Celle a combustibile. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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La cella a combustibile idrogeno-ossigeno fu scoperta nel 1838 dallo scienziato inglese W. Grove. Investigò sulla decomposizione dell'acqua in idrogeno e ossigeno e scoprì che l'elettrolizzatore produceva una corrente elettrica. Si è scoperto che esistono processi per convertire il carburante in elettricità senza bruciare il carburante. Ma l’umanità riceve l’elettricità principalmente dalla combustione di petrolio, carbone o gas nelle centrali termoelettriche o di combustibile nucleare nelle centrali nucleari. I processi che comportano la combustione comportano grandi perdite, quindi qualsiasi opzione per generare elettricità senza bruciare carburante ha attirato scienziati e ingegneri.

Cos'è una pila a combustibile?

Durante la ricerca si è scoperto che è necessario preparare il combustibile per le celle a combustibile. Dopotutto, in natura non esiste idrogeno puro. Deve essere estratto da combustibili fossili, come metano o gas naturale.

Una cella a combustibile è una fonte chimica di corrente ed è quindi costituita da un anodo, un catodo e un elettrolita (vedi figura).

All'anodo viene ossidato un agente riducente (idrogeno), che rilascia elettroni nel circuito esterno e gli ioni H+ con carica positiva entrano nell'elettrolita. Dall'altra estremità della catena, gli elettroni si avvicinano al catodo, al quale viene fornita aria (ossigeno), e si verifica una reazione di riduzione (l'aggiunta di elettroni da parte di un agente ossidante - ossigeno). Gli ioni idrogeno (protoni) caricati positivamente vengono trasferiti dall'elettrolita al catodo, dove si combinano con gli ioni ossigeno negativi e formano acqua H2O.

Elettrodi ed elettrolita non partecipano alla reazione. Pertanto, idrogeno e ossigeno devono essere forniti alla cella a combustibile, l'acqua deve essere rimossa e la corrente elettrica deve essere rimossa.

I problemi con la produzione di idrogeno hanno portato a tentare di utilizzare altri agenti riducenti, in particolare il monossido di carbonio CO, che è relativamente facile da ottenere dal carbone. Negli anni '30 del XX secolo. Il ricercatore tedesco E. Bauer ha creato un'installazione da laboratorio con un elettrolita solido per l'ossidazione anodica diretta del carbone. Attualmente, oltre al carbone, è possibile utilizzare quasi tutti i combustibili organici. In tali celle a combustibile, invece dell’acqua, il prodotto in uscita è anidride carbonica CO2.

Perché le celle a combustibile sono interessanti come fonte di elettricità?

In primo luogo, sono più rispettosi dell’ambiente rispetto alle centrali termoelettriche. Le celle a combustibile idrogeno-ossigeno producono acqua, mentre le celle a combustibile al carbonio producono anidride carbonica, molto meno per unità di elettricità rispetto alle centrali termoelettriche.

In secondo luogo, hanno un rendimento elevato pari a circa il 40-60% (le grandi centrali termoelettriche ne hanno circa il 30%). Attualmente sono state sviluppate tecnologie con efficienza fino al 90%. Ciò consente di ridurre il consumo di combustibili fossili di almeno 2 volte. In terzo luogo, l'affidabilità del carburante è insolitamente elevata. La probabilità di un funzionamento senza guasti è stimata a “sette nove” ovvero al 99,99999%.

Tipi di celle a combustibile

Questi tipi sono determinati dal tipo di elettrolita utilizzato nelle celle a combustibile.

1. Acido fosforico. Questo tipo di cella a combustibile è attualmente in produzione di massa. Ne sono già stati installati più di 200: in ospedali, alberghi, scuole e uffici. La loro efficienza è del 40%, ma viene utilizzato in aggiunta il prodotto in uscita: vapore caldo. La temperatura operativa in tali celle a combustibile è di circa 200°C.

2. Membrane a scambio protonico. Questi elementi operano ad una temperatura più bassa (circa 100°C). Le membrane a scambio protonico sono un sottile strato di plastica che consente il passaggio dei protoni. La plastica è rivestita su entrambi i lati da uno strato di particelle metalliche (molto spesso platino), che sono un catalizzatore attivo. Questo tipo di celle a combustibile è considerato il più promettente per le automobili e come sostituto di batterie e accumulatori.

3. Carbonato fuso. Le celle con questo elettrolita funzionano a temperature intorno ai 700°C e possono gestire idrogeno, monossido di carbonio, gas naturale, propano, gasolio e altre sostanze. Sono stati sviluppati impianti industriali con una capacità da 10 kW a 2 MW. Tali celle a combustibile sono promettenti come centrali elettriche stazionarie.

4. Ossidi solidi. Invece di un elettrolita liquido, viene utilizzato un materiale ceramico solido. La temperatura operativa in una cella a combustibile di questo tipo arriva fino a 1000°C. L'efficienza raggiunge il 60%. Viene mostrata una cella a combustibile con una potenza di 220 kW. Tali celle a combustibile sono promettenti come potenti centrali elettriche.

5. Elettrolita alcalino. Le celle a combustibile con tale elettrolita (KOH) sono utilizzate da tempo nei veicoli spaziali statunitensi. La loro efficienza raggiunge il 70%. Ma per le applicazioni commerciali sono ancora troppo costosi.

6. Metanolo. La struttura di tale cella è simile a una cella con una membrana a scambio protonico, ma è progettata per estrarre l'idrogeno dal metanolo liquido. L'efficienza è di circa il 40%. Temperatura di esercizio 50-90°C.

7. Celle a combustibile rigenerative. Questo tipo di cella a combustibile è in fase di ricerca. Utilizza un circuito chiuso. L'acqua viene separata in idrogeno e ossigeno da un elettrolizzatore a celle solari. L'idrogeno e l'ossigeno vengono immessi in una cella a combustibile, che produce elettricità, calore e acqua. L'acqua viene riciclata nell'elettrolizzatore e il processo si ripete. Questo tipo di celle a combustibile è promettente per veicoli spaziali e stazioni.

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