Cella a combustibile a idrogeno: descrizione, caratteristiche, principio di funzionamento, foto
Una cella a combustibile è un dispositivo che genera in modo efficiente calore e corrente continua attraverso una reazione elettrochimica e utilizza combustibile ricco di idrogeno. Fondamentalmente, è simile a una batteria. Strutturalmente, la cella a combustibile è rappresentata da un catodo, un anodo e un elettrolita. Quanto è meraviglioso? A differenza delle batterie stesse, le celle a combustibile a idrogeno non immagazzinano elettricità, non hanno bisogno di elettricità per ricaricarsi e non si scaricano. Le celle continuano a generare elettricità fintanto che contengono aria e carburante.
Peculiarità
Le celle a combustibile differiscono dagli altri generatori di corrente in quanto non bruciano carburante durante il funzionamento. Grazie a questa caratteristica, non necessitano di rotori ad alta pressione, non emettono forti rumori e vibrazioni. L'elettricità nelle celle a combustibile è generata da una reazione elettrochimica silenziosa. L'energia chimica del combustibile in tali dispositivi viene convertita direttamente in acqua, calore ed elettricità.
Le celle a combustibile sono molto efficienti e non emettono grandi quantità di gas serra. Il prodotto emesso durante il funzionamento della cella è una piccola quantità di acqua sotto forma di vapore e anidride carbonica, che non viene rilasciata se si utilizza idrogeno puro come combustibile.
Storia dell'apparenza
Negli anni '50 e '60, la crescente necessità della NASA di fonti di alimentazione per il volo spaziale a lungo raggio portò a una delle sfide più importanti per le celle a combustibile esistenti all'epoca. Le celle alcaline utilizzano ossigeno e idrogeno come combustibili, che, durante una reazione elettrochimica, vengono convertiti in utili sottoprodotti durante il volo spaziale: elettricità, acqua e calore.
Le celle a combustibile furono scoperte per la prima volta all'inizio del XIX secolo, nel 1838. Allo stesso tempo, sono apparse le prime informazioni sulla loro efficacia.
Il lavoro sulle celle a combustibile che utilizzano elettroliti alcalini iniziò alla fine degli anni '30. Le celle con elettrodi ad alta pressione nichelati non furono inventate fino al 1939. Durante la seconda guerra mondiale furono sviluppate celle a combustibile per sottomarini britannici, costituite da elementi alcalini di circa 25 centimetri di diametro.
L'interesse per loro è aumentato negli anni '50 e '80, caratterizzati da una carenza di olio combustibile. I paesi di tutto il mondo hanno iniziato ad affrontare l'inquinamento atmosferico e ambientale cercando di sviluppare metodi rispettosi dell'ambiente per generare elettricità. La tecnologia delle celle a combustibile è attualmente in fase di sviluppo attivo.
Principio di funzionamento
Il calore e l'elettricità sono prodotti dalle celle a combustibile attraverso una reazione elettrochimica che utilizza un catodo, un anodo e un elettrolita.
Il catodo e l'anodo sono separati da un elettrolita conduttore di protoni. Dopo aver fornito ossigeno al catodo e idrogeno all'anodo, viene avviata una reazione chimica che produce calore, corrente e acqua.
L'idrogeno molecolare si dissocia sul catalizzatore anodico provocando la perdita di elettroni. Gli ioni idrogeno entrano nel catodo attraverso l'elettrolita, mentre gli elettroni passano attraverso la rete elettrica esterna e creano una corrente continua che viene utilizzata per alimentare l'apparecchiatura. La molecola di ossigeno sul catalizzatore catodico si combina con un elettrone e un protone in arrivo, formando infine acqua, che è l'unico prodotto della reazione.
Tipi
La scelta di un particolare tipo di cella a combustibile dipende dalla sua applicazione. Tutte le celle a combustibile rientrano in due categorie principali: alta temperatura e bassa temperatura. Questi ultimi usano idrogeno puro come combustibile. Tali dispositivi richiedono tipicamente la conversione del combustibile primario in idrogeno puro. Il processo viene eseguito su attrezzature speciali.
Le celle a combustibile ad alta temperatura non ne hanno bisogno perché convertono il carburante ad alte temperature, eliminando la necessità di un'infrastruttura per l'idrogeno.
Il principio di funzionamento delle celle a combustibile a idrogeno si basa sulla conversione dell'energia chimica in energia elettrica senza processi di combustione inefficienti e sulla conversione dell'energia termica in energia meccanica.
Concetti generali
Le celle a combustibile a idrogeno sono dispositivi elettrochimici che generano elettricità mediante una combustione di carburante “freddo” altamente efficiente. Esistono diversi tipi di tali dispositivi. La tecnologia delle celle a combustibile idrogeno-aria dotate di una membrana a scambio protonico PEMFC è considerata la più promettente.
Una membrana polimerica con conducibilità protonica è progettata per separare due elettrodi: catodo e anodo. Ciascuno di essi è rappresentato da una matrice di carbonio su cui è depositato il catalizzatore. L'idrogeno molecolare si dissocia sul catalizzatore anodico, donando elettroni. I cationi passano al catodo attraverso la membrana, ma gli elettroni vengono trasferiti al circuito esterno, poiché la membrana non è progettata per trasportare elettroni.
Una molecola di ossigeno su un catalizzatore catodico si combina con un elettrone proveniente da un circuito elettrico e un protone in arrivo, formando infine acqua, che è l'unico prodotto della reazione.
Le celle a combustibile a idrogeno vengono utilizzate per produrre assemblaggi membrana-elettrodo, che fungono da principali elementi di generazione del sistema energetico.
Vantaggi delle celle a combustibile a idrogeno
Tra questi vanno evidenziati:
- Aumento della capacità termica specifica.
- Ampia gamma di temperature di esercizio.
- Nessuna vibrazione, rumore o calore.
- Affidabilità all'avviamento a freddo.
- Mancanza di autoscarica, che garantisce un lungo periodo di accumulo di energia.
- Autonomia illimitata grazie alla possibilità di regolare i consumi energetici variando il numero di cartucce carburante.
- Garantire quasi ogni intensità energetica modificando la capacità di stoccaggio dell'idrogeno.
- Lungo termine.
- Funzionamento silenzioso ed ecologico.
- Elevato consumo di energia.
- Resistenza alle impurità estranee nell'idrogeno.
Area di applicazione
Grazie alla loro elevata efficienza, le celle a combustibile a idrogeno sono utilizzate in vari campi:
- Caricatori portatili.
- Sistemi di alimentazione per UAV.
- UPS.
- Altri dispositivi e apparecchiature.
Prospettive per l'energia a idrogeno
L'uso diffuso di celle a combustibile a base di perossido di idrogeno sarà possibile solo dopo la creazione di un metodo efficace per la produzione di idrogeno. Sono necessarie nuove idee per l'uso attivo di questa tecnologia, con grandi speranze riposte sul concetto di celle a biocombustibile e nanotecnologia. Diverse aziende hanno rilasciato catalizzatori relativamente efficienti a base di vari metalli, allo stesso tempo sono apparse informazioni sulla creazione di celle a combustibile senza membrana, che ha ridotto significativamente i costi di produzione e semplificato la progettazione di tali dispositivi. I vantaggi e le caratteristiche delle celle a combustibile a idrogeno non superano il loro principale svantaggio: costi elevati, soprattutto rispetto ai dispositivi a idrocarburi. La costruzione di una centrale a idrogeno richiede almeno $ 500.000.
Come costruire una cella a combustibile a idrogeno?
Una cella a combustibile a bassa potenza può essere creata da soli in un tipico laboratorio domestico o scolastico. I materiali utilizzati erano una vecchia maschera antigas, pezzi di plexiglass, una soluzione acquosa di alcol etilico e alcali.
Il corpo della cella a combustibile a idrogeno è realizzato artigianalmente in plexiglas con uno spessore di almeno cinque millimetri. Le partizioni tra gli scomparti possono essere più sottili – circa 3 millimetri. Il plexiglas viene incollato con uno speciale adesivo a base di cloroformio o dicloroetano e trucioli di plexiglass. Tutti i lavori vengono eseguiti solo quando la cappa è in funzione.
Nella parete esterna della cassa viene praticato un foro del diametro di 5-6 centimetri, in cui sono inseriti un tappo di gomma e un tubo di scarico in vetro. Il carbone attivo da una maschera antigas viene versato nel secondo e nel quarto compartimento dell'alloggiamento della cella a combustibile: verrà utilizzato come elettrodo.
Il carburante circolerà nella prima camera e la quinta sarà riempita d'aria, dalla quale scorrerà ossigeno. L'elettrolita versato tra gli elettrodi è impregnato con una soluzione di paraffina e benzina in modo che non entri nella camera d'aria. Le lastre di rame sono poste su uno strato di carbone con fili saldati ad essi, attraverso i quali verrà deviata la corrente.
La vodka diluita con acqua in un rapporto di 1: 1 viene riempita nella cella a combustibile a idrogeno assemblata.L'idrossido di potassio viene aggiunto con cura alla miscela risultante: 70 grammi di potassio vengono sciolti in 200 grammi di acqua.
Prima di testare una cella a combustibile sull'idrogeno, il carburante viene versato nella prima camera e l'elettrolita nella terza. Le letture del voltmetro collegato agli elettrodi devono essere comprese tra 0,7 e 0,9 volt. Per garantire il funzionamento continuo della cella, è necessario drenare il combustibile esaurito e rabboccare il nuovo combustibile attraverso un tubo di gomma. Premendo sul tubo si regola la portata del carburante. Tali celle a combustibile a idrogeno fatte in casa hanno poca potenza.
