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Le celle a combustibile sono dispositivi che trasformano l'energia chimica in energia elettrica e sono spesso utilizzate come fonte di energia alternativa pulita.
Sebbene la benzina sia ancora la principale fonte di carburante per i veicoli negli Stati Uniti, negli ultimi decenni sono state esplorate fonti di carburante alternative al fine di ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e generare fonti di energia più pulite.
Le celle a combustibile a idrogeno utilizzano idrogeno pulito come combustibile e producono solo acqua come rifiuto. Sebbene siano spesso paragonate alle batterie, le celle a combustibile sono più simili ai motori delle automobili, in quanto non possono immagazzinare energia e richiedono una fonte costante di carburante per produrre energia. Di conseguenza, è necessaria una quantità significativa di idrogeno per il funzionamento costante delle celle a combustibile.
Questo video introdurrà l'elettrolisi dell'acqua su scala di laboratorio per produrre idrogeno gassoso, seguita dal funzionamento di una cella a combustibile a idrogeno su piccola scala.
L'idrogeno è l'elemento più abbondante nell'universo. Sulla Terra, si trova principalmente in composti con altri elementi. Pertanto, per utilizzare l'idrogeno elementare come combustibile, deve essere raffinato da altri composti. La maggior parte dell'idrogeno gassoso viene prodotta attraverso il processo di reforming del metano ad alta intensità energetica, che isola l'idrogeno dal gas metano. Tuttavia, questo processo è estremamente dispendioso in termini di energia, utilizza combustibili fossili e produce quantità significative di gas di scarico. Ciò contribuisce al cambiamento climatico e avvelena anche le celle a combustibile e diminuisce l'operatività.
L'elettrolisi dell'acqua è un metodo alternativo per la produzione di idrogeno gassoso pulito, ovvero idrogeno privo di gas contaminanti. Nell'elettrolisi, l'acqua viene scissa in idrogeno e ossigeno gassoso, utilizzando una corrente elettrica. Per fare ciò, una fonte di alimentazione elettrica è collegata a due elettrodi, che sono fatti di un metallo inerte. Gli elettrodi vengono quindi inseriti nell'acqua e viene applicata la corrente elettrica. Per l'elettrolisi su piccola scala, è possibile utilizzare una batteria o un piccolo pannello solare per generare corrente sufficiente a dividere l'acqua. Tuttavia, nelle applicazioni su larga scala, sono necessarie fonti di densità energetica più elevate.
La reazione di elettrolisi è una reazione di ossidoriduzione, o redox. Ci sono il doppio delle molecole di idrogeno prodotte rispetto alle molecole di ossigeno, secondo la reazione chimica bilanciata. L'idrogeno gassoso generato da questa reazione elettrochimica può essere raccolto e immagazzinato per essere utilizzato come combustibile in una cella a combustibile. Una membrana a scambio protonico, o PEM, trasforma l'energia chimica, o idrogeno gassoso, in energia elettrica. Come per l'elettrolisi, la cella a combustibile PEM impiega una reazione redox. L'idrogeno gassoso viene consegnato all'anodo del gruppo di celle a combustibile, dove viene ossidato per formare protoni ed elettroni.
I protoni caricati positivamente migrano attraverso la membrana di scambio protonico, fino al catodo. Tuttavia, gli elettroni caricati negativamente non sono in grado di permeare la membrana. Gli elettroni viaggiano attraverso un circuito esterno, fornendo corrente elettrica. L'ossigeno gassoso viene erogato al catodo del gruppo cella a combustibile, dove avviene la reazione di riduzione. Lì, l'ossigeno reagisce con i protoni e gli elettroni che sono stati generati all'anodo, per formare acqua. L'acqua viene quindi rimossa dalla cella a combustibile come rifiuto.
Ora che le basi del funzionamento delle celle a combustibile sono state spiegate, diamo un'occhiata a questo processo in laboratorio.
Per iniziare la procedura, predisporre l'elettrolizzatore e le due bombole di raccolta gas. Riempire i contenitori esterni con acqua distillata fino al segno zero. Posizionare le bombole di raccolta del gas nei contenitori esterni.
Quindi, collegare l'elettrolizzatore alle bombole di raccolta del gas utilizzando un tubo. Collegare un pannello solare all'elettrolizzatore utilizzando i ponticelli. Posizionare il pannello solare alla luce diretta del sole per alimentare la produzione di idrogeno gassoso. Se la luce naturale non è sufficiente, simulare la luce solare utilizzando una lampada.
L'idrogeno e l'ossigeno gassoso inizieranno a entrare nelle bombole interne di raccolta del gas. Monitorare il volume di ciascun gas prodotto a intervalli di 30 secondi, utilizzando la scala segnata sul cilindro esterno.
Quando il cilindro interno è completamente pieno di idrogeno gassoso, le bolle emergono dal cilindro interno, raggiungendo infine la superficie. A questo punto, scollegare il pannello solare dall'elettrolizzatore e chiudere il cincher sul tubo dell'idrogeno gassoso, in modo che non fuoriesca nulla dell'idrogeno gassoso. Si noti che c'è il doppio dell'idrogeno gassoso prodotto rispetto all'ossigeno gassoso, come previsto nell'equazione chimica bilanciata.
Per iniziare il funzionamento della cella a combustibile, posizionare la cella a combustibile sul piano di lavoro. Scollegare il tubo dell'idrogeno gassoso dall'elettrolizzatore e collegarlo alla cella a combustibile. L'ossigeno necessario viene raccolto dall'aria.
Collegare la cella a combustibile a una ventola o a una luce LED per visualizzare la produzione di energia. Rilasciare il cinch sul tubo dell'idrogeno gassoso per consentire il flusso di gas alla cella a combustibile. Se la ventola non inizia a girare, premere la valvola di spurgo sulla cella a combustibile per favorire il flusso di gas.
La ventola continuerà a girare fino a quando tutto l'idrogeno gassoso non sarà consumato.
Esistono molti tipi diversi di celle a combustibile che vengono sviluppate come soluzioni di energia pulita. Qui presentiamo tre tecnologie emergenti.
Le celle a combustibile a ossido solido, o SOFC, sono un altro tipo di cella a combustibile, che funziona in modo simile a una cella a combustibile PEM, tranne per il fatto che la membrana permeabile viene sostituita con un ossido solido. Come per le celle a combustibile PEM, l'operabilità delle SOFC diminuisce in seguito all'esposizione a gas contaminanti contenenti zolfo e carbonio. In questo esempio, gli elettrodi SOFC sono stati fabbricati e quindi esposti ad ambienti operativi tipici ad alta temperatura in presenza di carburante contaminato da zolfo e carbonio.
L'avvelenamento della superficie degli elettrodi è stato studiato utilizzando l'elettrochimica e la spettroscopia Raman. I risultati hanno mostrato che la corrente è diminuita in seguito all'avvelenamento da zolfo, ma che il recupero è stato possibile. Gli studi di microscopia a forza atomica hanno chiarito la morfologia dei depositi di carbonio, che può portare a un ulteriore sviluppo per prevenire questo avvelenamento.
Una cella a combustibile microbica ricava corrente elettrica dai batteri presenti in natura. In questo esempio, sono stati coltivati batteri acquisiti da impianti di trattamento delle acque reflue e utilizzati per coltivare biofilm. È stata creata una cella elettrochimica a tre elettrodi, al fine di coltivare i batteri sulla superficie di un elettrodo. Il biofilm è stato coltivato elettrochimicamente in diversi cicli di crescita.
Il biofilm risultante è stato quindi testato per il trasferimento elettrochimico di elettroni extracellulari. I risultati elettrochimici sono stati quindi utilizzati per comprendere il trasferimento di elettroni e la potenziale applicazione del biofilm alle celle a combustibile microbiche.
L'elettrolisi richiede energia per scomporre l'acqua in idrogeno e ossigeno. Questo processo è ad alta intensità energetica su larga scala, ma può essere eseguito su piccola scala utilizzando una cella solare.
Una fonte di energia alternativa per l'elettrolisi è l'energia eolica. In laboratorio, l'elettrolisi può essere alimentata con una turbina eolica da banco. In questa dimostrazione, la turbina eolica è stata alimentata utilizzando il vento simulato generato da un ventilatore da tavolo.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla pila a combustibile PEM. A questo punto dovreste comprendere il funzionamento di base di una cella a combustibile PEM e la generazione di idrogeno gassoso tramite elettrolisi. Grazie per l'attenzione!
