Text of Progetto fuel cell Progetto lauree scientifiche A. A. 2008 - 2009
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Progetto fuel cell Progetto lauree scientifiche A. A. 2008 - 2009
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Entra in ballo H 2 Nello schema energetico sostenibile ci deve essere un fluido combustibile ottenibile da fonti rinnovabili Possono avere un ruolo importante i biocombustibili Per opinione abbastanza condivisa che il ruolo fondamentale sar giocato dallidrogeno
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Produzione di H2 da fonti rinnovabili Reforming di biometano o di altri biocombustibili Dissociazione di H 2 O ad alta T usando calore di origine solare Dissociazione elettrolitica di H 2 O usando energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili
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In questo progetto:elettrolisi Quindi: Elettrolizzatore alimentato p.e.da un modulo fotovoltaico Utilizzazione dellidrogeno prodotto in una pila a combustibile Cosa riusciremo a fare dipender da molti fattori Comunque ci sar da studiare e da sperimentare
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Che cosa una fuel cell La pila a combustibile 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.
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Come funziona una fuel cell La cella a combustibile si basa sul fenomeno chimico dellossidoriduzione, che si realizza attraverso il passaggio di elettroni da una specie chimica ad unaltra. Se questi elettroni sono obbligati, per questo trasferimento,ad attraversare un conduttore metallico esterno, producono una corrente.
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In questo modo la variazione di energia associata alla reazione chimica, cio 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.
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Le fuel cell a membrana polimerica sono costituite da un: anodo, su cui viene fatto confluire lidrogeno (combustibile) Qui, con lausilio di un catalizzatore (platino), le molecole biatomiche dellidrogeno vengono decomposte in due protoni e due elettroni ( reazione di ossidazione). Allanodo: H 2 2H + + 2e - 2 p + Come costituita una fuel cell Per ogni mole di H 2 che reagisce, sul circuito esterno circolano 2xN avogadro elettroni
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A questo punto i protoni attraversano la membrana per arrivare allelettrodo opposto. Gli elettroni, che non possono attraversare la membrana, sono obbligati a raggiungere lelettrodo opposto attraverso un circuito esterno, dando cos 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 lossigeno, (che pu 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: O 2 + 2H + + 2e - H 2 O
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membrana polimerica, che permette il passaggio degli ioni H + (protoni) dallanodo al catodo
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Il maggior elettrolita studiato e impiegato per le fuel cells PEM 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 costituito da una sequenza principale di molecole di -CF 2 -CF 2 -CF 2 - legate tra loro, come nel Teflon, e da una catena di -O-CF 2 -CF-O-CF-CF 2 -, che collega la regione precedente a un gruppo di ioni SO 3 - H +.
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La conducibilit protonica del Nafion in stretta relazione con il suo stato idrato: in condizioni di limitata idratazione il materiale si presenta come scarso conduttore ionico e la sua conduttivit aumenta rapidamente con laumento del contenuto dacqua
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Il fenomeno di conduzione dovuto alla particolare struttura del materiale: gli ioni SO 3 - - sono connessi permanentemente alla catena e non possono muoversi; quando la membrana viene idratata, gli stessi legano le molecole dacqua. Gli ioni idrogeno H + possono quindi acquisire mobilit legandosi a loro volta alle molecole acquose presenti, tramite legami idrogeno, e muovendosi tra i siti solfonici allinterno della membrana.
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Grazie a questo meccanismo la membrana elettrolitica, se opportunamente idratata, un eccellente conduttore di ioni idrogeno, che migrano allinterno della pila dallanodo verso il catodo in ununica direzione, senza permettere il passaggio di elettroni, ed proprio per questo che i gas reagenti devono essere umidificati prima di essere introdotti nella cella. Lidratazione una condizione che limita la temperatura operativa del sistema a circa 100C, in quanto non pu essere superata la temperatura di ebollizione dellacqua dato che essa legata alla presenza di H 2 O allo stato liquido
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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 in contatto con la membrana. La costruzione di elettrodi gas diffusion un processo complicato, in quanto ogni particolare della loro struttura importante per il rendimento della cella.
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Ogni elettrodo 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 dallaltra favorendo la diffusione del gas attraverso l'elettrolita.
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Anodo Il catalizzatore presente nellanodo di fuel cells a basse temperature responsabile della reazione di ossidazione del combustibile. In un sistema ideale, i catalizzatori di platino sono ottimali, perch il flusso di combustibile 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 NH 3, che sono da considerarsi come veleni per le fuel cells a basse temperature. Lavvelenamento dovuto allassorbimento di specie sui siti attivi del catalizzatore, che diminuiscono i siti disponibili per lossidazione dellH 2.
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Catodo Nonostante siano state studiate diverse variet 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 velocit di reazione di riduzione dellossigeno, necessario utilizzare elevate quantit di metallo catalizzatore, per ottenere una buona efficienza di funzionamento del sistema.
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Poich il platino molto costoso si cercato di minimizzare la quantit di metallo che necessario utilizzare nella costruzione dellelettrodo, aumentando il pi possibile la superficie dei granuli, utilizzando quindi particelle di platino molto piccole, del diametro di qualche nm (3-10nm).
