Celle a combustibile

Una cella a combustibile usa l’energia chimica dell’idrogeno o di un altro combustibile per produrre elettricità in modo pulito ed efficiente. Se l’idrogeno è il combustibile, elettricità, acqua e calore sono gli unici prodotti. Le celle a combustibile sono uniche in termini di varietà delle loro potenziali applicazioni; possono fornire energia a sistemi grandi come una centrale elettrica e piccoli come un computer portatile.

Perché studiare le celle a combustibile

Le celle a combustibile possono essere utilizzate in una vasta gamma di applicazioni, tra cui il trasporto, la movimentazione dei materiali, le applicazioni fisse, portatili e di emergenza. Le celle a combustibile hanno diversi vantaggi rispetto alle tecnologie convenzionali basate sulla combustione attualmente utilizzate in molte centrali elettriche e nei veicoli passeggeri. Le celle a combustibile possono funzionare a rendimenti più alti dei motori a combustione, e possono convertire l’energia chimica del combustibile in energia elettrica con rendimenti fino al 60%. Le celle a combustibile hanno emissioni più basse dei motori a combustione. Le celle a combustibile a idrogeno emettono solo acqua, quindi non ci sono emissioni di anidride carbonica e di inquinanti atmosferici che creano smog e causano problemi di salute nel punto di funzionamento. Inoltre, le pile a combustibile sono silenziose durante il funzionamento perché hanno meno parti in movimento.

Come funzionano le pile a combustibile

Le pile a combustibile funzionano come le batterie, ma non si scaricano o hanno bisogno di essere ricaricate. Producono elettricità e calore finché viene fornito il combustibile. Una cella a combustibile consiste di due elettrodi – un elettrodo negativo (o anodo) e un elettrodo positivo (o catodo) – avvolti intorno a un elettrolita. Un combustibile, come l’idrogeno, è alimentato all’anodo, e l’aria al catodo. In una cella a combustibile a idrogeno, un catalizzatore all’anodo separa le molecole di idrogeno in protoni ed elettroni, che prendono percorsi diversi verso il catodo. Gli elettroni passano attraverso un circuito esterno, creando un flusso di elettricità. I protoni migrano attraverso l’elettrolita verso il catodo, dove si uniscono all’ossigeno e agli elettroni per produrre acqua e calore. Per saperne di più:

• Parti di una cella a combustibile
• Sistemi di celle a combustibile
• Tipi di celle a combustibile.

Guarda l’animazione dell’Ufficio tecnologie delle celle a combustibile per vedere come funziona una cella a combustibile.

Obiettivi di ricerca e sviluppo

Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) sta lavorando a stretto contatto con i suoi laboratori nazionali, le università e i partner industriali per superare le barriere tecniche critiche allo sviluppo delle celle a combustibile. I costi, le prestazioni e la durata sono ancora sfide chiave nell’industria delle celle a combustibile.

• Costo – Il platino rappresenta uno dei maggiori componenti di costo di una cella a combustibile, quindi gran parte della R&D si concentra su approcci che aumenteranno l’attività e l’utilizzo degli attuali catalizzatori del gruppo del platino (PGM) e della lega PGM, così come approcci di catalizzatori non-PGM per applicazioni a lungo termine.
• Performance – Per migliorare le prestazioni delle celle a combustibile, R&D si concentra sullo sviluppo di elettroliti a membrana a scambio ionico con una maggiore efficienza e durata a costi ridotti; migliorare i gruppi di elettrodi a membrana (MEA) attraverso l’integrazione di componenti MEA all’avanguardia; sviluppare modelli di trasporto ed esperimenti in-situ ed ex-situ per fornire dati per la validazione del modello; identificare i meccanismi di degradazione e sviluppare approcci per mitigare i loro effetti; e mantenere attività di base su componenti, sottosistemi e sistemi specificamente su misura per applicazioni stazionarie e portatili.
• Durabilità: un fattore chiave delle prestazioni è la durabilità, in termini di durata del sistema di celle a combustibile che soddisfi le aspettative delle applicazioni. Gli obiettivi di durata del DOE per le celle a combustibile stazionarie e da trasporto sono rispettivamente di 40.000 ore e 5.000 ore, in condizioni operative realistiche. Nelle applicazioni più esigenti, le condizioni operative realistiche includono impurità nel combustibile e nell’aria, avvio e arresto, congelamento e scongelamento, umidità e cicli di carico che si traducono in sollecitazioni sulla stabilità chimica e meccanica dei materiali e dei componenti del sistema della cella a combustibile. R&D si concentra sulla comprensione dei meccanismi di degradazione delle celle a combustibile e sullo sviluppo di materiali e strategie in grado di mitigarli.

Obiettivi tecnici

Scaricate la sezione Fuel Cells del piano pluriennale di ricerca, sviluppo e dimostrazione del Fuel Cell Technologies Office per tutti i dettagli sugli obiettivi tecnici, oppure visualizzate le tabelle dei singoli obiettivi:

• Sistemi di celle a combustibile, stack, e componenti per applicazionitrasporto leggero
  • Sistemi di celle a combustibile e stack
  • Componenti di celle a combustibile a membrana di elettroliti polimerici
  • Umidificatori e sistemi di compressione dell’aria
• Autobus di transito a celle a combustibile autobus di transito a celle a combustibile
• Sistemi di alimentazione di backup a celle a combustibile
• Sistemi a celle a combustibile per applicazioni stazionarie (cogenerazione)
• Sistemi a celle a combustibile per applicazioni di alimentazione portatile e ausiliaria.