SISTEMI ELETTROCHIMICI

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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

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

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

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

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)

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

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

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 )

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).

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.

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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