Una cella a combustibile è una cella in cui la generazione di una tensione elettrica avviene in virtù dell'ossidazione su un elettrodo di un combustibile riducente (ad esempio diidrogeno ) accoppiata alla riduzione sull'altro elettrodo di un ossidante , come l' ossigeno in l' aria .
L' effetto delle celle a combustibile fu scoperto dal tedesco Christian Schönbein nel 1839 . Il primo modello da laboratorio di celle a combustibile è stato prodotto da William R. Grove nei tre anni successivi. Nel 1889, Ludwig Mond e Carl Langer diedero alla pila a combustibile il suo nome e la sua forma attuale. Francis T. Bacon riprese gli studi della cella a combustibile nel 1932 e produsse un primo prototipo da 1 kW nel 1953, poi da 5 kW nel 1959. Questo prototipo servirà da modello per le future celle a combustibile utilizzate durante le missioni spaziali Apollo .
Il lunghissimo intervallo di tempo (più di un secolo) intercorso tra la realizzazione del primo modello di fuel cell e i primi utilizzi è spiegato dal fortissimo sviluppo sperimentato da altre tipologie di generatori a fuel cell , energia elettrica e dal fatto che il il costo dei materiali utilizzati nella cella a combustibile è ancora elevato.
Una cella a combustibile è un generatore in cui la produzione di energia elettrica avviene tramite l' ossidazione su un elettrodo di un combustibile riducente (ad esempio il diidrogeno ) accoppiata con la riduzione sull'altro elettrodo di un ossidante, come l' ossigeno nell'aria. La reazione di ossidazione dell'idrogeno è accelerata da un catalizzatore che è generalmente platino . Se altre combinazioni sono possibili, la batteria più comunemente studiato e utilizzato è l'idrogeno combustibile cella - ossigeno molecolare o idrogeno-aria (questo è spiegato in particolare per l'abbondanza di risorse idrogeno sulla Terra e la facilità di produzione di idrogeno).
Dal 1977 alcune batterie (utilizzate sui satelliti) contengono membrane polimeriche (elettrolita solido acido o alcalino) rese conduttive, assumendo la forma di una sottile membrana che separa i due elettrodi. Questi polimeri contengono platino . Essendo un metallo raro, inquinante e costoso, siamo quindi alla ricerca di alternative; test, ad esempio in Cina, un polimero ( polisulfone o polisulfone con ammonio quaternario ) con un catodo (lato ossigeno) in argento e un anodo (lato idrogeno) in nickel placcato con cromo .
Nel 2010 ricercatori americani e ricercatori tedeschi hanno proposto di integrare un catalizzatore aggiuntivo, meno costoso e che potesse dimezzare la quantità di platino nelle celle a combustibile Nature Chemistry ; si tratta di nanosfere costruite con atomi di platino e rame , dalle quali vengono poi estratte in parte le particelle di rame, lasciando una sorta di nanoguscio di platino dello spessore di pochi atomi. Il metodo di produzione di queste nanosfere è tale da diminuire la loro capacità di legare l'ossigeno, che favorisce la formazione di acqua rendendo la cellula più produttiva. Secondo questo team, questo potrebbe ridurre il prezzo delle celle a combustibile dell'80%. Questo processo potrebbe essere applicato ad altri metalli per produrre altri tipi di catalizzatori che possono ad esempio consentire la produzione di idrogeno e ossigeno dall'acqua come stoccaggio chimico dell'energia elettrica prodotta da turbine eoliche o pannelli solari, prima di restituirla sotto forma di elettricità.
Nel 2012, la società israeliana CellEra ha dichiarato di aver progettato una cella a combustibile a membrana che non utilizza platino, utilizzando un elettrolita polimerico solido che conduce ioni idrossido (HO - ) in un mezzo alcalino. Questa società ha depositato dieci brevetti relativi a questa tecnica.
Il funzionamento di una cella a idrogeno - ossigeno è particolarmente pulito poiché produce solo acqua e consuma solo gas . Ma fino al 2010 la produzione di queste batterie era molto costosa, soprattutto a causa della notevole quantità di platino necessaria e del costo delle membrane a scambio ionico .
Parte della sfida per usarlo come vettore energetico è la sintesi, lo stoccaggio e la fornitura di idrogeno. Mentre l'idrogeno è abbondante sulla Terra, è quasi sempre combinato con l' ossigeno (H 2 O, cioè acqua), zolfo ( idrogeno solforato , H 2 S), carbonio ( gas naturale o petrolio ), ecc.
L'efficienza complessiva, che è il rapporto tra la quantità di elettricità prodotta dalla cella a combustibile a idrogeno e la quantità di elettricità spesa nell'elettrolisi per sintetizzare l'idrogeno, è piuttosto bassa.
Un gruppo elettrogeno consente un'efficienza del 25% e una cella a combustibile a idrogeno può raggiungere dal 50 al 60% di efficienza elettrica, o più se c'è bisogno del calore di recupero ma i rendimenti energetici cumulati della sintesi del diidrogeno e della compressione o liquefazione sono ancora piuttosto bassi. Qui, l'idrogeno non è una fonte di energia primaria; è un vettore di energia .
Il rendimento di un'automobile sarebbe del 35%. Secondo l'Agenzia per l'ambiente e la gestione dell'energia , l'efficienza complessiva della catena elettricità-idrogeno-elettricità è di circa il 25%.
Il principio della cella a combustibile è il contrario dell'elettrolisi . La reazione chimica prodotta dall'ossidazione e dall'incontro dei gas produce elettricità, acqua e calore. Il funzionamento della cella a combustibile richiede una fornitura di combustibile, il più utilizzato è l'idrogeno. Una cella a combustibile produce una tensione elettrica da circa 0,7 a 0,8 V , a seconda del carico ( densità di corrente ) e produce calore. La loro temperatura di esercizio varia da 60 a 1050 °C a seconda del modello. L'acqua viene generalmente scaricata sotto forma di vapore con l'ossigeno in eccesso.
Esistono diversi tipi di celle a combustibile, le più famose delle quali sono:
Una cella a combustibile con membrana a scambio protonico comprende:
Idrogeno in forma biatomica (diidrogeno H 2) entra attraverso il piatto bipolare a sinistra in figura.
Arrivati all'anodo, si dissocia in ioni (H + ) ed elettroni (e - ) secondo l'equazione 2 H 2= 4 H + + 4 e - . Gli ioni poi attraversano la membrana, ma gli elettroni, bloccati, sono costretti a prendere un circuito esterno, che genererà una corrente elettrica.
Al catodo, ioni idrogeno, elettroni e ossigeno (puro o dall'aria) si incontrano per formare acqua secondo la reazione: 4 H + + 4 e - + O 2= 2 H 2 O. Acqua e ossigeno passano attraverso la piastra bipolare destra. Questa reazione produce anche calore che può essere recuperato.
Cella ad ossido solidoIl principio è simile. L'unica differenza è che la membrana a scambio protonico è sostituita da un'altra membrana chiamata "membrana di ossido solido". Le molecole nella cella a combustibile non reagiranno allo stesso modo:
Ma questo tipo di cella non è più efficiente rispetto alla cella a membrana a scambio protonico, funziona solo molto elevata temperatura (circa 600 a 800 ° C ) e la sua fabbricazione è più costoso per le celle a bassa potenza.. Sono quindi riservati ad applicazioni specifiche che richiedono elevate potenze.
Esistono due tipi di celle a combustibile a metanolo:
A differenza delle batterie che utilizzano l'idrogeno, queste possono essere "pulite" solo se l'origine di questo metanolo è essa stessa di origine rinnovabile perché emettono CO2 .e anche CO .
genere | elettrolita | Ioni implementati | Gas/liquido all'anodo | gas catodico | Potere | Funzionamento della temperatura |
Efficienza elettrica |
Scadenza | Campo |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
AFC - Alcalino | Idrossido di potassio | HO - | idrogeno | ossigeno | da 10 a 100 kW | da 60 a 90 °C | Solo batteria: 60-70% Sistema: 62% |
Commercializzato / Sviluppo | Portatile, trasporto |
DBFC - Idruro di boro diretto | Membrana protonica
Membrana anionica |
H + HO - |
NaBH liquido 4 | ossigeno | 250 mW / cm 2 | da 20 a 80 °C | 50% singola cella | Sviluppo | portatile <20 W |
PEMFC - membrana a scambio protonico | Membrane polimeriche Nafion-PBI | H + | idrogeno | ossigeno | da 0,1 a 500 kW | da 60 a 220 °C | Batteria: 50-70% Sistema: 30-50% |
Commercializzato / Sviluppo | portatile, da trasporto, stazionario |
DMFC - metanolo diretto | Membrana polimerica | H + | metanolo | ossigeno | mW a 100 kW | da 90 a 120 °C | Batteria: 20-30% | Commercializzato / Sviluppo | trasporto, stazionario |
DEFC - etanolo diretto | da 90 a 120 °C | Sviluppo | |||||||
FAFC - acido formico | da 90 a 120 °C | Sviluppo | |||||||
PAFC - acido fosforico | Acido fosforico | H + | idrogeno | ossigeno | fino a 10 MW | circa 200 °C | Batteria: 55% Sistema: 40% |
Sviluppo | trasporto, stazionario |
MCFC - carbonato fuso | Carbonato di metalli alcalini | CO 32− | idrogeno , metano , gas di sintesi | ossigeno | fino a 100 MW | circa 650 ° C | Batteria: 55% Sistema: 47% |
Sviluppo / Marketing | stazionario |
PCFC - ceramica protonante | 700 °C | Sviluppo | |||||||
SOFC - ossido solido | Ceramica | O 2- | idrogeno , metano , gas di sintesi | ossigeno | fino a 100 MW | da 800 a 1050 °C | Batteria: 60–65% Sistema: 55–60% |
Sviluppo | stazionario |
I principali campi di applicazione sono:
Nel 2017, in occasione del World Economic Forum di Davos, viene creato il Consiglio dell'idrogeno (in) , un'iniziativa di imprese leader a livello mondiale nel settore dell'energia, dei trasporti e dell'industria per sviluppare l'economia dell'idrogeno e delle celle a combustibile.
Gli Stati Uniti stanno sviluppando numerosi progetti sostenuti dal governo, a volte presentati come una delle principali soluzioni contro il riscaldamento globale .
CanadaIn Canada , il National Research Council of Canada's Fuel Cell Innovation Institute (NRC-IIPC) è stato istituito nelsettembre 2006oltre 6.500 m 2 , in British Columbia (UBC), nel distretto tecnologico della regione di Vancouver, pilota in questo settore. Mira a sviluppare l'industria dell'idrogeno e delle celle a combustibile in Canada. È una piattaforma dimostrativa e di ricerca, che ospita anche il Vancouver Fuel Cell Vehicle Program, nonché il British Columbia Hydrogen Highway Project, supportato da laboratori dedicati, fornitura di idrogeno e tecniche integrate di celle a combustibile. Il sito dispone di pompe geotermiche e mezzi fotovoltaici per la produzione di idrogeno.
EuropaNel 2008, l'Europa ha adottato un quadro (regolamento europeo) per lo sviluppo di veicoli a idrogeno (come carburante), ma sostiene anche progetti di ricerca sulle celle a idrogeno.
FranciaIn Francia , ADEME , EDF e CEA hanno installato una rete "Fuel Cell" (PACo) su25 giugno 1999guidato da Catherine Ronge, direttore della ricerca e sviluppo di Air Liquide e Roger Ballay, vicedirettore della ricerca presso EDF, co-guidato da ADEME e dalla Commissione per l'energia atomica ( CEA ). Le missioni di questa rete erano di accelerare la ricerca sulle celle a combustibile identificando gli ostacoli tecnologici, guidare la comunità scientifica intorno a un centro di competenza in grado di promuovere e diffondere i progressi della ricerca, sviluppare partenariati, settore pubblico-privato e una riflessione lungimirante sullo sviluppo di queste tecniche.
Nel 2005, la rete PACo francese è stata sostituita dal programma PAN-H (Piano d'azione su idrogeno e celle a combustibile, 2005-2008) dell'ANR ( Agenzia nazionale per le ricerche ), seguito dal programma HPAC (Idrogeno e celle a combustibile) tra il 2009 e 2010. I vari assi di ricerca dei programmi Pan-H e HPAC sono stati posizionati - o riposizionati - nel 2010 nei programmi PROGELEC (produzione e gestione rinnovabile dell'energia elettrica) e TTD (Trasporto terrestre sostenibile) dell'ANR.
Nel nord della Francia, il laboratorio di nanotecnologie dell'Istituto di elettronica, microelettronica e nanotecnologia realizzato inmaggio 2009una cella a combustibile molto piccola (5 × 3,6 mm ).
In Martinica è stato inaugurato il . un sistema di celle a combustibile a idrogeno chiamato Cleargen5 dicembre 2019dalla Société anonyme de la raffinerie des Antilles (SARA). La batteria, fornita da Hydrogen de France (HDF), utilizza il processo di elettrolisi inversa dell'acqua per produrre elettricità da idrogeno e ossigeno; utilizzerà l'idrogeno in eccesso prodotto dalla raffineria per alimentare, su richiesta, la rete elettrica dell'isola con una potenza di un megawatt, che potrà alimentare circa 2.000 abitazioni.
GiapponeSolo nel 2007 , sotto l'egida del Giappone , è stata avviata una riflessione su norme, regole e standard di produzione e sicurezza, in modo da facilitare l'uso diffuso delle celle a combustibile o celle a combustibile a idrogeno.
Alcuni anni prima, infatti, su iniziativa del Primo Ministro Koizumi , era stato possibile in poco più di 24 mesi:
Il Giappone spera così di ridurre del 50% le proprie emissioni di anidride carbonica legate alla piccola elettronica, offrendo anche batterie la cui autonomia sarebbe moltiplicata per tre.
L'uso di celle a combustibile a idrogeno nell'automobile si basa su diversi schemi:
Il primo modello è il sequel. La cella a combustibile a idrogeno da 73 kW è alimentata da tre serbatoi di idrogeno compositi a spirale, 700 bar (2005). La seconda è la Chevy Volt: concept presentato ingennaio 2007al Salone dell'Auto di Detroit (Stati Uniti). Il 3° modello è l'Hydrogen 4 presentato su6 marzo 2008il 78 ° Salone Internazionale dell'Automobile di Ginevra (Svizzera). La cella a combustibile GM HydroGen4 è composta da 440 celle collegate in serie. L'intero sistema offre una potenza elettrica fino a 93 kW alimentando un motore elettrico sincrono da 73 kW o 100 CV . Consente all'HydroGen4 di passare da zero a 100 km/h in circa 12 secondi. L'HydroGen4 ha un sistema di accumulo composto da tre serbatoi ad alta pressione da 700 bar realizzati in fibra di carbonio, che possono contenere 4,2 kg di idrogeno. Ciò consente un'autonomia fino a 320 km .
BMWEsempi di modelli prodotti: prototipo i8 del 2015 (batteria Toyota Mirai), prototipo i Hydrogen NEXT sviluppato sulla base di una X5 e presentato al Salone di Francoforte 2019 . Nel suo comunicato stampa di presentazione del prototipo, BMW annuncia che questo prototipo di fatto prefigura una piccola serie che sarebbe stata presentata entro il 2022, in modo che poi, al più presto nel 2025, verranno offerti altri veicoli a seconda del mercato e della situazione generale.
Mercedes-BenzLa concept car Ener-G-Force alimentata da una cella a combustibile alimentata con serbatoi dell'acqua montati sul tetto è stata presentata al salone di Los Angeles nel 2012. Sono state costruite la NECAR e la F-Cell: tutta una famiglia di veicoli con diversi tipi di carburante (idrogeno gassoso, metanolo, ecc .). Ad oggi (2010), Daimler ha costruito il maggior numero di veicoli che utilizzano una cella a combustibile (oltre cento). Mercedes ha annunciato la produzione in serie per il pubblico in generale della Classe B F-Cell Hydrogen nel 2017.
HummerL' Hummer O2 è una concept car all-terrain.
Prototipi CityjouleQuesta è un'auto sperimentale dell'Università di Nantes il cui coefficiente di resistenza C x è annunciato a 0,11 nel 2013.
VerdeGTIl GreenGT H2 è il primo prototipo di competizione elettrico-idrogeno, la genesi del GreenGT H2 inizia nel 2009. Viene presentato ufficialmente il2 giugno 2012nell'ambito della giornata di prove libere della 24 Ore di Le Mans . È quindi non rotolante e riceve una livrea nera e arancione. Il27 giugno 2015, è oggetto di una prima dinamica presentazione al pubblico sul circuito del Paul-Ricard nell'ambito della tappa francese della Coppa del Mondo per vetture turismo . Con una nuova livrea azzurra e bianca, è stata poi guidata da Olivier Panis , ex pilota di Formula 1 e vincitore del Gran Premio di Monaco 1996 su Ligier-Mugen-Honda. Su invito della Michelin , ha dato una seconda dimostrazione, all'apertura del primo ePrix di Formula E Paris , il23 aprile 2016. Il26 giugnoa fine giornata, durante la 24 Ore di Le Mans 2016 e sempre guidata da Olivier Panis, diventa la prima vettura alimentata da un propulsore elettrico-idrogeno a completare un giro del circuito motoristico del Sarthois. Due giorni dopo, il28 giugno, l'H2 e il suo pilota ripetono la loro dimostrazione poco prima dell'inizio della gara. La potenza del GreenGT H2 , dotato di due motori elettrici, è di 2×200 kW a 1350 giri/min , ovvero 544 CV
La H2 Speed nasce su richiesta del carrozziere italiano Pininfarina , la Speed H2 viene presentata all'86 ° Salone Internazionale del Motore di Ginevra il1 ° marzo 2016. È stato presentato congiuntamente da Jean-François Weber (cofondatore, azionista e direttore della ricerca e sviluppo di GreenGT), Fabio Filippini (direttore stile di Pininfarina), Silvio Angori (presidente e amministratore delegato di Pininfarina) e Paolo Pininfarina (presidente del gruppo Pininfarina). In questa occasione, la rivista americana Autoweek , nel suo numero di21 marzo 2016, le ha conferito il Best Concept Award , premio che premia ogni anno la concept car più bella del salone designandola come “la più veloce vettura a zero emissioni di tutti i tempi” . I suoi rivali erano la Sbarro Prom, la Italdesign GTZERO e la Morgan EV3. Il30 marzo 2016, la H2 Speed viene presentata, su sua richiesta, ad Alberto II, Principe di Monaco , attento alle tecnologie di sviluppo sostenibile. Al termine di questa presentazione, al sovrano di Monaco viene consegnata una tuta da pilota nei colori del GreenGT. È ricamato con il suo nome come un invito a venire a provare l' H2 Speed . Il 21 e22 maggio, partecipa al concorso di eleganza della Villa d'Este di Cernobbio in Italia poi, dall'8 al12 giugno 2016, al Salone di Torino . L' H2 Speed è stato poi presentato due volte da Michelin, pneumatico partner di GreenGT, in occasione di eventi automobilistici internazionali, la prima volta in Francia durante la 24 Ore di Le Mans 2016, dal 15 al19 giugno, e il secondo in Gran Bretagna, al Goodwood Festival of Speed una settimana dopo.
SuzukiIn collaborazione con General Motors, ha costruito il prototipo di automobile Mr Wagon FCW . La cella a combustibile a idrogeno è alimentata dall'idrogeno contenuto in serbatoi a 700 bar.
MichelinUn prototipo di auto Hy-light alimentato da una cella a combustibile a idrogeno è stato presentato inmarzo 2005. La cella è alimentata dall'idrogeno proveniente da tre bombole avvolte in materiale composito ad alta pressione,
Il produttore ha anche costruito un prototipo di automobile Hy-light 2 che funziona con una cella a combustibile. È stato presentato insettembre 2007. Rispetto al hy-luce, il 2 ° generazione ha batterie e supercondensatori,
La F-City H2 è la prima vettura francese a ricevere l'omologazione stradale dalle autorità francesi. Questo veicolo è il risultato della collaborazione tra Michelin e FAM Automobiles (che da allora è diventata France Craft Automobiles). Per questo Michelin ha progettato un pacco celle a combustibile a idrogeno compatto ma completo, comprendente anche il serbatoio dell'idrogeno da 350 bar che sostituisce il vano batterie della versione elettrica della F-City.
PSAIl produttore ha costruito un dimostratore TAXI PAC, una cella a combustibile alimentata da un rack (intercambiabile) di bombole di idrogeno pressurizzato, un dimostratore H2O, un'autopompa con un range extender a cella a combustibile con generazione di idrogeno in situ utilizzando tetraidroborato di sodio , un QUARK dimostratore, un quad a celle a combustibile comprendente un motore elettrico in ciascuna delle quattro ruote, un dimostratore Epure da 207 cc comprendente la cella a combustibile risultante dal programma GENEPAC. PSA ha collaborato al progetto GENEPAC (2002-2006) con il CEA per una cella a combustibile a idrogeno di tipo PEMFC da 80 kW ,
Renault- NissanNel 2008, il produttore ha presentato il prototipo di cella a combustibile Renault Scénic ZEV H2.
VenturiIl Venturi Buckeye Bullet 2 batte il record di velocità FIA per un veicolo elettrico alimentato da una cella a combustibile: 487 km/h . È il primo veicolo elettrico ad attraversare la barriera simbolica di 300 mph (oltre 480 km/h ).
SymbioFCellL'HyKangoo è costruito sulla base di un Kangoo ZE con un'evoluzione in un veicolo elettrico con range extender, con una batteria da 5 kW e un piccolo accumulo di idrogeno, presentato al Motor Show di Parigi 2012. Veicolo in mostra al Solvay de Tavaux sito .
Auto di serie GuadoIl modello prodotto è la Focus FCV.
HondaLa Honda FCX Clarity è la prima vettura di serie, commercializzata (in leasing) in Giappone e negli Stati Uniti (Stato della California). Si tratta di un veicolo a cinque posti, dotato di un serbatoio con una pressione di 350 bar.
Honda ha anche prodotto la Honda CR-X.
HyundaiTucson FCEV è un'auto ibrida. La cella a combustibile a idrogeno da 80 kW è alimentata da una bombola di gas avvolta in composito.
L'iX35 FCEV è una nuova generazione del Tucson FCEV che potrebbe iniziare a essere commercializzato in alcuni territori specifici con un'adeguata infrastruttura di riempimento dell'idrogeno. Hyundai annuncia un'autonomia di 564 km e il prezzo di un pieno si aggirerebbe intorno ai 56 euro. Una partnership tecnologica è stata annunciata ingiugno 2018con Audi (una sussidiaria di Volkswagen , sapendo che la Germania ha lanciato un programma mirato a 400 stazioni di servizio di distribuzione di idrogeno prima del 2023. In Francia nel 2018 una flotta di taxi Hype funziona a idrogeno (inclusi 60 modelli Hyundai).
Nikola Motor Companyil 3 maggio 2018, Anheuser-Busch ha emesso un ordine di acquisto per un massimo di 800 camion per la consegna della birra negli Stati Uniti.
ToyotaIl produttore ha prodotto un'auto a cinque posti FCHV-4 e un autobus FCHV-US1. Questi programmi sono stati presentati per la prima volta nel 2001. Presentano una cella a combustibile a idrogeno da 90 kW . Toyota annuncia ingiugno 2009per il 2015 lo sviluppo di auto elettriche interamente basate su celle a combustione in vendita (a differenza di oggi dove le auto elettriche vengono noleggiate). Nelgiugno 2014, Toyota conferma la commercializzazione in Giappone da aprile 2015la sua prima berlina a celle a combustibile, la Mirai , a un prezzo molto più basso di quanto previsto dagli osservatori; sarà offerto anche nell'estate 2015 negli Stati Uniti e in alcuni paesi europei dotati di stazioni di ricarica come la Svezia; Toyota spera di vendere decine di migliaia di tali auto all'anno entro il prossimo decennio. La Toyota Mirai è stata rilasciata nel 2014.