reazione di ossidazione

8 PRESTAZIONI DELLE BATTERIE Le prestazioni dei generatori elettrochimici dipendono: 1. da fattori termodinamici (temperatura operativa della cella, le pressioni e le concentrazioni delle specie chimiche) 2. da fattori cinetici delle reazioni elettrochimiche agli elettrodi

da fattori termodinamici (temperatura operativa della cella, le

9 FATTORI TERMODINAMICI LA TENSIONE DI CELLA La tensione di equilibrio: Dove: nf: carica elettrica necessaria per trasformare una mole di reagenti nfe : energia elettrica generata per mole trasformata La tensione ricavata da questa formula si chiama f.e.m., però spesso non può essere esattamente misurata. Il dato più significativo misurabile è la tensione a circuito aperto (OCV)

mole trasformata La tensione ricavata da questa formula si chiama f.e.m., però spesso non può essere esattamente misurata.

10 EQUAZIONE DI NERNST ΔG dipende dalla concentrazione dei reagenti disciolti in soluzione e la reazione che li lega è: Combinando le equazioni si ottiene l Eq. di Nernst:

11 FATTORI CINETICI LA TENSIONE REALE Nelle condizioni operative reali la tensione di circuito aperto decresce a causa della polarizzazione della cella Questi processi dipendono da: - Materiali elettrodici - Elettrolita - Design della cella - temperatura

polarizzazione della cella Questi processi dipendono da: -

12 SOVRATENSIONI DI TRASFERIMENTO DI CARICA: associata alla irreversibilità della reazione di trasferimento di carica all interfaccia elettrodo/soluzione DI CONCENTRAZIONE: si crea all interfaccia un gradiente di concentrazione DI REAZIONE DI CRISTALLIZZAZIONE

interfaccia elettrodo/soluzione DI CONCENTRAZIONE: si crea all

13 PARAMETRI DI UNA BATTERIA TENSIONE EFFICIENZA CAPACITA CONTENUTO DI ENERGIA (ENERGIA SPECIFICA E DENSITA SPECIFICA)

14 CAPACITA La capacità è definita come la carica elettrica (in Ah) che può essere accumulata e si esprime: Durante la scarica di una batteria la capacità dipende da: 1. Corrente di scarica 2. Tensione limite 3. Temperatura 4. Stato di carica della batteria CAPACITA SPECIFICA (mah/g) e (mah/cm 2 )

capacità dipende da: 1. Corrente di scarica 2. Tensione limite 3.

15 CONTENUTO DI ENERGIA È l energia (espressa in Wh) che può essere immagazzinata/estratta da una batteria ed è data da: ENERGIA SPECIFICA (Wh/Kg) DENSITA SPECIFICA (Wh/l)

16 Università degli studi di Palermo CELLE A COMBUSTIBILE Dott. Ing. Serena Randazzo o FUEL CELLS Dipartimento di Ingegneria Chimica, Gestionale, Informatica e Meccanica

17 OUTLINE 1. Principali caratteristiche 2. Principio di funzionamento 3. Proprietà degli elettrodi 4. Classificazione 5. Il sistema a celle a combustibile

18 CARATTERISTICHE PRINCIPALI (I) Sono dispositivi di conversione elettrochimica ad alto rendimento energetico. Esse trasformano in potenza elettrica l energia chimica contenuta in un combustibile (tipicamente H 2 ) che reagisce con un comburente (O 2 o aria).

Esse trasformano in potenza elettrica l energia chimica

19 CARATTERISTICHE PRINCIPALI (II) La fuel cell produce una corrente continua finchè vengono forniti i reagenti agli elettrodi, che non si consumano, ma costituiscono solo il supporto sul quale avvengono le reazioni chimiche. Essa è costituita da una batteria di celle singole messe in serie o in parallelo Le celle a combustibile funzionano a temperature diverse a seconda dei materiali che le costituiscono. Le temperature variano dalla temperatura ambiente a temperature oltre i 1000 C.

Essa è costituita da una batteria di celle singole messe in serie o in parallelo Le celle a combustibile funzionano a

20 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

21 TIPI DI COMBUSTIBILE Anodo 2H 2 4H + + 4e - Catodo 4e - + O 2 + 4H + 2H 2 O Cella 2H 2 + O 2 2H 2 O Anodo CH 4 + 2H 2 O CO 2 + 8H + + 8e - Catodo 8e - + 2O 2 + 8H + 4H 2 O Cella CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O

22 CELLA DI GROVE Costituita da due elettrodi di Pt con una estremità di ciascuno immersa in acido solforico e le altre sigillate separatamente in contenitori di ossigeno e idrogeno

23 CENNI STORICI

24 VANTAGGI 1. Prodotti di scarico con livelli di sostanze inquinanti molto bassi (assenza di NOx e SOx) 2. Possibilità di installare la cella nel luogo stesso in cui serve 3. Natura modulare (una singola cella può avere una potenza da 100 W a qualche kw) 4. Bassissimo rumore 5. Generazione di calore utilizzabile per cogenerazione 6. Capacità di convertire energia chimica in elettrica con rendimenti molto elevati (40%-60%) indipendentemente dalla taglia dell'impianto e dal carico 7. Buoni rendimenti a carichi parziali: in pratica il rendimento rimane costante e pari a quello nominale fra il 30% ed il 100% del carico con un massimo di poco rilievo intorno al 75% della potenza nominale

25 ASPETTI CRITICI 1. Problemi tecnologici e costi di produzione soprattutto relativamente allo stoccaggio dell idrogeno 2. Successo delle soluzioni alternative elettromeccaniche tuttora più economiche e tecnologicamente meno impegnative

26 ELEMENTI DELLA CELLA A COMBUSTIBILE

27 CLASSIFIZAZIONE DEGLI ELETTRODI (POROSI) Idrofobici (carbonio, con aree specifiche molto elevate dell ordine di 1000 m 2 /g) Sono formati da polvere carboniosa legata con un materiale plastico, e formati da almeno due strati, uno altamente idrofobico ma poroso in PTFE, l altro bagnabile dall elettrolita e le reazioni avvengono all interfaccia. In questo caso è sempre necessaria una rete metallica conduttiva che fa da collettore di corrente Idrofili (polveri metalliche, con aree specifiche molto elevate dell ordine di 100 m 2 /g) Hanno lo strato di diffusione dei gas con pori di diametro maggiore dello strato in cui avviene la reazione. In tutti i casi vengono aggiunti dei metalli elettrocatalizzatori. I più usati sono il platino e le sue leghe (con rutenio).

28 ELETTROLITI Il tipo di elettrolita condiziona: - la temperatura di funzionamento della cella - il tipo di reazioni chimiche che possono avvenire agli elettrodi, la loro cinetica e i loro equilibri

29 CLASSIFICAZIONE DELLE FUEL CELLS IN BASE AL TIPO DI ELETTROLITA (I) a bassa T: AFC (cella a elettrolita alcalino) PEM (cella a membrana a scambio protonico o cella a elettrolita solido polimerico DMFC (celle a metanolo diretto) a media e alta T: PAFC (celle a elettrolita acido fosforico) MCFC (celle a elettrolita a carbonati fusi) SOFC (celle a elettrolita a ossidi solidi)

30 CLASSIFICAZIONE DELLE FUEL CELLS IN BASE AL TIPO DI ELETTROLITA (II) a bassa T: Sono necessari metalli catalizzatori costosi e in caso delle celle a metano/ossigeno il CO 2 può avvelenare i catalizzatori e bloccare il funzionamento della cella a media e alta T: Si possono utilizzare metalli meno nobili (Ni) o nessuno e nel caso delle celle a metano/ossigeno non c è il problema dell avvelenamento dei catalizzatori

31 STACK DI CELLE A COMBUSTIBILE

32 IL SISTEMA A CELLE A COMBUSTIBILE Stack Apparecchiature di adduzione e ritiro dei gas e dei liquidi Inverter per la conversione DC/AC dell energia generata (attualmente con un rendimento di conversione del 96%) Eventuale sistema di generazione in loco dell idrogeno necessario ad alimentare il generatore

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