Celle a Combustibile, una fonte competitiva. Meeting ITIS G. Marconi

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Paolo Ceccarelli
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1 Celle a Combustibile, una fonte competitiva Meeting ITIS G. Marconi Catania - 24 Giugno 2008 S. Leonardi 1

2 Sommario Panoramica sulle Celle a Combustibile Attività Celle a Combustibile in Azienda

3 Introduzione Le celle a combustibile (Fuel Cell), sono dispositivi che convertono l energia chimica (dei reagenti) direttamente in energia elettrica e calore. Sono simili alle batterie e quindi come gli altri elementi voltaici, sono formate essenzialmente da due elettrodi, catodo ed anodo, e da un elettrolita che permette la migrazione degli ioni. Diversamente dalle batterie comuni, nelle celle a combustibile la materia attiva viene continuamente rinnovata e quindi la corrente elettrica continua può essere erogata indefinitamente se si mantiene l'alimentazione del combustibile e del gas ossidante. In realtà la corrosione e il degrado dei componenti ne limitano la durata.

4 Cenni Storici William Grove, avvocato Inglese, amante della fisica, scopre casualmente il principio delle fuel cells Francis Bacon, un ingegnere chimico dell Università di Cambridge, realizza una fuel cell di tipo alcalino, utilizzando il KOH come elettrolita ed il nickel come elettrodi. 1960, l IFC (International Fuel Cell) in Windsor (Connecticut USA), sviluppa una fuel cell per alimentare la navicella spaziale Apollo, da 15 kw. 1993, la compagnia Energy Partners realizza il primo prototipo di automobile alimentata con PEM fuel cell. Un secolo dopo MPA

elettrolita ed il nickel come elettrodi.

5 Evoluzione

6 Schema Generico

7 Funzionamento (PEMFC) Anodo: H 2 2H + + 2e - H 2 + 2Pt 2Pt - H H + + H 2 O H 3 O + Catodo: ½ O 2 + 2e - + 2H + H 2 O O 2 + 2Pt 2O - H Netta: H 2 + ½ O 2 H 2 O Catalizzatore Membrana

8 Struttura (PEMFC) fuel_cell[1].swf

9 Architettura (PEMFC) fuelcell[1].swf

10 Potenziale Teorico W el = qe G = H T S q = nn Avg qel E = H nf T S nf W el = nfe W el = G E = G nf H 2 MeOH 1 G J mol E = = = 1. 23Volt 1 nf Asmol 1 G J mol E = = = 1. 21Volt 1 nf Asmol

1 G 237.340 J mol E = = = 1. 23Volt 1 nf 2 96.

11 Rendimento Termodinamico Il rendimento termodinamico in un processo di conversione d energia, può esprimersi come il rapporto tra l energia d uscita e quella d ingresso. In una fuel cell, l energia d uscita è quella prodotta, mentre quella d ingresso è l entalpia del combustibile. Ipotizzando che tutta l energia libera di Gibbs sia convertita in elettricità, il massimo rendimento per una fuel cell risulta : T S η = G H = 1 H L aumento della temperatura porta ad una riduzione delle prestazioni. H 2 MeOH η = G H η = G H = = = 83% = 97%

Ipotizzando che tutta l energia libera di Gibbs sia convertita in elettricità, il massimo rendimento per una fuel cell risulta : T S η = G H

12 Perdite di Tensione H 2 E H = nf + T S nf + RT PH P 2 ln PH O O 2 MeOH E P + RT ln P 1.5 H T S CH 3OH O2 = + 2 nf nf CO PH O 2 P 2 η = act RT ln αnf i i o La perdita per attivazione avviene, quando la velocità di una reazione elettrochimica sull interfaccia elettrolita-elettrodo è lenta η ohm = ir Ohm Le perdite Ohmiche derivano dalla resistenza offerta al flusso di ioni attraverso l elettrolita ed al flusso degli elettroni attraverso gli elettrodi V cell = E η act η conc η ohm η conc = E = RT nf C ln C S B Le perdite per concentrazione dipendono dall incapacità di mantenere costante la concentrazione dei reagenti consumati durante la reazione elettrochimica agli elettrodi

elettrolita-elettrodo è lenta η ohm = ir Ohm Le perdite Ohmiche derivano dalla resistenza offerta al flusso di ioni attraverso l elettrolita ed al flusso degli elettroni

13 Caratteristica I-V

14 Caratteristica I-P Curva di polarizzazione e potenza erogata da una DMFC Confronto dati sperimentali con modello (T=20 C).

15 Tipi PEM & DMFC AFC AFC MCFC SOFC Elettrolita Membrana a Scambio di ioni Concentrato di KOH, Alcalino Acido fosforico concentrato Mix carbonati alcalini Ceramica, ossido di zirconio drogato Temperatura operativa 70 C C 60 C C 180 C C 600 C-1000 C 600 C 1000 C Carica trasferita H+ OH H+ CO 3 O Catalizzatore Platino (PEM); Platino e Rutenio(DMFC) Platino Platino Nickel Non richiesto Reforming esterno SI SI SI NO NO Reforming interno NO NO NO SI SI Rendimento % Prodotti H2O (PEM); H2O +CO2 (DMFC) H2O H2O H2O H2O+CO2 Applicazioni Piccoli generatori, Uso residenziale, µfc, Trasporto Spaziali, Generatori portatili, Trasporto Cogenerazione,Potenza distribuita Cogenerazione, Potenza distribuita Potenza distribuita

Platino Nickel Non richiesto Reforming esterno SI SI SI NO NO Reforming interno NO NO NO SI SI Rendimento % 40 70 40-45 50-60 50-65 Prodotti H2O (PEM); H2O +CO2 (DMFC) H2O H2O H2O H2O+CO2

16 Efficienza

17 Combustibili

18 Reforming H 2 Reforming Reforming catalitico: C n H m + n H 2 O n CO + (m/2 + n) H 2 Conversione della CO: n CO + n H 2 O n CO 2 + n H 2 T > C H 2 - Generator Produzione H 2, per esempio da N a BH 4 Temperatura Ambiente

+ n H 2 O n CO 2 + n H 2 T > 760 0 C H 2 - Generator

19 Emissioni

20 Caratteristiche Vantaggi Oltre il limite di Carnot Funzionamento anche a Temperatura Ambiente Rendimento poco dipendente dal carico Costruzione di impianti dimensioni molto differenti Emissione gassose/ acustiche ridotte Svantaggi Produzione e Stoccaggio H 2 Corrosione Materiali Gestione Membrane Cinetica Lenta Sistema Complesso Ampio utilizzo di potenza Utilizzo diversi tipi carburante Reforming piu pulito vs combustione idrocarburi

ridotte Svantaggi Produzione e Stoccaggio H 2 Corrosione Materiali Gestione Membrane Cinetica Lenta Sistema

21 Schema Generico Impianto

22 Applicazioni

23 Attività Celle a Combustibile in Azienda Applicazioni per Sistemi Portatili 23

24 Obiettivo R&D Miniaturizzazione di un sistema Fuel Cell (tipo PEMFC) in silicio o altro materiale, da utilizzarsi nel campo delle applicazioni portatili e quindi per potenze dell ordine di qualche Watt, comprendente anche il sistema di alimentazione basato su criteri del tipo Hydrogen-on-demand. Micro Fuel Cell Generatore H 2

25 Obiettivo R&D Integrare monoliticamente un sistema autonomo in grado di alimentare dispositivi portatili comprendente : - Sistema di Celle a combustibile Planare + - Generatore di H Integrazione del Sistema + - Gestione elettronica della Potenza

26 Celle a Combustibile

27 Micro Celle a Combustibile tramite Piatti Bipolari Realizzazione di dispositivi Micro Fuel Cell tramite l integrazione di strutture MEA commerciali su piatti bipolari in silicio lavorati, home-made. O 2 H 2 Catodo Piatti Bipolari in silicio lavorati MEA Piatti Bipolari in silicio lavorati Anodo Catodo Anodo

28 Esempio Strutture Piatti silicio Piatti Catodo Piatti Anodo MeOH Piatti Anodo H 2 Mea Side Air Side

29 Progetto Piatti Bipolari in Silicio

30 Prototipazione Rapida di Celle a Combustibile Voltage(V) Voltage(V), Power Density(mW/cm 2 ) vs. Current Density(mA/cm 2 ) Current Density(mA/cm 2 ) Power Density(mW/cm 2 ) Power Density(mW/cm 2 ) Power Density(mW/cm 2 ) vs. Test Time(s) Test Time(s) Curva Caratteristica (I-V, I-P) Test di Durata con carico ciclico CAD Design Testing Mea Anode Cathode Prototipazione Rapida

31 Generatore di Idrogeno

32 Generatore di H 2 Realizzazione del Generatore di H 2, da NaBH4 in soluzione, integrato su supporto in silicio. H 2 Membrana N a BH 4 Supporto in silicio N a BO 2 Catalizzatore

33 Generazione di H 2 H 2 Catalyst Surface (Ru/SiO 2 ) Silicon Micromachined Reactor NaBO 2 NaBH 4 (SBH) Solution

34 Realizzazione Generatore di H 2 Integrazione Macro Prototipo Reactor Operation SBH Solution Inlet H 2 Catalyst Surface H2 Generation NaBO 2 (Borate) Outlet Bottom Raeactor Side Reactor Components Polycarbonate Hardware (Two Parts) Catalyst (Ru/Al2O3 Pellets) Gas/Liquid Separator Membrane (Celgard 4560) SBH Solution Reactor Design Borate Load Measurement Box Peristaltic Pump Polycarbonate Reactor Fuel Cell Borate Solution H 2 H 2 Reactor Fan SBH Solution SBH Solution

35 Sistema Portatile

36 Integrazione Sistema Portatile Integrare monoliticamente un sistema autonomo in grado di alimentare dispositivi portatili comprendente : - Generatore di H 2 in PCB + - Sistema di Celle a combustibile Planare in PCB + - Integrazione del Sistema + - Gestione elettronica della Potenza

37 Principali Elementi del Sistema

38 Esempio Integrazione del Sistema mfc Board SERIAL / PARALLEL PCB FC 1 FC 2 FC 3 FC n FC m MICROPUMP + DRIVER POWER CONVERTER CONTROLLER (Micropump, Sensors, Other elements needed MeOH SOLUTION CARTRIDGE BATTERY Sensor LOAD Sensor

39 Gestione Elettronica delle Potenza del sistema

40 Integrazione Sistema e Power Management

41 Sistema Ibrido Micro Fuel Cell - Batteria

42 Fine Presentazione S. Leonardi Grazie New Devices Design Manager IMS (Industrial & Multisegment Sector) Group, R&D NDT (New Devices and Technologies) Group. Phone: Mobile: Fax: salvatore.leonardi@st.com

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