Celle a Combustibile, una fonte competitiva Meeting ITIS G. Marconi Catania - 24 Giugno 2008 S. Leonardi 1
Sommario Panoramica sulle Celle a Combustibile Attività Celle a Combustibile in Azienda
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.
Cenni Storici 1839 - William Grove, avvocato Inglese, amante della fisica, scopre casualmente il principio delle fuel cells. 1950 - 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 1839 1960 1993
Evoluzione
Schema Generico
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
Struttura (PEMFC) fuel_cell[1].swf
Architettura (PEMFC) fuelcell[1].swf
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 237.340 J mol E = = = 1. 23Volt 1 nf 2 96.485 Asmol 1 G 702.350 J mol E = = = 1. 21Volt 1 nf 6 96.485 Asmol
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 = = 237.34 286.02 702.35 726.51 = 83% = 97%
Perdite di Tensione H 2 E H = nf + T S nf + RT PH P 2 ln PH 2 0.5 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
Caratteristica I-V
Caratteristica I-P Curva di polarizzazione e potenza erogata da una DMFC Confronto dati sperimentali con modello (T=20 C).
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 - 100 C 60 C - 200 C 180 C - 250 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 % 40 70 40-45 50-60 50-65 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
Efficienza
Combustibili
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 > 760 0 C H 2 - Generator Produzione H 2, per esempio da N a BH 4 Temperatura Ambiente
Emissioni
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
Schema Generico Impianto
Applicazioni
Attività Celle a Combustibile in Azienda Applicazioni per Sistemi Portatili 23
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
Obiettivo R&D Integrare monoliticamente un sistema autonomo in grado di alimentare dispositivi portatili comprendente : - Sistema di Celle a combustibile Planare + - Generatore di H 2 + - Integrazione del Sistema + - Gestione elettronica della Potenza
Celle a Combustibile
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
Esempio Strutture Piatti silicio Piatti Catodo Piatti Anodo MeOH Piatti Anodo H 2 Mea Side Air Side
Progetto Piatti Bipolari in Silicio
Prototipazione Rapida di Celle a Combustibile Voltage(V) Voltage(V), Power Density(mW/cm 2 ) vs. Current Density(mA/cm 2 ) 1 280 260 0.9 240 0.8 220 0.7 200 180 0.6 160 0.5 140 120 0.4 100 0.3 80 0.2 60 40 0.1 20 0 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Current Density(mA/cm 2 ) Power Density(mW/cm 2 ) Power Density(mW/cm 2 ) Power Density(mW/cm 2 ) vs. Test Time(s) 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 Test Time(s) Curva Caratteristica (I-V, I-P) Test di Durata con carico ciclico CAD Design Testing Mea Anode Cathode Prototipazione Rapida
Generatore di Idrogeno
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
Generazione di H 2 H 2 Catalyst Surface (Ru/SiO 2 ) Silicon Micromachined Reactor NaBO 2 NaBH 4 (SBH) Solution
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
Sistema Portatile
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
Principali Elementi del Sistema
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
Gestione Elettronica delle Potenza del sistema
Integrazione Sistema e Power Management
Sistema Ibrido Micro Fuel Cell - Batteria
Fine Presentazione S. Leonardi Grazie ----------------------------------------------------- New Devices Design Manager IMS (Industrial & Multisegment Sector) Group, R&D NDT (New Devices and Technologies) Group. Phone: +39 95 7407645 Mobile: + 39 346 499 2010 Fax: +39 95 7407717 E-mail: salvatore.leonardi@st.com ----------------------------------------------------- 42