Celle a combustibile

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Le batterie ricaricabili non sono chiaramente sufficienti per alimentare le auto elettriche per un periodo di tempo considerevole. Senza batterie affidabili e capienti, si perde la sfida della mobilità di massa. Quindi l’industria sta lavorando sempre più attivamente al problema delle fonti di energia alternative al petrolio. E la direzione alternativa più promettente alle batterie al litio, sono le celle a combustibile.

Il principio di base del funzionamento di tali celle fu scoperto dallo scienziato britannico Sir William Grove nel 1839. È noto come il padre della cella a combustibile. William Grove ha generato elettricità modificando l’elettrolisi dell’acqua per estrarre idrogeno e ossigeno.

Dopo aver scollegato la batteria dalla cella elettrolitica, Grove fu sorpreso di scoprire che gli elettrodi iniziarono ad assorbire il gas rilasciato e generare corrente. La scoperta del processo di combustione a freddo “idrochimica” dell’idrogeno è diventata un evento significativo nel settore energetico.

Il termine stesso “Cella a combustibile” apparso in seguito è stato proposto nel 1889 da Ludwig Mond e Charles Langer, che hanno cercato di creare un dispositivo per la generazione di elettricità dall’aria e dal gas di carbone.

Durante la normale combustione, l’ossigeno ossida i combustibili fossili e l’energia chimica del combustibile viene convertita in modo inefficiente in energia termica. Si è scoperto che è possibile eseguire la reazione di ossidazione, ad esempio idrogeno con ossigeno, in un mezzo elettrolitico in presenza di elettrodi per ottenere una corrente elettrica. Ad esempio, fornendo idrogeno a un elettrodo situato in un mezzo alcalino, otteniamo elettroni:

2H₂ + 4OH- → 4H₂O + 4e-

che, passando attraverso il circuito esterno, vanno all’elettrodo opposto, a cui entra l’ossigeno e dove avviene la reazione:

4e- + O₂ + 2H₂O → 4OH-

Si può vedere che la risultante reazione 2H₂ + O₂ → H₂O è la stessa della combustione normale, ma in una cella a combustibile, o in un generatore elettrochimico, viene generata una corrente elettrica con grande efficienza e parzialmente calore.

Si noti che carbone, monossido di carbonio, alcoli, idrazina e altre sostanze organiche possono anche essere usati come combustibile nelle celle a combustibile e aria, acqua ossigenata, cloro, bromo, acido nitrico, ecc. Possono essere usati come agenti ossidanti.

Nel 1965 le celle a combustibile furono testate negli Stati Uniti sull’astronave Gemini 5 e, successivamente, sulle navi Apollo per i voli sulla luna e nell’ambito del programma Shuttle.

La fase successiva del rapido sviluppo delle celle a combustibile è iniziata negli anni ’90 e continua ora. È causato dalla necessità di nuove fonti energetiche efficienti in relazione, da un lato, al problema ambientale globale dell’aumento delle emissioni di gas serra dalla combustione di combustibili fossili e, dall’altro, con l’esaurimento di tali combustibili. Poiché l’acqua è il prodotto finale della combustione dell’idrogeno in una cella a combustibile, sono considerati i più puliti dal punto di vista dell’impatto ambientale. Il problema principale è solo trovare un modo efficace ed economico per produrre idrogeno.

Miliardi di investimenti finanziari nello sviluppo di celle a combustibile e generatori di idrogeno dovrebbero portare a una svolta tecnologica e rendere il loro uso nella vita di tutti i giorni una realtà. Già giganti automobilistici come Ballard, Honda, Daimler Chrysler e General Motors stanno già testando auto e autobus con celle a combustibile da 50 kW. Diverse aziende hanno sviluppato centrali dimostrative che utilizzano celle a combustibile con un elettrolita di ossido solido con una capacità fino a 500 kW. Ma, nonostante un significativo passo avanti nel miglioramento delle prestazioni delle celle a combustibile, è necessario risolvere molti più problemi relativi al loro costo, affidabilità e sicurezza.

In una cella a combustibile, a differenza di batterie e accumulatori, sia il combustibile che l’ossidante vengono forniti dall’esterno. La cella a combustibile è solo un mediatore nella reazione e in condizioni ideali potrebbe funzionare quasi per sempre. Il bello di questa tecnologia è che, di fatto, l’elemento brucia carburante e converte direttamente l’energia rilasciata in elettricità. Con la combustione diretta del combustibile, viene ossidato con l’ossigeno e il calore generato in questo processo viene utilizzato per eseguire lavori utili.

In una cella a combustibile, come nelle batterie, le reazioni di ossidazione del combustibile e riduzione dell’ossigeno sono spazialmente separate e il processo di “combustione” procede solo se la cella emette corrente al carico. È come un generatore diesel, solo senza un motore diesel, senza fumo, rumore, surriscaldamento e con efficienza molto più elevata. Quest’ultimo è spiegato dal fatto che, in primo luogo, non ci sono dispositivi meccanici intermedi e, in secondo luogo, la cella a combustibile non è un motore termico e quindi non obbedisce alla legge di Carnot (ovvero, la sua efficienza non è determinata dalla differenza di temperatura).

L’ossigeno viene utilizzato come agente ossidante nelle celle a combustibile. Inoltre, poiché l’ossigeno è abbastanza nell’aria, non è necessario preoccuparsi della fornitura di un agente ossidante. Per quanto riguarda il carburante, è idrogeno. Quindi, la reazione si verifica nella cella a combustibile:

2H₂ + O₂ → H₂O + elettricità + calore.

Il risultato è energia utile e vapore acqueo. Il design più semplice è una cella a combustibile con una membrana di scambio protonico (vedi Figura 1). Funziona come segue: l’idrogeno che entra nell’elemento si decompone sotto l’azione del catalizzatore in elettroni e ioni idrogeno H + caricati positivamente. Quindi entra in gioco una membrana speciale, che funge da elettrolita in una batteria convenzionale. A causa della sua composizione chimica, passa i protoni attraverso se stesso, ma intrappola gli elettroni. Pertanto, gli elettroni accumulati sull’anodo creano una carica negativa in eccesso e gli ioni idrogeno creano una carica positiva sul catodo (la tensione sull’elemento è di circa 1 V).

Per creare alta potenza, una cella a combustibile è costituita da una pluralità di celle. Se si include un elemento nel carico, gli elettroni scorreranno attraverso di esso fino al catodo, creando una corrente e completando il processo di ossidazione dell’idrogeno da parte dell’ossigeno. Come catalizzatore in tali celle a combustibile, vengono tipicamente utilizzate microparticelle di platino depositate su una fibra di carbonio. Grazie alla sua struttura, un tale catalizzatore passa bene gas ed elettricità. La membrana è tipicamente costituita da un polimero Nafion contenente zolfo. Lo spessore della membrana è di decimi di millimetro. Durante la reazione, naturalmente, viene rilasciato anche calore, ma non è così tanto, quindi la temperatura operativa viene mantenuta nell’intervallo 40-80 ° C.

Fig. 1 Il principio di funzionamento della cella a combustibile

Esistono altri tipi di celle a combustibile, che differiscono principalmente per il tipo di elettrolita utilizzato. Quasi tutti richiedono idrogeno come combustibile, quindi sorge una domanda logica: dove trovarlo. Naturalmente, sarebbe possibile utilizzare idrogeno compresso in contenitori appositi, ma poi sorgono immediatamente problemi associati al trasporto e allo stoccaggio di questo gas altamente infiammabile ad alta pressione. Naturalmente, è possibile utilizzare l’idrogeno in forma legata come nelle batterie agli idruri metallici. Ma rimane ancora il compito della sua estrazione e trasporto, perché non esiste l’infrastruttura delle stazioni di rifornimento di idrogeno.

Tuttavia, esiste anche una soluzione: il combustibile liquido a base di idrocarburi può essere utilizzato come fonte di idrogeno. Ad esempio, alcool etilico o metilico. È vero, qui è già necessario uno speciale dispositivo aggiuntivo: un convertitore di carburante, che converte gli alcoli in una miscela di H2 gassoso e CO2 ad alta temperatura (per il metanolo sarà da qualche parte intorno a 240 ° C).

Fig.2 Il principio di funzionamento della cella a combustibile a metanolo

La differenza fondamentale tra gli elementi di riempimento di idrogeno e metanolo è il catalizzatore utilizzato. Il catalizzatore nella cella a combustibile a metanolo consente di rimuovere i protoni direttamente dalla molecola di alcool. Pertanto, il problema del carburante viene risolto: l’alcool metilico è prodotto in serie per l’industria chimica, è facile da immagazzinare e trasportare e per caricare una cella a combustibile a metanolo, è sufficiente sostituire semplicemente la cartuccia con carburante. È vero, c’è un aspetto negativo: il metanolo è tossico. Inoltre, l’efficienza di una cella a combustibile a metanolo è significativamente inferiore a quella di una a idrogeno.

Fig.3. Cella a combustibile a metanolo

L’opzione più allettante è usare l’alcool etilico come combustibile, poiché la produzione e la distribuzione di bevande alcoliche di qualsiasi composizione e forza è ben consolidata in tutto il mondo. Tuttavia, l’efficienza delle celle a combustibile a base di etanolo, sfortunatamente, è persino inferiore a quella del metanolo.

Come già notato in molti anni di sviluppo nel campo delle celle a combustibile, sono stati costruiti vari tipi di celle a combustibile. Le celle a combustibile sono classificate per elettrolita e tipo di combustibile.

1. Elettrolita idrogeno-ossigeno polimerico solido.

2. Celle a combustibile a metanolo polimerico solido.

3. Elementi su elettrolita alcalino.

4. Celle a combustibile ad acido fosforico.

5. Celle a combustibile su carbonati fusi.

6. Celle a combustibile ad ossido solido.

Idealmente, l’efficienza delle celle a combustibile è molto elevata, ma in condizioni reali ci sono perdite associate a processi di non equilibrio, come perdite ohmiche dovute alla conduttività dell’elettrolita e degli elettrodi, polarizzazione di attivazione e concentrazione e perdite di diffusione. Di conseguenza, parte dell’energia generata nelle celle a combustibile viene convertita in calore. Gli sforzi degli specialisti mirano a ridurre queste perdite.

La principale fonte sono le perdite ohmiche, nonché il motivo dell’elevato prezzo delle celle a combustibile, sono le membrane per lo scambio di ioni. Ora stanno cercando polimeri alternativi a conduzione protonica più economici. Poiché la conducibilità di queste membrane (elettroliti solidi) raggiunge un valore accettabile (10 Ohm / cm) solo in presenza di acqua, i gas forniti alla cella a combustibile devono essere ulteriormente inumiditi in un dispositivo speciale, il che rende anche il sistema più costoso. Negli elettrodi di diffusione del gas catalitico, vengono utilizzati principalmente platino e alcuni altri metalli nobili, e finora non è stata trovata alcuna sostituzione ugualmente efficente. Sebbene il contenuto di platino nelle celle a combustibile sia di diversi mg / cm2, per batterie di grandi dimensioni la sua quantità raggiunge decine di grammi.

Durante la progettazione di celle a combustibile, viene prestata molta attenzione al sistema di rimozione del calore, poiché ad alte densità di corrente (fino a 1A / cm2) il sistema si surriscalda da solo. Per il raffreddamento, viene utilizzata l’acqua che circola nella cella a combustibile attraverso canali speciali e, a basse capacità, viene utilizzata la ventilazione.

Quindi, oltre alla batteria a celle a combustibile stessa, un moderno sistema di un generatore elettrochimico “cresce” con molti dispositivi ausiliari, come: pompe, un compressore per l’alimentazione dell’aria, un ingresso di idrogeno, un umidificatore a gas, un’unità di raffreddamento, un sistema di controllo delle perdite di gas, un convertitore da CC a CA e un processore di controllo e altri, tutto ciò porta al fatto che il costo del sistema di celle a combustibile nel periodo 2004-2005 era di 2-3 mila $ / kW. Secondo gli esperti, le celle a combustibile saranno disponibili per l’uso nei trasporti e nelle centrali elettriche fisse al prezzo di 50-100 $ / kW.

Per l’introduzione delle celle a combustibile nella vita di tutti i giorni, insieme ai componenti più economici, occorre attendere nuove idee e approcci originali. In particolare, grandi speranze sono associate all’uso di nanomateriali e nanotecnologie. Ad esempio, recentemente diverse aziende hanno annunciato la creazione di catalizzatori super efficienti, in particolare, per un elettrodo di ossigeno basato su gruppi di nanoparticelle di vari metalli.

Sono stati segnalati progetti di celle a combustibile prive di membrana in cui alla cella a combustibile viene fornito combustibile liquido (come il metanolo) insieme a un agente ossidante. Un concetto interessante è il concetto sviluppato di elementi di biocarburanti che operano in acque inquinate e consumano ossigeno disciolto come agente ossidante e impurità organiche come combustibile.

Innanzitutto, è necessario risolvere il problema della miniaturizzazione delle celle a combustibile. Dopotutto, più piccola è la cella a combustibile, minore sarà la potenza che sarà in grado di erogare, quindi vengono costantemente sviluppati nuovi catalizzatori ed elettrodi che consentono, a dimensioni ridotte, di massimizzare la superficie di lavoro.

Gli ultimi sviluppi nel campo della nanotecnologia e dei nanomateriali (ad esempio i nanotubi) sono utili.

Il secondo problema importante che deve essere affrontato è il prezzo. In effetti, come catalizzatore nella maggior parte delle celle a combustibile, viene utilizzato platino molto costoso. Ancora una volta, alcuni produttori stanno cercando di sfruttare al meglio la tecnologia del silicio già ben sviluppata.

Ricercatori hanno dimostrato la possibilità di produrre idrogeno a partire dall’acqua e di immagazzinarlo proprio fra gli atomi di carbonio del grafene. Per realizzare questa “mini fabbrica” di idrogeno, hanno utilizzato una superficie di nichel rivestita di grafene. “Combinando le proprietà dei due materiali”, affermano, “il dispositivo funziona da catalizzatore che rompe le molecole di acqua e le divide in atomi di idrogeno e gruppi idrossilici (OH)”. L’idrogeno prodotto è poi assorbito sul grafene stesso, che offre quindi un sistema naturale di stoccaggio a temperatura ambiente. Per rilasciare l’idrogeno, basta riscaldare il grafene a temperature di circa 130 ° C.

Notizia dei primi di dicembre dell’anno appena concluso, Bosch svilupperà batterie a celle a combustibile nella città di Wuxi, nella Cina orientale, con l’obiettivo di rifornire il mercato emergente locale dei veicoli a celle a combustibile.

Non bisogna per forza andare all’estero per trovare questa tecnologia, in Piemonte si stanno sperimentando treni alimentati da celle a combustibile.

Come vedete la soluzione definitiva non è proprio dietro l’angolo ma in molti si stanno dando da fare per trovarla, questo è quello che succede con tutte le tecnologie non ancora mature.