FUEL CELLS ALCALINE


Le prime applicazioni pratiche delle celle alcaline sono state su veicoli spaziali, nei quali queste “pile” hanno costituito un sicuro e autonomo mezzo per generare l’energia elettrica richiesta dai vari sistemi di bordo: comunicazioni, dispositivi di guida, strumenti di controllo, apparati di climatizzazione degli ambienti e illuminazione.
Questa cella, con prestazioni che ancor oggi sono considerate eccezionali, è stata usata nella missione Apollo, nel programma Space shuttle ed era stata programmata per essere impiegata nel progetto European Hermes.
Un primo prototipo da 5Kw è stato sviluppato nel 1955 sulla base degli studi di Bacon effettuati nel 1932. Tale prototipo era costituito da un anodo di nichel, un catodo di ossido di nichel e come elettrolita una soluzione acquosa di KOH, e lavorava ad una temperatura e pressione rispettivamente di 200°C e 5 MPa.
Sebbene usando soluzioni di KOH concentrate (85%) è possibile raggiungere temperature di lavoro superiori a 250°C, attualmente tali celle lavorano al di sotto dei 100°C, usando soluzioni a basse concentrazioni di KOH (35% - 50%), poiché non occorre una temperatura elevata per aumentare la velocità di riduzione dell’ossigeno. Pertanto rientrano nella categoria di fuel cell a bassa temperatura (70°C)[1].

Fig 1.Fuel cell alcalina impiegata nella missione Apollo



Reazioni

Questa famiglia di celle usa, come elettrolita, una soluzione acquosa di idrossido di potassio trattenuto in una matrice solida (di norma asbesto, varietà di amianto).
La reazione di riduzione dell’ossigeno e di ossidazione dell’idrogeno che avvengono all’interno del mezzo alcalino coinvolgono ioni ossidrilici. Lo ione ossidrilico formato dalla riduzione catodica dell’acqua migra, attraverso l’elettrolita, verso l’anodo, dove, ricombinandosi con l’idrogeno, appena ossidato, produce acqua.

CATODO:

½O2 + H2O + 2e- ® 2OH-

ANODO:

H2+ 2OH- ® 2H2O + 2e-

REAZIONE COMPLESSIVA:

H2+½O2 ® H2O


Fig 2.Rappresentazione schematica dello svolgimento della reazione.


Il vantaggio di una AFC rispetto agli altri sistemi (PAFC) consiste nel fatto che la riduzione dell’ossigeno a idrossinione è molto più veloce dell’equivalente ossidazione dell’idrogeno ad acqua, grazie ad una migliore cinetica ed inoltre presentano una vita più lunga dovuta alla minore aggressività chimica dell’elettrolita presente nei confronti dei materiali costituenti la cella[1].

Descrizioni delle componenti di una cella alcalina

Elettrodi

I primi elettrodi contenevano catalizzatori a base di nichel qualche volta attivati con platino. Rispetto alle celle ad acido fosforico, vi è una più ampia possibilità di scelta di elettrocatalizzatori, compresi elettrodi di nichel, di ossidi di metallo, spinelli e metalli nobili.
Attualmente vengono usati sia per l’anodo che per il catodo, elettrodi porosi Pt/C ("gas diffusion"), sebbene diversi gruppi di studiosi stanno analizzando altre possibilità. È stata infatti proposta una lega Pt/Co che ha dimostrato avere un’attività superiore al platino per la riduzione dell’ossigeno grazie all’alta densità di corrente di scambio. Inoltre si stanno analizzando catalizzatori ad Ag e Co per sostituire alcuni o tutti gli elettrodi al Pt[1].

Elettrolita

L’uso di una soluzione di KOH, come elettrolita, in una matrice stabilizzata è svantaggioso per la maggior parte delle applicazioni. Nonostante ciò, si è da tempo osservato che, facendo ricircolare la soluzione di KOH, il tempo di vita della cella aumenta. Un “elettrolita circolante”, infatti, fornisce una buona barriera contro la perdita di gas e può fungere, all’interno della cella o dello stack, da liquido di raffreddamento. Inoltre può essere usato per pulire la cella e rimuovere l’acqua prodotta all’anodo[1].

Svantaggi

Uno dei maggiori problemi di una AFC è la formazione di carbonati. L’aria e l’idrogeno, infatti, devono essere altamente puri e quindi vanno depurati da CO2 e CO, in quanto il primo composto può interagire con l’elettrolita dando la seguente reazione:

CO2+ 2OH- ® CO32-+H2O

La formazione di carbonati, attraverso l’ossidazione del supporto di carbonio presente sull’elettrodo "gas diffusion" (in condizione di circuito aperto), ne intasa i pori diminuendo rapidamente le performance della cella. Facendo ricircolare la soluzione di KOH, però, si evita la formazione di carbonati. Inoltre, l’anidride carbonica può essere rimossa dall’idrogeno e dal flusso d’aria grazie ad un sistema “iron-sponge”, che è simile alla reazione di shift che avviene in un reformer. Un altro processo di rimozione di CO2 è l’assorbimento swing. Nonostante tale svantaggio, le AFC rispetto alle altre celle hanno un’alta efficienza elettrica (60%)[1].

Questo tipo di fuel cell è stata la prima a essere sviluppata, ma a causa della loro sensibilità alla presenza di anidride carbonica sono state progressivamente abbandonate a favore di altre tipologie di cella. Rimangono molto promettenti qualora si disponga di idrogeno puro.





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Bibliografia

[1] Carette, L.; Friedirch, A.; Stimming, U.;Chemphyschem. 2000,1,161-193.