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Università degli studi di
Palermo
SISTEMI
ELETTROCHIMICI
Dott. Ing. Serena Randazzo
_____________________________Dipartimento di Ingegneria Chimica, Gestionale,
Informatica e Meccanica
OUTLINE
1)
2)
3)
4)
5)
Introduzione sui sistemi elettrochimici
La cella elettrochimica
Pile ricaricabili
Parametri di una batteria
Richiami di termodinamica
SISTEMI ELETTROCHIMICI
• di prima specie: PILE o GENERATORI
sistemi che convertono l’energia chimica
generata dalle reazioni redox agli elettrodi in
elettrica
• di seconda specie: ELETTROLIZZATORI
sistemi che convertono energia elettrica in
energia chimica con lo scopo di fare avvenire
delle reazioni redox agli elettrodi
GENERATORI ELETTRICI
• PRIMARI: convertono energia chimica in
elettrica una sola volta
• SECONDARI o PILE RICARICABILI o anche
detti ACCUMULATORI: sono convertitori
invertibili di energia, designati per sopportare
svariati cicli di carica e scarica
• FUEL CELLS o CELLE A COMBUSTIBILE: in
cui i reagenti sono immagazzinati fuori dalla cella
ed alimentati in continuo
CELLA ELETTROCHIMICA (I)
E’ costituita da:
• Due conduttori di prima specie: ELETTRODI
(metalli o semiconduttori)
• Un conduttore di seconda specie:
ELETTROLITA
(soluzioni acquose e non, sali fusi e solidi a
conducibilità ionica)
PILA ELETTRICA
• ANODO (-) – elettrodo
riducente: fornisce elettroni al
circuito esterno e si ossida
• CATODO (+) – elettrodo
ossidante: accetta elettroni dal
circuito esterno e si riduce
• ELETTROLITA: mezzo che
consente il trasferimento della
carica come ioni nella cella tra
anodo e catodo
PILA RICARICABILE
• Fase di SCARICA:
anodo (-): reazione di ossidazione
catodo (+): reazione di riduzione
• Fase di CARICA:
catodo (-): reazione di riduzione
anodo (+): reazione di ossidazione
PRESTAZIONI DELLE BATTERIE
Le prestazioni dei generatori elettrochimici dipendono:
1. da fattori termodinamici (temperatura operativa della
cella, le pressioni e le concentrazioni delle specie
chimiche)
2. da fattori cinetici delle reazioni elettrochimiche agli
elettrodi
FATTORI TERMODINAMICI
LA TENSIONE DI CELLA
La tensione di equilibrio:
Dove:
nF: carica elettrica necessaria per trasformare una mole di reagenti
nFE°: energia elettrica generata per mole trasformata
La tensione ricavata da questa formula si chiama f.e.m., però
spesso non può essere esattamente misurata.
Il dato più significativo misurabile è la tensione a circuito aperto
(OCV)
EQUAZIONE DI NERNST
ΔG dipende dalla concentrazione dei reagenti disciolti in soluzione e la
reazione che li lega è:
Combinando le equazioni si ottiene l’Eq. di Nernst:
FATTORI CINETICI
LA TENSIONE REALE
Nelle condizioni operative reali la tensione di circuito aperto decresce a
causa della polarizzazione della cella
Questi processi dipendono da:
- Materiali elettrodici
- Elettrolita
- Design della cella
- temperatura
SOVRATENSIONI
• DI TRASFERIMENTO DI CARICA: associata
alla irreversibilità della reazione di
trasferimento di carica all’interfaccia
elettrodo/soluzione
• DI CONCENTRAZIONE: si crea all’interfaccia
un gradiente di concentrazione
• DI REAZIONE
• DI CRISTALLIZZAZIONE
PARAMETRI DI UNA BATTERIA
•
•
•
•
TENSIONE
EFFICIENZA
CAPACITA’
CONTENUTO DI ENERGIA
(ENERGIA SPECIFICA E
SPECIFICA)
DENSITA’
CAPACITA’
La capacità è definita come la carica elettrica (in Ah) che può
essere accumulata e si esprime:
Durante la scarica di una batteria la capacità dipende da:
1. Corrente di scarica
2. Tensione limite
3. Temperatura
4. Stato di carica della batteria
CAPACITA’ SPECIFICA (mAh/g) e (mAh/cm2)
CONTENUTO DI ENERGIA
È l’energia (espressa in Wh) che può
immagazzinata/estratta da una batteria ed è data da:
ENERGIA SPECIFICA (Wh/Kg)
DENSITA’ SPECIFICA (Wh/l)
essere
Università degli studi di
Palermo
CELLE A COMBUSTIBILE
o
FUEL CELLS
Dott. Ing. Serena Randazzo
_____________________________Dipartimento di Ingegneria Chimica, Gestionale,
Informatica e Meccanica
OUTLINE
1.
2.
3.
4.
5.
Principali caratteristiche
Principio di funzionamento
Proprietà degli elettrodi
Classificazione
Il sistema a celle a combustibile
CARATTERISTICHE PRINCIPALI (I)
• Sono dispositivi di conversione elettrochimica
ad alto rendimento energetico.
• Esse trasformano in potenza elettrica l’energia
chimica contenuta in un combustibile
(tipicamente H2) che reagisce con un
comburente (O2 o aria).
CARATTERISTICHE PRINCIPALI (II)
La fuel cell produce una corrente continua finchè
vengono forniti i reagenti agli elettrodi, che non si
consumano, ma costituiscono solo il supporto sul
quale avvengono le reazioni chimiche.
Essa è costituita da una batteria di celle singole messe
in serie o in parallelo
Le celle a combustibile funzionano a temperature
diverse a seconda dei materiali che le costituiscono.
Le temperature variano dalla temperatura ambiente
a temperature oltre i 1000 °C.
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
TIPI DI COMBUSTIBILE
Anodo
Catodo
Cella
2H2
4H+ + 4e4e- + O2 + 4H+
2H2O
2H2 + O2
2H2O
Anodo
Catodo
Cella
CH4 + 2H2O
CO2 + 8H+ + 8e8e- + 2O2 + 8H+
4H2O
CH4 + 2O2
CO2 + 2H2O
CELLA DI GROVE
Costituita da due elettrodi di Pt con una estremità di ciascuno
immersa in acido solforico e le altre sigillate separatamente in
contenitori di ossigeno e idrogeno
CENNI STORICI
VANTAGGI
1. Prodotti di scarico con livelli di sostanze inquinanti molto
bassi (assenza di NOx e SOx)
2. Possibilità di installare la cella nel luogo stesso in cui
serve
3. Natura modulare (una singola cella può avere una potenza
da 100 W a qualche kW)
4. Bassissimo rumore
5. Generazione di calore utilizzabile per cogenerazione
6. Capacità di convertire energia chimica in elettrica con
rendimenti molto elevati (40%-60%) indipendentemente
dalla taglia dell'impianto e dal carico
7. Buoni rendimenti a carichi parziali: in pratica il
rendimento rimane costante e pari a quello nominale fra il
30% ed il 100% del carico con un massimo di poco rilievo
intorno al 75% della potenza nominale
ASPETTI CRITICI
1. Problemi tecnologici e costi di produzione
soprattutto relativamente allo stoccaggio
dell’idrogeno
2. Successo delle soluzioni alternative
elettromeccaniche tuttora più economiche e
tecnologicamente meno impegnative
ELEMENTI DELLA
CELLA A COMBUSTIBILE
CLASSIFIZAZIONE DEGLI
ELETTRODI (POROSI)
• Idrofobici (carbonio, con aree specifiche molto elevate
dell’ordine di 1000 m2/g)
Sono formati da polvere carboniosa legata con un materiale plastico, e formati da
almeno due strati, uno altamente idrofobico ma poroso in PTFE, l’altro bagnabile
dall’elettrolita e le reazioni avvengono all’interfaccia. In questo caso è sempre
necessaria una rete metallica conduttiva che fa da collettore di corrente
• Idrofili (polveri metalliche, con aree specifiche molto elevate
dell’ordine di 100 m2/g)
Hanno lo strato di diffusione dei gas con pori di diametro maggiore dello strato in
cui avviene la reazione.
In tutti i casi vengono aggiunti dei metalli elettrocatalizzatori. I più
usati sono il platino e le sue leghe (con rutenio).
ELETTROLITI
Il tipo di elettrolita condiziona:
- la temperatura di funzionamento della cella
- il tipo di reazioni chimiche che possono
avvenire agli elettrodi, la loro cinetica e i loro
equilibri
CLASSIFICAZIONE DELLE FUEL
CELLS IN BASE AL TIPO DI
ELETTROLITA (I)
a bassa T:
• AFC (cella a elettrolita alcalino)
• PEM (cella a membrana a scambio protonico o
cella a elettrolita solido polimerico
• DMFC (celle a metanolo diretto)
a media e alta T:
• PAFC (celle a elettrolita acido fosforico)
• MCFC (celle a elettrolita a carbonati fusi)
• SOFC (celle a elettrolita a ossidi solidi)
CLASSIFICAZIONE DELLE FUEL
CELLS IN BASE AL TIPO DI
ELETTROLITA (II)
a bassa T:
Sono necessari metalli catalizzatori costosi e in
caso delle celle a metano/ossigeno il CO2 può
avvelenare i catalizzatori e bloccare il
funzionamento della cella
a media e alta T:
Si possono utilizzare metalli meno nobili (Ni) o
nessuno e nel caso delle celle a metano/ossigeno
non c’è il problema dell’avvelenamento dei
catalizzatori
STACK DI CELLE A COMBUSTIBILE
IL SISTEMA A CELLE A
COMBUSTIBILE
• Stack
• Apparecchiature di adduzione e ritiro dei gas e
dei liquidi
• Inverter per la conversione DC/AC
dell’energia generata (attualmente con un
rendimento di conversione del 96%)
• Eventuale sistema di generazione in loco
dell’idrogeno necessario ad alimentare il
generatore