Progetto fuel cell

Progetto lauree scientifiche A. A. 2008 - 2009

Entra in ballo H2

• 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• 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:elettrolisiQuindi:• 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.

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-

2 p +

Come è costituita una fuel cell

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.

• 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

• 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.

• 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).