Cella a combustibile- che cos'è? Quando e come è apparso? Perché è necessario e perché se ne parla così spesso al giorno d'oggi? Quali sono le sue applicazioni, caratteristiche e proprietà? Il progresso inarrestabile richiede risposte a tutte queste domande!
Cos'è una cella a combustibile?
Cella a combustibile- è una sorgente di corrente chimica o un generatore elettrochimico; è un dispositivo per convertire l'energia chimica in energia elettrica. Nella vita moderna, le fonti di energia chimica vengono utilizzate ovunque e sono batterie per telefoni cellulari, laptop, PDA, nonché batterie per automobili, gruppi di continuità, ecc. La prossima fase nello sviluppo di quest'area sarà la diffusione capillare delle celle a combustibile e questo è un fatto inconfutabile.
Storia delle celle a combustibile
La storia delle celle a combustibile è un'altra storia su come le proprietà della materia, una volta scoperte sulla Terra, trovarono ampia applicazione nello spazio e all'inizio del millennio tornarono dal cielo alla Terra.
Tutto ebbe inizio nel 1839, quando il chimico tedesco Christian Schönbein pubblicò i principi della cella a combustibile sul Philosophical Journal. Nello stesso anno, un inglese laureato a Oxford, William Robert Grove, progettò una cella galvanica, in seguito chiamata cella galvanica Grove, che è anche riconosciuta come la prima cella a combustibile. Il nome "cella a combustibile" fu dato all'invenzione nell'anno del suo anniversario, nel 1889. Ludwig Mond e Karl Langer sono gli autori del termine.
Poco prima, nel 1874, Jules Verne, nel suo romanzo L’isola misteriosa, aveva predetto l’attuale situazione energetica, scrivendo che “L’acqua un giorno verrà utilizzata come combustibile, l’idrogeno e l’ossigeno di cui è composta verranno utilizzati”.
Nel frattempo, la nuova tecnologia di alimentazione è stata gradualmente migliorata e dagli anni '50 del XX secolo non è passato un anno senza l'annuncio delle ultime invenzioni in questo settore. Nel 1958 apparve negli Stati Uniti il primo trattore alimentato a celle a combustibile, nel 1959. è stato rilasciato un alimentatore da 5 kW per una saldatrice, ecc. Negli anni '70 la tecnologia dell'idrogeno decollò nello spazio: apparvero aeroplani e motori a razzo alimentati a idrogeno. Negli anni '60, RSC Energia sviluppò celle a combustibile per il programma lunare sovietico. Anche il programma Buran non poteva farne a meno: sono state sviluppate celle a combustibile alcaline da 10 kW. E verso la fine del secolo, le celle a combustibile superarono l’altitudine zero sul livello del mare – sulla base di esse, Alimentazione elettrica Sottomarino tedesco. Ritornando sulla Terra, la prima locomotiva è stata messa in funzione negli Stati Uniti nel 2009. Naturalmente, sulle celle a combustibile.
In tutta la meravigliosa storia delle celle a combustibile, la cosa interessante è che la ruota rimane ancora un'invenzione dell'umanità che non ha analoghi in natura. Il fatto è che nella loro progettazione e principio di funzionamento, le celle a combustibile sono simili a una cella biologica, che, in effetti, è una cella a combustibile idrogeno-ossigeno in miniatura. Di conseguenza, l’uomo ha inventato ancora una volta qualcosa che la natura utilizza da milioni di anni.
Principio di funzionamento delle celle a combustibile
Il principio di funzionamento delle celle a combustibile è ovvio anche dal curriculum scolastico di chimica, ed è proprio questo che fu stabilito negli esperimenti di William Grove nel 1839. Il fatto è che il processo di elettrolisi dell'acqua (dissociazione dell'acqua) è reversibile. Così come è vero che quando una corrente elettrica passa attraverso l'acqua, quest'ultima si scinde in idrogeno e ossigeno, così è vero anche il contrario: idrogeno e ossigeno possono essere combinati per produrre acqua ed elettricità. Nell'esperimento di Grove, due elettrodi furono posti in una camera nella quale furono immesse sotto pressione porzioni limitate di idrogeno e ossigeno puri. A causa dei piccoli volumi di gas e delle proprietà chimiche degli elettrodi di carbonio, nella camera si è verificata una reazione lenta con il rilascio di calore, acqua e, soprattutto, la formazione di una differenza di potenziale tra gli elettrodi.
La cella a combustibile più semplice è costituita da una membrana speciale utilizzata come elettrolita, su entrambi i lati della quale vengono applicati elettrodi in polvere. L'idrogeno va da un lato (anodo) e l'ossigeno (aria) va dall'altro (catodo). Su ciascun elettrodo si verificano diverse reazioni chimiche. All'anodo l'idrogeno si scompone in una miscela di protoni ed elettroni. In alcune celle a combustibile gli elettrodi sono circondati da un catalizzatore, solitamente costituito da platino o altri metalli nobili, che favorisce la reazione di dissociazione:
2Ore 2 → 4Ore + + 4e -
dove H 2 è una molecola di idrogeno biatomico (la forma in cui l'idrogeno è presente come gas); H + - idrogeno ionizzato (protone); e - - elettrone.
Sul lato catodo della cella a combustibile, i protoni (che sono passati attraverso l'elettrolita) e gli elettroni (che sono passati attraverso il carico esterno) si ricombinano e reagiscono con l'ossigeno fornito al catodo per formare acqua:
4H + + 4e - + O2 → 2H2O
Reazione totale in una cella a combustibile è scritto così:
2H2 + O2 → 2H2O
Il funzionamento di una cella a combustibile si basa sul fatto che l'elettrolita lascia passare i protoni (verso il catodo), ma gli elettroni no. Gli elettroni si spostano verso il catodo lungo un circuito conduttivo esterno. Questo movimento di elettroni è una corrente elettrica che può essere utilizzata per azionare un dispositivo esterno collegato alla cella a combustibile (un carico, come una lampadina):
Le celle a combustibile utilizzano idrogeno e ossigeno per funzionare. Il modo più semplice è con l'ossigeno: viene preso dall'aria. L'idrogeno può essere fornito direttamente da un determinato contenitore oppure isolandolo da una fonte esterna di combustibile (gas naturale, benzina o alcool metilico - metanolo). Nel caso di una fonte esterna, deve essere convertita chimicamente per estrarre l'idrogeno. Attualmente, la maggior parte delle tecnologie delle celle a combustibile sviluppate per i dispositivi portatili utilizzano metanolo.
Caratteristiche delle celle a combustibile
funzionano solo finché il combustibile e l'ossidante sono forniti da una fonte esterna (cioè non possono immagazzinare energia elettrica),
la composizione chimica dell'elettrolita non cambia durante il funzionamento (la cella a combustibile non necessita di essere ricaricata),
sono completamente indipendenti dall'energia elettrica (mentre le batterie convenzionali immagazzinano l'energia della rete elettrica).
Le celle a combustibile sono analoghe alle batterie esistenti nel senso che in entrambi i casi l'energia elettrica è ottenuta da energia chimica. Ma ci sono anche differenze fondamentali:
Ogni cella a combustibile crea tensione 1V.
Una tensione più elevata si ottiene collegandoli in serie. Un aumento di potenza (corrente) si realizza attraverso il collegamento in parallelo di cascate di celle a combustibile collegate in serie. Nelle celle a combustibile
non vi è alcuna limitazione rigorosa sull'efficienza, come quello dei motori termici (l'efficienza del ciclo di Carnot è la massima efficienza possibile tra tutti i motori termici con le stesse temperature minima e massima). Alta efficienza,
ottenuto attraverso la conversione diretta dell’energia del combustibile in elettricità. Quando i gruppi elettrogeni diesel bruciano prima il carburante, il vapore o il gas risultante fa ruotare una turbina o un albero del motore a combustione interna, che a sua volta fa ruotare un generatore elettrico. Il risultato è un'efficienza massima del 42%, ma più spesso è del 35-38% circa.,
Inoltre, a causa dei numerosi collegamenti, nonché a causa delle limitazioni termodinamiche sull'efficienza massima dei motori termici, è improbabile che l'efficienza esistente venga aumentata ulteriormente. Per le celle a combustibile esistenti L'efficienza è del 60-80%
Quasi efficienza non dipende dal fattore di carico La capacità è molte volte superiore
rispetto alle batterie esistenti,
Completare nessuna emissione dannosa per l’ambiente.
Vengono rilasciati solo vapore acqueo puro ed energia termica (a differenza dei generatori diesel, che hanno scarichi inquinanti e necessitano della loro rimozione).
Tipi di celle a combustibile
Celle a combustibile
classificato secondo le seguenti caratteristiche::
a seconda del carburante utilizzato,
dalla pressione e dalla temperatura di esercizio,
a seconda della natura della domanda.
In generale si distinguono:
tipi di celle a combustibile
Celle a combustibile a ossido solido (SOFC);
Cella a combustibile con cella a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC);
Un tipo di cella a combustibile che funziona a temperature e pressioni normali utilizzando idrogeno e ossigeno è la cella a membrana a scambio ionico. L'acqua risultante non dissolve l'elettrolita solido, scorre verso il basso e viene facilmente rimossa.
Problemi con le celle a combustibile
Il problema principale delle celle a combustibile è legato alla necessità di avere idrogeno “confezionato”, che possa essere acquistato liberamente. Ovviamente il problema dovrebbe essere risolto col tempo, ma per ora la situazione fa sorridere: cosa viene prima: l'uovo o la gallina? Le celle a combustibile non sono ancora sufficientemente sviluppate per costruire fabbriche di idrogeno, ma il loro progresso è impensabile senza queste fabbriche. Qui notiamo il problema della fonte di idrogeno.
Attualmente l’idrogeno viene prodotto dal gas naturale, ma l’aumento dei costi energetici farà aumentare anche il prezzo dell’idrogeno. Allo stesso tempo, nell'idrogeno proveniente dal gas naturale è inevitabile la presenza di CO e H 2 S (idrogeno solforato), che avvelenano il catalizzatore.
I comuni catalizzatori al platino utilizzano un metallo molto costoso e insostituibile: il platino. Tuttavia, si prevede che questo problema venga risolto utilizzando catalizzatori a base di enzimi, che sono una sostanza economica e facilmente producibile. Anche il calore generato è un problema. L'efficienza aumenterà notevolmente se il calore generato viene diretto in un canale utile - per produrre energia termica per il sistema di riscaldamento, per utilizzarlo come calore di scarto nell'assorbimento
macchine frigorifere
ecc.
Celle a combustibile a metanolo (DMFC): applicazioni reali
Oggi il più grande interesse pratico sono le celle a combustibile dirette a base di metanolo (Direct Metanolo Fuel Cell, DMFC). Il laptop Portege M100 che funziona con una cella a combustibile DMFC si presenta così:
Il compito principale è trovare opzioni per l'utilizzo di una soluzione di metanolo con la massima concentrazione. Il problema è che il metanolo è un veleno abbastanza forte, letale in dosi di diverse decine di grammi. Ma la concentrazione di metanolo influisce direttamente sulla durata dell'operazione. Se in precedenza veniva utilizzata una soluzione di metanolo al 3-10%, sono già comparsi telefoni cellulari e PDA che utilizzano una soluzione al 50% e nel 2008, in condizioni di laboratorio, gli specialisti di MTI MicroFuel Cells e, poco dopo, Toshiba hanno ottenuto celle a combustibile operando con metanolo puro.
Le celle a combustibile sono il futuro!
Infine, l’ovvio futuro delle celle a combustibile è testimoniato dal fatto che l’organizzazione internazionale IEC (International Electrotechnical Commission), che determina gli standard industriali per i dispositivi elettronici, ha già annunciato la creazione di un gruppo di lavoro per sviluppare uno standard internazionale per le celle a combustibile in miniatura .
Ecologia della conoscenza Scienza e tecnologia: l'energia dell'idrogeno è una delle industrie più efficienti e le celle a combustibile le consentono di rimanere all'avanguardia delle tecnologie innovative.
Una cella a combustibile è un dispositivo che produce in modo efficiente corrente continua e calore da un combustibile ricco di idrogeno attraverso una reazione elettrochimica.
Una cella a combustibile è simile a una batteria in quanto produce corrente continua attraverso una reazione chimica. Ancora una volta, come una batteria, una cella a combustibile comprende un anodo, un catodo e un elettrolita. Tuttavia, a differenza delle batterie, le celle a combustibile non possono immagazzinare energia elettrica e non si scaricano né richiedono elettricità per ricaricarsi. Le celle a combustibile possono produrre continuamente elettricità purché abbiano una fornitura di carburante e aria. Il termine corretto per descrivere una cella a combustibile funzionante è un sistema di celle, poiché richiede alcuni sistemi ausiliari per funzionare correttamente.
A differenza di altri generatori di energia, come motori a combustione interna o turbine alimentate a gas, carbone, olio combustibile, ecc., le celle a combustibile non bruciano carburante. Ciò significa niente rotori rumorosi ad alta pressione, niente forti rumori di scarico, niente vibrazioni. Le celle a combustibile producono elettricità attraverso una reazione elettrochimica silenziosa. Un'altra caratteristica delle celle a combustibile è che convertono l'energia chimica del combustibile direttamente in elettricità, calore e acqua.
Le celle a combustibile sono altamente efficienti e non producono grandi quantità di gas serra come anidride carbonica, metano e protossido di azoto. Le uniche emissioni delle celle a combustibile sono acqua sotto forma di vapore e una piccola quantità di anidride carbonica, che non viene rilasciata affatto se come combustibile viene utilizzato idrogeno puro. Le celle a combustibile vengono assemblate in gruppi e quindi in singoli moduli funzionali.
Principio di funzionamento delle celle a combustibile
Le celle a combustibile producono elettricità e calore attraverso una reazione elettrochimica utilizzando un elettrolita, un catodo e un anodo.
L'anodo e il catodo sono separati da un elettrolita che conduce protoni. Dopo che l'idrogeno fluisce all'anodo e l'ossigeno al catodo, inizia una reazione chimica a seguito della quale vengono generati corrente elettrica, calore e acqua. Nel catalizzatore dell'anodo, l'idrogeno molecolare si dissocia e perde elettroni. Gli ioni idrogeno (protoni) vengono condotti attraverso l'elettrolita al catodo, mentre gli elettroni vengono fatti passare attraverso l'elettrolita e viaggiano attraverso un circuito elettrico esterno, creando una corrente continua che può essere utilizzata per alimentare le apparecchiature. Nel catalizzatore del catodo, una molecola di ossigeno si combina con un elettrone (fornito dalle comunicazioni esterne) e un protone in entrata, e forma acqua, che è l'unico prodotto della reazione (sotto forma di vapore e/o liquido).
Di seguito è riportata la reazione corrispondente:
Reazione all'anodo: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reazione al catodo: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Reazione generale dell'elemento: 2H2 + O2 => 2H2O
Tipi di celle a combustibile
Così come esistono diversi tipi di motori a combustione interna, esistono diversi tipi di celle a combustibile: la scelta del giusto tipo di cella a combustibile dipende dalla sua applicazione.Le celle a combustibile si dividono in ad alta temperatura e a bassa temperatura. Le celle a combustibile a bassa temperatura richiedono idrogeno relativamente puro come combustibile.
Ciò significa spesso che è necessaria la lavorazione del combustibile per convertire il combustibile primario (come il gas naturale) in idrogeno puro. Questo processo consuma energia aggiuntiva e richiede attrezzature speciali. Le celle a combustibile ad alta temperatura non necessitano di questa procedura aggiuntiva poiché possono “convertire internamente” il carburante a temperature elevate, il che significa che non è necessario investire nelle infrastrutture per l’idrogeno.
Celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC).
Le celle a combustibile con elettrolita a carbonato fuso sono celle a combustibile ad alta temperatura. L'elevata temperatura operativa consente l'uso diretto del gas naturale senza processore di combustibile e del gas combustibile a basso potere calorifico proveniente da processi industriali e altre fonti. Questo processo è stato sviluppato a metà degli anni '60. Da allora, la tecnologia di produzione, le prestazioni e l'affidabilità sono state migliorate.
Il funzionamento dell'RCFC è diverso da quello delle altre celle a combustibile. Queste celle utilizzano un elettrolita costituito da una miscela di sali di carbonato fusi. Attualmente vengono utilizzate due tipologie di miscele: carbonato di litio e carbonato di potassio oppure carbonato di litio e carbonato di sodio. Per sciogliere i sali di carbonato e ottenere un elevato grado di mobilità ionica nell'elettrolita, le celle a combustibile con elettrolita di carbonato fuso funzionano a temperature elevate (650°C). L'efficienza varia tra il 60 e l'80%.
Quando riscaldati ad una temperatura di 650°C, i sali diventano un conduttore per gli ioni carbonato (CO32-). Questi ioni passano dal catodo all'anodo, dove si combinano con l'idrogeno per formare acqua, anidride carbonica ed elettroni liberi. Questi elettroni vengono inviati attraverso un circuito elettrico esterno al catodo, generando corrente elettrica e calore come sottoprodotto.
Reazione all'anodo: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reazione al catodo: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Reazione generale dell'elemento: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(catodo) => H2O(g) + CO2(anodo)
Le elevate temperature operative delle celle a combustibile con elettrolita a carbonato fuso presentano alcuni vantaggi. A temperature elevate, il gas naturale viene riformato internamente, eliminando la necessità di un processore di carburante. Inoltre, i vantaggi includono la possibilità di utilizzare materiali da costruzione standard come lamiere di acciaio inossidabile e catalizzatore di nichel sugli elettrodi. Il calore di scarto può essere utilizzato per generare vapore ad alta pressione per una varietà di scopi industriali e commerciali.
Anche le elevate temperature di reazione nell'elettrolita hanno i loro vantaggi. L'uso di temperature elevate richiede molto tempo per raggiungere condizioni operative ottimali e il sistema risponde più lentamente alle variazioni del consumo energetico. Queste caratteristiche consentono l'utilizzo di impianti di celle a combustibile con elettrolita a carbonato fuso in condizioni di potenza costante. Le alte temperature impediscono danni alla cella a combustibile causati da monossido di carbonio, "avvelenamento", ecc.
Le celle a combustibile con elettrolita a carbonato fuso sono adatte per l'uso in grandi installazioni fisse. Vengono prodotte commercialmente centrali termoelettriche con una potenza elettrica di produzione di 2,8 MW. Sono in fase di sviluppo impianti con potenza in uscita fino a 100 MW.
Celle a combustibile ad acido fosforico (PAFC).
Le celle a combustibile ad acido fosforico (ortofosforico) furono le prime celle a combustibile per uso commerciale. Il processo è stato sviluppato a metà degli anni '60 ed è stato testato a partire dagli anni '70. Da allora, la stabilità e le prestazioni sono aumentate e i costi sono stati ridotti.
Le celle a combustibile ad acido fosforico (ortofosforico) utilizzano un elettrolita a base di acido ortofosforico (H3PO4) a concentrazioni fino al 100%. La conduttività ionica dell'acido fosforico è bassa alle basse temperature, per questo motivo queste celle a combustibile vengono utilizzate a temperature fino a 150–220°C.
Il portatore di carica nelle celle a combustibile di questo tipo è l'idrogeno (H+, protone). Un processo simile si verifica nelle celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC), in cui l’idrogeno fornito all’anodo viene suddiviso in protoni ed elettroni. I protoni viaggiano attraverso l'elettrolita e si combinano con l'ossigeno dell'aria al catodo per formare acqua. Gli elettroni vengono inviati attraverso un circuito elettrico esterno, generando così una corrente elettrica. Di seguito sono riportate le reazioni che generano corrente elettrica e calore.
Reazione all'anodo: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reazione al catodo: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Reazione generale dell'elemento: 2H2 + O2 => 2H2O
L'efficienza delle celle a combustibile a base di acido fosforico (ortofosforico) è superiore al 40% nella generazione di energia elettrica. Con la produzione combinata di calore ed energia elettrica il rendimento complessivo è pari a circa l'85%. Inoltre, date le temperature operative, il calore di scarto può essere utilizzato per riscaldare l’acqua e generare vapore a pressione atmosferica.
Uno dei vantaggi di questo tipo di celle a combustibile è l'elevata prestazione delle centrali termoelettriche che utilizzano celle a combustibile a base di acido fosforico (ortofosforico) nella produzione combinata di energia termica ed elettrica. Le unità utilizzano monossido di carbonio con una concentrazione di circa l'1,5%, che amplia notevolmente la scelta del carburante. Inoltre, la CO2 non influisce sull'elettrolita e sul funzionamento della cella a combustibile, questo tipo di cella funziona con combustibile naturale riformato; Altri vantaggi di questo tipo di cella a combustibile sono la struttura semplice, il basso grado di volatilità dell'elettrolita e la maggiore stabilità.
Vengono prodotte commercialmente centrali termoelettriche con una potenza elettrica fino a 400 kW. Gli impianti da 11 MW hanno superato i test appropriati. Sono in fase di sviluppo impianti con potenza in uscita fino a 100 MW.
Celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC)
Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico sono considerate il miglior tipo di cella a combustibile per generare energia per veicoli, che può sostituire i motori a combustione interna a benzina e diesel. Queste celle a combustibile furono utilizzate per la prima volta dalla NASA per il programma Gemini. Oggi vengono sviluppate e dimostrate installazioni MOPFC con potenza da 1 W a 2 kW.
Queste celle a combustibile utilizzano una membrana polimerica solida (una sottile pellicola di plastica) come elettrolita. Quando è saturo di acqua, questo polimero consente il passaggio dei protoni ma non conduce gli elettroni.
Il carburante è l'idrogeno e il portatore di carica è uno ione idrogeno (protone). All'anodo, la molecola di idrogeno è divisa in uno ione idrogeno (protone) ed elettroni. Gli ioni idrogeno passano attraverso l'elettrolita fino al catodo e gli elettroni si muovono attorno al cerchio esterno e producono energia elettrica. L'ossigeno, prelevato dall'aria, viene fornito al catodo e si combina con gli elettroni e gli ioni idrogeno per formare acqua. Agli elettrodi si verificano le seguenti reazioni:
Reazione all'anodo: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reazione al catodo: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Reazione generale dell'elemento: 2H2 + O2 => 2H2O
Rispetto ad altri tipi di celle a combustibile, le celle a combustibile con membrana a scambio protonico producono più energia per un dato volume o peso della cella a combustibile. Questa caratteristica consente loro di essere compatti e leggeri. Inoltre, la temperatura operativa è inferiore a 100°C, il che consente di iniziare rapidamente a funzionare. Queste caratteristiche, così come la capacità di modificare rapidamente la produzione di energia, sono solo alcune delle caratteristiche che rendono queste celle a combustibile un ottimo candidato per l’uso nei veicoli.
Un altro vantaggio è che l'elettrolita è un solido anziché un liquido. È più facile trattenere i gas al catodo e all'anodo utilizzando un elettrolita solido, e quindi tali celle a combustibile sono più economiche da produrre. Rispetto ad altri elettroliti, un elettrolita solido non presenta le stesse sfide di orientamento e minori problemi di corrosione, con conseguente maggiore longevità della cella e dei suoi componenti.
Celle a combustibile a ossido solido (SOFC)
Le celle a combustibile a ossido solido sono le celle a combustibile con la temperatura operativa più elevata. La temperatura di esercizio può variare da 600°C a 1000°C, consentendo l'utilizzo di diversi tipi di carburante senza particolari pretrattamenti. Per gestire temperature così elevate, l'elettrolita utilizzato è un sottile ossido di metallo solido su una base ceramica, spesso una lega di ittrio e zirconio, che è un conduttore di ioni di ossigeno (O2-). La tecnologia delle celle a combustibile a ossido solido si è sviluppata dalla fine degli anni ’50. e ha due configurazioni: piatta e tubolare.
L'elettrolita solido fornisce una transizione sigillata del gas da un elettrodo all'altro, mentre gli elettroliti liquidi si trovano in un substrato poroso. Il portatore di carica nelle celle a combustibile di questo tipo è lo ione ossigeno (O2-). Al catodo, le molecole di ossigeno dell'aria vengono separate in uno ione di ossigeno e quattro elettroni. Gli ioni di ossigeno passano attraverso l'elettrolita e si combinano con l'idrogeno, creando quattro elettroni liberi. Gli elettroni vengono inviati attraverso un circuito elettrico esterno, generando corrente elettrica e calore disperso.
Reazione all'anodo: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reazione al catodo: O2 + 4e- => 2O2-
Reazione generale dell'elemento: 2H2 + O2 => 2H2O
L'efficienza dell'energia elettrica prodotta è la più alta tra tutte le celle a combustibile: circa il 60%. Inoltre, le elevate temperature di esercizio consentono la produzione combinata di energia termica ed elettrica per generare vapore ad alta pressione. La combinazione di una cella a combustibile ad alta temperatura con una turbina consente di creare una cella a combustibile ibrida per aumentare l'efficienza della generazione di energia elettrica fino al 70%.
Le celle a combustibile a ossido solido funzionano a temperature molto elevate (600°C–1000°C), il che comporta un tempo significativo per raggiungere condizioni operative ottimali e una risposta del sistema più lenta ai cambiamenti nel consumo di energia. A temperature di esercizio così elevate non è necessario alcun convertitore per recuperare l'idrogeno dal combustibile, consentendo alla centrale termica di funzionare con combustibili relativamente impuri derivanti dalla gassificazione del carbone o dei gas di scarico, ecc. La cella a combustibile è eccellente anche per applicazioni ad alta potenza, comprese le centrali elettriche industriali e di grandi dimensioni. I moduli con una potenza elettrica in uscita di 100 kW vengono prodotti commercialmente.
Celle a combustibile ad ossidazione diretta del metanolo (DOMFC)
La tecnologia di utilizzo delle celle a combustibile con ossidazione diretta del metanolo sta attraversando un periodo di sviluppo attivo. Si è dimostrato con successo nel campo dell'alimentazione di telefoni cellulari, laptop e nella creazione di fonti di alimentazione portatili. Questo è lo scopo a cui mira l'uso futuro di questi elementi.
La struttura delle celle a combustibile con ossidazione diretta del metanolo è simile alle celle a combustibile con membrana a scambio protonico (MEPFC), ovvero Un polimero viene utilizzato come elettrolita e uno ione idrogeno (protone) viene utilizzato come portatore di carica. Tuttavia, il metanolo liquido (CH3OH) si ossida in presenza di acqua all'anodo, rilasciando CO2, ioni idrogeno ed elettroni, che vengono inviati attraverso un circuito elettrico esterno, generando così una corrente elettrica. Gli ioni idrogeno passano attraverso l'elettrolita e reagiscono con l'ossigeno dell'aria e gli elettroni del circuito esterno per formare acqua all'anodo.
Reazione all'anodo: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reazione al catodo: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Reazione generale dell'elemento: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O
Lo sviluppo di queste celle a combustibile è iniziato all’inizio degli anni ’90. Con lo sviluppo di catalizzatori migliorati e altre recenti innovazioni, la densità di potenza e l'efficienza sono state aumentate al 40%.
Questi elementi sono stati testati nell'intervallo di temperatura compreso tra 50 e 120°C. Grazie alle basse temperature di funzionamento e all'assenza della necessità di un convertitore, le celle a combustibile ad ossidazione diretta del metanolo sono un ottimo candidato per applicazioni sia nei telefoni cellulari che in altri prodotti di consumo e nei motori delle automobili. Il vantaggio di questo tipo di celle a combustibile è la loro piccola dimensione, dovuta all'utilizzo di combustibile liquido, e l'assenza della necessità di utilizzare un convertitore.
Celle a combustibile alcaline (ALFC)
Le celle a combustibile alcaline (AFC) sono una delle tecnologie più studiate, utilizzata dalla metà degli anni '60. dalla NASA nei programmi Apollo e Space Shuttle. A bordo di questi veicoli spaziali, le celle a combustibile producono energia elettrica e acqua potabile. Le celle a combustibile alcaline sono una delle celle più efficienti utilizzate per generare elettricità, con un'efficienza di generazione di energia che arriva fino al 70%.
Le celle a combustibile alcaline utilizzano un elettrolita, una soluzione acquosa di idrossido di potassio, contenuta in una matrice porosa e stabilizzata. La concentrazione di idrossido di potassio può variare a seconda della temperatura di esercizio della cella a combustibile, che varia da 65°C a 220°C. Il portatore di carica in SHTE è lo ione ossidrile (OH-), che si sposta dal catodo all'anodo, dove reagisce con l'idrogeno, producendo acqua ed elettroni. L'acqua prodotta all'anodo ritorna al catodo, dove genera nuovamente ioni ossidrile. Come risultato di questa serie di reazioni che avvengono nella cella a combustibile, si produce elettricità e, come sottoprodotto, calore:
Reazione all'anodo: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reazione al catodo: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Reazione generale del sistema: 2H2 + O2 => 2H2O
Il vantaggio di SHTE è che queste celle a combustibile sono le più economiche da produrre, poiché il catalizzatore necessario sugli elettrodi può essere una qualsiasi delle sostanze più economiche di quelle utilizzate come catalizzatori per altre celle a combustibile. Inoltre, le SFC funzionano a temperature relativamente basse e sono tra le celle a combustibile più efficienti: tali caratteristiche possono di conseguenza contribuire a una generazione di energia più rapida e a un'elevata efficienza del carburante.
Una delle caratteristiche distintive di SHTE è la sua elevata sensibilità alla CO2, che può essere contenuta nel carburante o nell'aria. La CO2 reagisce con l'elettrolita, lo avvelena rapidamente e riduce notevolmente l'efficienza della cella a combustibile. Pertanto, l’uso di SHTE è limitato a spazi chiusi come veicoli spaziali e veicoli sottomarini; devono funzionare con idrogeno e ossigeno puri. Inoltre, molecole come CO, H2O e CH4, che sono sicure per altre celle a combustibile e fungono addirittura da combustibile per alcune di esse, sono dannose per le SHFC.
Celle a combustibile con elettrolita polimerico (PEFC)
Nel caso delle celle a combustibile elettrolitiche polimeriche, la membrana polimerica è costituita da fibre polimeriche con regioni d'acqua in cui gli ioni d'acqua di conduzione H2O+ (protone, rosso) si attaccano a una molecola d'acqua. Le molecole d'acqua rappresentano un problema a causa del lento scambio ionico. Pertanto è necessaria un'elevata concentrazione di acqua sia nel combustibile che sugli elettrodi di uscita, che limita la temperatura di esercizio a 100°C.
Celle a combustibile acido solido (SFC)
Nelle celle a combustibile ad acido solido, l'elettrolita (CsHSO4) non contiene acqua. La temperatura di esercizio è quindi di 100-300°C. La rotazione degli ossi anioni SO42 consente ai protoni (rossi) di muoversi come mostrato in figura.
Tipicamente, una cella a combustibile ad acido solido è un sandwich in cui uno strato molto sottile di composto acido solido è inserito tra due elettrodi che sono strettamente premuti insieme per garantire un buon contatto. Quando riscaldato, il componente organico evapora, uscendo attraverso i pori degli elettrodi, mantenendo la capacità di contatti multipli tra il carburante (o l'ossigeno all'altra estremità degli elementi), l'elettrolita e gli elettrodi pubblicati
| Tipo di cella a combustibile | Temperatura operativa | Efficienza nella produzione di energia | Tipo di carburante | Ambito di applicazione |
|---|---|---|---|---|
| RKTE | 550–700°C | 50-70% | Impianti di medie e grandi dimensioni | |
| FCTE | 100–220°C | 35-40% | Idrogeno puro | Grandi installazioni |
| MOPTE | 30-100°C | 35-50% | Idrogeno puro | Piccole installazioni |
| SOFC | 450–1000°C | 45-70% | La maggior parte dei combustibili idrocarburici | Impianti piccoli, medi e grandi |
| PEMFC | 20-90°C | 20-30% | Metanolo | Unità portatili |
| SHTE | 50–200°C | 40-65% | Idrogeno puro | Ricerca spaziale |
| PETE | 30-100°C | 35-50% | Idrogeno puro | Piccole installazioni |
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Così come esistono diversi tipi di motori a combustione interna, esistono diversi tipi di celle a combustibile: la scelta del giusto tipo di cella a combustibile dipende dalla sua applicazione.
Le celle a combustibile si dividono in ad alta temperatura e a bassa temperatura. Celle a combustibile a bassa temperatura richiedono idrogeno relativamente puro come combustibile. Ciò significa spesso che è necessaria la lavorazione del combustibile per convertire il combustibile primario (come il gas naturale) in idrogeno puro. Questo processo consuma energia aggiuntiva e richiede attrezzature speciali. Celle a combustibile ad alta temperatura non hanno bisogno di questa procedura aggiuntiva, poiché possono effettuare la “conversione interna” del carburante a temperature elevate, il che significa che non è necessario investire nelle infrastrutture per l’idrogeno.
Celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC)
Le celle a combustibile con elettrolita a carbonato fuso sono celle a combustibile ad alta temperatura. L'elevata temperatura operativa consente l'uso diretto del gas naturale senza processore di combustibile e del gas combustibile a basso potere calorifico proveniente da processi industriali e altre fonti. Questo processo è stato sviluppato a metà degli anni '60. Da allora, la tecnologia di produzione, le prestazioni e l'affidabilità sono state migliorate.
Il funzionamento dell'RCFC è diverso da quello delle altre celle a combustibile. Queste celle utilizzano un elettrolita costituito da una miscela di sali di carbonato fusi. Attualmente vengono utilizzate due tipologie di miscele: carbonato di litio e carbonato di potassio oppure carbonato di litio e carbonato di sodio. Per sciogliere i sali di carbonato e ottenere un elevato grado di mobilità ionica nell'elettrolita, le celle a combustibile con elettrolita di carbonato fuso funzionano a temperature elevate (650°C). L'efficienza varia tra il 60 e l'80%.
Quando riscaldati ad una temperatura di 650°C, i sali diventano un conduttore per gli ioni carbonato (CO 3 2-). Questi ioni passano dal catodo all'anodo, dove si combinano con l'idrogeno per formare acqua, anidride carbonica ed elettroni liberi. Questi elettroni vengono inviati attraverso un circuito elettrico esterno al catodo, generando corrente elettrica e calore come sottoprodotto.
Reazione all'anodo: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reazione al catodo: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Reazione generale dell'elemento: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (catodo) => H 2 O (g) + CO 2 (anodo)
Le elevate temperature operative delle celle a combustibile con elettrolita a carbonato fuso presentano alcuni vantaggi. A temperature elevate, il gas naturale viene riformato internamente, eliminando la necessità di un processore di carburante. Inoltre, i vantaggi includono la possibilità di utilizzare materiali da costruzione standard come lamiere di acciaio inossidabile e catalizzatore di nichel sugli elettrodi. Il calore di scarto può essere utilizzato per generare vapore ad alta pressione per una varietà di scopi industriali e commerciali.
Anche le elevate temperature di reazione nell'elettrolita hanno i loro vantaggi. L'uso di temperature elevate richiede molto tempo per raggiungere condizioni operative ottimali e il sistema risponde più lentamente alle variazioni del consumo energetico. Queste caratteristiche consentono l'utilizzo di impianti di celle a combustibile con elettrolita a carbonato fuso in condizioni di potenza costante. Le alte temperature impediscono danni alla cella a combustibile causati da monossido di carbonio, "avvelenamento", ecc.
Le celle a combustibile con elettrolita a carbonato fuso sono adatte per l'uso in grandi installazioni fisse. Vengono prodotte commercialmente centrali termoelettriche con una potenza elettrica di produzione di 2,8 MW. Sono in fase di sviluppo impianti con potenza in uscita fino a 100 MW.
Celle a combustibile ad acido fosforico (PAFC)
Le celle a combustibile ad acido fosforico (ortofosforico) furono le prime celle a combustibile per uso commerciale. Il processo è stato sviluppato a metà degli anni '60 ed è stato testato a partire dagli anni '70. Da allora, la stabilità e le prestazioni sono aumentate e i costi sono stati ridotti.
Le celle a combustibile ad acido fosforico (ortofosforico) utilizzano un elettrolita a base di acido ortofosforico (H 3 PO 4) con una concentrazione fino al 100%. La conduttività ionica dell'acido fosforico è bassa alle basse temperature, per questo motivo queste celle a combustibile vengono utilizzate a temperature fino a 150–220°C.
Il portatore di carica nelle celle a combustibile di questo tipo è l'idrogeno (H+, protone). Un processo simile si verifica nelle celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC), in cui l’idrogeno fornito all’anodo viene suddiviso in protoni ed elettroni. I protoni viaggiano attraverso l'elettrolita e si combinano con l'ossigeno dell'aria al catodo per formare acqua. Gli elettroni vengono inviati attraverso un circuito elettrico esterno, generando così una corrente elettrica. Di seguito sono riportate le reazioni che generano corrente elettrica e calore.
Reazione all'anodo: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reazione al catodo: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2H 2 O
Reazione generale dell'elemento: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
L'efficienza delle celle a combustibile a base di acido fosforico (ortofosforico) è superiore al 40% nella generazione di energia elettrica. Con la produzione combinata di calore ed energia elettrica il rendimento complessivo è pari a circa l'85%. Inoltre, date le temperature operative, il calore di scarto può essere utilizzato per riscaldare l’acqua e generare vapore a pressione atmosferica.
Uno dei vantaggi di questo tipo di celle a combustibile è l'elevata prestazione delle centrali termoelettriche che utilizzano celle a combustibile a base di acido fosforico (ortofosforico) nella produzione combinata di energia termica ed elettrica. Le unità utilizzano monossido di carbonio con una concentrazione di circa l'1,5%, che amplia notevolmente la scelta del carburante. Inoltre, la CO 2 non influisce sull'elettrolita e sul funzionamento della cella a combustibile; questo tipo di cella funziona con combustibile naturale riformato. Altri vantaggi di questo tipo di cella a combustibile sono la struttura semplice, il basso grado di volatilità dell'elettrolita e la maggiore stabilità.
Vengono prodotte commercialmente centrali termoelettriche con una potenza elettrica fino a 400 kW. Gli impianti da 11 MW hanno superato i test appropriati. Sono in fase di sviluppo impianti con potenza in uscita fino a 100 MW.
Celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC)
Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico sono considerate il miglior tipo di cella a combustibile per generare energia per veicoli, che può sostituire i motori a combustione interna a benzina e diesel. Queste celle a combustibile furono utilizzate per la prima volta dalla NASA per il programma Gemini. Oggi vengono sviluppate e dimostrate installazioni MOPFC con potenza da 1 W a 2 kW.
Queste celle a combustibile utilizzano una membrana polimerica solida (una sottile pellicola di plastica) come elettrolita. Quando è saturo di acqua, questo polimero consente il passaggio dei protoni ma non conduce gli elettroni.
Il carburante è l'idrogeno e il portatore di carica è uno ione idrogeno (protone). All'anodo, la molecola di idrogeno è divisa in uno ione idrogeno (protone) ed elettroni. Gli ioni idrogeno passano attraverso l'elettrolita fino al catodo e gli elettroni si muovono attorno al cerchio esterno e producono energia elettrica. L'ossigeno, prelevato dall'aria, viene fornito al catodo e si combina con gli elettroni e gli ioni idrogeno per formare acqua. Agli elettrodi si verificano le seguenti reazioni:
Reazione all'anodo: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reazione al catodo: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Reazione generale dell'elemento: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Rispetto ad altri tipi di celle a combustibile, le celle a combustibile con membrana a scambio protonico producono più energia per un dato volume o peso della cella a combustibile. Questa caratteristica consente loro di essere compatti e leggeri. Inoltre, la temperatura operativa è inferiore a 100°C, il che consente di iniziare rapidamente a funzionare. Queste caratteristiche, così come la capacità di modificare rapidamente la produzione di energia, sono solo alcune delle caratteristiche che rendono queste celle a combustibile un ottimo candidato per l’uso nei veicoli.
Un altro vantaggio è che l'elettrolita è un solido anziché un liquido. È più facile trattenere i gas al catodo e all'anodo utilizzando un elettrolita solido, e quindi tali celle a combustibile sono più economiche da produrre. Rispetto ad altri elettroliti, un elettrolita solido non presenta le stesse sfide di orientamento e minori problemi di corrosione, con conseguente maggiore longevità della cella e dei suoi componenti.
Celle a combustibile a ossido solido (SOFC)
Le celle a combustibile a ossido solido sono le celle a combustibile con la temperatura operativa più elevata. La temperatura di esercizio può variare da 600°C a 1000°C, consentendo l'utilizzo di diversi tipi di carburante senza particolari pretrattamenti. Per gestire temperature così elevate, l'elettrolita utilizzato è un sottile ossido di metallo solido su una base ceramica, spesso una lega di ittrio e zirconio, che è un conduttore di ioni di ossigeno (O 2 -). La tecnologia delle celle a combustibile a ossido solido si è sviluppata dalla fine degli anni ’50. e ha due configurazioni: piatta e tubolare.
L'elettrolita solido fornisce una transizione sigillata del gas da un elettrodo all'altro, mentre gli elettroliti liquidi si trovano in un substrato poroso. Il portatore di carica nelle celle a combustibile di questo tipo è lo ione ossigeno (O 2 -). Al catodo, le molecole di ossigeno dell'aria vengono separate in uno ione di ossigeno e quattro elettroni. Gli ioni di ossigeno passano attraverso l'elettrolita e si combinano con l'idrogeno, creando quattro elettroni liberi. Gli elettroni vengono inviati attraverso un circuito elettrico esterno, generando corrente elettrica e calore disperso.
Reazione all'anodo: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Reazione al catodo: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Reazione generale dell'elemento: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
L'efficienza dell'energia elettrica prodotta è la più alta tra tutte le celle a combustibile: circa il 60%. Inoltre, le elevate temperature di esercizio consentono la produzione combinata di energia termica ed elettrica per generare vapore ad alta pressione. La combinazione di una cella a combustibile ad alta temperatura con una turbina consente di creare una cella a combustibile ibrida per aumentare l'efficienza della generazione di energia elettrica fino al 70%.
Le celle a combustibile a ossido solido funzionano a temperature molto elevate (600°C–1000°C), il che comporta un tempo significativo per raggiungere condizioni operative ottimali e una risposta del sistema più lenta ai cambiamenti nel consumo di energia. A temperature di esercizio così elevate non è necessario alcun convertitore per recuperare l'idrogeno dal combustibile, consentendo alla centrale termica di funzionare con combustibili relativamente impuri derivanti dalla gassificazione del carbone o dei gas di scarico, ecc. La cella a combustibile è eccellente anche per applicazioni ad alta potenza, comprese le centrali elettriche industriali e di grandi dimensioni. I moduli con una potenza elettrica in uscita di 100 kW vengono prodotti commercialmente.
Celle a combustibile ad ossidazione diretta del metanolo (DOMFC)
La tecnologia di utilizzo delle celle a combustibile con ossidazione diretta del metanolo sta attraversando un periodo di sviluppo attivo. Si è dimostrato con successo nel campo dell'alimentazione di telefoni cellulari, laptop e nella creazione di fonti di alimentazione portatili. Questo è lo scopo a cui mira l'uso futuro di questi elementi.
La struttura delle celle a combustibile con ossidazione diretta del metanolo è simile alle celle a combustibile con membrana a scambio protonico (MEPFC), ovvero Un polimero viene utilizzato come elettrolita e uno ione idrogeno (protone) viene utilizzato come portatore di carica. Tuttavia, il metanolo liquido (CH 3 OH) si ossida in presenza di acqua all'anodo, rilasciando CO 2, ioni idrogeno ed elettroni, che vengono inviati attraverso un circuito elettrico esterno, generando così una corrente elettrica. Gli ioni idrogeno passano attraverso l'elettrolita e reagiscono con l'ossigeno dell'aria e gli elettroni del circuito esterno per formare acqua all'anodo.
Reazione all'anodo: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reazione al catodo: 3 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Reazione generale dell'elemento: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O
Lo sviluppo di queste celle a combustibile è iniziato all’inizio degli anni ’90. Con lo sviluppo di catalizzatori migliorati e altre recenti innovazioni, la densità di potenza e l'efficienza sono state aumentate al 40%.
Questi elementi sono stati testati nell'intervallo di temperatura compreso tra 50 e 120°C. Grazie alle basse temperature di funzionamento e all'assenza della necessità di un convertitore, le celle a combustibile ad ossidazione diretta del metanolo sono un ottimo candidato per applicazioni sia nei telefoni cellulari che in altri prodotti di consumo e nei motori delle automobili. Il vantaggio di questo tipo di celle a combustibile è la loro piccola dimensione, dovuta all'utilizzo di combustibile liquido, e l'assenza della necessità di utilizzare un convertitore.
Celle a combustibile alcaline (ALFC)
Le celle a combustibile alcaline (AFC) sono una delle tecnologie più studiate, utilizzata dalla metà degli anni '60. dalla NASA nei programmi Apollo e Space Shuttle. A bordo di questi veicoli spaziali, le celle a combustibile producono energia elettrica e acqua potabile. Le celle a combustibile alcaline sono una delle celle più efficienti utilizzate per generare elettricità, con un'efficienza di generazione di energia che arriva fino al 70%.
Le celle a combustibile alcaline utilizzano un elettrolita, una soluzione acquosa di idrossido di potassio, contenuta in una matrice porosa e stabilizzata. La concentrazione di idrossido di potassio può variare a seconda della temperatura di esercizio della cella a combustibile, che varia da 65°C a 220°C. Il portatore di carica in SHTE è lo ione ossidrile (OH -), che si sposta dal catodo all'anodo, dove reagisce con l'idrogeno, producendo acqua ed elettroni. L'acqua prodotta all'anodo ritorna al catodo, dove genera nuovamente ioni ossidrile. Come risultato di questa serie di reazioni che avvengono nella cella a combustibile, si produce elettricità e, come sottoprodotto, calore:
Reazione all'anodo: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reazione al catodo: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Reazione generale del sistema: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Il vantaggio di SHTE è che queste celle a combustibile sono le più economiche da produrre, poiché il catalizzatore richiesto sugli elettrodi può essere una qualsiasi delle sostanze più economiche di quelle utilizzate come catalizzatori per altre celle a combustibile. Inoltre, le SFC funzionano a temperature relativamente basse e sono tra le celle a combustibile più efficienti: tali caratteristiche possono di conseguenza contribuire a una generazione di energia più rapida e a un'elevata efficienza del carburante.
Una delle caratteristiche di SHTE è la sua elevata sensibilità alla CO 2, che può essere contenuta nel carburante o nell'aria. La CO 2 reagisce con l'elettrolita, lo avvelena rapidamente e riduce notevolmente l'efficienza della cella a combustibile. Pertanto, l’uso di SHTE è limitato a spazi chiusi come veicoli spaziali e veicoli sottomarini; devono funzionare con idrogeno e ossigeno puri. Inoltre, molecole come CO, H 2 O e CH 4, che sono sicure per altre celle a combustibile e che per alcune di esse fungono addirittura da combustibile, sono dannose per l'SHFC.
Celle a combustibile con elettrolita polimerico (PEFC)
Nel caso delle celle a combustibile elettrolitiche polimeriche, la membrana polimerica è costituita da fibre polimeriche con regioni d'acqua in cui gli ioni d'acqua di conduzione H2O+ (protone, rosso) si attaccano a una molecola d'acqua. Le molecole d'acqua rappresentano un problema a causa del lento scambio ionico. Pertanto è necessaria un'elevata concentrazione di acqua sia nel combustibile che sugli elettrodi di uscita, che limita la temperatura di esercizio a 100°C.
Celle a combustibile acido solido (SFC)
Nelle celle a combustibile ad acido solido, l'elettrolita (C s HSO 4) non contiene acqua. La temperatura di esercizio è quindi di 100-300°C. La rotazione degli ossianioni SO 4 2- permette ai protoni (rossi) di muoversi come mostrato in figura. Tipicamente, una cella a combustibile ad acido solido è un sandwich in cui uno strato molto sottile di composto acido solido è inserito tra due elettrodi che sono strettamente premuti insieme per garantire un buon contatto. Quando riscaldato, il componente organico evapora, uscendo attraverso i pori degli elettrodi, mantenendo la capacità di contatti multipli tra il carburante (o l'ossigeno all'altra estremità dell'elemento), l'elettrolita e gli elettrodi.
| Tipo di cella a combustibile | Temperatura operativa | Efficienza nella produzione di energia | Tipo di carburante | Ambito di applicazione |
|---|---|---|---|---|
| RKTE | 550–700°C | 50-70% | Impianti di medie e grandi dimensioni | |
| FCTE | 100–220°C | 35-40% | Idrogeno puro | Grandi installazioni |
| MOPTE | 30-100°C | 35-50% | Idrogeno puro | Piccole installazioni |
| SOFC | 450–1000°C | 45-70% | La maggior parte dei combustibili idrocarburici | Impianti piccoli, medi e grandi |
| PEMFC | 20-90°C | 20-30% | Metanolo | Unità portatili |
| SHTE | 50–200°C | 40-65% | Idrogeno puro | Ricerca spaziale |
| PETE | 30-100°C | 35-50% | Idrogeno puro | Piccole installazioni |
Cella a combustibile a idrogeno Nissan
L'elettronica mobile migliora ogni anno, diventando sempre più diffusa e accessibile: PDA, laptop, dispositivi mobili e digitali, cornici per foto, ecc. Tutti vengono costantemente aggiornati con nuove funzioni, monitor più grandi, comunicazioni wireless, processori più potenti, pur diminuendo di dimensioni . Le tecnologie energetiche, a differenza della tecnologia dei semiconduttori, non stanno facendo passi da gigante.
Le batterie e gli accumulatori esistenti per alimentare le conquiste del settore stanno diventando insufficienti, quindi la questione delle fonti alternative è molto acuta. Le celle a combustibile sono di gran lunga il settore più promettente. Il principio del loro funzionamento fu scoperto nel 1839 da William Grove, che generò elettricità modificando l'elettrolisi dell'acqua.
Video: documentario, celle a combustibile per i trasporti: passato, presente, futuro
Le celle a combustibile interessano i produttori di automobili e anche i progettisti di astronavi sono interessati a loro. Nel 1965 furono addirittura testati dall'America sulla navicella spaziale Gemini 5 lanciata nello spazio, e successivamente sull'Apollo. Milioni di dollari vengono ancora investiti nella ricerca sulle celle a combustibile oggi, quando ci sono problemi associati all'inquinamento ambientale e alle crescenti emissioni di gas serra generati durante la combustione di combustibili fossili, le cui riserve non sono infinite.
Una cella a combustibile, spesso chiamata generatore elettrochimico, funziona nel modo descritto di seguito.
Essendo, come gli accumulatori e le batterie, un elemento galvanico, ma con la differenza che le sostanze attive sono immagazzinate in esso separatamente. Vengono forniti agli elettrodi man mano che vengono utilizzati. Il combustibile naturale o qualsiasi sostanza da esso ottenuta brucia sull'elettrodo negativo, che può essere gassoso (idrogeno, ad esempio, e monossido di carbonio) o liquido, come gli alcoli. L'ossigeno solitamente reagisce all'elettrodo positivo.
Ma il principio di funzionamento apparentemente semplice non è facile da tradurre in realtà.
Cella a combustibile fai da te
Video: cella a combustibile a idrogeno fai-da-te
Sfortunatamente, non abbiamo fotografie di come dovrebbe apparire questo elemento combustibile, facciamo affidamento sulla tua immaginazione.
Puoi realizzare una cella a combustibile a bassa potenza con le tue mani anche in un laboratorio scolastico. È necessario fare scorta di una vecchia maschera antigas, diversi pezzi di plexiglass, alcali e una soluzione acquosa di alcol etilico (più semplicemente vodka), che servirà da "carburante" per la cella a combustibile.
Innanzitutto è necessario un alloggiamento per la cella a combustibile, preferibilmente in plexiglas, spesso almeno cinque millimetri. Le partizioni interne (all'interno ci sono cinque scomparti) possono essere leggermente più sottili - 3 cm. Per incollare il plexiglass, utilizzare la colla della seguente composizione: sei grammi di trucioli di plexiglass vengono sciolti in cento grammi di cloroformio o dicloroetano (il lavoro è finito). sotto un cappuccio).
Ora è necessario praticare un foro nella parete esterna, nel quale è necessario inserire un tubo di scarico in vetro con un diametro di 5-6 centimetri attraverso un tappo di gomma.
Tutti sanno che nella tavola periodica i metalli più attivi si trovano nell'angolo in basso a sinistra, mentre i metalloidi altamente attivi si trovano nell'angolo in alto a destra della tabella, ad es. la capacità di donare elettroni aumenta dall'alto verso il basso e da destra a sinistra. Gli elementi che possono, in determinate condizioni, manifestarsi come metalli o metalloidi sono al centro della tabella.
Ora versiamo il carbone attivo dalla maschera antigas nel secondo e nel quarto compartimento (tra il primo divisorio e il secondo, così come il terzo e il quarto), che fungeranno da elettrodi. Per evitare che il carbone fuoriesca dai fori, puoi posizionarlo in un tessuto di nylon (sono adatte le calze di nylon da donna). IN
Il carburante circolerà nella prima camera e nella quinta dovrebbe esserci un fornitore di ossigeno: l'aria. Ci sarà un elettrolita tra gli elettrodi e, per evitare che fuoriesca nella camera d'aria, è necessario immergerlo con una soluzione di paraffina nella benzina (rapporto tra 2 grammi di paraffina e mezzo bicchiere di benzina) prima di versarlo carbonio per l'elettrolita dell'aria nella quarta camera. Sullo strato di carbone è necessario posizionare (premendo leggermente) piastre di rame a cui sono saldati i fili. Attraverso di loro, la corrente verrà deviata dagli elettrodi.
Non resta che caricare l'elemento. Per questo hai bisogno della vodka, che deve essere diluita con acqua 1:1. Quindi aggiungere con attenzione da trecento a trecentocinquanta grammi di potassio caustico. Per l'elettrolita, 70 grammi di idrossido di potassio vengono sciolti in 200 grammi di acqua.
La cella a combustibile è pronta per il test. Ora è necessario versare contemporaneamente il carburante nella prima camera e l'elettrolito nella terza. Un voltmetro collegato agli elettrodi dovrebbe mostrare da 07 volt a 0,9. Per garantire il funzionamento continuo dell'elemento, è necessario rimuovere il combustibile esaurito (scaricarlo in un bicchiere) e aggiungere nuovo combustibile (attraverso un tubo di gomma). La velocità di avanzamento viene regolata comprimendo il tubo. Ecco come appare il funzionamento di una cella a combustibile in condizioni di laboratorio, la cui potenza è comprensibilmente bassa.
Video: Cella a combustibile o batteria eterna a casa
Per garantire maggiore potenza, gli scienziati stanno lavorando da tempo su questo problema. L'acciaio attivo in fase di sviluppo ospita celle a combustibile a metanolo ed etanolo. Ma sfortunatamente non sono ancora stati messi in pratica.
Perché la cella a combustibile viene scelta come fonte di energia alternativa
Come fonte di energia alternativa è stata scelta una cella a combustibile, poiché il prodotto finale della combustione dell'idrogeno al suo interno è l'acqua. L’unico problema è trovare un modo economico ed efficiente per produrre idrogeno. Gli enormi fondi investiti nello sviluppo di generatori di idrogeno e celle a combustibile non possono che dare i loro frutti, quindi una svolta tecnologica e il loro reale utilizzo nella vita di tutti i giorni è solo questione di tempo.
Già oggi i mostri dell’industria automobilistica: General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard stanno dimostrando autobus e automobili che funzionano con celle a combustibile, la cui potenza raggiunge i 50 kW. Ma i problemi legati alla loro sicurezza, affidabilità e costi non sono ancora stati risolti. Come già accennato, a differenza delle tradizionali fonti di energia - batterie e accumulatori, in questo caso l'ossidante e il carburante vengono forniti dall'esterno e la cella a combustibile è solo un intermediario nella continua reazione di combustione del carburante e conversione dell'energia rilasciata in elettricità. La “combustione” avviene solo se l'elemento fornisce corrente al carico, come un generatore elettrico diesel, ma senza generatore e motore diesel, e anche senza rumore, fumo e surriscaldamento. Allo stesso tempo, l’efficienza è molto più elevata poiché non esistono meccanismi intermedi.
Video: automobile a celle a combustibile a idrogeno
Grandi speranze sono riposte nell'impiego delle nanotecnologie e dei nanomateriali, che aiuterà a miniaturizzare le celle a combustibile aumentandone la potenza. È stato riferito che sono stati creati catalizzatori ultra efficienti, nonché progetti per celle a combustibile prive di membrane. In essi, il carburante (metano, ad esempio) viene fornito all'elemento insieme all'ossidante. Soluzioni interessanti utilizzano l'ossigeno disciolto nell'aria come ossidante e le impurità organiche che si accumulano nelle acque inquinate vengono utilizzate come combustibile. Questi sono i cosiddetti elementi di biocarburante.
Le celle a combustibile, secondo gli esperti, potrebbero entrare nel mercato di massa nei prossimi anni.
L'imprenditore Danila Shaposhnikov afferma di essersi impegnato a portare il prodotto sul mercato dal laboratorio. La startup AT Energy produce celle a combustibile a idrogeno che consentiranno ai droni di volare molto più a lungo di quanto possano fare ora.
L'imprenditore Danila Shaposhnikov sta aiutando gli scienziati Yuri Dobrovolsky e Sergei Nefedkin a commercializzare la loro invenzione: celle a combustibile compatte a idrogeno che possono funzionare per diverse ore senza timore del gelo e dell'umidità. La società da loro creata, AT Energy, ha già raccolto circa 100 milioni di rubli. investimenti e si prepara a conquistare il mercato globale dei droni da 7 miliardi di dollari, che finora utilizza principalmente batterie agli ioni di litio.
Dal laboratorio al mercato
L'attività è stata avviata dalla conoscenza di Shaposhnikov con due dottori in scienze nel campo dell'energia e dell'elettrochimica: Dobrovolsky dell'Istituto di problemi di fisica chimica dell'Accademia delle scienze russa a Chernogolovka e Nefedkin, che dirige il Centro per l'energia dell'idrogeno presso l'Università di Mosca Istituto per l'energia. I professori avevano un'idea su come realizzare celle a combustibile a bassa temperatura, ma non capivano come portare la loro invenzione sul mercato. "Ho agito come un imprenditore-investitore che si è preso il rischio di portare un prodotto sul mercato dal laboratorio", ricorda Shaposhnikov in un'intervista a RBC.
Nell'agosto 2012, Shaposhnikov, Dobrovolsky e Nefedkin hanno registrato la società AT Energy (AT Energy LLC) e hanno iniziato a preparare i prototipi. L'azienda ha presentato domanda ed è diventata residente a Skolkovo. Per tutto il 2013, nella base affittata dell’istituto a Chernogolovka, i fondatori di AT Energy hanno lavorato per aumentare radicalmente la durata delle batterie basate su celle a combustibile. "Chernogolovka è una città della scienza, è abbastanza facile trovare e attirare lì assistenti di laboratorio, ingegneri ed elettrochimici", dice Shaposhnikov. Quindi AT Energy si è trasferita nel parco tecnologico di Chernogolovsky. Lì è apparso il primo prodotto: una cella a combustibile per droni.
Il "cuore" della cella a combustibile sviluppata da AT Energy è un'unità membrana-elettrodo in cui avviene una reazione elettrochimica: da un lato viene fornita aria con ossigeno, dall'altro viene fornito gas idrogeno compresso e di conseguenza viene generata energia della reazione chimica di ossidazione dell’idrogeno.
Per un prodotto reale, AT Energy ha potuto ricevere due sovvenzioni Skolkovo (per un importo di quasi 47 milioni di rubli) e anche attirare circa 1 milione di dollari in investimenti. Al progetto hanno creduto il fondo North Energy Ventures (ha ricevuto il 13,8% di AT Energy, il suo partner è lo stesso Shaposhnikov), il fondo di rischio Phystech Ventures (13,8%), fondato da laureati dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, e il sviluppatore Morton (10%); Shaposhnikov e Dobrovolsky ora possiedono direttamente il 26,7% di AT Energy e Nefedkin il 9% (tutto secondo il Registro delle persone giuridiche dello Stato unificato).
AT L'energia in numeri
Circa 1 00 milioni di rubli.— importo totale degli investimenti attratti
3-30 chilogrammi- molti droni per i quali AT Energy realizza sistemi di alimentazione
7 miliardi di dollari all'anno: il volume del mercato globale dei droni nel 2015
$ 90 milioni— volume del mercato russo dei droni militari nel 2014
$ 5 milioni— volume del mercato russo dei droni civili nel 2014
$ 2,6 miliardi— volume del mercato globale delle celle a combustibile nel 2014
Fonte: dati aziendali, Business Insider, Mercati&Mercati
Vola più a lungo, ancora più a lungo
Oggi, quasi l’80% dei droni del mondo utilizza motori elettrici, alimentati da batterie agli ioni di litio o ai polimeri di litio. “Il problema più grande con le batterie è che hanno limitazioni di capacità energetica a causa delle loro dimensioni. Se vuoi il doppio dell'energia, installa un'altra batteria, poi un'altra, ecc. E nei droni il parametro più importante è la massa”, spiega Shaposhnikov.
Il peso del drone determina il suo carico utile: il numero di dispositivi che possono essere appesi ad esso (ad esempio fotocamere, termocamere, dispositivi di scansione, ecc.), nonché il tempo di volo. Oggi i droni volano generalmente da mezz’ora a un’ora e mezza. "Non è interessante per mezz'ora", dice Shaposhnikov. "Si scopre che non appena lo sollevi in aria, è ora di cambiare la batteria." Inoltre, le batterie agli ioni di litio si comportano in modo capriccioso alle basse temperature. Shaposhnikov sostiene che le celle a combustibile sviluppate da AT Energy consentono ai droni di volare fino a cinque volte più a lungo: da due ore e mezza a quattro ore, e non temono il gelo (fino a meno 20 gradi).
AT Energy acquista materiali di consumo e componenti per le sue batterie sia in Russia che all'estero. "Per gli sviluppi scientifici sono previste piccole serie, quindi non possiamo ancora dare ai potenziali produttori russi dei componenti di cui abbiamo bisogno un orizzonte di pianificazione in modo che possano localizzare la loro produzione", spiega Shaposhnikov.
Nel 2014 AT Energy ha concluso i suoi primi contratti: ha fornito all'esercito 20 sistemi di batterie basati sulle sue celle a combustibile (Shaposhnikov non nomina il cliente). Erano inoltre dotati di droni della società AFM-Servers, che li hanno utilizzati per filmare le Olimpiadi di Sochi. "Uno degli obiettivi dell'azienda era testare i nostri sistemi sui droni, e non ci importava se ci pagassero o meno", ricorda Shaposhnikov. Ad oggi, AT Energy ha firmato una serie di contratti e precontratti, il cui potenziale ricavo, secondo Shaposhnikov, è di 100 milioni di rubli. (principalmente con agenzie governative).
Shaposhnikov non rivela i risultati finanziari di AT Energy. Secondo Kontur.Focus, nel 2014 l'azienda ha registrato un fatturato di 12,4 milioni di rubli. e una perdita netta di 1,2 milioni di rubli. Il costo delle celle a combustibile con una potenza fino a 0,5 kW prodotte da AT Energy, secondo Shaposhnikov, varia da 10 a 25mila dollari, a seconda del tipo di drone, dei compiti che deve affrontare, della durata del volo e di altri parametri.
La svalutazione del rublo, secondo Shaposhnikov, renderà più facile per l'azienda entrare nel mercato mondiale. "Ci siamo posti l'obiettivo di stabilire rapporti con gli attori occidentali nel 2016 e nel 2017 di realizzare i primi prodotti per i principali tipi di droni stranieri", afferma.
INVESTITORE
“AT Energy è riuscita a creare una cella a combustibile con caratteristiche uniche”
Oleg Pertsovsky, direttore delle operazioni del cluster di tecnologie per l'efficienza energetica della Fondazione Skolkovo
“Sono stati in grado di realizzare un dispositivo che funziona a temperature sotto lo zero, pur essendo abbastanza compatto ed economico. Per i progetti ad alta intensità scientifica, quattro anni sono un breve periodo di tempo, quindi a nostro avviso si stanno muovendo a un ritmo normale. I droni rappresentano uno dei settori più ovvi e promettenti per l’utilizzo delle celle a combustibile. Sostituendo la fonte di alimentazione, il drone sarà in grado di aumentare più volte il proprio tempo di volo a parità di caratteristiche massa-dimensionali. Esiste anche un mercato per l’alimentazione autonoma, ad esempio per le reti cellulari, dove c’è un grande bisogno di alimentatori a bassa potenza in aree remote dove le reti elettriche non sono collegate”.
“Creare un prodotto competitivo ed entrare in questo mercato comporta rischi di investimento significativi”
Sergey Filimonov, capo del fondo di venture capital GS Venture (come parte del gruppo GS)
“Il mercato delle celle a combustibile ad alta capacità è molto più ampio e complesso dell’industria dei droni. Ma le celle a combustibile dovranno competere con una serie di fonti energetiche esistenti, sia in termini di efficienza che di costi. Creare un prodotto competitivo ed entrare in questo mercato comporta rischi di investimento significativi. Per GS Venture i settori degli UAV e delle celle a combustibile sono piuttosto interessanti, ma il fondo non è pronto a investire in una startup solo perché questa azienda opera in un'area in via di sviluppo e si rivolge a un mercato in continua crescita.
CLIENTI
“Questa è la migliore tecnologia sul mercato, ma troppo costosa”
Oleg Panfilenok, fondatore e CEO di Copter Express
“AT Energy dispone di una tecnologia molto forte. La combinazione di una “cella a combustibile più una bombola di idrogeno” consente di ottenere un’intensità energetica affidabile, significativamente più elevata rispetto alle batterie ai polimeri di litio o agli ioni di litio. Abbiamo già progettato un drone cartografico, di circa 1 metro di diametro, per sorvolare una vasta area: se ci metti sopra delle celle a combustibile a idrogeno, volerà fino a quattro ore. Sarebbe comodo ed efficiente; non dovresti sederti più volte sul dispositivo per ricaricarlo.
Al momento questa è sicuramente la migliore tecnologia sul mercato, ma c’è un problema: per noi è troppo costosa. Una batteria AT Energy può costare circa 500 mila rubli. - un ordine di grandezza superiore a una batteria ai polimeri di litio. Sì, è una volta e mezza più economico degli analoghi stranieri, ma ne abbiamo bisogno di dieci. Non siamo militari che hanno budget, siamo una società commerciale e non siamo pronti a pagare grandi somme. Per i militari le caratteristiche di un drone sono più importanti del suo costo, ma per il commercio, al contrario, è meglio se è peggiore, ma più economico”.
“Il tempo di volo di un drone è il fattore più importante per molte missioni.”
Maxim Shinkevich, CEO del gruppo di società Unmanned Systems
“Conosciamo molto bene AT Energy e abbiamo firmato un accordo di cooperazione con loro. Abbiamo recentemente completato lo sviluppo di un nuovo multicottero più grande con un carico utile fino a 2 kg, che sarà dotato di celle a combustibile di AT Energy e volerà su di esse da 2,5 a 4 ore. Utilizzando batterie al litio, un drone del genere volerebbe solo per 30 minuti. Questo drone può essere utilizzato sia per scopi civili che militari: è un sistema di videosorveglianza per la ricerca e il salvataggio di persone, siamo già pronti per lanciarlo in serie. Abbiamo già il primo cliente civile e non appena lo mostreremo in azione appariranno altri contratti.
Uno dei principali problemi legati all'utilizzo di massa delle celle a combustibile è la mancanza di una rete di stazioni per la loro ricarica. Costano più delle batterie (di conseguenza il costo di un drone che le utilizza aumenta del 15%), ma in cambio si ottiene più del doppio della durata del volo. Il tempo di volo del drone è il fattore più importante per molte applicazioni”.
Natalia Suvorova