Progetto lauree scientifiche
Progetto fuel cell
A. A. 2008 - 2009
Entra in ballo H2
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Nello schema energetico sostenibile ci deve essere un
fluido combustibile ottenibile da fonti rinnovabili
Possono avere un ruolo importante i biocombustibili
Però è opinione abbastanza condivisa che il ruolo
fondamentale sarà giocato dall’idrogeno
Produzione di H2 da fonti
rinnovabili
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Reforming di biometano o di altri biocombustibili
Dissociazione di H2O ad alta T usando calore di
origine solare
Dissociazione elettrolitica di H2O usando energia
elettrica prodotta da fonti rinnovabili
In questo progetto:elettrolisi
Quindi:
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Elettrolizzatore alimentato p.e.da un modulo
fotovoltaico
Utilizzazione dell’idrogeno prodotto in una pila a
combustibile
Cosa riusciremo a fare dipenderà da molti fattori
Comunque ci sarà da studiare e da sperimentare
Che cosa è una fuel cell
La pila a combustibile è un generatore
elettrochimico in cui, in linea di principio,
entrano un combustibile (tipicamente idrogeno,
ma possono essere usati anche il metano e il
metanolo) e un ossidante (ossigeno o aria) e da
cui si ricavano corrente elettrica continua, acqua e
calore.
Come funziona una fuel cell
La cella a combustibile si basa sul fenomeno chimico
dell’ossidoriduzione, che si realizza attraverso il
passaggio di elettroni da una specie chimica ad
un’altra. Se questi elettroni sono obbligati, per questo
trasferimento,ad attraversare un conduttore metallico
esterno, producono una corrente.
In questo modo la variazione di energia associata alla
reazione chimica, cioè la variazione di energia fra lo
stato iniziale dei reagenti ( idrogeno ed ossigeno
gassosi a pressione e temperatura ambiente ) e quello
finale dei prodotti ( acqua allo stato liquido) viene
trasformata in energia elettrica.
Come è costituita una fuel cell
Le fuel cell a membrana polimerica sono costituite da un:
• anodo, su cui viene fatto confluire l’idrogeno
(combustibile) Qui, con l’ausilio di un catalizzatore
(platino), le molecole biatomiche dell’idrogeno
vengono decomposte in due protoni e due elettroni
( reazione di ossidazione).
All’anodo:
H2 → 2H+ + 2e-
2p+
Per ogni mole di H2 che
reagisce, sul circuito
esterno circolano
2xNavogadroelettroni
A questo punto i protoni attraversano la membrana per
arrivare all’elettrodo opposto. Gli elettroni, che non
possono attraversare la membrana, sono obbligati a
raggiungere l’elettrodo opposto attraverso un circuito
esterno, dando così origine ad una corrente continua,
che si mantiene costante fino a quando dura il flusso di
idrogeno sul catodo.
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catodo, su cui confluisce l’ossigeno, (che può
essere quello contenuto nell'aria) e qui si
ricombina (reazione di riduzione), sempre con
l'aiuto di un catalizzatore (platino), con i
protoni provenienti dalla membrana e con gli
elettroni provenienti dal circuito esterno,
formando acqua
Al catodo:
½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O
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membrana polimerica, che permette il
passaggio degli ioni H + (protoni) dall’anodo al
catodo
Il maggior elettrolita studiato e impiegato per le fuel cells
PEM è il Nafion. Il Nafion ha uno spessore che va dai 50
micron ai 175 micron (un foglio di carta ha lo spessore di
50 micron) ed è costituito da una sequenza principale di
molecole di -CF2-CF2-CF2- legate tra loro, come nel Teflon,
e da una catena di -O-CF2-CF-O-CF-CF2-, che collega la
regione precedente a un gruppo di ioni SO3- H+.
La conducibilità protonica del Nafion è in stretta
relazione con il suo stato idrato: in condizioni di
limitata idratazione il materiale si presenta come
scarso conduttore ionico e la sua conduttività
aumenta rapidamente con l’aumento del contenuto
d’acqua
Il fenomeno di conduzione è dovuto alla particolare
struttura del materiale: gli ioni SO3- - sono connessi
permanentemente alla catena e non possono muoversi;
quando la membrana viene idratata, gli stessi legano le
molecole d’acqua. Gli ioni idrogeno H + possono quindi
acquisire mobilità legandosi a loro volta alle molecole
acquose presenti, tramite legami idrogeno, e
muovendosi tra i siti solfonici all’interno della
membrana.
Grazie a questo meccanismo la membrana elettrolitica,
se opportunamente idratata, è un eccellente
conduttore di ioni idrogeno, che migrano all’interno
della pila dall’anodo verso il catodo in un’unica
direzione, senza permettere il passaggio di elettroni,
ed è proprio per questo che i gas reagenti devono
essere umidificati prima di essere introdotti nella
cella. L’idratazione è una condizione che limita la
temperatura operativa del sistema a circa 100°C, in
quanto non può essere superata la temperatura di
ebollizione dell’acqua dato che essa è legata alla
presenza di H2O allo stato liquido
Caratteristiche degli elettrodi
Gli elettrodi per la fuel cell PEM devono essere porosi
per permettere la diffusione dei gas reagenti nelle zone
attive, dove il catalizzatore di metallo nobile è in
contatto con la membrana. La costruzione di elettrodi
“gas diffusion” è un processo complicato, in quanto
ogni particolare della loro struttura è importante per il
rendimento della cella.
Ogni elettrodo è costituito da un interfaccia a tre fasi
in grado di mettere a contatto la riserva di gas da
una parte, le particelle di catalizzatore e il
conduttore ionico dall’altra favorendo la diffusione
del gas attraverso l'elettrolita.
Anodo
Il catalizzatore presente nell’anodo di fuel cells a
basse temperature è responsabile della reazione di
ossidazione del combustibile. In un sistema ideale, i
catalizzatori di platino sono ottimali, perchè il flusso
di combustibile è costituito da idrogeno puro.
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Sfortunatamente, nella maggior parte dei
sistemi reali, il flusso di combustibile contiene
tracce di alcuni elementi o composti tipo CO, S,
e NH3, che sono da considerarsi come veleni
per le fuel cells a basse temperature.
L’avvelenamento è dovuto all’assorbimento di
specie sui siti attivi del catalizzatore, che
diminuiscono i siti disponibili per l’ossidazione
dell’H2.
Catodo
Nonostante siano state studiate diverse varietà di
catalizzatori di metallo non-nobile, i migliori
catalizzatori sono quelli a base di platino. Granuli di
platino, dispersi su uno strato di fibre di carbonio,
hanno dimostrato avere ottime prestazioni. A causa
delle basse temperature di funzionamento, che
rendono bassa la velocità di reazione di riduzione
dell’ossigeno, è necessario utilizzare elevate quantità di
metallo catalizzatore, per ottenere una buona efficienza
di funzionamento del sistema.
Poiché il platino è molto costoso si è cercato di
minimizzare la quantità di metallo che è necessario
utilizzare
nella
costruzione
dell’elettrodo,
aumentando il più possibile la superficie dei granuli,
utilizzando quindi particelle di platino molto piccole,
del diametro di qualche nm (3-10nm).
