Probabilmente hai sentito parlare di celle a combustibile . Nel 2003, il presidente Bush ha annunciato un programma chiamato Hydrogen Fuel Initiative (HFI) durante il suo discorso sullo stato dell'Unione. Questa iniziativa, supportata dalla legislazione dell'Energy Policy Act del 2005 (EPACT 2005) e dell'Advanced Energy Initiative del 2006, mira a sviluppare tecnologie a idrogeno, celle a combustibile e infrastrutture per rendere i veicoli a celle a combustibile pratici ed economici entro il 2020. Finora gli Stati Uniti hanno dedicato più di un miliardo di dollari alla ricerca e allo sviluppo delle celle a combustibile.
Quindi cos'è esattamente una cella a combustibile, comunque? Perché governi, imprese private e istituzioni accademiche collaborano per svilupparli e produrli? Le celle a combustibile generano energia elettrica in modo silenzioso ed efficiente, senza inquinamento. A differenza delle fonti di energia che utilizzano combustibili fossili, i sottoprodotti di una cella a combustibile in funzione sono calore e acqua. Ma come fa questo?
In questo articolo, daremo una rapida occhiata a ciascuna delle tecnologie esistenti o emergenti delle celle a combustibile. Descriveremo in dettaglio come celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica (PEMFC ) lavorano ed esaminano il confronto tra le celle a combustibile e altre forme di produzione di energia. Esploreremo anche alcuni degli ostacoli che i ricercatori devono affrontare per rendere le celle a combustibile pratiche e convenienti per il nostro uso e discuteremo le potenziali applicazioni delle celle a combustibile.
Se vuoi essere tecnico al riguardo, una cella a combustibile è un dispositivo di conversione dell'energia elettrochimica . Una cella a combustibile converte le sostanze chimiche idrogeno e ossigeno in acqua e nel processo produce elettricità.
L'altro dispositivo elettrochimico che tutti conosciamo è la batteria. Una batteria ha tutte le sue sostanze chimiche immagazzinate all'interno e converte anche quelle sostanze chimiche in elettricità. Ciò significa che una batteria alla fine "si esaurisce" e la butti via o la ricarichi.
Con una cella a combustibile, le sostanze chimiche fluiscono costantemente nella cella in modo che non si esaurisca mai:finché c'è un flusso di sostanze chimiche nella cella, l'elettricità defluisce dalla cella. La maggior parte delle celle a combustibile in uso oggi utilizza idrogeno e ossigeno come sostanze chimiche.
Nella prossima sezione, esamineremo i diversi tipi di celle a combustibile.
Contenuti
La cella a combustibile competerà con molti altri dispositivi di conversione dell'energia, tra cui la turbina a gas nella centrale elettrica della tua città, il motore a benzina nella tua auto e la batteria nel tuo laptop. I motori a combustione come la turbina e il motore a benzina bruciano combustibili e utilizzano la pressione creata dall'espansione dei gas per svolgere lavori meccanici. Le batterie riconvertono l'energia chimica in energia elettrica quando necessario. Le celle a combustibile dovrebbero svolgere entrambe le attività in modo più efficiente.
Una cella a combustibile fornisce una tensione CC (corrente continua) che può essere utilizzata per alimentare motori, luci o un numero qualsiasi di apparecchi elettrici.
Esistono diversi tipi di celle a combustibile, ognuna delle quali utilizza una diversa chimica. Le celle a combustibile sono generalmente classificate in base alla loro temperatura di esercizio e al tipo di elettrolita usano. Alcuni tipi di celle a combustibile funzionano bene per l'uso in impianti stazionari di generazione di energia. Altri possono essere utili per piccole applicazioni portatili o per alimentare automobili. I principali tipi di celle a combustibile includono:
Il Dipartimento dell'Energia (DOE) si sta concentrando sul PEMFC come il candidato più probabile per le applicazioni di trasporto. Il PEMFC ha un'elevata densità di potenza e una temperatura di esercizio relativamente bassa (da 60 a 80 gradi Celsius, o da 140 a 176 gradi Fahrenheit). La bassa temperatura di esercizio significa che non ci vuole molto prima che la cella a combustibile si riscaldi e inizi a generare elettricità. Daremo un'occhiata più da vicino al PEMFC nella prossima sezione.
Queste celle a combustibile sono più adatte per generatori di energia fissi su larga scala che potrebbero fornire elettricità a fabbriche o città. Questo tipo di celle a combustibile funziona a temperature molto elevate (tra 700 e 1.000 gradi Celsius). Questa temperatura elevata rende l'affidabilità un problema, perché parti della cella a combustibile possono rompersi dopo aver acceso e spento ripetutamente. Tuttavia, le celle a combustibile a ossido solido sono molto stabili quando sono in uso continuo. In effetti, il SOFC ha dimostrato la vita operativa più lunga di qualsiasi cella a combustibile in determinate condizioni operative. L'alta temperatura ha anche un vantaggio:il vapore prodotto dalla cella a combustibile può essere convogliato nelle turbine per generare più elettricità. Questo processo è chiamato cogenerazione di calore ed elettricità (CHP) e migliora l'efficienza complessiva del sistema.
Questo è uno dei modelli più antichi per le celle a combustibile; il programma spaziale degli Stati Uniti li ha utilizzati dagli anni '60. L'AFC è molto suscettibile alla contaminazione, quindi richiede idrogeno e ossigeno puri. È anche molto costoso, quindi è improbabile che questo tipo di celle a combustibile venga commercializzato.
Come il SOFC, anche queste celle a combustibile sono più adatte per grandi generatori di corrente stazionari. Funzionano a 600 gradi Celsius, quindi possono generare vapore che può essere utilizzato per generare più energia. Hanno una temperatura di esercizio inferiore rispetto alle celle a combustibile a ossido solido, il che significa che non necessitano di materiali così esotici. Questo rende il design un po' meno costoso.
La cella a combustibile ad acido fosforico può essere utilizzata in piccoli sistemi fissi di generazione di energia. Funziona a una temperatura più elevata rispetto alle celle a combustibile a membrana a scambio polimerico, quindi ha un tempo di riscaldamento più lungo. Ciò lo rende inadatto all'uso in auto.
Le celle a combustibile a metanolo sono paragonabili a un PEMFC per quanto riguarda la temperatura di esercizio, ma non sono così efficienti. Inoltre, il DMFC richiede una quantità relativamente grande di platino per fungere da catalizzatore, il che rende costose queste celle a combustibile.
Nella sezione seguente, daremo uno sguardo più da vicino al tipo di celle a combustibile che il DOE prevede di utilizzare per alimentare i veicoli futuri:il PEMFC .
L'invenzione della cella a combustibileSir William Grove inventò la prima cella a combustibile nel 1839. Grove sapeva che l'acqua poteva essere scissa in idrogeno e ossigeno inviando una corrente elettrica attraverso di essa (un processo chiamato elettrolisi ). Ha ipotizzato che invertendo la procedura si potesse produrre elettricità e acqua. Creò una primitiva cella a combustibile e la chiamò batteria voltaica a gas . Dopo aver sperimentato la sua nuova invenzione, Grove ha dimostrato la sua ipotesi. Cinquant'anni dopo, gli scienziati Ludwig Mond e Charles Langer coniarono il termine cella a combustibile mentre si tenta di costruire un modello pratico per produrre elettricità.
La cella a combustibile a membrana a scambio polimerico (PEMFC) è una delle tecnologie di celle a combustibile più promettenti. Questo tipo di celle a combustibile probabilmente finirà per alimentare auto, autobus e forse anche la tua casa. Il PEMFC utilizza una delle reazioni più semplici di qualsiasi cella a combustibile. Per prima cosa, diamo un'occhiata a cosa c'è in una cella a combustibile PEM:
Nella Figura 1 puoi vedere che ci sono quattro elementi di base di un PEMFC:
Immagine gas idrogeno pressurizzato (H2 ) entrando nella cella a combustibile dal lato dell'anodo. Questo gas è forzato attraverso il catalizzatore dalla pressione. Quando un H2 la molecola entra in contatto con il platino sul catalizzatore, si divide in due H + ioni e due elettroni (e - ). Gli elettroni vengono condotti attraverso l'anodo, dove si fanno strada attraverso il circuito esterno (facendo un lavoro utile come girare un motore) e ritornano al lato del catodo della cella a combustibile.
Nel frattempo, sul lato del catodo della cella a combustibile, ossigeno gassoso (O2 ) viene forzato attraverso il catalizzatore, dove forma due atomi di ossigeno. Ognuno di questi atomi ha una forte carica negativa. Questa carica negativa attrae i due H + ioni attraverso la membrana, dove si combinano con un atomo di ossigeno e due degli elettroni del circuito esterno per formare una molecola d'acqua (H2 O).
Questa reazione in una singola cella a combustibile produce solo circa 0,7 volt. Per portare questa tensione a un livello ragionevole, molte celle a combustibile separate devono essere combinate per formare una pila di celle a combustibile . Piastre bipolari vengono utilizzati per collegare una cella a combustibile all'altra e sono soggetti a entrambi ossidazione e ridurre condizioni e potenziali. Un grosso problema con le placche bipolari è la stabilità. Le piastre bipolari metalliche possono corrodersi e i sottoprodotti della corrosione (ioni ferro e cromo) possono ridurre l'efficacia delle membrane e degli elettrodi delle celle a combustibile. Le celle a combustibile a bassa temperatura utilizzano metalli leggeri , grafite e compositi carbonio/termoindurenti (il termoindurente è un tipo di plastica che rimane rigida anche se sottoposta ad alte temperature) come materiale per piastre bipolari.
Nella prossima sezione vedremo quanto possono essere efficienti i veicoli a celle a combustibile.
Chimica di una cella a combustibileLato anodo :2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻
Lato catodo :O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
Reazione netta :2H₂ + O₂ → 2H₂O
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La riduzione dell'inquinamento è uno degli obiettivi primari delle celle a combustibile. Confrontando un'auto a celle a combustibile con un'auto a benzina e un'auto a batteria, puoi vedere come le celle a combustibile potrebbero migliorare l'efficienza delle auto di oggi.
Poiché tutti e tre i tipi di auto hanno molti degli stessi componenti (pneumatici, trasmissioni, ecc.), ignoreremo quella parte dell'auto e confronteremo l'efficienza fino al punto in cui viene generata potenza meccanica. Cominciamo con l'auto a celle a combustibile. (Tutte queste efficienze sono approssimazioni, ma dovrebbero essere abbastanza vicine per fare un confronto approssimativo.)
Se la cella a combustibile è alimentata con idrogeno puro, ha il potenziale per essere efficiente fino all'80%. Cioè, converte l'80 percento del contenuto energetico dell'idrogeno in energia elettrica. Tuttavia, dobbiamo ancora convertire l'energia elettrica in lavoro meccanico. Ciò è ottenuto dal motore elettrico e dall'inverter. Un numero ragionevole per l'efficienza del motore/inverter è di circa l'80%. Quindi abbiamo un'efficienza dell'80% nella generazione di elettricità e un'efficienza dell'80% nel convertirla in energia meccanica. Ciò fornisce un'efficienza complessiva di circa il 64% . Secondo quanto riferito, il concept car Honda FCX ha un'efficienza energetica del 60 percento.
Se la fonte di carburante non è idrogeno puro, anche il veicolo avrà bisogno di un riformatore. Un reformer trasforma idrocarburi o combustibili alcolici in idrogeno. Generano calore e producono altri gas oltre all'idrogeno. Usano vari dispositivi per cercare di ripulire l'idrogeno, ma anche così, l'idrogeno che ne esce non è puro e questo riduce l'efficienza della cella a combustibile. Poiché i riformatori hanno un impatto sull'efficienza delle celle a combustibile, i ricercatori del DOE hanno deciso di concentrarsi sui veicoli a celle a combustibile a idrogeno puro, nonostante le sfide associate alla produzione e allo stoccaggio dell'idrogeno.
Successivamente, impareremo a conoscere l'efficienza delle auto a benzina e a batteria.
IdrogenoL'idrogeno è l'elemento più comune nell'universo. Tuttavia, l'idrogeno non esiste naturalmente sulla Terra nella sua forma elementare. Ingegneri e scienziati devono produrre idrogeno puro dai composti dell'idrogeno, compresi i combustibili fossili o l'acqua. Per estrarre l'idrogeno da questi composti, devi esercitare energia. L'energia richiesta può venire sotto forma di calore, elettricità o persino luce.
L'efficienza di un'auto a benzina è sorprendentemente bassa. Tutto il calore che esce come scarico o entra nel radiatore è energia sprecata. Il motore consuma anche molta energia girando le varie pompe, ventole e generatori che lo fanno funzionare. Quindi l'efficienza complessiva di un motore a gas per autoveicoli è di circa il 20 percento . Cioè, solo il 20 percento circa del contenuto di energia termica della benzina viene convertito in lavoro meccanico.
Un'auto elettrica a batteria ha un'efficienza abbastanza elevata. La batteria ha un'efficienza di circa il 90 percento (la maggior parte delle batterie genera un po' di calore o richiede riscaldamento) e il motore elettrico/inverter ha un'efficienza di circa l'80 percento. Ciò garantisce un'efficienza complessiva di circa il 72% .
Ma non è tutta la storia. L'elettricità usata per alimentare l'auto doveva essere generata da qualche parte. Se è stato generato in una centrale elettrica che utilizzava un processo di combustione (piuttosto che nucleare, idroelettrico, solare o eolico), solo il 40 percento circa del combustibile richiesto dalla centrale veniva convertito in elettricità. Il processo di ricarica dell'auto richiede la conversione della corrente alternata (CA) in corrente continua (CC). Questo processo ha un'efficienza di circa il 90 percento.
Quindi, se osserviamo l'intero ciclo, l'efficienza di un'auto elettrica è del 72% per l'auto, del 40% per la centrale elettrica e del 90% per la ricarica dell'auto. Ciò garantisce un'efficienza complessiva del 26% . L'efficienza complessiva varia considerevolmente a seconda del tipo di centrale utilizzata. Se l'elettricità per l'auto è generata da una centrale idroelettrica, ad esempio, è praticamente gratuita (non abbiamo bruciato alcun carburante per generarla) e l'efficienza dell'auto elettrica è di circa il 65% .
Gli scienziati stanno ricercando e perfezionando progetti per continuare a migliorare l'efficienza delle celle a combustibile. Un approccio è quello di combinare celle a combustibile e veicoli a batteria. Ford Motors and Airstream are developing a concept vehicle powered by a hybrid fuel cell drivetrain named the HySeries Drive . Ford claims the vehicle has a fuel economy comparable to 41 miles per gallon. The vehicle uses a lithium battery to power the car, while the fuel cell recharges the battery.
Fuel-cell vehicles are potentially as efficient as a battery-powered car that relies on a non-fuel-burning power plant. But reaching that potential in a practical and affordable way might be difficult. In the next section, we will examine some of the challenges of making a fuel-cell energy system a reality.
Golden CatalystsNanoscale science may provide fuel cell developers with some much sought after answers. For example, gold is usually an unreactive metal. However, when reduced to nanometer size, gold particles can be as effective a catalyst as platinum.
Fuel cells might be the answer to our power problems, but first scientists will have to sort out a few major issues:
Chief among the problems associated with fuel cells is how expensive they are. Many of the component pieces of a fuel cell are costly. For PEMFC systems, proton exchange membranes, precious metal catalysts (usually platinum), gas diffusion layers, and bipolar plates make up 70 percent of a system's cost [Source:Basic Research Needs for a Hydrogen Economy]. In order to be competitively priced (compared to gasoline-powered vehicles), fuel cell systems must cost $35 per kilowatt. Currently, the projected high-volume production price is $73 per kilowatt [Source:Garland]. In particular, researchers must either decrease the amount of platinum needed to act as a catalyst or find an alternative.
Researchers must develop PEMFC membranes that are durable and can operate at temperatures greater than 100 degrees Celsius and still function at sub-zero ambient temperatures. A 100 degrees Celsius temperature target is required in order for a fuel cell to have a higher tolerance to impurities in fuel. Because you start and stop a car relatively frequently, it is important for the membrane to remain stable under cycling conditions. Currently membranes tend to degrade while fuel cells cycle on and off, particularly as operating temperatures rise.
Because PEMFC membranes must by hydrated in order to transfer hydrogen protons, researches must find a way to develop fuel cell systems that can continue to operate in sub-zero temperatures, low humidity environments and high operating temperatures. At around 80 degrees Celsius, hydration is lost without a high-pressure hydration system.
The SOFC has a related problem with durability. Solid oxide systems have issues with material corrosion. Seal integrity is also a major concern. The cost goal for SOFC?s is less restrictive than for PEMFC systems at $400 per kilowatt, but there are no obvious means of achieving that goal due to high material costs. SOFC durability suffers after the cell repeatedly heats up to operating temperature and then cools down to room temperature.
The Department of Energy?s Technical Plan for Fuel Cells states that the air compressor technologies currently available are not suitable for vehicle use, which makes designing a hydrogen fuel delivery system problematic.
In order for PEMFC vehicles to become a viable alternative for consumers, there must be a hydrogen generation and delivery infrastructure. This infrastructure might include pipelines, truck transport, fueling stations and hydrogen generation plants. The DOE hopes that development of a marketable vehicle model will drive the development of an infrastructure to support it.
Three hundred miles is a conventional driving range (the distance you can drive in a car with a full tank of gas). In order to create a comparable result with a fuel cell vehicle, researchers must overcome hydrogen storage considerations, vehicle weight and volume, cost, and safety.
While PEMFC systems have become lighter and smaller as improvements are made, they still are too large and heavy for use in standard vehicles.
There are also safety concerns related to fuel cell use. Legislators will have to create new processes for first responders to follow when they must handle an incident involving a fuel cell vehicle or generator. Engineers will have to design safe, reliable hydrogen delivery systems.
Researchers face considerable challenges. In the next section, we will explore why the United States and other nations are investing in research to overcome these obstacles.
Aromatic-based MembranesAn alternative to current perfluorosulfonic acid membranes are aromatic-based membranes. Aromatic in this case does not refer to the pleasing scent of the membrane -- it actually refers to aromatic rings like benzene, pyridine or indole. These membranes are more stable at higher temperatures, but still require hydration. What?s more, aromatic-based membranes swell when they lose hydration, which can affect the fuel cell's efficiency.
Why is the U.S. government working with universities, public organizations and private companies to overcome all the challenges of making fuel cells a practical source for energy? More than a billion dollars has been spent on research and development on fuel cells. A hydrogen infrastructure will cost considerably more to construct and maintain (some estimates top 500 billion dollars). Why does the president think fuel cells are worth the investment?
The main reasons have everything to do with oil. America must import 55 percent of its oil. By 2025 this is expected to grow to 68 percent. Two thirds of the oil Americans use every day is for transportation. Even if every vehicle on the street were a hybrid car, by 2025 we would still need to use the same amount of oil then as we do right now [Source:Fuel Cells 2000]. In fact, America consumes one quarter of all the oil produced in the world, though only 4.6 percent of the world population lives here [Source:National Security Consequences of U.S. Oil Dependency].
Experts expect oil prices to continue to rise over the next few decades as more low-cost sources are depleted. Oil companies will have to look in increasingly challenging environments for oil deposits, which will drive oil prices higher.
Concerns extend far beyond economic security. The Council on Foreign Relations released a report in 2006 titled "National Security Consequences of U.S. Oil Dependency." A task force detailed numerous concerns about how America's growing reliance on oil compromises the safety of the nation. Much of the report focused on the political relationships between nations that demand oil and the nations that supply it. Many of these oil rich nations are in areas filled with political instability or hostility. Other nations violate human rights or even support policies like genocide. It is in the best interests of the United States and the world to look into alternatives to oil in order to avoid funding such policies.
Using oil and other fossil fuels for energy produces pollution. Pollution issues have been in the news a lot recently -- from the film "An Inconvenient Truth" to the announcement that climate change and global warming would factor into future adjustments of the Doomsday Clock. It is in the best interest for everyone find an alternative to burning fossil fuels for energy.
Fuel cell technologies are an attractive alternative to oil dependency. Fuel cells give off no pollution, and in fact produce pure water as a byproduct. Though engineers are concentrating on producing hydrogen from sources such as natural gas for the short-term, the Hydrogen Initiative has plans to look into renewable, environmentally-friendly ways of producing hydrogen in the future. Because you can produce hydrogen from water, the United States could increasingly rely on domestic sources for energy production.
Other countries are also exploring fuel-cell applications. Oil dependency and global warming are international problems. Several countries are partnering to advance research and development efforts in fuel cell technologies. One partnership is The International Partnership for the Hydrogen Economy.
Clearly scientists and manufacturers have a lot of work to do before fuel cells become a practical alternative to current energy production methods. Still, with worldwide support and cooperation, the goal to have a viable fuel cell-based energy system may be a reality in a couple of decades.
A Fuel Cell That Runs on WasteEnvironmental engineers at Pennsylvania State University developed a fuel cell that runs on wastewater. The cell uses microbes to break down organic matter. The matter in turn releases hydrogen and electrons. The fuel cell can break down approximately 80 percent of the organic matter in wastewater, and like PEMFCs the output is heat and pure water. The energy generated by the fuel cell could help power a water treatment plant pump system.
International Partnership for the Hydrogen Economy
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