ELETTROCHIMICA APPLICATA: LE CELLE A COMBUSTIBILE AD IDROGENO - CHIMICA MATERIALI ED ENERGIA Ordine dei Chimici di Brescia - Alessandro Francesconi
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ELETTROCHIMICA APPLICATA:
LE CELLE A COMBUSTIBILE
AD IDROGENO
CHIMICA MATERIALI ED ENERGIA
Ordine dei Chimici di Brescia – Alessandro Francesconi
25 novembre 2011
QUESTIONE ENERGIA
in 10 anni
POPOLAZIONE + 12%
ENERGIA PRIMARIA +20%
ELETTRICITA’ +30%
Per il 2030 si prevede che la domanda di energia elettrica sarà il
doppio di quella del 2007 e che la sua produzione
assorbirà il 44% delle risorse energetiche totali
Per esempio, in Cina, nel triennio 2006-2008, sono stati resi disponibili
≈300 MW/giorno di nuove centrali , 80% delle quali a carbone.
(equivalente a ≈ 100 GW/anno, pari al doppio
del fabbisogno di picco in Italia)
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FONTI ED ENERGIA ELETTRICA ALTERNATIVE
Oltre alle fonti sfruttate tradizionalmente (combustibili fossili, idroelettrica,
fissione atomica) si sta sviluppando la gamma delle fonti rinnovabili: eolica,
geotermica, solare fotovoltaico e termodinamico, biomassa (naturale e di
origine «antropica»), marina (onde, maree, gradiente salino)
Al di là del tema affrontato a livello globale c’è attenzione ed interesse per
dispositivi di produzione di energia elettrica a livello applicativo quotidiano e
di largo consumo, che siano alternativi agli attuali e con caratteristiche di
migliore compatibilità ambientale
è il caso delle CELLE A COMBUSTIBILE (FUEL CELL)
con potenze da 0,1 W fino a 3 MW
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CELLE A COMBUSTIBILE
E’ UN DISPOSITIVO BASATO SU REAZIONI DI TIPO ELETTROCHIMICO
CON IL QUALE SI OTTIENE ELETTRICITA’
DIRETTAMENTE DALLE SOSTANZE IMPIEGATE COME REATTIVI
Sono a tutti gli effetti reazioni di «combustione» nelle quali si sfrutta,
grazie alle favorevoli condizioni termodinamiche, la possibilità di
ionizzare il combustibile, di separare specie ioniche ed elettroni che,
esternamente, alimentano il flusso richiesto di corrente
CALORE ENERGIA MECCANICA
ENERGIA CHIMICA ENERGIA ELETTRICA
FUEL CELL
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CELLE A COMBUSTIBILE
ossigeno
2H2 + O2 2H2O + (EE/DC) + calore
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CELLE A COMBUSTIBILE
Le celle a combustibile si differenziano in funzione del combustibile,
del comburente, dell’elettrolita e delle temperature di esercizio
TIPO combustibile elettrolita specie ionica comburente T (°C)
Polymer IDROGENO MEMBRANA H+ ARIA
Electrolyte FC POLIMERICA OSSIGENO
Direct METANOLO MEMBRANA H+ ARIA 60 - 200
Methanol FC POLIMERICA
Alkaline FC IDROGENO KOH OH- OSSIGENO 80
Molten IDROCARBURI CARBONATI CO3-- ARIA + CO2 650
Carbonate FC FUSI (Na,K,Li)
Solid IDROCARBURI OSSIDI FUSI O-- ARIA 900
Oxide FC (di Zr e Y)
Fonte : G.G.Scherer, PAUL SCHERRER INSISTUT – European Fuel Cell Forum – Lucerna, 2011
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CELLE A COMBUSTIBILE PEM AD IDROGENO
ELETTRODI : catodo di C con Pt come catalizzatore e anodo Pt/Ru su C
(per altre FC anche Ni, Ag, LiCoO2)
ELETTROLITA: membrana polimerica fluorurata, funzionalizzata con
gruppi sulfonici (Nafion© di Dupont, Asahi, 3M, Solvay, ecc.), dove lo
scheletro idrofobico fornisce la resistenza meccanica ed i «microcanali»
interni, pieni di acqua, consentono il trasporto di H3O+
-(CF2-CF2)k-(CF2-CF)w-
O- (CF2-CF-O)m-CF2-CF2-SO3H
CF3
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CELLE A COMBUSTIBILE PEM AD IDROGENO
Il cuore della Fuel Cell è
la singola unità elettrolitica
[ANODO+ELETTROLITA+CATODO]
normalmente pre-assemblata
Le singole unità sono quindi montate in
serie a formare quello è detto STACK,
interfacciate da opportune piastre
(grafite) che assicurano
• il passaggio della corrente
• l’entrata e l’uscita dei reagenti e
dei prodotti
• la struttura di base di supporto
meccanico
• il controllo della temperatura
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CELLE A COMBUSTIBILE PEM AD IDROGENO
IDROGENO
HA DIVERSE OPZIONI DI PRODUZIONE
• da fonti fossili (gas naturale, carbone) e dal nucleare
• da fonti innovabili, come le biomasse, con processi di gassificazione,
pirolisi/reforming, biologici (fermentazione)
• per via chimica, elettrolisi dell’acqua, generazione da NaBH4
HA ALTO CONTENUTO ENERGETICO IN PESO, MA NON IN VOLUME
PROBLEMATICO NEL TRASPORTO E NELLO STOCCAGGIO
(compresso, liquefatto a – 252°C, idruri, nanostrutture)
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CELLE A COMBUSTIBILE AD IDROGENO
ATTIVITA’ DI RICERCA
NUOVE MEMBRANE = per lavorare a temperature più alte
NUOVI CATALIZZATORI = più economici (nanotecnologie ?)
PRODUZIONE DI IDROGENO = nuovi reformer per la produzione
di H2 da fossili, produzioni per via chimica
FC IN PRESSIONE = acqua liquida anche ad alte temperature
FC REVERSIBILI = H2O H2 H2O
af - 25.11.2011 10CELLE A COMBUSTIBILE AD IDROGENO
EE NON PER PROPULSIONE
IDROGENO «INDUSTRIALE» PER RECUPERO ENERGETICO
SISTEMI DI BACK-UP ENERGETICO (APU) NEL SETTORE CIVILE E MILITARE
(telecomunicazioni, trasporto aereo, natanti, camper e centri elaborazione dati)
UNITA’ PER USO DOMESTICO
af - 25.11.2011 11CELLE A COMBUSTIBILE AD IDROGENO
EE PER PROPULSIONE
Auto: 100 kW, circa 500 km autonomia
biciclette per uso urbano o grandi manifestazioni
autobus velivoli «unmanned»
sommergibili
af - 25.11.2011 12CELLE A COMBUSTIBILE AD IDROGENO
CURIOSITA’
af - 25.11.2011 13CELLE A COMBUSTIBILE AD IDROGENO
… è d’interesse per il chimico :
-
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produzione e stoccaggio idrogeno
purezza idrogeno (H2S, CO, Cr, ecc)
processi elettrochimici
?!
- modeling del sistema
- catalizzatori più economici
- nuovi materiali per elettrodi
- (batterie)
grazie per l’attenzione
alessandro.francesconi@chimici.it
af - 25.11.2011 14Puoi anche leggere
