Celle a combustibile Fuel cells (FC)

Documenti analoghi
Celle a combustibile Fuel cells (FC)

Fisica Antonio Maggiore

LA PILA A COMBUSTIBILE (PEMFC polymer electrolyte membrane fuel cell)

Dalle pile chimiche celle a combustibile

1 Me Me (s) Me + (aq) + e -

COSA SONO LE CELLE A COMBUSTIBILE?

Laboratorio di chimica

Approfondimento. Pile a combustibile ad elettrolita alcalino (AFC).

CELLE A COMBUSTIBILE. Principi di funzionamento, applicazioni e prospettive. Corso di Sistemi Energetici A.A

Processi ossido-riduttivi chimici ed elettrochimici

Elettrolisi. Legge di Ohm V = R I. Cella elettrolitica. conduttore di prima specie. conduttore di seconda specie. Potenziale di decomposizione

Dispensa N. 14 Idrogeno e celle a combustibile

Esploriamo la chimica

Elettrochimica. Studia la trasformazione dell energia chimica in energia elettrica e viceversa.

Le reazioni redox e l elettrochimica Capitolo 18

Citare tre stati europei che utilizzano in percentuale rilevante l energia nucleare per la produzione dell elettricità: 1) 2) 3)

Le Celle a Combustibile

ELETTROCHIMICA: studia le relazioni tra energia chimica ed energia elettrica

Il riducente si ossida cedendo elettroni all agente ossidante

ELETTROCHIMICA APPLICATA: LE CELLE A COMBUSTIBILE AD IDROGENO

Reazioni redox ed elettrochimica Nelle reazioni di ossidoriduzione degli elettroni vengono trasferiti da un reagente ad un altro reagente.

SOLUZIONI COMPITO A DI CHIMICA DEL

Reazioni redox ed elettrochimica Nelle reazioni di ossidoriduzione degli elettroni vengono trasferiti da un reagente ad un altro reagente.

ELETTROCHIMICA E EQUILIBRI DI OSSIDO-RIDUZIONE

1. Celle galvaniche o pile. 2. Celle elettrolitiche

IL METABOLISMO CELLULARE

ELETTROCHIMICA. Consideriamo la reazione che si ha quando si aggiunge dello zinco ad una soluzione acquosa di acido cloridrico:

ESERCIZI Tabella dei potenziali

5. Dispositivi per la conversione dell energia chimica in energia elettrica

Elettrochimica. Studia la relazione fra variazione di energia libera e flussi di cariche in una reazione chimica.

Capitolo 4 FUEL CELLS

LE PILE. La scala delle reattività redox. La scala delle reattività redox. La scala delle reattività redox. dall energia chimica a quella elettrica

Aspetti energetici associati alle reazioni chimiche: Dalle pile chimiche alle celle a combustibile

Schema di una cella galvanica

Caratteristiche principali delle celle a combustibile

Europa stanziamento iniziale di 470 milioni L'obiettivo è chiaro: lanciare in commercio le automobili a idrogeno nel decennio

LE CELLE ELETTROCHIMICHE

Valitutti, Falasca, Tifi, Gentile. Chimica. concetti e modelli.blu

STUDIO DI MASSIMA DI UN VEICOLO PERSONALE MOTORIZZATO MEDIANTE CELLE A COMBUSTIBILE

SISTEMI ELETTROCHIMICI

SCHEDA DI LABORATORIO

ELETTROCHIMICA 16/12/2015

Elettrochimica. Celle Galvaniche o Pile. Redox. Celle Galvaniche. Reazioni Redox. Celle Galvaniche. Celle Galvaniche

CELLE A COMBUSTIBILE

Molti ceramici sono sempre più utilizzati nel settore dell elettrotecnica e dell elettronica. La conducibilità di tipo elettronica o ionica può

Tipologie di celle a combustibile

Capitolo 16 L energia si trasferisce

Studio delle trasformazioni dell energia chimica e dell energia elettrica

Lezione 16. Elettrodinamica

Le Pile. Zn 2+ Ag + a=1 a=1

Le batterie Ni/Cd. Dette Alcaline

ELETTROLISI TRASFORMAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA IN ENERGIA CHIMICA

Corso di Chimica e Propedeutica Biochimica Reazioni in soluzione acquosa

Esercitazioni di Elementi di Chimica. Modulo 3 Trasformazioni della Materia

Le celle a combustibile. Rosa Barrera

COME CALCOLARE I NUMERI DI OSSIDAZIONE

ELETTROCHIMICA. Zn(s) + Cu +2 Zn +2 + Cu. Ossidazione: perdita di elettroni Riduzione: acquisto di elettroni. +2e

Energia Azienda Agricola

l idrogeno Il vettore energetico di transizione Piercarlo ROMAGNONI Dorsoduro Venezia

Esercitazioni di stechiometria - Corso di Chimica Generale ed inorganica C. dove : R = costante dei gas T = 298,15 K F = Faraday

2- (aq) + Zn (s) Zn 2+ (aq) + SO 4. Semi-reazione di ossidazione: in cui una specie chimica perde elettroni

Catodo ( ) 2H 3 O + + 2e - 2H 2 O + H 2 Anodo (+) 2Cl - 2e - + Cl 2

energia Silvia Bodoardo

L equilibrio non è descritto dalla legge di Henry applicata alla specie HCl(aq): a basse concentrazioni. p x m

Elettrochimica. ChimicaGenerale_lezione22 1

Combustione 2H 2 CO 2. Entalpie standard di combustione

UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PADOVA SCELTA DEI COMPRESSORI IDONEI ALL ACCOPPIAMENTO CON UN PROTOTIPO DI PILA A COMBUSTIBILE POLIMERICA

Un Modello di Pila a Combustibile a Carbonati Fusi

PILE ZINCO-CARBONE (Pile Leclanché)

Chimica Fisica dei Materiali

Appunti di Stechiometria per Chimica. Elettrochimica

Bioelettrodi. Elettrodi e pricipi di elettrochimica

Le ossidoriduzioni. Luigi Galvani ( ) Alessandro Volta ( ) Walther H. Nernst ( )

Chimica per l energia a.a. 2013/14. Celle a combus,bile (Fuel Cells) PEMFCs

Istituto Tecnologie Avanzate per l Energia Nicola Giordano Messina

ESERCIZI POTENZIOMETRIA

Chimica Generale ed Inorganica

Reazioni di ossido-riduzione

... corso di chimica elettrochimica 1

in collaborazione con: Hydrogen Economy Milano, 21 febbraio 2003

2 Li + ½ O 2 Li 2 O 2 Li + O 2 Li 2 O 2

Cu(s) + Zn 2+ (aq) Cu 2+ (aq) + Zn(s) Cu 2+ (aq) + Zn(s) Cu(s) + Zn 2+ (aq)

Sommario. Vetri e ceramici - materiali nuovi o antichi? - applicazioni innovative. Materiali ed energia. Celle a combustibile SOFC

Termodinamica e termochimica

Corrosione e protezione dei metalli: introduzione

Unità 7. La corrente elettrica nei liquidi e nei gas

PROSEGUI LA LETTURA!

Corso di Chimica e Propedeutica Biochimica Le ossidoriduzioni

9065X Chimica. Modello esame svolto. Esempio di compito scritto di Chimica. Politecnico di Torino CeTeM

Marianna Villano, Federico Aulenta *, Mauro Majone. Dipartimento di Chimica Sapienza Università di Roma * IRSA-CNR

L EFFETTO VOLTA E LA PILA DI VOLTA. Appunti del Prof.P.Chiaradia 1, A.A

Zaccaria Del Prete - Pierluigi Schiavetti - Luigi Capobianco

INDAGINI SULLE TECNOLOGIE DELL IDROGENO QUALE VETTORE ENERGETICO PER L ACCUMULO

è caratterizzata da due semi-reazioni i cui potenziali elettrochimici sono regolati dall'equazione di Nernst. Pertanto si può scrivere ln (V.1.

Termodinamica e termochimica

CELLE A COMBUSTIBILE Ing. Andrea Nicolini

Biosensori Sensori Chimici. Alessandro Tognetti

Elettrochimica. Uso di reazioni chimiche di ossidoriduzione spontanee per produrre. corrente elettrica. Si parla di PROCESSO ELETTROCHIMICO, e il

Esempio Zn (s) + CuSO 4(aq) î Cu (s) + ZnSO 4(aq)

Transcript:

Celle a combustibile Fuel cells (FC)

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.

La cella di Grove

Celle a combustibile (scambio protonico)

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:

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

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:

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

Principi della Termodinamica

Rendimento teorico e fattori termodinamici

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.

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

Stack di celle a combustibile

Elettrolisi e la produzione di idrogeno

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 474.4 kj, il che traduce la non spontaneità della reazione.

Elettrolisi e la produzione di idrogeno

Classificazione delle celle a combustibile (temperatura) t

Classificazione delle celle a combustibile (Materiali)

PEMFC

PEMFCs classificazione ca

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.

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

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):

PEMFC componenti

Elettrolita ta

Alternative e al Nafion

Elettrodi

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

Platinum Nanoparticles Economising on platinum by coating onto a carbide micro-sphere (Ganesan, Lee, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 6557 6560)

Platinum Replacements Nickel Tantalum Carbide. Resists corrosion Catalytic, depending on Nickel content (Y.-J. Chen et al. / Materials Letters 280 56 (2002) 279 283)

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.

SOFCs

Vantaggi delle SOFCs

Svantaggi delle SOFCs

Requisiti generali dei materiali

Applicazione: Mobile

Applicazione: Stazionario

Design

Planare

Monolithic

Tubolare

A segmenti