ELETTROCHIMICA APPLICATA: LE CELLE A COMBUSTIBILE AD IDROGENO

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1 ELETTROCHIMICA APPLICATA: LE CELLE A COMBUSTIBILE AD IDROGENO CHIMICA MATERIALI ED ENERGIA Ordine dei Chimici di Brescia Alessandro Francesconi 25 novembre 2011

2 QUESTIONE ENERGIA in 10 anni POPOLAZIONE + 12% ENERGIA PRIMARIA +20% ELETTRICITA +30% Per il 2030 si prevede che la domanda di energia elettrica sarà il doppio di quella del 2007 e che la sua produzione assorbirà il 44% delle risorse energetiche totali Per esempio, in Cina, nel triennio , sono stati resi disponibili 300 MW/giorno di nuove centrali, 80% delle quali a carbone. (equivalente a 100 GW/anno, pari al doppio del fabbisogno di picco in Italia) 2

3 FONTI ED ENERGIA ELETTRICA ALTERNATIVE Oltre alle fonti sfruttate tradizionalmente (combustibili fossili, idroelettrica, fissione atomica) si sta sviluppando la gamma delle fonti rinnovabili: eolica, geotermica, solare fotovoltaico e termodinamico, biomassa (naturale e di origine «antropica»), marina (onde, maree, gradiente salino) Al di là del tema affrontato a livello globale c è attenzione ed interesse per dispositivi di produzione di energia elettrica a livello applicativo quotidiano e di largo consumo, che siano alternativi agli attuali e con caratteristiche di migliore compatibilità ambientale è il caso delle CELLE A COMBUSTIBILE (FUEL CELL) con potenze da 0,1 W fino a 3 MW 3

4 CELLE A COMBUSTIBILE E UN DISPOSITIVO BASATO SU REAZIONI DI TIPO ELETTROCHIMICO CON IL QUALE SI OTTIENE ELETTRICITA DIRETTAMENTE DALLE SOSTANZE IMPIEGATE COME REATTIVI Sono a tutti gli effetti reazioni di «combustione» nelle quali si sfrutta, grazie alle favorevoli condizioni termodinamiche, la possibilità di ionizzare il combustibile, di separare specie ioniche ed elettroni che, esternamente, alimentano il flusso richiesto di corrente ENERGIA CHIMICA CALORE ENERGIA MECCANICA ENERGIA ELETTRICA FUEL CELL 4

5 CELLE A COMBUSTIBILE ossigeno 2H 2 + O 2 2H 2 O + (EE/DC) + calore 5

6 CELLE A COMBUSTIBILE Le celle a combustibile si differenziano in funzione del combustibile, del comburente, dell elettrolita e delle temperature di esercizio TIPO combustibile elettrolita specie ionica comburente T ( C) Polymer Electrolyte FC Direct Methanol FC IDROGENO METANOLO MEMBRANA POLIMERICA MEMBRANA POLIMERICA H + H + ARIA OSSIGENO ARIA Alkaline FC IDROGENO KOH OH - OSSIGENO 80 Molten Carbonate FC IDROCARBURI CARBONATI FUSI (Na,K,Li) CO 3 -- ARIA + CO Solid Oxide FC IDROCARBURI OSSIDI FUSI (di Zr e Y) O -- ARIA 900 Fonte : G.G.Scherer, PAUL SCHERRER INSISTUT European Fuel Cell Forum Lucerna,

7 CELLE A COMBUSTIBILE PEM AD IDROGENO ELETTRODI : catodo di C con Pt come catalizzatore e anodo Pt/Ru su C (per altre FC anche Ni, Ag, LiCoO 2 ) ELETTROLITA: membrana polimerica fluorurata, funzionalizzata con gruppi sulfonici (Nafion di Dupont, Asahi, 3M, Solvay, ecc.), dove lo scheletro idrofobico fornisce la resistenza meccanica ed i «microcanali» interni, pieni di acqua, consentono il trasporto di H 3 O + -(CF 2 -CF 2 ) k -(CF 2 -CF) w - O- (CF 2 -CF-O) m -CF 2 -CF 2 -SO 3 H CF 3 7

8 CELLE A COMBUSTIBILE PEM AD IDROGENO Il cuore della Fuel Cell è la singola unità elettrolitica [ANODO+ELETTROLITA+CATODO] normalmente pre-assemblata Le singole unità sono quindi montate in serie a formare quello è detto STACK, interfacciate da opportune piastre (grafite) che assicurano il passaggio della corrente l entrata e l uscita dei reagenti e dei prodotti la struttura di base di supporto meccanico il controllo della temperatura 8

9 CELLE A COMBUSTIBILE PEM AD IDROGENO IDROGENO HA DIVERSE OPZIONI DI PRODUZIONE da fonti fossili (gas naturale, carbone) e dal nucleare da fonti innovabili, come le biomasse, con processi di gassificazione, pirolisi/reforming, biologici (fermentazione) per via chimica, elettrolisi dell acqua, generazione da NaBH 4 HA ALTO CONTENUTO ENERGETICO IN PESO, MA NON IN VOLUME PROBLEMATICO NEL TRASPORTO E NELLO STOCCAGGIO (compresso, liquefatto a 252 C, idruri, nanostrutture) 9

10 CELLE A COMBUSTIBILE AD IDROGENO ATTIVITA DI RICERCA NUOVE MEMBRANE = per lavorare a temperature più alte NUOVI CATALIZZATORI = più economici (nanotecnologie?) PRODUZIONE DI IDROGENO = nuovi reformer per la produzione di H 2 da fossili, produzioni per via chimica FC IN PRESSIONE = acqua liquida anche ad alte temperature FC REVERSIBILI = H 2 O H 2 H 2 O 10

11 CELLE A COMBUSTIBILE AD IDROGENO EE NON PER PROPULSIONE IDROGENO «INDUSTRIALE» PER RECUPERO ENERGETICO SISTEMI DI BACK-UP ENERGETICO (APU) NEL SETTORE CIVILE E MILITARE (telecomunicazioni, trasporto aereo, natanti, camper e centri elaborazione dati) UNITA PER USO DOMESTICO 11

12 CELLE A COMBUSTIBILE AD IDROGENO EE PER PROPULSIONE Auto: 100 kw, circa 500 km autonomia biciclette per uso urbano o grandi manifestazioni autobus velivoli «unmanned» sommergibili 12

13 CELLE A COMBUSTIBILE AD IDROGENO CURIOSITA 13

14 CELLE A COMBUSTIBILE AD IDROGENO è d interesse per il chimico : - produzione e stoccaggio idrogeno - purezza idrogeno (H 2 S, CO, Cr, ecc) - processi elettrochimici - modeling del sistema - catalizzatori più economici - nuovi materiali per elettrodi - (batterie)?! grazie per l attenzione alessandro.francesconi@chimici.it 14