Fondamenti di celle a combustibile
Attraverso questo sito stiamo cercando materiale storico relativo alle celle a combustibile. Abbiamo costruito il sito per raccogliere informazioni da persone che già conoscono la tecnologia, come inventori, ricercatori, produttori, elettricisti e commercianti. Questa sezione Basics presenta una panoramica generale delle celle a combustibile per i visitatori occasionali.
| Cos’è una cella a combustibile? | Come funzionano le pile a combustibile? |
| Perché non posso andare a comprare una pila a combustibile? | |
| Diversi tipi di pile a combustibile. | |
Cos’è una cella a combustibile?
Una cella a combustibile è un dispositivo che genera elettricità attraverso una reazione chimica. Ogni cella a combustibile ha due elettrodi chiamati, rispettivamente, anodo e catodo. Le reazioni che producono elettricità avvengono agli elettrodi.
Ogni cella a combustibile ha anche un elettrolita, che trasporta le particelle elettricamente cariche da un elettrodo all’altro, e un catalizzatore, che accelera le reazioni agli elettrodi.
L’idrogeno è il combustibile di base, ma le celle a combustibile richiedono anche ossigeno. Una grande attrattiva delle celle a combustibile è che generano elettricità con pochissimo inquinamento. Gran parte dell’idrogeno e dell’ossigeno usati per generare elettricità si combinano alla fine per formare un sottoprodotto innocuo, cioè l’acqua.
Un dettaglio terminologico: una singola cella a combustibile genera una piccola quantità di elettricità in corrente continua (CC). In pratica, molte celle a combustibile sono di solito assemblate in uno stack. Cella o pila, i principi sono gli stessi.
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Come funzionano le celle a combustibile?
Lo scopo di una cella a combustibile è quello di produrre una corrente elettrica che può essere diretta all’esterno della cella per fare lavoro, come ad esempio alimentare un motore elettrico o illuminare una lampadina o una città. A causa del modo in cui l’elettricità si comporta, questa corrente ritorna alla cella a combustibile, completando un circuito elettrico. (Per saperne di più sull’elettricità e l’energia elettrica, visita “Throw The Switch” sul sito Smithsonian Powering a Generation of Change). Le reazioni chimiche che producono questa corrente sono la chiave di come funziona una cella a combustibile.
Ci sono diversi tipi di celle a combustibile, e ognuno funziona in modo un po’ diverso. Ma in termini generali, gli atomi di idrogeno entrano in una cella a combustibile all’anodo dove una reazione chimica li priva dei loro elettroni. Gli atomi di idrogeno sono ora “ionizzati” e portano una carica elettrica positiva. Gli elettroni caricati negativamente forniscono la corrente attraverso i fili per fare lavoro. Se è necessaria la corrente alternata (AC), l’uscita DC della cella a combustibile deve essere instradata attraverso un dispositivo di conversione chiamato inverter.
Grafico di Marc Marshall, Schatz Energy Research Center
L’ossigeno entra nella cella a combustibile al catodo e, in alcuni tipi di cella (come quella illustrata sopra), si combina con gli elettroni di ritorno dal circuito elettrico e gli ioni idrogeno che hanno viaggiato attraverso l’elettrolita dall’anodo. In altri tipi di cellule l’ossigeno raccoglie elettroni e poi viaggia attraverso l’elettrolita fino all’anodo, dove si combina con gli ioni di idrogeno.
L’elettrolita gioca un ruolo chiave. Deve permettere solo agli ioni appropriati di passare tra l’anodo e il catodo. Se gli elettroni liberi o altre sostanze potessero viaggiare attraverso l’elettrolita, interromperebbero la reazione chimica.
Che si combinino all’anodo o al catodo, insieme l’idrogeno e l’ossigeno formano l’acqua, che si scarica dalla cella. Finché una cella a combustibile è alimentata con idrogeno e ossigeno, genererà elettricità.
Ancora meglio, poiché le celle a combustibile creano elettricità chimicamente, piuttosto che per combustione, non sono soggette alle leggi termodinamiche che limitano una centrale elettrica convenzionale (vedi “Limite di Carnot” nel glossario). Pertanto, le celle a combustibile sono più efficienti nell’estrarre energia da un combustibile. Il calore di scarto di alcune celle può anche essere sfruttato, aumentando ulteriormente l’efficienza del sistema.
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Perché non posso andare a comprare una cella a combustibile?
Il funzionamento di base di una cella a combustibile può non essere difficile da illustrare. Ma costruire celle a combustibile economiche, efficienti e affidabili è un affare molto più complicato.
Scienziati e inventori hanno progettato molti tipi e dimensioni diverse di celle a combustibile nella ricerca di una maggiore efficienza, e i dettagli tecnici di ogni tipo variano. Molte delle scelte che gli sviluppatori di celle a combustibile devono fare sono limitate dalla scelta dell’elettrolita. Il design degli elettrodi, per esempio, e i materiali usati per realizzarli dipendono dall’elettrolita. Oggi, i principali tipi di elettroliti sono alcalini, carbonato fuso, acido fosforico, membrana a scambio protonico (PEM) e ossido solido. I primi tre sono elettroliti liquidi; gli ultimi due sono solidi.
Il tipo di carburante dipende anche dall’elettrolita. Alcune celle hanno bisogno di idrogeno puro, e quindi richiedono attrezzature extra come un “reformer” per purificare il carburante. Altre celle possono tollerare alcune impurità, ma potrebbero aver bisogno di temperature più elevate per funzionare in modo efficiente. In alcune celle circolano elettroliti liquidi, il che richiede pompe. Ogni tipo di cella a combustibile ha vantaggi e svantaggi rispetto alle altre, e nessuna è ancora abbastanza economica ed efficiente da sostituire ampiamente i modi tradizionali di generare energia, come le centrali a carbone, idroelettriche o persino nucleari.
La seguente lista descrive i cinque principali tipi di celle a combustibile. Informazioni più dettagliate possono essere trovate in quelle aree specifiche di questo sito.
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Diversi tipi di celle a combustibile.
Disegno di una cella alcalina.
Le pile a combustibile alcaline funzionano con idrogeno e ossigeno compressi. Usano generalmente una soluzione di idrossido di potassio (chimicamente, KOH) in acqua come elettrolita. L’efficienza è di circa il 70 per cento, e la temperatura di funzionamento è da 150 a 200 gradi C, (circa 300 a 400 gradi F). La potenza della cella varia da 300 watt (W) a 5 kilowatt (kW). Le celle alcaline sono state usate nelle navicelle spaziali Apollo per fornire sia elettricità che acqua potabile. Richiedono un combustibile di idrogeno puro, tuttavia, e i loro catalizzatori di elettrodi di platino sono costosi. E come ogni contenitore pieno di liquido, possono avere delle perdite.
Disegno di una cella a carbonato fuso
Le celle a combustibile a carbonato fuso (MCFC) usano composti ad alta temperatura di carbonati di sale (come sodio o magnesio) (chimicamente, CO3) come elettrolita. L’efficienza varia dal 60 all’80% e la temperatura di funzionamento è di circa 650 gradi C (1.200 gradi F). Sono state costruite unità con output fino a 2 megawatt (MW), ed esistono progetti per unità fino a 100 MW. L’alta temperatura limita i danni da “avvelenamento” da monossido di carbonio della cella e il calore di scarto può essere riciclato per fare ulteriore elettricità. I loro elettrodo-catalizzatori di nichel sono poco costosi rispetto al platino usato in altre celle. Ma l’alta temperatura limita anche i materiali e gli usi sicuri di MCFCsarebbe probabilmente troppo caldo per l’uso domestico. Inoltre, gli ioni di carbonato dell’elettrolita si consumano nelle reazioni, rendendo necessaria l’iniezione di anidride carbonica per compensare.
Le pile a combustibile ad acido fosforico (PAFC) usano l’acido fosforico come elettrolita. L’efficienza varia dal 40 all’80%, e la temperatura di funzionamento è compresa tra 150 e 200 gradi C (circa 300 e 400 gradi F). Le celle ad acido fosforico esistenti hanno output fino a 200 kW, e sono state testate unità da 11 MW. Le PAFC tollerano una concentrazione di monossido di carbonio di circa 1,5%, il che amplia la scelta dei combustibili che possono usare. Se si usa la benzina, lo zolfo deve essere rimosso. Sono necessari elettrodo-catalizzatori di platino, e le parti interne devono essere in grado di resistere all’acido corrosivo.
Disegno di come funzionano sia l’acido fosforico che le pile a combustibile PEM.
Le pile a combustibile a membrana a scambio di protoni (PEM) funzionano con un elettrolita polimerico sotto forma di un foglio sottile e permeabile. L’efficienza è di circa il 40-50 per cento, e la temperatura di funzionamento è di circa 80 gradi C (circa 175 gradi F). La potenza delle celle varia generalmente da 50 a 250 kW. L’elettrolita solido e flessibile non perde e non si rompe, e queste celle operano ad una temperatura abbastanza bassa da renderle adatte alle case e alle automobili. Ma i loro combustibili devono essere purificati, e un catalizzatore di platino è usato su entrambi i lati della membrana, aumentando i costi.
Disegno di una cella a ossido solido
Le celle a combustibile a ossido solido (SOFC) usano un composto duro e ceramico di ossidi di metallo (come calcio o zirconio) (chimicamente, O2) come elettrolita. L’efficienza è di circa il 60 per cento e le temperature di funzionamento sono di circa 1.000 gradi C (circa 1.800 gradi F). La potenza delle celle è fino a 100 kW. A temperature così elevate non è necessario un reformer per estrarre l’idrogeno dal combustibile, e il calore di scarto può essere riciclato per produrre ulteriore elettricità. Tuttavia, l’alta temperatura limita le applicazioni delle unità SOFC e tendono ad essere piuttosto grandi. Mentre gli elettroliti solidi non possono perdere, possono incrinarsi.
Informazioni più dettagliate su ogni tipo di cella a combustibile, comprese le storie e le applicazioni attuali, possono essere trovate nelle loro parti specifiche di questo sito. Abbiamo anche fornito un glossario di termini tecnici, il cui link si trova all’inizio di ogni pagina tecnologica.
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