Celle a combustibile Fuel cells (FC)

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1 Celle a combustibile Fuel cells (FC)

2 Celle e a combustibile b Sono dispositivi di conversione elettrochimica ad alto rendimento energetico. Esse trasformano in potenza elettrica l energia chimica contenuta in un combustibile che reagisce con un comburente. 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. L elemento fondamentale della fuel cell è la cella singola che è costituita da due elettrodi, un anodo e un catodo, separati da un elettrolita, lit che può essere un liquido, un solido costituito da una sottile membrana polimerica o ceramica. L elettrolita consente il passaggio dei soli ioni dall'anodo al catodo o viceversa. Il flusso di ioni i (portatori t di carica) è una corrente elettrica il cui verso dipende dalla natura dell elettrolita e la cui intensità dipende dall intensità della reazione chimica che avviene agli elettrodi. 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.

3 La cella di Grove

4 Celle a combustibile (scambio protonico)

5 Fondamenti teorici I principi operativi delle fuel cell sono indipendenti dal ciclo di Carnot e l efficenza teorica è dipende esclusivamente dalla temperatura della cella e dal tipo di combustibile b utilizzato. Ilmassimo lavoro oricavabile ab da una cella a combustibile b Wel è uguale alla variazione di energia libera (G) relativa alla reazione del combustibile (primo e secondo principia della termodinamica): Nel caso in cui la cella utilizzi idrogeno come combustibile ed ossigeno come comburente la reazione complessiva è: Che nella cella si divide in due step di reazione al catodo e all anodo respettivamente:

6 Reazioni agli elettrodi Ossidazione del combustibile (H 2 oppure CO) all anodo Corrente elletrica nel circuito esterno Corrente ionica i nell elettrolita l lit Riduzione dell ossigeno al catodo

7 La corrente ionica nell elettrolita elettrolita cambia a seconda della natura chimica del materiale che lo compone. Esistono elettroliti che conducono protoni ioni ossigeno, ioni idrossidi, carbonati etc. Nel caso in cui il combustibile sia idrogeno il prodotto di reazione è l acqua. L acqua si forma al catodo nel caso in cui la corrente ionica sia il protone, secondo la reazione: Al contrario nel caso in cui il portatore di carica sia lo ione ossigeno l acqua si Al contrario, nel caso in cui il portatore di carica sia lo ione ossigeno l acqua si forma all anodo, secondo la reazione:

8 Prestazioni delle celle a combustibile Le prestazioni delle celle a combustibile 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 Principi della Termodinamica

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16 Rendimento teorico e fattori termodinamici

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18 Nel caso in cui il il gas anodico è rappresentato t da idrogeno il rendimento teorico raggiunge il 70%. Nel caso del carbone utilizzato in modo diretto come combustibile il rendimento ideale è unitario. Bisogna però notare che il rendimento non rappresenta tutta l'energia fornita alla cella a combustibile, ma soltanto una parte (quella chimica). Ne consegue che una corretta definizione di rendimento dovrebbe integrare anche eventuali fonti di energia aggiuntive come il calore fornito alla cella per operare.

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22 Fattori cinetici La tensione teorica (open circuit voltage) e gli effetti di polarizzazione

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28 Stack di celle a combustibile

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31 Elettrolisi e la produzione di idrogeno

32 Elettrolisi dell acqua e la produzione di idrogeno L'elettrolisi dell'acqua è un processo elettrolitico nel quale il passaggio di corrente elettrica causa la decomposizione dell'acqua in ossigeno ed idrogeno gassosi. Il termine elettrolisi e composta da elettro (elettricità) e lisi (separazione). La cella elettrolitica è in genere composta da due elettrodi di un metallo inerte, ad esempio platino immersi in una soluzione elettrolitica e connessi ad una sorgente di corrente, in genere una sorgente da 6 volt. La corrente elettrica dissocia la molecola d'acqua negli ioni H+ e OH-. Nelle celle elettrolitiche al catodo gli ioni idrogeno acquistano elettroni in una reazione di riduzione che porta alla formazione di idrogeno gassoso: 2H2O + 2e- H2 + 2OH- 2H2O O2 + 4H+ + 4e- 2H2O 2H2 + O2 L'idrogeno appare dal catodo (l'elettrodo caricato negativamente da cui gli elettroni vengono immessi nell'acqua), mentre dall'anodo (l'elettrodo caricato positivamente, in cui vengono assorbiti gli elettroni provenienti dall'acqua) si sviluppa ossigeno. La quantità di idrogeno è approssimativamente doppia di quella dell'ossigeno. La decomposizione dell'acqua in idrogeno ed ossigeno in condizioni standard è una rezione sfavorita in termini termodinamici, poiché entrambe le semireazioni che intervengono hanno potenziali negativi. Utilizzando l'equazione ΔG = nfe,, l'energia libera di Gibbs per il processo in condizioni standard vale kj, il che traduce la non spontaneità della reazione.

33 Elettrolisi e la produzione di idrogeno

34 Classificazione delle celle a combustibile (temperatura) t

35 Classificazione delle celle a combustibile (Materiali)

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41 PEMFC

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47 PEMFCs classificazione ca

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52 Direct Methanol cells Mobile Cell. 100 mw power, volume: 22 mm x 56 mm x 5mm. 2 cc fuel, lifetime 20 hours? Toshiba. Laptop Cell. Volume ~ 1 litre, powers one laptop. 10 hours fuel supply. Toshiba.

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55 Methanol Reaction schematic CH 3 OH CH 2 OH CHOH COH CH 2 OOH CHOOH COOH CH C Multi-step t process Several toxic organics CO 2 + H 2 O Complex hence sluggish reaction compared to hydrogen

56 Methanol cells challenges Avoid toxicity! it - toxic vapour from air-breathing cells! - scrub output lines with more catalysts? Control flammable vapour - highly rugged technology Methanol infrastructure - non-rechargeable cells! Avoid cell degradation - carbon soot from MeOH is likely to snarl up the cell Applications Remote long-term power supply? e.g. Alaskan weather stations C Ch b li 2004 (S h t E C. Chamberlin 2004 (Schatz Energy Research Centre):

57 PEMFC componenti

58 Elettrolita ta

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60 Alternative e al Nafion

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80 Elettrodi

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83 Materials Science Miniaturisation and cost reduction Reduce Platinum loading Platinum nanoparticles on graphite Platinum alloys Pt 3 Co y 3 Platinum surfacing onto lattice-matched particles of base material Reduce membrane electrolyte cost Mass production Expiry of patents Replace Platinum entirely! Base materials: tungsten carbide, tantalum carbide Embedded nickel Metal organic compounds

84 Platinum Nanoparticles Economising on platinum by coating onto a carbide micro-sphere (Ganesan, Lee, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, )

85 Platinum Replacements Nickel Tantalum Carbide. Resists corrosion Catalytic, depending on Nickel content (Y.-J. Chen et al. / Materials Letters (2002) )

86 Platinum Replacements Tungsten Carbide, Eric Rees, 23 Oct 06 Some catalysis 30 ma/cm 2 as an electrolyser, only 2 ma as a cell, both at 150 mv from equilibrium.

87 SOFCs

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89 Vantaggi delle SOFCs

90 Svantaggi delle SOFCs

91 Requisiti generali dei materiali

92 Applicazione: Mobile

93 Applicazione: Stazionario

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95 Design

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97 Planare

98 Monolithic

99 Tubolare

100 A segmenti