Le celle a combustibile stanno rivoluzionando il nostro modo di concepire l'energia. Dall'alimentazione delle case al rifornimento delle automobili, rappresentano un'alternativa più pulita e sostenibile ai combustibili fossili.
In base al tipo di elettrolita, esistono tre tipi principali di celle a combustibile Tale classificazione determina il tipo di reazioni elettrochimiche che avvengono nella cella, i tipi di catalizzatore necessari, l'intervallo di temperatura di funzionamento della cella, il tipo di combustibile richiesto, ecc.
Ecco un'analisi più dettagliata di cinque tipologie principali di celle a combustibile, del loro funzionamento e di dove è possibile trovarle nella realtà.
Cosa sono le celle a combustibile e come funzionano?
Le celle a combustibile (FC) sono dispositivi elettrochimici che convertono l'energia chimica dei combustibili, comunemente idrogeno, direttamente in elettricità. Emettono pochissimo inquinamento rispetto a un motore a combustione, quindi rappresentano una fonte di energia ecocompatibile.
Le celle a combustibile Grazie alla loro versatilità, efficienza e basso impatto ambientale, consentono di soddisfare rapidamente le esigenze energetiche attuali. Sono particolarmente importanti per sostenere iniziative come la decarbonizzazione dell'economia, che mira a ridurre la dipendenza dai combustibili fossili.
Tipi di celle a combustibile
cella a combustibile PEM (membrana a scambio protonico) )
Le celle a combustibile PEM utilizzano un polimero solido come elettrolita ed elettrodi di carbonio poroso contenenti un catalizzatore di platino o lega di platino. Le celle a combustibile PEM hanno una bassa temperatura di esercizio (~ 80 °C | 176 °F). La loro bassa temperatura di esercizio consente avviamenti rapidi (tempi di riscaldamento ridotti), produce meno stress sui componenti e garantisce una maggiore durata. Le celle a combustibile PEM sono utilizzate principalmente per applicazioni di trasporto e in poche applicazioni stazionarie.
Come funziona
All'anodo, l'idrogeno viene ossidato generando protoni ed elettroni paramagnetici. Mentre i protoni attraversano la membrana, gli elettroni fluiscono lungo un circuito esterno producendo elettricità.
Applicazioni delle celle a combustibile PEM
- Sistemi di alimentazione portatili
- Veicoli a celle a combustibile
- Alimentazione di riserva domestica
Vantaggi:
Tempi di avvio brevissimi, dimensioni compatte e basse temperature di esercizio.
Svantaggi:
I catalizzatori sono costosi e sensibili alla contaminazione del carburante.
Cella a combustibile ad ossido solido (SOFC)
Le celle a combustibile a ossido solido (SOFC) utilizzano un elettrolita ceramico solido con temperature di esercizio comprese tra 600 e 1000 °C. L'elettrolita è un composto ceramico duro e non poroso. L'efficienza di conversione del combustibile in elettricità nelle SOFC è di circa il 60%. Nelle applicazioni di cogenerazione, dove il calore di scarto viene recuperato e riutilizzato, l'efficienza totale di utilizzo del combustibile può superare l'85%.
Principio di funzionamento
Gli ioni di ossigeno attraversano l'elettrolita ceramico, dove reagiscono con l'idrogeno producendo elettricità, acqua e calore.
Principali utilizzi delle SOFC
- Produzione di energia per impianti industriali
- cogenerazione
Vantaggi
Grande efficienza e possibilità di utilizzare idrocarburi
Svantaggi
Le SOFC funzionano a temperature estremamente elevate, fino a 1,000 °C (1,830 °F), il che degrada i materiali nel tempo.
Cella a combustibile alcalina (AFC)
Le celle a combustibile alcaline (AFC) utilizzano un elettrolita a base di idrossido di potassio. Essendo una delle prime tecnologie di celle a combustibile sviluppate, le AFC sono state le prime ad essere impiegate nel programma spaziale statunitense per generare energia elettrica e acqua a bordo dei veicoli. Si tratta di celle a combustibile simili alle normali celle a combustibile PEM, con la differenza che al posto della membrana acida viene utilizzata una membrana alcalina. Le elevate prestazioni delle AFC sono dovute alla velocità delle reazioni elettrochimiche che avvengono al loro interno. Hanno inoltre dimostrato un'efficienza del 60% per le applicazioni spaziali.
Funzionalità e meccanismo
Le celle a combustibile alcaline utilizzano una soluzione di idrossido di potassio in acqua come elettrolita e possono impiegare diversi metalli non preziosi come catalizzatori all'anodo e al catodo. L'idrogeno e l'ossigeno reagiscono in un ambiente alcalino producendo elettricità, acqua e calore.
Applicazioni comuni
- Missioni spaziali (programma Apollo, ecc.)
- Potenza di backup
vantaggi:
È molto efficiente e affidabile.
Svantaggi :
Suscettibile alla contaminazione da CO2.
Cella a combustibile ad acido fosforico (PAFC)
Le celle a combustibile ad acido fosforico (PAFC) operano a temperature medie (150–200 °C) e utilizzano acido fosforico. Nelle celle a combustibile ad acido fosforico (PAFC), l'elettrolita è costituito da acido fosforico liquido contenuto all'interno di una matrice di carburo di silicio legata con teflon; sia l'anodo che il catodo sono costituiti da elettrodi di carbonio poroso con catalizzatore di platino.
La PAFC è quindi definita una cella a combustibile di "prima generazione". È uno dei tipi di celle più maturi e il primo ad essere utilizzato commercialmente. L'impiego stazionario è il più comune per questa cella a combustibile, ma alcune PAFC sono state utilizzate anche in veicoli di grandi dimensioni, come le city bubble.
L'efficienza delle celle a combustibile PAFC è di poco superiore a quella delle centrali elettriche a combustione, che in genere operano con un'efficienza di circa il 33%. In termini di peso e volume, le celle a combustibile PAFC sono anche meno performanti rispetto ad altri tipi di celle a combustibile. Di conseguenza, tendono ad essere ingombranti e pesanti. Le celle a combustibile PAFC sono inoltre costose. Richiedono anche una quantità di catalizzatore al platino nettamente superiore rispetto ad altri tipi di celle a combustibile, il che ne fa lievitare il prezzo.
Come funziona
In presenza di un catalizzatore, l'idrogeno reagisce con l'ossigeno generando elettricità e acqua.
Usi primari
- Energia elettrica e riscaldamento per ospedali e alberghi.
- centrali elettriche di piccola scala
vantaggi:
Molto tollerante ai contaminanti del carburante.
svantaggi:
Dimensioni ed efficienza sono maggiori nelle versioni più grandi; esistono anche versioni più piccole, ma non in tutti i casi.
Cella a combustibile a carbonati fusi (MCFC)
Le celle a combustibile a carbonato fuso (MCFC) funzionano ad alta temperatura (600-7000 °C) e utilizzano una miscela di sali di carbonato fuso come elettrolita. Le MCFC sono in fase di sviluppo per applicazioni nel settore elettrico, industriale e militare, utilizzando centrali elettriche a gas naturale o a carbone.
Le MCFC utilizzano una miscela di sali di carbonato fuso dispersa in una matrice ceramica porosa e chimicamente inerte di ossido di litio e alluminio. Ciò consente l'utilizzo di metalli non preziosi come catalizzatori per l'anodo e il catodo, un'opzione che permette di risparmiare sui costi grazie alle temperature operative di 650 °C (circa 1,200 °F).
Principio di funzionamento di base
Gli ioni carbonato migrano attraverso l'elettrolita per consentire la reazione elettrochimica dell'idrogeno con l'ossigeno.
Applicazioni Industriali
- Produzione di energia su larga scala
- Sistemi di cattura del carbonio
Pro :
Elevata efficienza, possibilità di utilizzare diversi tipi di carburante.
Contro :
Problemi di corrosione e durata.
Come si confrontano con le diverse celle a combustibile?
Livelli di efficienza Le SOFC e le MCFC sono le più efficienti, mentre le PEMFC operano a un livello di efficienza inferiore ma si avviano più rapidamente.
Condizioni di lavoro Le celle a combustibile PEMFC funzionano a temperature più basse, mentre per le SOFC e le MCFC sono necessarie temperature elevate (HT).
Applicazioni ideali per : veicoli (PEMFC), industriali (SOFC), centrali elettriche stazionarie (PAFC)
Vantaggi delle celle a combustibile
- Vantaggi ambientali Emissioni nulle o minime di sostanze inquinanti
- Molto efficiente : Più efficienti dei motori a combustione nella conversione del carburante in elettricità.
- Scalabile: dai dispositivi portatili alle enormi centrali elettriche
Celle a combustibile Sfide, limiti e prospettive future
Fattori di costo
Le celle a combustibile sono costosi a causa dell'alto costo dei materiali, in particolare dei catalizzatori, ad esempio il platino.
Problemi di infrastruttura
La produzione di idrogeno è limitata, così come il numero di stazioni di rifornimento.
Sfide tecniche
Un'altra sfida importante riguarda la durabilità a lungo termine e il degrado delle prestazioni.
Progressi nei materiali
Le celle a combustibile devono diventare più economiche, quindi i ricercatori stanno studiando materiali più accessibili e resistenti.
Mercati potenziali
In particolare per i trasporti, le applicazioni industriali e i sistemi di alimentazione residenziali.
Importanza nell'integrazione delle energie rinnovabili
Grazie all'immagazzinamento e alla generazione di energia da fonti rinnovabili, le celle a combustibile possono fungere da risorse di energia pulita che aumentano la capacità della nostra rete elettrica.
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https://tmnetch.com/hydrogen-cars-refuel-and-future-of-fuel-cells/
Domande Frequenti
Quale tipo di cella a combustibile è il più efficace?
Le SOFC sono un tipo di cella a combustibile molto efficiente per applicazioni stazionarie.
Quali tipi di combustibile possono essere utilizzati nelle celle a combustibile?
Funziona principalmente a idrogeno, ma alcuni tipi possono essere alimentati a gas naturale, biogas o metanolo.
Le celle a combustibile sono superiori alle batterie?
Le celle a combustibile sono più efficienti delle batterie per applicazioni di lunga durata e ad alta potenza.
È possibile utilizzare le celle a combustibile nei veicoli?
Le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) sono comunemente utilizzate nei veicoli alimentati a idrogeno.
Quanto durano le celle a combustibile?
A seconda del tipo, le celle a combustibile hanno una durata di funzionamento che va dalle 5,000 alle oltre 40,000 ore, inclusa la manutenzione.
