Stack di celle a combustibile Celle a combustibile
La cella a combustibile consente di ricavare corrente elettrica continua, acqua o calore,
attraverso processi chimici. Infatti può essere definita come un generatore elettrochimico in cui entrano un combustibile, normalmente idrogeno, ed un ossidante come ossigeno o aria1. E’ formata essenzialmente da due elettrodi e da un elettrolito che consente la migrazione degli ioni. La particolarità delle celle a combustibile è dovuta al fatto che la materia attiva si autorigenera con il processo di produzione. Ne consegue che la corrente
elettrica prodotta può procedere all’infinito se si mantiene l’alimentazione di combustibile e
gas ossidanti. I gas ossidanti ed il combustibile lambiscono il catodo e l’anodo rispettivamente, e sono a contatto con l’elettrolito. Catodo ed anodo poi, essendo
porosi, consentono reazioni costanti di ossidazione del combustibile e riduzione dei gas
ossidanti. Le celle, con tensione compresa tra mezzo volt ed un volt, possono funzionare in orizzontale o in verticale e vengono sovrapposte una all’altra e collegate in serie per ricavare la tensione richiesta. Si parlerà allora si stack, o pila, base della sezione elettrochimica. Un impianto a celle a combustibile si compone dunque di:
1. una sezione di trattamento del combustibile che lo converte in un gas di sintesi contenete idrogeno purificato2.
2. una sezione elettrochimica, composta dalle celle che producono energia elettrica con una reazione idrogeno (anodo )-ossigeno (catodo).Tale trasformazione prevede la produzione di calore.
3. un sistema di condizionamento della potenza elettrica che trasforma l’energia prodotta, da corrente elettrica continua a corrente alternata.
1 Il prototipo di cella a combustibile si deve a William Robert Grove ( 1811-1896 ) che nel 1839 riuscì a generare
energia elettrica da una cella contenete acido solforico e nella quale erano stati immersi come elettrodi, due sottili fogli di platino su cui arrivavano idrogeno ed ossigeno.Era una batteria a gas voltaico
2 Questa sezione risulta non necessaria quando si utilizza idrogeno, se vengono impiegate celle ad alta temperatura o nel caso di celle a metanolo diretto.
Le celle a combustibile rivestono oggi notevole interesse per la produzione di energia elettrica in quanto hanno caratteristiche particolari:
- rendimento elettrico elevato ( 40-50%);
- possibilità di utilizzo con un’ampia gamma di combustibili;
- modularità, che consente di “ingrandire” l’impianto con il crescere della domanda
energetica;
- efficienza indipendente dal carico e dalle dimensioni dell’impianto;
- ridotto impatto ambientale;
- possibilità di cogenerazione.
Esistono differenti tipologie di celle a combustibile, che saranno di seguito analizzate. In modo schematico possono essere suddivise in base all’elettrolita utilizzato o in base alla temperatura di funzionamento. La seguente classificazione prevede una suddivisione in base alle temperature e distingue quindi:
1. Celle a combustibile a media e bassa temperatura.
2. Celle a combustibile ad alta temperatura.
Celle a combustibile a bassa e media temperatura
Le celle a combustibile a bassa e media temperatura sono sostanzialmente di tre tipi:
- celle alcaline (AFC );
- celle ad acido solforico (PAFC);
- celle PEM , dette anche SPFC, celle a elettrolito polimerico solido.
Celle alcaline
In queste celle la soluzione elettrolita generalmente usata è una soluzione acquosa di idrossido di potassio. Gli elettrodi sono a base di nichel, cosa che permette di operare con temperature di esercizio tra i 60ºC ed i 100ºC. Il carburante è l’idrogeno e l’efficienza è elevata, fino al 70% in esercizio ed a piena potenza. I costi sono tuttavia ingenti, fattore che ne limita l’utilizzo che è legato più che altro a sperimentazioni in applicazioni spaziali.
Celle ad acido solforico Usano come elettrolita una soluzione di acido fosforico imbevuto in una matrice di carburo di silicio posta fra due elettrodi di grafite trattata.
Gli elettrodi possono essere d’oro, di titanio e carbone ed il catalizzatore in platino.
Come carburante si usano idrocarburi, alcol, oppure idrogeno impuro.
L’efficienza, di un impianto da 200kW è del 40% circa e possono essere utilizzate anche per la produzione di acqua calda ed il riscaldamento domestico. Sono relativamente usate negli Stati Uniti o in Giappone per aeroporti, scuole ed ospedali. Celle ad elettrolito polimerico solido Lavorano ad una temperatura di esercizio di 90ºC. Per il corretto funzionamento devono essere dotate di catalizzatore per avviare la reazione e di
un impianto di raffreddamento perché l’acqua presente non evapori troppo velocemente.
Hanno avuto applicazioni di nicchia, quali per esempio vetture cittadine o autobus, ma il loro impiego è previsto a breve per la generazione di energia per il settore commerciale ed
industriale, e non ultimo nel residenziale, a sostituire i tradizionali sistemi diesel.
Celle a combustibile ad alte temperature Le celle a combustibile ad alta temperatura sono sostanzialmente di due tipologie:
- celle ad ossidi solidi (SOFC);
- celle a carbonati fusi (MCFC).
Celle ad ossidi solidi
Hanno un buona efficienza ( circa il 60% ) e si possono trovare in due configurazioni, tubolare e planare. I costi sono particolarmente elevati. Celle a carbonati fusi
E’ il sistema che prevede la più rapida commercializzazione; l’efficienza è intorno al 60% e la temperatura d’esercizio tra i 600ºC ed i 650ºC.
