Analisi del ciclo di vita di uno stack di celle a combustibile circolari a carbonati fusi di potenza 500 w

Le celle a combustibile o fuel cells sono sistemi elettrochimici capaci di convertire l’energia chimica di un combustibile (in genere idrogeno) direttamente in energia elettrica, senza l’intervento intermedio di un ciclo termico, ottenendo pertanto rendimenti di conversione più elevati rispetto a quelli delle macchine termiche convenzionali. Una cella a combustibile è formata da due elettrodi porosi, anodo e catodo, e da uno strato elettrolita situato tra i due elettrodi che consente la migrazione degli ioni. L’elettrolita ha infatti la funzione di condurre gli ioni prodotti da una reazione e consumati dall’altra, chiudendo il circuito elettrico all’interno della cella. La trasformazione elettrochimica produce di calore, che è necessario estrarre per mantenere costante la temperatura di funzionamento della cella. La struttura porosa degli elettrodi è necessaria poiché devono permettere il passaggio delle fasi gassose e liquide dei reagenti e lo smaltimento dell’acqua formata nella reazione. Infatti, alimentando la cella con un gas riducente (combustibile) ed uno ossidante (ossigeno o aria) avviene l’ossidazione elettrochimica del combustibile e la riduzione dell’ossidante, la produzione di energia elettrica, acqua e calore. L’idrogeno è immesso nella cella dalla parte dell’anodo, un catalizzatore ne facilita la separazione in elettroni e protoni. Gli ioni idrogeno attraversano la membrana dell’elettrolita e, aiutati dal catalizzatore, si combinano con l’o2 e gli elettroni sul catodo, producendo acqua. Gli elettroni non attraversano la membrana e fluiscono dall’anodo al catodo attraverso un circuito esterno al quale è collegato un sistema di accumulo o utilizzo dell’energia prodotta. Vista la porosità degli elettrodi e l’immissione continua dei gas utili, le reazioni di ossidazione del combustibile e di riduzione degli ossidanti sono continuamente alimentate. Caratteristica importante delle celle, che le differenzia dalle comuni batterie, è che teoricamente le celle hanno la capacità di produrre energia elettrica per tutto il tempo in cui carburante e ossidanti sono forniti agli elettrodi. In realtà la degradazione, la corrosione, o il malfunzionamento dei componenti, limitano la durata operativa delle celle. Il voltaggio prodotto da una singola cella è circa 0, 7 volts, ma quando le celle sono combinate insieme a formare uno “stack”, si raggiunge un voltaggio pari a 0, 7 ×n volts, dove n è il numero di celle dello stack. Questo è reso possibile dalla caratteristica di modularità delle fuel cells che permette una grande varietà della dimensione degli impianti possibili. Le celle sono collegate tra loro tramite un “bipolar plate” che da una parte consente la connessione elettrica tra le celle, dall’altra rappresenta una barriera che separa il combustibile ed i gas ossidanti di ogni singola cella. Un’altra caratteristica, molto importante da un punto di vista ambientale, è la totale assenza di emissioni inquinanti. Acqua e gas esausti, effluenti della cella, non contengono sostanze inquinanti dato che non vengono mai a contatto. Le celle possono utilizzare come combustibile, oltre che l’idrogeno, altri suoi composti quali il metano, il metanolo benzina e gas naturali. Tali composti devono però essere sottoposti ad un particolare procedimento chiamato reforming, necessario per separare l’idrogeno puro necessario alla cella e che tratteremo in seguito.