Celle a combustibile: PEM vs acido-solido.

[copco]

Alimentare la auto attraverso le fuel cells è una prospettiva invitante. Gli aggeggi estraggono efficientemente l’elettricità dal carburante senza inquinare. Ma devono ancora affrontare una strada sconnessa: le fuel cells sulle quali i costruttori di auto stanno puntando le loro speranze (dette PEM: Polymer Electrolyte Membrane, membrana di polimero elettrolitico) hanno considerevoli limitazioni. Sono costose e funzionano a basse temperature, il che riduce la loro efficienza e rende soggetto il loro catalizzatore ad essere avvelenato da tracce di ossido di carbonio (CO) spesso presenti nel combustibile. Due anni fa, un gruppo del California Institute of Technology di Pasadena ha offerto una potenziale soluzione: rimpiazzare il polimero elettrolitico con uno fatto da un materiale cristallino chiamato un acido solido, che aveva promesso di essere più economico e più tollerante al CO. Ma le fuel cells a solido-acido avevano anche loro dei problemi. Primo fra tutti: l’idrogeno che alimentava le fuel cells reagiva con lo zolfo dei cristalli causando la disintegrazione del materiale.

Lo stesso gruppo ha ora riportato (Haile et al., Science, 2 January 2004, vol. 33, p. 68 ) come aggirare questo problema con un nuovo materiale che inoltre incrementa l’uscita di potenza dei loro aggeggi di cinque volte. Il chè è ancora ordini di grandezza sotto quello che lo stato dell’arte delle fuel cells PEM tira fuori, quindi le nuove celle non alimenteranno in alcun modo a breve termine i minivans. Nonostante ciò il lavoro è abbastanza interessante perché le celle ad acido-solido potrebbero richiedere minori quantità dei preziosi metalli catalitici ed essere più semplici da costruire rispetto alle PEM; messe insieme le due cose, i costi potrebbero drammaticamente essere abbattuti.

Oggigiorno le fuel cells vengono fuori quasi come la varietà di veicoli che intendono alimentare. Tuttavia funzionano tutte essenzialmente allo stesso modo. Un catalizzatore ad un elettrodo carico positivamente, o anodo, spoglia l’idrogeno o altre molecole dagli elettroni. Gli ioni positivi lasciati dietro vanno alla deriva attraverso un elettrolita verso un elettrodo carico negativamente chiamato catodo. L’elettrolita è impermeabile agli elettroni, quindi questi devono viaggiare verso l’anodo tramite un filo esterno lungo la cui via possono alimentare un motore. Al catodo, gli ioni idrogeno si combinano con l’ossigeno dell’aria formando acqua.

Ai costruttori di auto piacciono le fuel cells PEM in parte perché generano potenze elevate e rapidamente. Ma fanno ciò ad un costo. Le celle lavorano al meglio con l’idrogeno, che è difficile da immagazzinare in grosse quantità. E poiché tali celle richiedono acqua liquida per trasportare gli ioni idrogeno attraverso l’elettrolita, esse devono operare al di sotto di 100 °C. A temperature così basse il prezioso catalita metallico lavora lentamente e può essere inattivato dal CO. In linea di principio gli elettroliti acido-solido potrebbero operare a temperature più elevate, ma per decenni la cosa non è stata presa seriamente in considerazione perché si sciolgono in acqua. Due anni fa il gruppo di Haile ha provato a risolvere questo problema facendo lavorare le fuel cells acido-solido a 250 °C, una temperatura alta abbastanza alta da trasformane l’acqua in innocuo vapore. Sfortunatamente, l’idrogeno reagiva con lo zolfo dell’acido-solido rovinandolo e producendo hydrogen sulfide, un altro distruttore di catalizzatore. Il gruppo considerò di sostituire lo zolfo con diidrofosfato di cesio come elettrolita, ma ad alte temperature l’idrogeno di questa molecola reagisce con l’ossigeno formando acqua, un cambio che provoca la rottura del rimanebnte solido. Quindi non si potrebbe usare il composto del fosfato.

Ora i ricercatori hanno scoperto un’elegante soluzione: combattere l’acqua con l’acqua. Aggiungendo una piccola quantità di vapor d’acqua al loro sistema con l’elettrolita fosfato si è visto che le molecole di idrogeno non vengono perse dal solido per formare altra acqua. Le nuove fuel cells acido-solido non sviluppano ancora tanta potenza quanta ne sviluppano quelle PEM, ma Haile sospetta che ci può andare vicino facendo delle membrane di elettrolita più sottili, in modo che gli ioni le possano attraversare più facilmente. Se sarà così, le celle a combustibile acido-solido potrebbero diventare più economiche delle loro rivali. Queste celle funzionano bene anche con metanolo, che è più facile da trasportare ed immagazzinare rispetto all’idrogeno gassoso. In definitiva le celle a combustibile acido-solido hanno dei vantaggi che potrebbero renderle invitanti.

Elaborato da: Science, 2 January 2004.

[Guest Velox]

Grazie infinite Copco per le informazioni e questa trattazione, molto interessante. :wink:

[Omphalos]

Cominciano a vedersi i risultati di anni di studi e sperimentazioni; visto poi l'interesse che da più parti si è dimostrato per le fuel cells, penso che tra poco questo settore sarà veramente un punto di forza della ricerca applicata. Speriamo che ci sia anche FIAT tra i competitors

P.S. L'hai tradotto te l'articolo? Perché non ho mai sentito parlare di acido-solido; se mi puoi dare la parola in inglese.... :wink:

[copco]

Cominciano a vedersi i risultati di anni di studi e sperimentazioni; visto poi l'interesse che da più parti si è dimostrato per le fuel cells, penso che tra poco questo settore sarà veramente un punto di forza della ricerca applicata. Speriamo che ci sia anche FIAT tra i competitors

P.S. L'hai tradotto te l'articolo? Perché non ho mai sentito parlare di acido-solido; se mi puoi dare la parola in inglese.... :wink:

Quello che ho riportato è una mia traduzione e leggera sintesi di una recensione dell’articolo scientifico vero e proprio di cui ho riportato la bibliografia. La recensione si trova a pagina 29 dello stesso numero di Science.

Comunque se vuoi saperne di più sul solido acido guarda qui:

http://www.ntu.edu.sg/studorgn/ieee/Articles/04.html

ma si trova anche diversa altra roba.

Tieni presente che queste sono cose ancora in fase di ricerca e che da queste cose possono venir fuori delle rivoluzioni come pure delle bolle di sapone, perché fra far funzionare una cosa in condizioni ideali e controllate in laboratorio e farla funzionare nella realtà quotidiana dell’utente di strada ce ne passa.

[vare]

L'idrogeno e le celle a combustibile mi sembrano però ancora una realtà lontana vista come mezzo di locomozione quotidiana. Nonostante questo arrivare ad ottenere un veicolo ad emissioni acquatiche ( ) per gli spostamenti quotidiani sarebbe l'ideale. Mi immagino uno scooter idrogeno dal costo contenuto... quanti problemi di mobilità e inquinamento risolverebbe!

Quando sarà disponibile una tecnologia veramente affidabile tanto da prevederne l'industrializzazione? Intanto la Toyota con il suo motore ibrido porta avanti una interessante alternativa

[Omphalos]

grazie :wink:

[copco]

L'idrogeno e le celle a combustibile mi sembrano però ancora una realtà lontana vista come mezzo di locomozione quotidiana. Nonostante questo arrivare ad ottenere un veicolo ad emissioni acquatiche ( ) per gli spostamenti quotidiani sarebbe l'ideale. Mi immagino uno scooter idrogeno dal costo contenuto... quanti problemi di mobilità e inquinamento risolverebbe!

Quando sarà disponibile una tecnologia veramente affidabile tanto da prevederne l'industrializzazione? Intanto la Toyota con il suo motore ibrido porta avanti una interessante alternativa

[vare]

Ma il collo di bottiglia più stretto è che c'è ancora troppo petrolio in giro. Perchè tentare di produrre idrogeno a costi accettabili quando c'è in giro tanto bel petrolio a caro prezzo?

[Guest frallog]

prima cosa complimenti davvero per la tua interessantissima nota.

Poi permettimi di aggiungere qualcosa.

Il prof. Zichichi asserisce che per quanto riguarda le fuel cell per il mondo dell'auto sono previsti rendimenti compresi tra il 37% ed il 52%. Ora se apri Quattro ruote di febbraio nelle pagine 173-177 trovi tutto ed il contrario di tutto. ad esempio trovi il direttore della ricerca della BMW che asserisce che i motori volumetrici termici alimentati ad idrogeno gia' oggi hanno dei rendimenti vicino al 50%. Non si capisce come visto le perdite per gradiente termico e per attrito, mah pero' lo dice.

per quanto riguarda l'immagazzinamento dell'idrogeno io trovo che sarebbe sufficiente dotare le auto di un compressore da 12 bar e du relativo serbatoio da 12 bar per avere a 40 gradi una densita' dell'idrogeno pari al 70% di quella dell'idrogeno liquido. Ho fatto due conti usando impropriamente l'equazione dei gas perfetti (avrei dovuto usare quella di Van Deer Waals), ma tanto per avere gli ordini di grandezza puo' bastare.

Best regards,

Francesco

[Omphalos]

per quanto riguarda l'immagazzinamento dell'idrogeno io trovo che sarebbe sufficiente dotare le auto di un compressore da 12 bar e du relativo serbatoio da 12 bar per avere a 40 gradi una densita' dell'idrogeno pari al 70% di quella dell'idrogeno liquido. Ho fatto due conti usando impropriamente l'equazione dei gas perfetti (avrei dovuto usare quella di Van Deer Waals), ma tanto per avere gli ordini di grandezza puo' bastare.

Ciao Frallog, colgo l'occasione per salutarti e darti anche il mio benvenuto in Autopareri.

Per quanto riguarda la tua stima però mi sento di dissentire perché i dati forniti da vari studi mostrano che l'immagazzinamento dell'idrogeno non è così semplice come si pensava. Innanzitutto si stanno compiendo ancora prove di utilizzo di equazioni di stato e di modelli del viriale per vedere i limiti di applicabilità di dette equazioni; poi bisogna considerare il problema della costruzione di serbatoi adeguati, che non permettano la fuoriuscita dell'idrogeno gassoso da pareti, raccordi, tubi.... problema inizialmente (rispetto agli studi effettuati) trascurato ma in effetti veramente pressante, cercando anche si contenere i costi e i pesi di tali apparecchiature.

Tanto per avere un'idea, si stanno sviluppando serbatoi di piccola capacità sia a 350 che a 700 bar per il gas, ma i problemi incontrati stanno spingendo anche verso lo stoccaggio del liquido (a detta di chi ci lavora l'ipotesi attualmente meno praticabile) e soprattutto verso mezzi sorbenti :wink: