Celle a combustibile: tipologie, principio di funzionamento e caratteristiche

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-02 13:57

L'idrogeno è un combustibile pulito in quanto produce solo acqua e fornisce energia pulita utilizzando fonti di energia rinnovabile. Può essere immagazzinato in una cella a combustibile che produce elettricità utilizzando un dispositivo di conversione elettrochimica. L'idrogeno è la fonte dell'energia rivoluzionaria del futuro, ma il suo sviluppo è ancora molto limitato. Motivi: energia difficile da produrre, efficacia in termini di costi e bilancio energetico discutibile a causa della natura ad alta intensità energetica del progetto. Ma questa opzione energetica offre prospettive interessanti in termini di accumulo di energia, soprattutto quando si tratta di fonti rinnovabili.

Pionieri delle celle a combustibile

Il concetto è stato efficacemente dimostrato da Humphry Davy all'inizio del diciannovesimo secolo. Questo fu seguito dal lavoro pionieristico di Christian Friedrich Schonbein nel 1838. All'inizio degli anni '60, la NASA, in collaborazione con partner industriali, iniziò a sviluppare generatoridi questo tipo per voli spaziali con equipaggio. Ciò ha portato al primo blocco di PEMFC.

Un altro ricercatore di GE, Leonard Nidrach, ha aggiornato il PEMFC di Grubb usando il platino come catalizzatore. Grubb-Niedrach è stato ulteriormente sviluppato in collaborazione con la NASA ed è stato utilizzato dal programma spaziale Gemini alla fine degli anni '60. International Fuel Cells (IFC, poi UTC Power) ha sviluppato il dispositivo da 1,5 kW per i voli spaziali Apollo. Hanno fornito elettricità e acqua potabile agli astronauti durante la loro missione. Successivamente IFC ha sviluppato le unità da 12kW utilizzate per fornire energia a bordo per tutti i voli dei veicoli spaziali.

L'elemento automobilistico è stato inventato per la prima volta da Grulle negli anni '60. GM ha utilizzato la Union Carbide nell'auto "Electrovan". Era usata solo come auto aziendale, ma poteva viaggiare fino a 120 miglia con il pieno e raggiungere velocità fino a 70 miglia orarie. Kordesch e Grulke sperimentarono una motocicletta a idrogeno nel 1966. Era un ibrido cellulare con una batteria NiCad in tandem che ha raggiunto un impressionante 1,18 l/100 km. Questa mossa ha l'avanzata tecnologia delle e-bike e la commercializzazione di e-motociclette.

Nel 2007, le fonti di carburante sono state commercializzate in un'ampia varietà di aree, hanno iniziato a essere vendute agli utenti finali con garanzie scritte e capacità di servizio, ad es. soddisfare i requisiti e gli standard di un'economia di mercato. Pertanto, diversi segmenti di mercato hanno iniziato a concentrarsi sulla domanda. In particolare, migliaia di potenza ausiliariaLe unità PEMFC e DMFC (APU) sono state commercializzate in applicazioni di intrattenimento: barche, giocattoli e kit di addestramento.

Horizon nell'ottobre 2009 ha mostrato il primo sistema elettronico Dynario commerciale che funziona con cartucce di metanolo. Le celle a combustibile Horizon possono caricare telefoni cellulari, sistemi GPS, fotocamere o lettori di musica digitale.

Processi di produzione di idrogeno

Le celle a combustibile a idrogeno sono sostanze che contengono idrogeno come combustibile. Il combustibile a idrogeno è un combustibile a emissioni zero che rilascia energia durante la combustione o attraverso reazioni elettrochimiche. Le celle a combustibile e le batterie producono elettricità attraverso una reazione chimica, ma le prime produrranno energia finché c'è carburante, senza mai perdere la carica.

I processi termici per produrre idrogeno implicano tipicamente il reforming del vapore, un processo ad alta temperatura in cui il vapore reagisce con una fonte di idrocarburi per rilasciare idrogeno. Molti combustibili naturali possono essere riformati per produrre idrogeno.

Oggi circa il 95% dell'idrogeno viene prodotto dal reforming del gas. L'acqua viene scissa in ossigeno e idrogeno mediante elettrolisi, in un dispositivo che funziona come una cella a combustibile zero Horizon al contrario.

Processi basati sul solare

Usano la luce come agente per produrre idrogeno. Esistediversi processi basati su pannelli solari:

1. fotobiologico;
2. fotoelettrochimico;
3. soleggiato;
4. termochimico.

I processi fotobiologici utilizzano l'attività fotosintetica naturale di batteri e alghe verdi.

I processi fotoelettrochimici sono semiconduttori specializzati per la separazione dell'acqua in idrogeno e ossigeno.

La produzione solare termochimica a idrogeno utilizza l'energia solare concentrata per la reazione di separazione dell'acqua insieme ad altre specie come gli ossidi di metallo.

I processi biologici utilizzano microbi come batteri e microalghe e possono produrre idrogeno attraverso reazioni biologiche. Nella conversione della biomassa microbica, i microbi scompongono la materia organica come la biomassa, mentre nei processi fotobiologici i microbi utilizzano la luce solare come fonte.

Componenti della generazione

I dispositivi degli elementi sono costituiti da più parti. Ognuno ha tre componenti principali:

• anodo;
• catodo;
• elettrolita conduttivo.

Nel caso delle celle a combustibile Horizon, in cui ogni elettrodo è costituito da un materiale ad alta superficie impregnato con un catalizzatore in lega di platino, il materiale elettrolitico è una membrana e funge da conduttore ionico. La generazione elettrica è guidata da due reazioni chimiche primarie. Per elementi che utilizzano puroH_2.

Il gas di idrogeno all'anodo si divide in protoni ed elettroni. I primi vengono trasportati attraverso la membrana elettrolitica e i secondi fluiscono attorno ad essa, generando una corrente elettrica. Gli ioni carichi (H + ed e -) si combinano con O_{2 al catodo, rilasciando acqua e calore. I numerosi problemi ambientali che affliggono il mondo oggi stanno mobilitando la società per raggiungere lo sviluppo sostenibile e il progresso verso la protezione del pianeta. In questo contesto, il fattore chiave è la sostituzione delle effettive risorse energetiche di base con altre in grado di soddisfare pienamente i bisogni umani.}

Gli elementi in questione sono proprio un tale accorgimento, grazie al quale questo aspetto trova la soluzione più probabile, in quanto è possibile ottenere energia elettrica da combustibile pulito ad alta efficienza e senza emissioni di CO₂

Catalizzatore al platino

Il platino è altamente attivo per l'ossidazione dell'idrogeno e continua ad essere il materiale elettrocatalizzatore più comune. Una delle principali aree di ricerca di Horizon che utilizzano celle a combustibile a riduzione di platino è l'industria automobilistica, dove nel prossimo futuro sono previsti catalizzatori ingegnerizzati a base di nanoparticelle di platino supportate da carbonio conduttivo. Questi materiali hanno il vantaggio di nanoparticelle altamente disperse, elevata superficie elettrocatalitica (ESA) e crescita minima di particelle a temperature elevate, anche a livelli di carico Pt più elevati.

Le leghe contenenti Pt sono utili per dispositivi che funzionano con fonti di carburante specializzate come metanolo o reforming (H₂, CO₂, CO e N_{2). Le leghe Pt/Ru hanno mostrato prestazioni migliorate rispetto ai catalizzatori Pt elettrochimici puri in termini di ossidazione del metanolo e nessuna possibilità di avvelenamento da monossido di carbonio. Pt 3 Co è un altro catalizzatore di interesse (soprattutto per i catodi delle celle a combustibile Horizon) e ha mostrato una migliore efficienza di reazione di riduzione dell'ossigeno nonché un'elevata stabilità.}

Catalizzatori Pt/C e Pt 3 Co/C che mostrano nanoparticelle altamente disperse su substrati di carbonio superficiali. Ci sono diversi requisiti chiave da considerare quando si sceglie un elettrolita a celle a combustibile:

1. Elevata conducibilità protonica.
2. Elevata stabilità chimica e termica.
3. Bassa permeabilità ai gas.

Fonte di idrogeno

L'idrogeno è l'elemento più semplice e abbondante nell'universo. È una componente importante dell'acqua, del petrolio, del gas naturale e dell'intero mondo vivente. Nonostante la sua semplicità e abbondanza, l'idrogeno si trova raramente allo stato gassoso naturale sulla Terra. È quasi sempre combinato con altri elementi. E può essere derivato da petrolio, gas naturale, biomassa o separando l'acqua utilizzando l'energia solare o elettrica.

Una volta che l'idrogeno si è formato come H₂, l'energia presente nella molecola può essere rilasciata per interazionecon O₂. Ciò può essere ottenuto con motori a combustione interna o celle a combustibile a idrogeno. In essi, l'energia H_{2 viene convertita in corrente elettrica con basse perdite di potenza. Pertanto, l'idrogeno è un vettore energetico per spostare, immagazzinare e fornire energia prodotta da altre fonti.}

Filtri per moduli di potenza

Ottenere elementi energetici alternativi è impossibile senza l'uso di filtri speciali. I filtri classici aiutano nello sviluppo di moduli di potenza di elementi in diversi paesi del mondo grazie ai blocchi di alta qualità. I filtri sono forniti per preparare carburante come il metanolo per applicazioni cellulari.

Tipicamente le applicazioni per questi moduli di alimentazione includono alimentazione in località remote, alimentazione di backup per forniture critiche, APU su piccoli veicoli e applicazioni marine come Project Pa-X-ell, un progetto per testare celle su navi passeggeri.

Custodie per filtri in acciaio inox che risolvono i problemi di filtrazione. In queste applicazioni impegnative, i produttori di celle a combustibile zero dawn stanno scegliendo gli alloggiamenti dei filtri in acciaio inossidabile Classic Filters grazie alla flessibilità di produzione, agli standard di qualità più elevati, alle consegne rapide e ai prezzi competitivi.

Piattaforma tecnologica dell'idrogeno

Horizon Fuel Cell Technologies è stata fondata a Singapore nel 2003 e oggi conta 5 filiali internazionali. La missione dell'azienda èfare la differenza nelle celle a combustibile lavorando a livello globale per ottenere una rapida commercializzazione, ridurre i costi tecnologici ed eliminare le barriere secolari alla fornitura di idrogeno. L'azienda ha iniziato con prodotti piccoli e semplici che richiedono basse quantità di idrogeno in preparazione per applicazioni più grandi e complesse. Seguendo linee guida rigorose e una tabella di marcia, Horizon è rapidamente diventato il più grande produttore mondiale di celle bulk inferiori a 1000 W, servendo clienti in oltre 65 paesi con la più ampia selezione di prodotti commerciali del settore.

La piattaforma tecnologica Horizon è composta da: PEM - celle a combustibile Horizon zero dawn (microcarburanti e stack) e relativi materiali, fornitura di idrogeno (elettrolisi, reforming e idrolisi), dispositivi e dispositivi di stoccaggio dell'idrogeno.

Horizon ha rilasciato il primo generatore di idrogeno portatile e personale al mondo. La stazione HydroFill può generare idrogeno decomponendo l'acqua in un serbatoio e immagazzinandola in cartucce HydroStick. Contengono una lega assorbente di idrogeno gassoso per fornire una conservazione solida. Le cartucce possono quindi essere inserite in un caricatore MiniPak in grado di gestire piccoli elementi del filtro del carburante.

Orizzonte o idrogeno domestico

Horizon Technologies lancia il sistema di ricarica dell'idrogeno e accumulo di energia per uso domestico, risparmiando energia a casa per caricare i dispositivi portatili. Horizon si è distinta nel 2006 con il giocattolo "H-racer", una piccola auto a idrogeno votata "migliore invenzione" dell'anno. Offerte Orizzontedecentralizza l'accumulo di energia a casa con la sua stazione di ricarica a idrogeno Hydrofill, in grado di ricaricare piccole batterie portatili e riutilizzabili. Questo impianto a idrogeno richiede solo acqua per funzionare e generare energia.

Il lavoro può essere fornito dalla rete, dai pannelli solari o da una turbina eolica. Da lì, l'idrogeno viene estratto dal serbatoio dell'acqua della stazione e immagazzinato in forma solida in piccole celle di lega metallica. The Hydrofill Station, in vendita a circa $ 500, è una soluzione all'avanguardia per i telefoni. Dove trovare le celle a combustibile Hydrofill a questo prezzo non è difficile per gli utenti, basta chiedere l'apposita richiesta su Internet.

Ricarica idrogeno per auto

Come le auto elettriche alimentate a batteria, anche quelle alimentate a idrogeno utilizzano l'elettricità per guidare l'auto. Ma invece di immagazzinare questa elettricità in batterie che impiegano ore per caricarsi, le celle generano energia a bordo dell'auto facendo reagire idrogeno e ossigeno. La reazione avviene in presenza di un elettrolita, un conduttore non metallico, in cui il flusso elettrico è trasportato dal movimento di ioni in dispositivi in cui le celle a combustibile Horizon zero sono dotate di membrane a scambio protonico. Funzionano come segue:

1. Il gas idrogeno viene fornito all'anodo "-" (A) della cella e l'ossigeno viene diretto al polo positivo.
2. Sull'anodo il catalizzatore è platino,scarta gli elettroni dagli atomi di idrogeno, lasciando ioni "+" ed elettroni liberi. Solo gli ioni passano attraverso la membrana situata tra l'anodo e il catodo.
3. Gli elettroni creano corrente elettrica muovendosi lungo un circuito esterno. Al catodo, gli elettroni e gli ioni idrogeno si combinano con l'ossigeno per produrre acqua che esce dalla cellula.

Fino ad ora, due cose hanno ostacolato la produzione su larga scala di veicoli alimentati a idrogeno: il costo e la produzione di idrogeno. Fino a poco tempo, il catalizzatore al platino, che divide l'idrogeno in uno ione e un elettrone, era proibitivo.

Alcuni anni fa, le celle a combustibile a idrogeno costavano circa $ 1.000 per ogni kilowatt di potenza, o circa $ 100.000 per un'auto. Sono stati condotti vari studi per ridurre i costi del progetto, inclusa la sostituzione del catalizzatore al platino con una lega platino-nichel che è 90 volte più efficiente. L'anno scorso, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha riferito che il costo del sistema era sceso a $ 61 per kilowatt, ancora non competitivo nell'industria automobilistica.

Tomografia computerizzata a raggi X

Questo metodo di controllo non distruttivo viene utilizzato per studiare la struttura di un elemento a due strati. Altri metodi comunemente usati per studiare la struttura:

• porosimetria per intrusione di mercurio;
• microscopia a forza atomica;
• profilometria ottica.

I risultati mostrano che la distribuzione della porosità ha una solida base per calcolare la conducibilità termica ed elettrica, la permeabilità ediffusione. Misurare la porosità degli elementi è molto difficile a causa della loro geometria sottile, comprimibile e disomogenea. Il risultato mostra che la porosità diminuisce con la compressione GDL.

La struttura porosa ha un impatto significativo sul trasferimento di massa nell'elettrodo. L'esperimento è stato condotto a varie pressioni di pressatura a caldo, comprese tra 0,5 e 10 MPa. Le prestazioni dipendono principalmente dal metallo platino, il cui costo è molto elevato. La diffusione può essere aumentata attraverso l'uso di leganti chimici. Inoltre, le variazioni di temperatura influiscono sulla durata e sulle prestazioni medie dell'elemento. Il tasso di degradazione dei PEMFC ad alta temperatura è inizialmente basso e quindi aumenta rapidamente. Viene utilizzato per determinare la formazione di acqua.

Problemi di commercializzazione

Per essere competitivi in termini di costi, i costi delle celle a combustibile devono essere dimezzati e la durata della batteria similmente estesa. Oggi, tuttavia, i costi operativi sono ancora molto più elevati, poiché i costi di produzione dell'idrogeno sono compresi tra $ 2,5 e $ 3 ed è improbabile che l'idrogeno fornito costi meno di $ 4/kg. Affinché la cella possa competere efficacemente con le batterie, dovrebbe avere un breve tempo di ricarica e ridurre al minimo il processo di sostituzione della batteria.

Attualmente, la tecnologia delle celle a combustibile polimeriche costerà 49 USD/kW se prodotta in serie (almeno 500.000 unità all'anno). Tuttavia, per competere con le autocombustione interna, le celle a combustibile per autoveicoli dovrebbero raggiungere circa $ 36/kWh. È possibile ottenere risparmi riducendo i costi dei materiali (in particolare, l'uso del platino), aumentando la densità di potenza, riducendo la complessità del sistema e aumentando la durata. Ci sono diverse sfide per commercializzare la tecnologia su larga scala, incluso il superamento di una serie di barriere tecniche.

Sfide tecniche del futuro

Il costo di una pila dipende dal materiale, dalla tecnica e dalle tecniche di fabbricazione. La scelta del materiale dipende non solo dall'idoneità del materiale alla funzione, ma anche dalla lavorabilità. Compiti chiave degli elementi:

1. Ridurre il carico dell'elettrocatalizzatore e aumentare l'attività.
2. Migliora la durata e riduci il degrado.
3. Ottimizzazione del design degli elettrodi.
4. Migliora la tolleranza alle impurità nell'anodo.
5. Selezione dei materiali per i componenti. Si basa principalmente sul costo senza sacrificare le prestazioni.
6. Tolleranza agli errori di sistema.
7. Le prestazioni dell'elemento dipendono principalmente dalla resistenza della membrana.

I principali parametri GDL che influenzano le prestazioni delle cellule sono la permeabilità dei reagenti, la conduttività elettrica, la conduttività termica e il supporto meccanico. Lo spessore del GDL è un fattore importante. Una membrana più spessa fornisce una migliore protezione, resistenza meccanica, percorsi di diffusione più lunghi e maggiori livelli di resistenza termica ed elettrica.

Trend progressivi

Tra i vari tipi di elementi, PEMFC sta adattando più applicazioni mobili (auto, laptop, telefoni cellulari, ecc.), pertanto è di crescente interesse per un'ampia gamma di produttori. In effetti, il PEMFC presenta molti vantaggi come bassa temperatura di esercizio, elevata stabilità della densità di corrente, leggerezza, compattezza, basso costo e volume potenziale, lunga durata, avviamenti rapidi e idoneità al funzionamento intermittente.

La tecnologia PEMFC si adatta bene a una varietà di dimensioni e viene utilizzata anche con una varietà di combustibili se adeguatamente elaborata per produrre idrogeno. In quanto tale, trova impiego dalla piccola scala dei subwatt fino alla scala dei megawatt. L'88% delle spedizioni totali nel 2016-2018 sono state PEMFC.