Inoltre, li presenteremo eventi di sviluppo di pile a combustibile. Come possiamo constatare, lo sviluppo di pile combustibili nel filo del tempo è diversificato, consentendo una varietà di tipi e numerosi metodi di classificazione. Tuttavia, la classificazione più corrente si basa sul tipo di elettrolita, tra cui le “pile a combustibile a membrana a scambio di protoni”, le “pile a combustibile alcalino”, le “pile a combustibile ad acido fosforico”, le “pile a combustibile a fondo di carbonato” e le “pile a combustibile à ossido solido”. Oltre alla classificazione per tipo di elettrolita, esistono anche classificazioni basate sulla temperatura di reazione, diversi combustibili e altri metodi.
Nell'articolo precedente sullo sviluppo delle pile a combustibile, abbiamo menzionato che le pile a combustibile a membrana di scambio di protoni (PEMFC) occupano una posizione dominante al momento nelle applicazioni pratiche e nella ricerca. Certamente, le pile di combustibile a ossido solido e le pile di combustibile a base di carbonato hanno anche un certo statuto di ricerca. Bagno in camera, vi presentiamo brevemente alcuni tipi di pile a combustibile attualmente studiate.
Pila di combustibile a membrana a scambio di protoni (PEMFC)
Poiché uno dei materiali chiave nelle pile di combustibile, le membrane di scambio di protoni hanno suscitato un'attenzione generale e ricerche approfondite da parte degli scienziati del mondo intero. I materiali fluoropolimerici, i polimeri aromatici e i materiali ibridi organici/inorganici si sono successivamente sviluppati come membrane di scambio di protoni.
Nelle pile combustibili costituite da una membrana di scambio di protoni, l'elettrolita è uno dei materiali chiave. C'è una membrana polimerica molto fine, non è un tipo la membrana protonica dell'acido perfluorosulfonico Nafion di DuPont. Questa membrana polimerica può condurre i protoni e resta non conduttrice. I materiali dell'elettrodo sono generalmente composti da carbone o metallo, la platina supportata dal carbone è utilizzata come catalizzatore per le reazioni all'anodo e al catodo. La temperatura di funzionamento del PEMFC è di 80°C e una cella unica può produrre una tensione di 0,7V. Nelle applicazioni pratiche, per raggiungere una tensione più elevata, più cellule uniche devono essere collegate in serie per formare un impianto di pile a combustibile, generalmente composto da un ambiente da 200 a 500 cellule, con il nome specifico adattato in funzione delle situazioni e dei bisogni reali.
Le pile combustibili a membrana di scambio di protoni possono innescarsi rapidamente nelle condizioni della serra, scaricare facilmente i sottoprodotti dell'acqua, avere una lunga durata di vita, un'alta potenza specifica, un'alta energia specifica, un piccolo volume e sono attualmente ampiamente utilizzati nei veicoli elettrici e nei dispositivi di produzione dell'elettricità domestica distribuiti. Oltre a queste caratteristiche, c'è anche un funzionamento di alta efficacia, che raggiunge generalmente dal 40% al 60%, e un'eccellente risposta dinamica, consentendo una rapida regolazione della potenza di uscita in funzione della domanda di elettricità.
Nota: Il principio di funzionamento dei veicoli ammassati con combustibile a idrogeno
Malgrado i vantaggi evidenti delle pile combustibili a membrana di scambio protonico, hanno anche degli inconvenienti. È necessaria una purezza molto elevata dell'idrogeno e della qualità dell'aria, poiché il catalizzatore in platino è molto sensibile alla contaminazione da impurità, ad esempio il monossido di carbonio e gli solfuri, che possono ridurre considerevolmente l'attività catalitica e ridurre notevolmente la durata della vita della pila di combustibile.
Pila di combustibile alcalino (AFC)
Le pile a combustibile alcalino (AFC) sono nate negli anni 1960 con l'impresa americana P&W, che ha migliorato la pila a combustibile di Bacon per creare l'AFC. Ces piles à combustibile ont ensuite été utilisées dans le program Apollo. L'AFC può raggiungere livelli fino al 70% e la sua concezione è molto simile a quella del PEMFC, con la differenza che l'AFC utilizza una soluzione acquosa alcalina forte come l'elettrolita, ovvero l'idrossido di potassio o l'idrossido di sodio. Durante la reazione elettrochimica, gli ioni idrossido si spostano dalla soluzione elettrolitica verso l'anodo, dove si agitano con l'idrogeno in una reazione di ossidazione che produce acqua e elettroni. Gli elettroni si spostano attraverso un circuito esterno verso il catodo, dove si agitano con l'ossigeno e l'acqua per produrre il vantaggio degli ioni idrossido. Il principio di funzionamento dell'AFC è illustrato nella figura qui sotto:
La temperatura di funzionamento dell'AFC è simile a quella della cella PEMFC, intorno a 80°C. L'AFC ha una velocità di sgancio più rapida e la sua densità di corrente non è l'ambiente in cui si trova la cella PEMFC, che li rende meno adatti come fonti di alimentazione portatili. Les AFC sont les coûteuses à fabriquer parmi les piles a combustibile et sont souvent utilisées dans les petits dispositifs de production d'électricité stationnaires. I catalizzatori utilizzati nell'AFC possono essere in platino o catalizzatori in metallo non prezioso (come il nichel), che danneggiano molto lo spazio degli elettroliti nell'AFC più che nel PEMFC.
Un problema maggiore per i cumuli di combustibili alcalini è la loro sensibilità al diossido di carbone. La formazione di carbonati, anche a partire da piccole quantità di anidride carbonica nell'aria, può influenzare in modo significativo le prestazioni e la durata della cellula. Sebbene l'AFC con elettroliti liquidi possa funzionare in modalità di ricircolo per rigenerare l'elettrolita e aiutare ad attenuare l'impatto della formazione di carbonati, questa modalità introduce il problema delle correnti di scarico. I sistemi di elettroliti liquidi presentano anche altri problemi, tra cui la mobilità, l'aumento della corrosione e le difficoltà di gestione delle differenze di pressione.
Pila di combustibile a base di carbonato (MCFC)
Le pile a combustibile a fondo di carbonato (MCFC) sont una tecnologia di produzione di energia elettrica altamente efficace e durevole, con una grande efficacia di conversione energetica e di emissioni proprie, che qui in realtà una tecnologia di produzione di energia prometteuse. Tuttavia, a causa dell'alta temperatura di funzionamento e delle proprietà particolari dell'elettrolita di fondo di carbonato, lo sviluppo dell'MCFC è stato coinvolto.
L'elettrolita utilizzato nel MCFC è costituito da soluzioni di carbonato di litio, carbonato di sodio o carbonato di potassio. Ces piles possono raggiungere risultati fino al 60% e una potenza di funzionamento fino a 100 MW. Inoltre, utilizzando il calore residuo, l'efficacia energetica può raggiungere fino all'85%. Questa alta efficacia è dovuta alle temperature di funzionamento elevate da 620 a 660 °C, che consentono un utilizzo più flessibile di diversi tipi di combustibili e catalizzatori poco costosi (come il nichel), garantendo comunque la conduttività della soluzione elettrolitica. Il principio di funzionamento dell'MCFC è illustrato nella figura seguente:
Gli MCFC possono utilizzare una varietà di combustibili, tra cui l'idrogeno, il monossido di carbone, il metano, il biogaz, il gas di carbone desolforato o il gas naturale. Il processo di fabbricazione delle membrane e degli elettrodi MCFC è complicato e consente una produzione di massa. Tuttavia, le alte temperature di funzionamento e l'ambiente corrosivo possono provocare corrosione e dissoluzione di materiali cellulari, riducendo notevolmente la durata della vita. Attualmente la corrosione dei materiali è uno dei principali fattori che ostacolano lo sviluppo dell'MCFC.
Nonostante i problemi legati alla stabilità in ambienti corrosivi e alla densità di potenza inferiore in rapporto ad altre pile di combustibile, la tecnologia MCFC è la scelta preferita per la produzione di elettricità stazionaria commerciale. Molte imprese nel mondo provano sistemi di produzione di elettricità MCFC a livello di kilowatt a megawatt e forniscono sistemi MCFC a industrie che necessitano di energia relativamente debole. Inoltre, è già stata esplorata l'applicazione dell'MCFC nei domini del trasporto marittimo. Per ragioni di rapido sviluppo della ricerca e della commercializzazione, gli MCFC sono tra le numerose unità di generazione installate, tra cui tutte le tecnologie dei pali combustibili.
Pila di combustibile e ossido solido (SOFC)
I pali combustibili a ossido solido (SOFC), noto anche come pali combustibili in ceramica, sono il tipo di palo combustibile più efficace, funzionante a temperature elevate da 600 a 1000°C, che incorporano un'attività di reazione molto elevata. Grazie a tutte le configurazioni di pile a combustibile, le SOFC sono la più alta efficacia di conversione energetica. Presentano anche moltissimi vantaggi, come l'assenza di rumore, emissioni deboli e un'ampia gamma di opzioni di carburante (per esempio, il gas naturale, il gas di sintesi [una miscela di CO, H2, ecc.], il biogas come il metano, il gas di carbone, il metano del divano de charbon, le gaz de sciste et le gaz sous-produit industriel).
Una SOFC è composta da un anodo, da un catodo, da un elettrolita, da un interconnettore e da materiali di collegamento. La funzione principale degli elettrodi è fornire un sito per le reazioni elettrochimiche e condurre gli elettroni necessari a queste reazioni. La funzione principale dell'elettrolita è quella di condurre gli ioni di ossigeno o i protoni. L'interconnettore fa affidamento sulle cellule singole per ottenere un'elevata potenza di uscita e impedire le reazioni dirette tra l'aria e il carburante. I materiali di essiccazione mantengono il carburante e l'aria separati nelle rispettive zone di flusso.
Esistono due tipi principali di strutture SOFC: tubolare e planare.
La struttura tubolare è la prima struttura di cellule SOFC sviluppata ed è attualmente una tecnologia relativamente matura. Le cellule tubulari hanno un alto grado di libertà e non si fessurano facilmente; elles utilisent des céramiques poreuses come supporto, ce qui rend la struttura robusta ; l'assemblaggio delle celle è relativamente semplice, facilitando la combinazione di celle in parallelo e in serie per formare pacchi di batterie di alta potenza. Tuttavia, i tubi SOFC hanno elettroliti relativamente spessi, che intrappolano una resistenza ohmica elevata e quindi una densità di potenza più debole.
La struttura planare SOFC e il processo di preparazione sono più semplici e possono ridurre considerevolmente i costi di fabbricazione. Le strutture planari che utilizzano elettroliti a divano tritato riducono considerevolmente la resistenza ohmica della cellula e migliorano le prestazioni elettrochimiche. Tuttavia, i bordi dei componenti della cellula planare devono essere separati per isolare i gas ossidanti e i carburanti, e i materiali di interconnessione bipolari devono essere termicamente compatibili con i materiali degli elettrodi ed avere una buona resistenza all'ossidazione ad alta resistenza temperatura e conduttività.
A causa della temperatura di reazione delle SOFC compresa tra 600 e 1000°C, il tempo di avviamento è relativamente lungo, il che li rende inadatti alle applicazioni che richiedono una messa in marcia/arresto immediato, come il trasporto. Essi sono più adattati agli scenari di produzione di energia elettrica a basso tenore di carbonio che necessitano di un'operazione 24 ore su 24, come i centri dati, gli usi, i porti, gli immobili degli uffici, gli ospedali e le isole remote.
Pila di combustibile a etanolo diretto (DMFC)
Le pile a combustibile diretto a metano (DMFC) sono un tipo di pila combustibile a membrana di scambio di protoni, caratterizzata dalla loro leggerezza, alta potenza, lunga durata e utilizzo del metano come fonte diretta di carburante per la produzione di energia elettrica. Il DMFC utilizza elettrodi a membrana polimerica simili a quelli utilizzati nelle pile combustibili a membrana di scambio di protoni. Durante il funzionamento, la cellula contiene l'acqua all'anodo e il prodotto dell'acqua al catodo. Durante l'utilizzo di metano puro, la densità energetica della cellula è relativamente elevata, il che rappresenta in realtà un'opzione potente per le applicazioni dei veicoli elettrici.
Poiché il DMFC utilizza direttamente il métanolo come carburante, sono anche facili da trasportare e da utilizzare come essenza. Il metano è noleggiabile e può essere ottenuto da risorse rinnovabili e non rinnovabili. Conosciuto sotto il nome di “soleil liquide”, il metano offre vantaggi in termini di autoproduzione di energia e di stoccaggio di energia urgente a lungo termine. Rende le DMFC ampiamente applicabili nei veicoli elettrici, nelle stazioni base di comunicazione, nelle applicazioni militari, nella propulsione marittima e nelle centrali elettriche distribuite, con il potenziale di sviluppare il grande pubblico nei futuri prodotti elettronici portatili.
Il DMFC può essere classificato in due tipi principali: passivi e attivi. Differiscono nella potenza di sortita e nei componenti. Le pile a combustibile passivo generano l'elettricità grazie all'accumulo naturale di metano liquido nella cella, così come le pile a combustibile attivo utilizzano pompe per far circolare il metano verso l'anodo. La pompa regola l'addebito di metano, garantendo un approvvigionamento costante del carburante rispetto all'anodo. Un sistema di controllo che sorveglia lo stato della pila di combustibile in tempo reale, regolando la velocità della pompa e la concentrazione di etanolo per mantenere le prestazioni ottimali. Questo approccio consente ai mucchi di combustibili attivi di raggiungere una densità di potenza più elevata rispetto ai mucchi di combustibili passivi. La scelta tra i due tipi dipende dalle esigenze specifiche dell'applicazione e dal compromesso tra prestazioni e costi.
Articoli Correlati:
Applicazioni Pratiche di pile combustibili a membrana scambiatrice di protoni
