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Celle a combustibile

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UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI CASSINO E DEL LAZIO MERIDIONALE
Sistemi con celle a combustibile
Generalità e principio di funzionamento
Ossidante
Combustibile
e-
Data di nascita: 1839
Paternità: Sir William Grove
Prime applicazioni: anni ‘50-’60
H+
Converte l’energia di un combustibile
mediante ossidazione come un motore
termico.
Trasferisce ioni (positivi o negativi)
come una pila o un qualunque altro
dispositivo elettrochimico.
Combustibile
Ossidante
Prodotti
Elementi della cella a combustibile
La reazione elettrochimica che avviene in una cella a combustibile è costituita da due
semireazioni, una di ossidazione, nella quale un combustibile si ossida cedendo elettroni ed
aumentando il proprio stato di ossidazione, ed una di riduzione, nella quale un ossidante si
riduce acquistando gli elettroni ceduti dal combustibile e riducendo il proprio stato di
ossidazione.
L'elettrolita è l'elemento caratterizzante della cella a combustibile. Può essere solido o liquido
e determina la carica degli ioni che, attraverso di esso, migrano da un elettrodo all'altro.
Il catalizzatore ha lo scopo di favorire la creazione di ioni e, pertanto, assume un'importanza
fondamentale nelle celle a combustibile a bassa temperatura.
Gli elettrodi, che devono essere porosi in modo tale da costituire un’interfaccia di tipo trifase
in cui vengono a contatto i reagenti, l'elettrolita ed il catalizzatore. Nelle celle a combustibile
l'anodo è l'elettrodo negativo presso il quale si verifica l'ossidazione, mentre il catodo è
l'elettrodo positivo presso il quale si verifica la riduzione.
Nel caso di celle con elettrolita liquido, il catalizzatore ricopre la superficie dei pori degli
elettrodi con un film sottile che permette la diffusione dei reagenti. Il rischio da evitare è
quello del cosiddetto flooding, cioè allagamento, che consiste in un eccessivo spessore del film e
che blocca il funzionamento della cella.
Struttura della cella e della pila a combustibile
Piatto separatore
Pila
Catodo
Elettrolita
Anodo
Classificazione
Sigla
Denominazione
AFC
Alkaline Fuel Cell
PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell
DMFC
Direct Methanol Fuel Cell
DEFC
Direct Ethanol Fuel Cell
PAFC
Phosphoric Acid Fuel Cell
MCFC
Molten Carbonate Fuel Cell
DFC
Direct Fuel Cell
SOFC
Solid Oxide Fuel Cell
Efficienza
teorica
45-65%
Elettrolita
Temperatura
Idrossido di potassio
60-250°C
Membrana a scambio di protoni
60-80°C
(160 °C)
45-60%
Acido fosforico
60-220°C
35-50%
Carbonati fusi
600-650°C
45-55%
Biossido di zirconio
850-1000°C
45-55%
Celle a bassa e media temperatura
AFC
PEMFC e PAFC
Semireazione anodica
H2+2OH-→2H2O+2e-
Semireazione anodica
H2→2H++2e- E°=0 V
Semireazione catodica
½O2+H2O+2e-→2OH-
Semireazione catodica
½O2+2H++2e-→H2O E°=1,229 V
Celle ad elettrolita alcalino
Le AFC, messe a punto dall'inglese Bacon alla fine degli anni '50, utilizzano come
elettrolita una soluzione alcalina dispersa su una matrice porosa che funge da supporto.
Solitamente si tratta di una soluzione di idrossido di potassio (KOH) la cui concentrazione
dipende dalla temperatura operativa: se quest'ultima è elevata (T≈250°C) allora è elevata
anche la concentrazione (>85%), mentre è più bassa (35-45%) per T≈120°C.
Gli elettrodi sono a base di nichel e argento. I catalizzatori possono essere costituiti da
metalli nobili, ma anche da materiali assai più economici, come nickel o ossidi metallici.
La purezza dei reagenti è molto importante e l'impiego di aria è consentito previa
eliminazione del biossido di carbonio che potrebbe reagire con l'idrossido per formare
carbonato di potassio:
2 KOH + CO2 → K2CO3 + H2O
Il calore che si genera nel funzionamento della cella viene spesso asportato ricircolando e
raffreddando all’esterno l’elettrolita.
L'avviamento è veloce anche a freddo e sono già stati dimostrati lunghi tempi di vita
(10.000-15.000 ore).
A causa dell'intolleranza alle impurezze sono usate solo per applicazioni spaziali e militari.
Celle con membrana a scambio di protoni
Poiché l’unico liquido presente è l'acqua che si forma al catodo, non ci
sono problemi di corrosione. La gestione del flusso di acqua è,
comunque, un aspetto critico perché bisogna garantire l'umidificazione
della membrana solfonica perfluorurata, la cui conducibilità protonica è
pressoché proporzionale al contenuto d'acqua, evitando, al tempo
stesso, l'allagamento degli elettrodi.
Gli elettrodi, depositati sulla membrana, sono costituiti da uno strato
diffusivo poroso e conduttivo (grafite + PTFE) e da uno strato catalitico
(C/PTFE-catalizzatore).
Il catalizzatore utilizzato è il platino, o una sua lega (Pt-Ru, Pt-Sn),
che viene avvelenato, in modo permanente, dallo zolfo ed, in modo
temporaneo, dal monossido di carbonio eventualmente presenti nel
combustibile.
In genere il raffreddamento della cella è realizzato mediante piatti di refrigerazione posti
tra le celle ed alimentati ad acqua (eventualmente addizionata con liquido anticongelante)
che deve essere demineralizzata in modo tale da non condurre corrente elettrica. Esistono
anche sistemi di refrigerazione ad aria e ad aria umidificata.
Celle con membrana a scambio di protoni
Vantaggi:
rendimento elettrico elevato (>45%);
elevata densità di potenza dello stack (> 1kW/l, >1kW/kg);
rapidità di partenza a freddo (tempi dell’ordine del minuto);
semplicità costruttiva;
assenza di problemi di corrosione.
Svantaggi:
alto carico di Pt (0,2-0,4 mg/cm2);
sensibilità del catalizzatore al CO anche in
tracce;
necessità di un impianto di raffreddamento
per disperdere il calore in eccesso;
difficoltà nell'integrazione termica fra
sistema di trattamento del combustibile e
stack;
difficoltà nella gestione dell'acqua prodotta.
Applicazioni:
sistemi di emergenza (fino a 10 kW);
settore residenziale (2-50 kW);
settore commerciale (250-500 kW)
applicazioni portatili (cellulari, PC, videocamere)
applicazioni mobili (veicoli)
Celle ad acido fosforico
L'elettrolita, disperso su di una matrice porosa di silice (SiO2), è acido fosforico (H3PO4)
puro che raggiunge una buona conducibilità ionica intorno ai 150 °C. L'anodo è costituito
da Pt (0,10 mg/cm2) legato a PTFE su supporto di carbone e, a bassa temperatura,
presenta il rischio di avvelenamento da monossido di carbonio (CO < 1%). Il catodo è
analogo, ma con una maggior concentrazione di Pt (0,50 mg/cm2). I piatti bipolari sono in
grafite.
Grazie alla temperatura più elevata possono utilizzare direttamente il gas prodotto dal
reforming di idrocarburi ed il calore prodotto è utilizzabile nel processo stesso di
reforming che per utenze termiche esterne (acqua calda igienico sanitaria e riscaldamento
domestico).
Le PAFC hanno avuto un periodo di discreta diffusione superando una potenza complessiva
installata di 100 MW a livello mondiale superiore, con un impianto da 11 MW, alcuni da 5
MW e moltissime unità cogenerative (PC25) da 200 kW elettrici. Tuttavia i produttori di
celle a combustibile hanno smesso di investire su questa tecnologia ritenendola meno
promettente di altre.
Celle ad alta temperatura
MCFC
Semireazione anodica
H2+CO3--→H2O+CO2+2eSemireazione catodica
½O2+CO2+2e-→CO3--
Da evitare la reazione di Boudouard:
2CO→CO2+C(s)
SOFC
Semireazione anodica
H2+O--→H2O+2eSemireazione catodica
½O2+2e-→O--
Celle a carbonati fusi
L'elettrolita è una soluzione di carbonati alcalini liquidi (Li2CO3–K2CO3 62-38% su una
matrice ceramica porosa di γ-LiAlO2) ad alta conducibilità ionica. L'anodo è in Ni-Cr o
Ni-Al, mentre il catodo è in NiO litiato ed il piatto bipolare in leghe metalliche
(Incoloy825, acciaio 310S o 316) con materiali protettivi.
Vantaggi:
catalizzatori economici grazie alla cinetica di reazione più veloce;
rendimenti elevati (45-55%);
elevata flessibilità nei confronti dei combustibili;
possibilità di cogenerazione a temperature d’interesse industriale o di realizzare
impianti combinati con turbomacchine.
Svantaggi:
dissoluzione del catodo in ossido di litio;
sinterizzazione dell’anodo di nichel;
corrosione dei componenti metallici;
costo dei materiali per l'elevata T;
scarsa durata;
necessità di riciclare CO2 dall’anodo al catodo.
Applicazioni:
generazione di energia elettrica:
cogenerazione ad alta temperatura.
Reforming interno
Per le celle a carbonati fusi il metano è un diluente, ragion per cui è possibile impiegare
gas contenenti metano, ma quest'ultimo attraversa l'anodo senza reagire e senza produrre
alcun effetto utile. Ciò non ha una grande importanza quando il combustibile usato è un
gas di carbone, mentre richiede un processo di reforming quando il combustibile di
partenza è gas naturale.
Grazie all'elevata temperatura, una valida alternativa è il
ricorso al reforming interno. Il comparto anodico è dotato
di un catalizzatore (di solito si tratta di Ni supportato su
MgO o su LiAlO2) per la reazione di reforming. L’energia
termica richiesta dalla reazione di reforming è fornita
dalla semireazione anodica che provvede anche a fornire il
vapore necessario.
Il risultato è un miglior bilancio termico della cella ed una
conversione pressoché totale del metano dato che il
progressivo consumo dell'idrogeno sposta continuamente la
reazione di reforming verso i prodotti. Ne segue che il
sistema è più economico (manca il reformer esterno) e più
efficiente.
Celle a ossidi solidi
L'elettrolita è ossido di zirconio stabilizzato con ossido di ittrio, che,
ad alta
temperatura, risulta un buon conduttore di ioni ossigeno.
L'anodo è un cermet a base di nichel-ossido di zirconio capace di catalizzare il reforming
del metano e di inibire la sinterizzazione del metallo, mentre il catodo è in manganito di
lantanio drogato con stronzio.
Vantaggi:
elevata tolleranza alle impurità;
mancanza di problemi di evaporazione e perdite di liquido;
catalizzatori economici grazie alla cinetica di reazione più veloce;
rendimenti elevati (45-55%);
elevata flessibilità nei confronti dei combustibili;
possibilità di cogenerazione a temperature d’interesse industriale o di realizzare
impianti combinati con turbomacchine.
Svantaggi:
presenza di stress termomeccanici che implicano una maggior difficoltà nella
realizzazione dello stack;
tempo di avviamento lungo;
costi per materiali resistenti alle alte T.
Applicazioni:
da piccole unità per uso residenziale fino ad impianti da qualche decina di MW per la
produzione distribuita di energia elettrica.
SOFC tubolari
SOFC planari e monolitiche
Compatibilità coi combustibili
H2
AFC
PEMFC
PAFC
MCFC
SOFC
combustibile combustibile combustibile combustibile combustibile
CO
<10 ppm
< 1%
combustibile combustibile
diluente
diluente
diluente o
combustibile
combustibile
CH4
diluente
CO2
0%
H2O
prodotto
diluente
diluente
prodotto
prodotto
N2
diluente
diluente
diluente
diluente
diluente
<1%
<0,1%
<1 ppm
<1 ppm
<1 ppm
<1 ppm
reagente
NH3
H2S & COS
HCl
0%
<50 ppm
Fonte ENEA
Prestazioni energetiche
combustione
Energia
termica
ciclo
conversione
Energia
termodinamico meccanica elettromeccanica
conversione
elettrochimica
Energia
chimica
Energia
elettrica
Conversione diretta → l’efficienza può superare quella delle macchine termiche
Inoltre:
l’efficienza è meno sensibile alla riduzione di carico
l’efficienza è poco sensibile alla taglia
50%
60%
40%
50%
30%
Efficienza
Efficienza
70%
40%
30%
20%
10%
20%
MCI
10%
0%
0%
0%
MCI
TG
TV
CC
FC
20%
40%
PEMFC
60%
Potenza
80%
100%
Prestazioni ambientali
1
H 2 O 2  H 2 O
2
1
CO O 2  CO 2
2
Alta efficienza e prodotti non inquinanti
Impatto chimico nullo o ridottissimo
Assenza di parti in movimento
Silenziosità
Alta efficienza e scarico in atmosfera
Impatto termico ridotto
Emissioni (g/MJ)
Autobus
14
12
10
8
6
4
2
0
A=
B=
C=
D=
E=
A
B
C
D
NOx
CO
Incombusti
Particolato
E
Diesel (1995)
MCI a metanolo
MCI ad etanolo
MCI a gas naturale
PAFC e reformer di metanolo
Prestazioni impiantistiche
potenza richiesta o installata (%)
Modularità
Ridotto impatto ambientale
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Facilità di scelta del sito
1
2
3
4
5 tempo
6
7
8
9
Richiesta Convenzionale Pile a combustibile
Economia di realizzazione
10
Possibilità di cogenerazione
Flessibilità nei confronti del combustibile
Capacità di inseguimento rapido del carico
Gestione automatizzata
Economia di gestione
Analisi termodinamica di un sistema reversibile
Consideriamo inizialmente la cella a combustibile come un sistema reversibile, isotermo, isobaro
e sede di reazione elettrochimica.
In tal caso, la variazione di entalpia di una qualsiasi reazione elettrochimica può essere scritta
nel modo seguente:
 H = U  p⋅ V =Q− L p⋅ V =T⋅ S − L e− p⋅ V  p⋅ V
avendo indicato con H l'entalpia, con U l'energia interna, con p la pressione, con V il volume,
con Q la quantità di calore scambiato, con L il lavoro, con T la temperatura assoluta e con S
l'entropia. Inoltre vale:
 G = H −T⋅ S
 H = H
o
298
T
∫298  C p dT
 S= S
o
298
T
∫298
Cp
dT
T
con H e S variabili con la temperatura avendo assunto che la capacità termica C p sia
indipendente dalla pressione. Per la reazione di formazione dell'acqua:
o
Δ H 298 =−285,19 kJ / mol
Poiché
L e =−Δ G l'efficienza risulta: ηrev =
−Δ G
ΔHo
o
Δ G 298 =−237,19 kJ / mol
L'equazione di Nernst
Σ α i A i → Σβ j B j
Considerando una generica reazione chimica:
in cui Ai sono le specie reagenti e Bj le specie prodotte ed α i e β j i rispettivi coefficienti
stechiometrici, si ha:
βj
Π aB
Δ G =Δ G o + R⋅T⋅ln
Π a αA
Δ G o=−R⋅T⋅ln K
j
i
i
essendo K la costante di equilibrio chimico.
Indicando con n le moli di elettroni, con F la costante di Faraday (cioè la carica portata da
una mole di elettroni) e con E la tensione, ne segue che:
potenziale elettrico reversibile
L e =−Δ G =n⋅F⋅E
in condizioni standard
e quindi:
− G
E=
n⋅F
Ed infine:
o
− G R⋅T
E =
=
ln K
n⋅F
n⋅F
o
αi
Π aA
R⋅T
E=E +
ln
n⋅F Π aβB
o
i
i
Per la reazione di formazione dell'acqua:
o
E =1,229 V
i
Casi particolari dell'equazione di Nernst
Sostituendo alle attività le pressioni parziali delle specie gassose, segue che:
p H ⋅√ pO
R⋅T
E =E +
⋅ln
n⋅F
pH O
o
2
2
2
e passando alle frazioni molari:
x H ⋅√ x O
R⋅T
R⋅T
E =E +
⋅ln √ P +
⋅ln
n⋅F
n⋅F
xH O
o
2
2
2
Qualora l'acqua sia generata allo stato liquido:
E =E o +
3⋅R⋅T
R⋅T
⋅ln ( P )+
⋅ln ( x H ⋅√ x O )
2⋅n⋅F
n⋅F
2
2
Infine, per le celle a carbonati fusi:
x H ⋅x CO ⋅√ x O
R⋅T
R⋅T
E =E +
⋅ln ( √ P )+
⋅ln
n⋅F
n⋅F
x H O⋅x CO
o
2
2 (C )
2
2( A)
2
Le irreversibilità
Passando ad un sistema reale occorre tener conto delle irreversibilità che hanno, ovviamente,
un effetto negativo. La tensione prodotta da una cella a combustibile risulta quindi inferiore
a quella data dall'equazione di Nernst.
La riduzione di tensione è chiamata polarizzazione ed è riconducibile a tre diverse
componenti:
polarizzazione ohmica, dovuta alla resistenza interna della cella a combustibile;
polarizzazione attivata, dovuta all'energia richiesta per rompere i legami molecolari dei
reagenti e quelli tra atomi di reagente e di catalizzatore;
polarizzazione concentrata, dovuta alla limitazione della velocità di trasporto di massa
che si manifesta nella lentezza della diffusione dei gas negli elettrodi e degli ioni
nell'elettrolita: il consumarsi dei reagenti e degli ioni in prossimità dell'elettrodo genera,
all'interno della cella stessa, una pila a concentrazione la quale origina una forza
controelettromotrice.
V = E −Δ V o −Δ V a −Δ V c
La legge di Ohm e l'equazione di Tafel
La resistenza interna è costituita da una componente relativa alla resistenza dell'elettrolita al
passaggio di ioni e da una componente relativa alla resistenza degli elettrodi al passaggio di
elettroni. Vale comunque la legge di Ohm e quindi la polarizzazione ohmica varia linearmente
con la densità di corrente:
Δ V o= I⋅Ro
La dipendenza della polarizzazione attivata dalla densità di corrente è espressa da una
relazione empirica, valida per polarizzazioni superiori a 50 mV e detta equazione di Tafel:
in cui:
A=-2,3RTlogjo/nF;
Δ V a= A+ B⋅log j
B=2,3RT/αnF;
α è una costante che rappresenta la frazione di ΔVa che aiuta l'avanzamento della
reazione;
jo è una costante cinetica correlata alla soglia energetica di attivazione della reazione.
La legge di Fick
D⋅(c b −c i )
j
=
n⋅F
d
ci
e
l
e
t
t
r
o
d
o
elettrolita
D è il coefficiente di diffusione degli ioni reagenti;
ci è la concentrazione degli ioni reagenti
e
l
e
t
t
r
o
d
o
cb
all'interfaccia elettrolita-elettrodo;
cb è la concentrazione degli ioni reagenti all'esterno
dello strato di diffusione;
d è lo spessore dello strato di diffusione.
ci
d
d
n⋅F⋅D⋅c b c i
j
Se ci=0 allora: j L =
→ =1−
d
cb
jL
L'equazione di Nernst applicata all'elettrolita, rispettivamente per circuito aperto e per
circuito chiuso, è:
R⋅T⋅ln c b
R⋅T⋅ln c i
o
o
e
E =E +
E =E +
n⋅F
n⋅F
Si crea quindi una pila a concentrazione la cui tensione è:
cb
j
−R⋅T⋅ln
1−
R⋅T⋅ln
jL
ci
Δ V c=
=
n⋅F
n⋅F
(
)
La polarizzazione complessiva
In definitiva la tensione di una cella a combustibile varia con la densità di corrente secondo
l'equazione:
(
R⋅T⋅ln 1−
V = E − I⋅Ro −[ A+ B⋅ln j]+
j
jL
)
n⋅F
che contiene un termine costante, uno lineare, uno logaritmico ed uno esponenziale.
Quest'ultimo è trascurabile se non ci si avvicina troppo alla densità di corrente limite: poiché
le condizioni operative suggerite dalle case costruttrici sono sempre ben distanti da tale
limite, il termine relativo alla polarizzazione concentrata viene spesso omesso.
Il termine logaritmico risulta invece più significativo a bassi valori di densità di corrente per
poi perdere progressivamente di importanza rispetto al termine lineare. Inoltre, per la sua
natura, è fortemente legato alla temperatura e diviene pressoché trascurabile alle alte
temperature.
Pertanto si assumono spesso come valide le seguenti relazioni:
V =a−b⋅j−c⋅ln j
e
V =a−b⋅j
rispettivamente per celle a combustibile a bassa e ad alta temperatura
La curva caratteristica
L'influenza della temperatura
A seguito dell'esistenza delle irreversibilità si definisce un'efficienza di tensione che può
essere aumentato agendo sulla temperatura e sulla pressione (oltre che sulla composizione):
ηV =
V
E
Il valore della tensione a circuito aperto risulta superiore per le celle a bassa temperatura,
ma anche le polarizzazioni risultano superiori. Infatti, oltre alla presenza della polarizzazione
attivata, anche la polarizzazione ohmica è maggiore a causa del favorevole effetto della
temperatura sulla resistenza ionica dell'elettrolita.
1,3
Reversibile
PEMFC
MCFC
1,2
AFC
PAFC
SOFC
Tensione [V]
1,1
1
0,9
0,8
0,7
0,6
200
400
600
800
Temperatura [K]
1000
1200
1400
L'influenza della pressione
L'influenza della pressione è favorevole sia considerando la tensione reversibile che mettendo
in conto le polarizzazioni. Tuttavia l'aumento di tensione con la pressione si smorza
rapidamente, mentre le problematiche costruttive aumentano così come aumenta il consumo
degli ausiliari.
La densità di potenza
Stesso effetto ha la pressione sulla densità di potenza.
Densità di potenza - Densità di corrente
Efficienza - Densità di potenza
Utilizzazione
Si definisce anche un'efficienza di corrente:
ηI =
I
⋅ϕ c =η F⋅ϕ c
n⋅F⋅v
in cui v è la portata molare di combustibile consumato, φ c è l'utilizzazione del combustibile e
η F è l'efficienza di Faraday che tiene conto delle diverse reazioni che possono portare
all'ossidazione di un combustibile: se un solo tipo di reazione è possibile allora η F è unitaria,
ma se possono avvenire reazioni differenti con diverso valore del numero di elettroni coinvolti
allora η F è inferiore all'unità. L'apporto di η F è, comunque, generalmente trascurabile, per
cui si può porre η I≈φ F.
Non tutto il combustibile può essere utilizzato perché un'utilizzazione elevata influisce
negativamente sia su E che sul valore della soglia jL alla quale si manifesta la polarizzazione
concentrata. Per lo stesso motivo anche l'ossidante non può essere utilizzato integralmente,
ma ciò non ha ripercussioni negative sull'efficienza di corrente della cella a combustibile.
Unica eccezione sono le PEMFC ad anodo cieco: infatti se una PEMFC viene alimentata con
idrogeno puro, all'interno del comparto anodico resta sempre solo e soltanto idrogeno puro e,
pertanto, lo si può utilizzare completamente. In realtà ci sono impurezze che via via si
accumulano, oltre ad acqua che può giungere dalla membrana, e questo rende necessari degli
spurghi periodici.
Applicazioni
T
W
MCFC/SOFC
Generazione distribuita
0,2÷10 MW
PEMFC
Trasporti
20÷150 kW
tutti i tipi
Applicazioni residenziali
0,5÷50 kW
PEMFC
Applicazioni portatili
<1 kW
Applicazioni portatili
Il settore delle applicazioni portatili è l'ultimo, in termini
cronologici, ad aver attratto l'attenzione dei produttori di
celle a combustibile: se da un lato l'idea di sostituire le
batterie di cellulari e computer portatili è molto attraente ed
il mercato molto vasto, dall'altro la densità di accumulo
dell'idrogeno ha sempre rappresentato un grosso ostacolo.
Il recente interesse alle piccole taglie è connesso sia alla
difficoltà, superiore al previsto, di affermazione negli altri
mercati, sia alla prospettiva di poter impiegare, almeno nella
prima fase di commercializzazione, celle a combustibile a
reforming interno di metanolo (DMFC).
Applicazioni residenziali
Il settore delle applicazioni residenziali ha iniziato a svilupparsi nella seconda metà degli anni
'90 in seguito ai buoni risultati della cogenerazione con PAFC (PC25 da 200 kW) ed al
crescente sviluppo della tecnologia PEMFC.
Si è quindi ritenuto di poter generare acqua calda per usi igienico-sanitari mediante piccole
“caldaie” basate su tecnologia PEMFC (3-5 kWe). Più complesso sarebbe il discorso di
cogenerare calore ad uso riscaldamento poiché la potenza elettrica coprodotta sarebbe
decisamente superiore, intorno ai 30 kW) a quella utilizzabile per un comune uso residenziale.
Possono esistere diversi sistemi di gestione della componente elettrica e di quella termica in
relazione alla possibilità di connettersi alla rete elettrica ed alla capacità di quest'ultima di
assorbire potenza. Proprio questo aspetto viene talvolta indicato come un limite alla massiccia
diffusione di questi cogeneratori.
Ad oggi l'azienda più avanzata sembra essere la Vaillant (con tecnologia Plug Power), ma
esistono molti concorrenti che si rivolgono alla stessa tipologia di celle a combustibile.
Il combustibile attualmente disponibile nelle abitazioni è però il gas naturale e questo
comporta che il sistema debba includere una sezione di reforming, una di shift ed una di
eliminazione del CO residuo. Per questo motivo esistono tentativi di usare tipi diversi di celle a
combustibile.
Applicazioni residenziali
Sistema residenziale da 1 kW (PEMFC)
Back-up Burner
Hot Water Tank
Air
Air compressor
PEFC Stack
Hydrogen
Compressed
Air
Heat Exchanger
Reformer
Heat Hot Water
DC Power
Hot
Water
City Gas
Inverter
AC
Power
Trasporti
Necessità di un gas ricco di idrogeno:
a) sottosistema di processo del combustibile
b) accumulo di idrogeno a bordo
Pressione di esercizio:
a) atmosferica
b) ~3 bar con compressore dell'aria
Produzione di energia elettrica in corrente continua:
a) motore elettrico a corrente continua
b) convertitore DC/AC e motore elettrico a corrente alternata
Gestione dell'energia:
a) batterie di picco
b) batterie di recupero
Regolazione:
a) nessuna regolazione delle celle a combustibile
b) gestione del calore, dell'acqua e dei reagenti
Celle a combustibile per il settore dei trasporti
AFC
Basso consumo di combustibile
Emissioni inquinanti ridotte o nulle
Rumorosità e vibrazioni ridotte
Leggerezza e compattezza
Flessibilità di prestazioni
Facilità di avviamento
Ridotta manutenzione
Impiego di aria come ossidante
Costo contenuto
PEMFC
PAFC
MCFC
SOFC
Esempi di applicazioni
Oltre 50 prototipi 1993 al 2003 (2 tra il 1967 ed il 1993)
DAIMLER CRISLER
MAZDA
OPEL GM
HONDA
FORD
NISSAN
Fiat Panda Hydrogen
Peso
Propulsione
Pressione FC
Potenza
Coppia massima
Serbatoio
Massima pendenza
Accelerazione
Velocità massima
Consumo medio
Autonomia
1.400 kg (Fiat Panda 840-1.090 kg)
3 PEMFC Nuvera + Motore asincrono
1,5 bar
Nominale 30 kW (41 CV), massima 60 kW (82 CV)
125 Nm
110 l (2.4 kg @ 350 bar)
23,00%
5 secondi da 0 a 50 km/h
150 km/h limitata a 130 km/h
9-10 g/km
> 200 km (in città)
Fuel Cell Marathon
Ostacoli alla commercializzazione
Costo elevato
Costo delle membrane
Costo del catalizzatore
Costo dei componenti esterni, non ancora costruiti ad hoc
Durata minore rispetto ai sistemi stazionari
Vibrazioni
Cicli di funzionamento più critici
Difficoltà nella scelta del combustibile accumulato
Semplicità:
idrogeno gassoso
Facilità e rapidità di rifornimento:
a) combustibile liquido
b) idruro chimico
Mantenimento delle infrastrutture:
idrocarburo liquido
Sicurezza:
a) idrocarburo liquido
b) idruro
Generazione distribuita di energia
Necessità di un gas ricco di idrogeno:
sottosistema di processo del combustibile
Produzione di energia elettrica in corrente continua:
sottosistema di trattamento dell’energia prodotta
Rilascio di energia termica:
sottosistema di recupero dell’energia termica
Processo del
combustibile
Inverter
Combustibile
Impianto
sottoposto
Celle a combustibile
Energia
Meccanica
Energia
Elettrica
Energia
Termica
Sistemi integrati con microturbine e sistemi cogenerativi
FutureGen e SOFC Coal
Syngas
H2 + CO
Hydrogen
Central Power
SOFC and
Hybrids
Transportation
Fuel Cells
Geologic CO2
Sequestration
Distributed
Generation
General Electric Coal Study
Coal
Raw Syngas
Gasifier
55%
Net Efficiency (HHV Coal)
Water Gas Shift
Standard
54%
Gas Clean-up
With CO2
Separation
53%
52%
CO2 Separation
51%
50%
Spent
Fuel
Recycle
49%
48%
Steam
47%
0
2
4
6
8
10
12
Steam
14
Fuel Cells
Operating Pressure (bar)
•
53.4% (HHV) Possible with IGFC
•
CO2 Separation penalty 2.7 points
Generator
ST
Steam
Combustor
HRSG
Exhaust
GT
C
Air
Generator
Accumulo dell'energia
Fonti rinnovabili
(potenza variabile)
Utenze
(potenza variabile)
Accumulo
Utenze
(combustibile)
Fonti fossili e fissili
(potenza costante)
Impianti di pompaggio
Compressed air energy storage
Volani
Batterie di accumulatori
Ultracapacitori
Superconduttori
Idrogeno
Hydrogen Energy Storage
Con cella alcalina
Con cella polimerica
Ad alta temperatura
Idrogeno gassoso
Idrogeno liquido
Idruri metallici
Con celle a combustibile
Con cicli a vapore H2/O2
Ossigeno gassoso
Ossigeno liquido
Progetto Prora
E' un progetto del CIRA (Centro Italiano per la Ricerca Aerospaziale) e riguarda un velivolo
senza pilota capace di volare ad alta quota utilizzando energia solare.
Le ali sono ricoperte da pannelli fotovoltaici e durante il giorno parte dell'energia convertita è
accumulata mediante idrogeno che viene riutilizzato durante la notte.
E le c tr o ly s e r
C a r ic o e le ttr ic o
S u p e r fic ie F V
E le t tr o liz z a to r e
F C s ta c k
H
2
H 2O
S e rb a to i
O
2
H
2
P ila a c o m b u s t ib ile
O
2
H 2O
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