In precedenza, abbiamo introdotto gli eventi di sviluppo delle celle a combustibile. Come possiamo vedere, lo sviluppo delle celle a combustibile nel tempo è stato diversificato, portando a una varietà di tipi e a numerosi metodi di classificazione. Tuttavia, la classificazione più comune si basa sul tipo di elettrolita, includendo “celle a combustibile a membrana a scambio protonico”, “celle a combustibile alcaline”, “celle a combustibile a acido fosforico”, “celle a combustibile a carbonato fuso” e “celle a combustibile a ossido solido”. Oltre alla classificazione per tipo di elettrolita, ci sono anche classificazioni basate sulla temperatura di reazione, su diversi combustibili e su altri metodi.
Nel post precedente sullo sviluppo delle celle a combustibile, abbiamo menzionato che le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) occupano una posizione dominante sia nelle applicazioni pratiche che nella ricerca. Naturalmente, anche le celle a combustibile a ossido solido e le celle a combustibile a carbonato fuso hanno un certo stato di ricerca. Successivamente, introdurremo brevemente alcuni tipi di celle a combustibile comunemente ricercati.
Cella a Combustibile a Membrana a Scambio Protonico (PEMFC)
Come uno dei materiali chiave nelle celle a combustibile, le membrane a scambio protonico hanno attirato una vasta attenzione e una ricerca approfondita da parte di studiosi di tutto il mondo. I polimeri fluorurati, i polimeri aromatici e i materiali ibridi organici/inorganici sono stati sviluppati come membrane a scambio protonico.
Nelle celle a combustibile a membrana a scambio protonico, l’elettrolita è uno dei materiali chiave. È una membrana polimerica molto sottile, con la membrana a scambio protonico di acido perfluorosolfonico Nafion della DuPont come un tipo. Questa membrana polimerica può condurre protoni rimanendo elettricamente non conduttiva. I materiali degli elettrodi sono generalmente composti da carbonio o metallo, con platino supportato su carbonio utilizzato come catalizzatore per le reazioni dell’anodo e del catodo. La temperatura operativa delle PEMFC è di circa 80°C, e una singola cella può produrre circa 0,7V di tensione. Nelle applicazioni pratiche, per ottenere una tensione più elevata, è necessario collegare in serie più celle singole per formare uno stack di celle a combustibile, tipicamente costituito da circa 200-500 celle, con il numero specifico regolato in base alle situazioni e alle esigenze reali.
Le celle a combustibile a membrana a scambio protonico possono avviarsi rapidamente in condizioni di serra, scaricare facilmente i sottoprodotti dell’acqua, avere una lunga durata, alta potenza specifica, alta energia specifica, piccolo volume e sono attualmente ampiamente utilizzate nei veicoli elettrici e nei dispositivi di generazione di energia distribuita domestica. Oltre a queste caratteristiche, hanno anche un’elevata efficienza operativa, generalmente raggiungendo il 40% – 60%, e un’eccellente risposta dinamica, consentendo una rapida regolazione della potenza in uscita in base alla domanda di elettricità.
Nota: Il principio di funzionamento dei veicoli a celle a combustibile a idrogeno
Nonostante i vantaggi evidenti delle celle a combustibile a membrana a scambio protonico, presentano anche degli svantaggi. Richiedono idrogeno di altissima purezza e qualità dell’aria, poiché il catalizzatore di platino, metallo prezioso, è altamente suscettibile alla contaminazione da impurità come monossido di carbonio e solfuri, che possono ridurre significativamente l’attività catalitica e ridurre notevolmente la durata della cella a combustibile.
Cella a Combustibile Alcalina (AFC)
Le celle a combustibile alcaline (AFC) hanno avuto origine negli anni ’60 con l’azienda americana P&W, che ha migliorato la cella a combustibile Bacon per creare l’AFC. Queste celle a combustibile sono state successivamente utilizzate nel programma Apollo. Le AFC possono raggiungere efficienze fino al 70% e il loro design è molto simile a quello delle PEMFC, con la differenza chiave che le AFC utilizzano una soluzione acquosa fortemente alcalina come elettrolita, come idrossido di potassio o idrossido di sodio. Durante la reazione elettrochimica, gli ioni idrossido si spostano dalla soluzione elettrolitica all’anodo, dove reagiscono con l’idrogeno in una reazione di ossidazione, producendo acqua ed elettroni. Gli elettroni viaggiano attraverso un circuito esterno fino al catodo, dove reagiscono con ossigeno e acqua per produrre altri ioni idrossido. Il principio di funzionamento dell’AFC è mostrato nella figura seguente:
La temperatura operativa delle AFC è simile a quella delle PEMFC, circa 80°C. Le AFC hanno una velocità di avvio più rapida, ma la loro densità di corrente è solo circa un decimo di quella delle PEMFC, rendendole meno adatte come fonti di energia portatili. Le AFC sono le celle a combustibile più economiche da produrre e sono spesso utilizzate nei piccoli dispositivi di generazione di energia stazionari. I catalizzatori utilizzati nelle AFC possono essere platino o catalizzatori di metallo non prezioso (come il nichel), rendendo il costo degli elettroliti nelle AFC molto inferiore rispetto alle PEMFC.
Una sfida chiave per le celle a combustibile alcaline è la loro suscettibilità all’anidride carbonica. La formazione di carbonati, anche da piccole quantità di anidride carbonica nell’aria, può influenzare significativamente le prestazioni e la durata della cella. Sebbene le AFC con elettroliti liquidi possano operare in modalità di ricircolo per rigenerare l’elettrolita e aiutare a mitigare l’impatto della formazione di carbonati, questa modalità introduce il problema delle correnti parassite. I sistemi elettrolitici liquidi presentano anche altri problemi, tra cui la bagnabilità, l’aumento della corrosione e le difficoltà nella gestione delle differenze di pressione.
Cella a Combustibile a Carbonato Fuso (MCFC)
Le celle a combustibile a carbonato fuso (MCFC) sono una tecnologia di generazione di energia altamente efficiente e sostenibile, con un’elevata efficienza di conversione energetica e emissioni pulite, rendendole una tecnologia di generazione di energia promettente. Tuttavia, a causa della loro alta temperatura operativa e delle proprietà speciali dell’elettrolita a carbonato fuso, lo sviluppo delle MCFC è stato ostacolato.
L’elettrolita utilizzato nelle MCFC consiste in soluzioni di carbonato di litio, carbonato di sodio o carbonato di potassio. Queste celle possono raggiungere efficienze fino al 60% e una potenza operativa fino a 100 MW. Inoltre, utilizzando il calore di scarto, l’efficienza del combustibile può arrivare fino all’85%. Questa alta efficienza è dovuta alle alte temperature operative di 620-660°C, che consentono un uso più flessibile di vari tipi di combustibili e catalizzatori economici (come il nichel), garantendo al contempo la conducibilità della soluzione elettrolitica. Il principio di funzionamento delle MCFC è mostrato nella figura seguente:
Le MCFC possono utilizzare una varietà di combustibili, tra cui idrogeno, monossido di carbonio, metano, biogas, gas di carbone desolforato o gas naturale. I processi di fabbricazione delle membrane e degli elettrodi delle MCFC sono maturi, consentendo la produzione di massa. Tuttavia, le alte temperature operative e l’ambiente corrosivo fuso possono causare corrosione e dissoluzione dei materiali della cella, riducendo significativamente la loro durata. Attualmente, la corrosione dei materiali è una delle principali sfide che ostacolano lo sviluppo delle MCFC.
Nonostante problemi come la stabilità in ambienti corrosivi e una densità di potenza inferiore rispetto ad altre celle a combustibile, la tecnologia MCFC è diventata la scelta preferita per la generazione di energia stazionaria commerciale. Molte aziende in tutto il mondo stanno testando sistemi di generazione di energia MCFC su scala da kilowatt a megawatt e forniscono sistemi MCFC a industrie con richieste di potenza relativamente minori. Inoltre, c’è esplorazione delle applicazioni delle MCFC in campi come il trasporto marittimo. Grazie allo sviluppo rapido nella ricerca e nella commercializzazione, le MCFC sono leader nel numero di unità di generatori installati tra tutte le tecnologie a celle a combustibile.
Cella a Combustibile a Ossido Solido (SOFC)
Le celle a combustibile a ossido solido (SOFC), conosciute anche come celle a combustibile ceramiche, sono il tipo di cella a combustibile più efficiente, operando a temperature elevate di 600-1000°C, il che risulta in un’attività di reazione molto elevata. Tra tutte le configurazioni di celle a combustibile, le SOFC hanno la più alta efficienza di conversione energetica. Presentano anche diversi vantaggi, come essere silenziose, a basse emissioni e con una vasta gamma di opzioni di combustibile (ad esempio, gas naturale, gas di sintesi [una miscela di CO, H2, ecc.], biogas come il metano, gas di carbone, metano da giacimenti di carbone, gas di scisto e gas di sottoprodotti industriali).
Una SOFC è composta da un anodo, un catodo, un elettrolita, un interconnettore e materiali di sigillatura. La funzione principale degli elettrodi è fornire un sito per le reazioni elettrochimiche e condurre gli elettroni necessari per queste reazioni. La funzione principale dell’elettrolita è condurre ioni di ossigeno o protoni. L’interconnettore collega le celle singole per ottenere un’alta potenza in uscita e previene le reazioni dirette tra aria e combustibile. I materiali di sigillatura mantengono separati il combustibile e l’aria nelle rispettive aree di flusso.
Ci sono due principali tipi di strutture SOFC: tubolari e planari.
La struttura tubolare è la prima struttura di cella SOFC sviluppata ed è attualmente una tecnologia relativamente matura. Le celle tubolari hanno un alto grado di libertà e non si rompono facilmente; utilizzano ceramiche porose come supporto, che rende la struttura robusta; l’assemblaggio delle celle è relativamente semplice, rendendo facile combinare celle in parallelo e in serie per formare pacchi batteria ad alta potenza. Tuttavia, le SOFC tubolari hanno elettroliti relativamente spessi, risultando in alta resistenza ohmica e quindi in una densità di potenza inferiore.
La struttura planare SOFC e il processo di preparazione sono più semplici, il che può ridurre significativamente i costi di produzione. Le strutture planari utilizzano elettroliti a film sottile, che riducono significativamente la resistenza ohmica della cella e migliorano le sue prestazioni elettrochimiche. Tuttavia, i bordi dei componenti delle celle planari devono essere sigillati per isolare i gas ossidanti e combustibili, e i materiali degli interconnettori bipolari devono essere abbinati termicamente ai materiali degli elettrodi e avere una buona resistenza all’ossidazione ad alta temperatura e conduttività.
A causa della temperatura di reazione delle SOFC di 600-1000°C, il tempo di avvio è relativamente lungo, rendendole inadatte per applicazioni che richiedono operazioni immediate di accensione e spegnimento, come il trasporto. Invece, sono più adatte per scenari di generazione di energia a basse emissioni di carbonio che richiedono operazioni di 24 ore, come data center, fabbriche, porti, edifici per uffici, ospedali e isole remote.
Cella a Combustibile a Metanolo Diretto (DMFC)
Le celle a combustibile a metanolo diretto (DMFC) sono un tipo di cella a combustibile a membrana a scambio protonico, caratterizzate dalla loro leggerezza, alta potenza, lunga durata e dall’uso di metanolo come fonte di combustibile diretto per la generazione di energia. Le DMFC utilizzano elettrodi a membrana polimerica simili a quelli utilizzati nelle celle a combustibile a membrana a scambio protonico. Durante il funzionamento, la cella consuma acqua all’anodo e produce acqua al catodo. Quando si utilizza metanolo puro, la densità energetica della cella è relativamente alta, rendendola una potenziale opzione per le applicazioni nei veicoli elettrici.
Poiché le DMFC utilizzano metanolo direttamente come combustibile, sono facili da trasportare e utilizzare come la benzina. Il metanolo è conveniente e può essere ricavato sia da risorse rinnovabili che non rinnovabili. Conosciuto come “sole liquido”, il metanolo offre vantaggi in termini di auto-generazione di energia e stoccaggio di energia di emergenza a lungo termine. Questo rende le DMFC ampiamente applicabili nei veicoli elettrici, nelle stazioni base di comunicazione, nelle applicazioni militari, nella propulsione marittima e nelle stazioni di energia distribuita, con il potenziale di diventare mainstream nei futuri prodotti elettronici portatili.
Le DMFC possono essere suddivise in due tipi principali: passive e attive. Differiscono per potenza in uscita e componenti. Le celle a combustibile passive generano elettricità attraverso il flusso naturale del metanolo liquido all’interno della cella, mentre le celle a combustibile attive utilizzano pompe per far circolare il metanolo all’anodo. La pompa regola il flusso di metanolo, garantendo un rifornimento costante di combustibile all’anodo. Un sistema di controllo monitora lo stato della cella a combustibile in tempo reale, regolando la velocità della pompa e la concentrazione di metanolo per mantenere prestazioni ottimali. Questo approccio consente alle celle a combustibile attive di ottenere una densità di potenza più elevata rispetto alle celle a combustibile passive. La scelta tra i due tipi dipende dai requisiti specifici dell’applicazione e dal compromesso tra prestazioni e costi.
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