Breve introduzione sui tipi di celle a combustibile attualmente sul mercato

Una cella a combustibile è un sistema biologico ed elettrochimico classificato in base all'elettrolita utilizzato e al processo di produzione. Queste celle a combustibile producono varie forme di energia attraverso un processo elettrochimico o vengono utilizzate per generare energia basata sul calore o elettricità senza la necessità di processi come la combustione o la gassificazione. Esistono diverse tecnologie di celle a combustibile attualmente in fase di sviluppo del prototipo o in fase di ricerca, alcune delle più importanti differiscono per gli elettroliti utilizzati, le reazioni chimiche che si verificano, i catalizzatori coinvolti, le temperature di esercizio e il tipo di combustibile utilizzato come materia prima. Di seguito verrà fornita una breve introduzione alle classificazioni e alle caratteristiche delle celle a combustibile attualmente conosciute. La figura seguente presenta brevemente i combustibili utilizzati nei vari tipi di celle a combustibile, oltre a semplici spiegazioni strutturali e temperature operative; la tabella seguente presenta gli elettroliti, le temperature di esercizio, i combustibili, i vantaggi e gli svantaggi richiesti per ciascun tipo di celle a combustibile.

I. Celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica (PEMFC - celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica)

       L'elevata densità di potenza e il peso leggero delle celle a combustibile con membrana elettrolitica polimerica (PEMFC) ne fanno una scelta più popolare rispetto ad altri tipi di celle a combustibile. È anche il percorso tecnologico più comune e ampiamente promosso per applicazioni commerciali. Questo nome è usato in modo intercambiabile con celle a combustibile con membrana a scambio protonico, e qui si riferisce specificamente anche a celle a combustibile a bassa temperatura (LT-PEM). Elettroliti polimerici solidi ed elettrodi di carbonio con catalizzatori in platino o lega di platino consentono a queste celle a combustibile di utilizzare solo idrogeno e ossigeno (aria). In genere, le PEMFC utilizzano idrogeno puro (99,99%+) proveniente da serbatoi di stoccaggio o riformatori come combustibile. Queste celle a combustibile funzionano a una temperatura più bassa, intorno agli 80°C (176°F), con conseguenti tempi di avvio più rapidi e minore usura dei componenti del sistema, il che significa una migliore durata. Tuttavia, l'utilizzo di catalizzatori di metalli preziosi come il platino aumenta i costi del sistema. Sebbene le PEMFC siano utilizzate principalmente per scopi di trasporto, possono essere utilizzate anche in applicazioni combinate di calore ed elettricità per la generazione di energia stazionaria. Sono particolarmente adatti per applicazioni su veicoli come autobus, automobili e autocarri pesanti. Ci sono molti grandi attori, come la Toyota giapponese, la Hyundai sudcoreana, Ballard, ecc., e le aziende nazionali sono troppo numerose per essere menzionate.

II. Celle a combustibile a metanolo diretto (DMFC - Celle a combustibile a metanolo diretto)

La maggior parte delle celle a combustibile sono alimentate da idrogeno, che può essere fornito direttamente al sistema o prodotto mediante il reforming di combustibili ricchi di idrogeno come metanolo, etanolo o idrocarburi. Tuttavia, il funzionamento DMFC (Direct Metanolo Fuel Cell) si basa interamente sul metanolo al 100%, che solitamente viene miscelato con acqua prima di essere iniettato direttamente nell'anodo della cella a combustibile. Le DMFC non soffrono delle difficoltà di stoccaggio del combustibile comuni ad altri sistemi di celle a combustibile perché il metanolo ha una densità energetica maggiore dell'idrogeno (sebbene inferiore alla benzina o ai combustibili diesel). Inoltre, il metanolo è un liquido, molto simile alla benzina, che ne facilita il trasporto e la distribuzione attraverso le infrastrutture esistenti. Le DMFC sono comunemente utilizzate nelle applicazioni di celle a combustibile portatili come telefoni cellulari e laptop. Attualmente, alcune aziende stanno facendo promozione commerciale, soprattutto in scenari come l’industria militare e le stazioni base. Il principio strutturale è mostrato in figura:

III. Celle a combustibile alcaline (AFC - Celle a combustibile alcaline)

L’acqua elettrolizzata alcalina (AEC) è ben nota a tutti, ma le celle a combustibile alcaline (AFC) potrebbero non esserlo, sebbene l’AFC sia una delle prime tecnologie di celle a combustibile inventate ed è ampiamente utilizzata nel programma spaziale statunitense per produrre elettricità e acqua sui veicoli spaziali. Come elettrolita viene utilizzata una soluzione di idrossido di potassio e acqua, che a sua volta dà la libertà di utilizzare grandi quantità di catalizzatori di metalli non nobili sull'anodo e sul catodo. Recentemente sono emersi nuovi AFC che utilizzano membrane polimeriche come elettroliti. Queste celle a combustibile sono simili alle tradizionali celle a combustibile PEM ma utilizzano una membrana alcalina invece di una membrana acida. Uno dei maggiori ostacoli alle celle a combustibile alcaline (AFC) è la loro vulnerabilità all’avvelenamento da anidride carbonica (CO2). Anche tracce di anidride carbonica nell'aria possono creare depositi di carbonato che possono compromettere gravemente l'efficienza e la durata della batteria. Mentre gli AFC con elettroliti liquidi possono essere utilizzati in modalità di ricircolo per rigenerare l'elettrolita e ridurre la formazione di carbonato, questa modalità introduce corrente shunt e altri problemi come bagnabilità, corrosione e gestione della pressione differenziale. Le celle a combustibile a membrana alcalina (AMFC) risolvono questi problemi e sono meno suscettibili all'avvelenamento da anidride carbonica rispetto alle AFC che utilizzano elettroliti liquidi. Tuttavia, l’anidride carbonica influisce ancora sulle loro prestazioni e attualmente sono in ritardo rispetto alle celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC) sia in termini di prestazioni che di durata. Gli AMFC sono attualmente allo studio per il loro potenziale utilizzo nella gamma da multiwatt a multikilowatt. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, è necessario affrontare alcune sfide, come la tolleranza all’anidride carbonica, la conduttività della membrana e la durabilità. La promozione commerciale è debole e le aziende rinomate sono poche.

IV. Celle a combustibile ad acido fosforico (PAFC——Celle a combustibile ad acido fosforico)

Le celle a combustibile ad acido fosforico (PAFC) utilizzano acido fosforico liquido come elettrolita, che è avvolto in una matrice di carburo di silicio e legato con politetrafluoroetilene (PTFE). L'elettrodo è costituito da carbonio poroso contenente un catalizzatore al platino. I PAFC vengono spesso definiti come le moderne celle a combustibile di 'prima generazione' e sono considerati uno dei tipi di celle a combustibile più maturi e sono utilizzati commercialmente da qualche tempo. Sono utilizzati principalmente per la generazione stazionaria di energia, ma esistono anche esempi di PAFC che alimentano veicoli di grandi dimensioni come gli autobus urbani. Rispetto alle celle con membrana a scambio protonico (PEM), i PAFC presentano vantaggi nel tollerare le impurità nei combustibili fossili che vengono convertiti in idrogeno. Le celle PEM vengono facilmente 'avvelenate' dal monossido di carbonio, che si lega al catalizzatore di platino nell'anodo, riducendo l'efficienza della cella a combustibile. Al contrario, i PAFC hanno una certa tolleranza alle impurità e sono efficienti oltre l’85% se combinati con calore ed elettricità. Tuttavia, sono meno efficienti quando generano solo elettricità, con efficienze che vanno dal 37% al 42%. Questo livello di efficienza è solo leggermente migliore di quello delle centrali elettriche a combustione, che in genere hanno un’efficienza pari a circa il 33%. Inoltre, i PAFC sono meno potenti e più grandi di altre celle a combustibile dello stesso peso e volume, il che li rende più costosi da produrre. La produzione di queste celle a combustibile richiede grandi quantità di costosi catalizzatori al platino, il che si traduce in costi più elevati. Aziende rappresentative come la sudcoreana Doosan (DOOSAN) . I PAFC vengono utilizzati principalmente per la produzione di energia stazionaria e per i droni.

V. ​Celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC-Celle a combustibile a carbonati fusi)

Lo sviluppo di celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC) è attualmente in corso con l'obiettivo di utilizzarle in centrali elettriche a gas naturale e carbone per una varietà di applicazioni nei settori dei servizi elettrici, industriali e militari. Queste celle a combustibile sono progettate per funzionare a temperature intorno a 650°C (1200°F) e sono considerate celle a combustibile ad alta temperatura. L'elettrolita utilizzato nell'MCFC è un sale di carbonato fuso sospeso in una matrice ceramica porosa e inerte di ossido di litio e alluminio. Un vantaggio del funzionamento ad alte temperature è che i metalli non nobili possono essere utilizzati come catalizzatori sia per l'anodo che per il catodo, il che aiuta a ridurre i costi. Gli MCFC possono ridurre significativamente i costi grazie alla maggiore efficienza. Se combinate con le turbine, queste celle a combustibile possono raggiungere efficienze fino al 6,5 % , superando di gran lunga l' efficienza del 37-42% delle celle a combustibile ad acido fosforico. Inoltre, quando il calore di scarto viene catturato e utilizzato, l’efficienza complessiva del carburante può superare l’85%. A differenza delle celle a combustibile alcaline, ad acido fosforico e PEM, le MCFC non richiedono un riformatore esterno per convertire combustibili come gas naturale e biogas in idrogeno. Invece, la stessa cella a combustibile converte il metano e altri idrocarburi leggeri in idrogeno attraverso un reforming interno, riducendo così i costi. Con la tecnologia attuale, gli MCFC devono affrontare un grave limite in termini di durabilità. Condizioni operative difficili ad alte temperature e l'uso di elettroliti corrosivi accelerano la corrosione e la decomposizione dei componenti, riducendone in ultima analisi la durata . I ricercatori stanno studiando attivamente l’uso di materiali resistenti alla corrosione e sviluppando progetti di celle a combustibile che potrebbero raddoppiare l’attuale durata di servizio di 40.000 ore (circa cinque anni) senza sacrificare le prestazioni. Aziende rappresentative come Fuel Cell Energy negli Stati Uniti.

VI : batterie a ossido solido ad alta temperatura (SOFC-Solid Oxide Fuel Cells)

Le celle a combustibile a ossido solido (SOFC) utilizzano un composto ceramico duro e non poroso come elettrolita e sono altamente efficienti nel convertire il carburante in elettricità, circa il 60%. Nelle applicazioni combinate di calore ed elettricità, l'efficienza complessiva del combustibile può superare l'84% catturando e utilizzando il calore di scarto del sistema. Queste celle a combustibile funzionano a temperature molto elevate, fino a 1830°F.

Questa operazione ad alta temperatura non richiede catalizzatori di metalli preziosi, riducendo i costi. Inoltre, le SOFC possono riformare il carburante internamente, consentendo l’uso di una varietà di combustibili e riducendo la spesa associata all’aggiunta di un convertitore al sistema. Le celle a combustibile a ossido solido (SOFC) presentano vantaggi distinti rispetto ad altri tipi di celle a combustibile. Ad esempio, possono tollerare più zolfo rispetto ad altri tipi e non sono sensibili all’avvelenamento da monossido di carbonio, il che significa che possono funzionare con una varietà di combustibili come gas naturale, biogas e gas derivati ​​dal carbone. Inoltre, il funzionamento ad alta temperatura elimina la necessità di catalizzatori di metalli preziosi, rendendolo più economico. Tuttavia, il funzionamento ad alta temperatura pone sfide, tra cui un avvio lento e requisiti di schermatura termica, che li rendono inadatti al trasporto. Inoltre, la durabilità è un problema critico a causa delle condizioni difficili ad alte temperature. Pertanto, è fondamentale sviluppare materiali a basso costo in grado di resistere a queste condizioni. Un approccio promettente è quello di sviluppare SOFC a temperature più basse, che presentano meno problemi di durabilità e costi operativi inferiori. Sebbene queste SOFC a bassa temperatura non abbiano ancora raggiunto le stesse prestazioni dei sistemi ad alta temperatura, gli scienziati stanno attualmente sviluppando pile di materiali in grado di funzionare in questo intervallo di temperature più basse. Allo stato attuale, ci sono molte società collegate in patria e all'estero. I principi di funzionamento e strutturali specifici sono mostrati in figura.

VII . Celle a combustibile reversibili (RFC - Celle a combustibile reversibili)

A rigor di termini, le celle a combustibile reversibili non si riferiscono a un percorso tecnico specifico. Attualmente, quelli comuni sono alcalini reversibili, PEM reversibili e SOC reversibili (riferiti all'elettrolisi reversibile dell'acqua e delle celle a combustibile). I loro principi di funzionamento sono simili a quelli di altre celle a combustibile perché generano elettricità e calore dall'idrogeno, dall'ossigeno e dall'acqua come sottoprodotti. Tuttavia, i sistemi di celle a combustibile reversibili hanno la capacità aggiuntiva di eseguire l’elettrolisi e produrre combustibili a idrogeno e ossigeno utilizzando elettricità proveniente da fonti rinnovabili come l’energia solare ed eolica. Ciò significa che una cella a combustibile reversibile non solo fornisce elettricità quando necessario, ma può anche immagazzinare l’energia in eccesso sotto forma di idrogeno quando le tecnologie di energia rinnovabile producono più energia di quella attualmente necessaria. Questo potenziale di stoccaggio dell’energia è fondamentale per rendere l’energia rinnovabile intermittente più efficiente e affidabile.