La diagnostica elettrochimica avanzata promette di prolungare la durata utile delle celle a combustibile
La rivoluzione industriale era in gran parte alimentata da motori a vapore e dalla combustione del carbone. Oggi, i generatori con turbina a vapore basati sulla combustione di combustibili fossili producono oltre il 65 % dell’energia elettrica mondiale. Le celle a combustibile con membrana elettrolitica polimerica (PEMFC) sono tra i principali contendenti per un’energia rinnovabile più pulita. Le applicazioni includono la generazione di calore ed elettricità per abitazioni o edifici (la generazione µ-CHP, ovvero un’energia microcombinata di calore ed elettricità) e per l’energia di riserva. Uno strumento avanzato di diagnostica e monitoraggio sviluppato dal progetto finanziato dall’UE HEALTH-CODE promette di migliorare significativamente le prestazioni e ridurre i costi delle PEMFC in queste ed altre applicazioni. Reazioni semplici, diagnostica complessa Le PEMFC producono elettricità direttamente dai gas idrogeno e ossigeno. L’idrogeno gassoso all’anodo è suddiviso in ioni idrogeno positivi (protoni) ed elettroni. Una PEM rivestita di catalizzatore che separa l’anodo e il catodo permette solo ai protoni di diffondersi. Gli elettroni sono spinti attraverso un circuito esterno al catodo, generando elettricità. Al catodo, gli elettroni e gli ioni idrogeno si combinano con l’ossigeno dell’aria, producendo acqua che fuoriesce dalla cella. Un certo numero di fattori può influire sia sul funzionamento che sulla durata di vita delle PEMFC, comprese le impurità nella fonte di combustibile a idrogeno o un’alimentazione inadeguata di combustibile o ossigeno. La presenza di composti a base di zolfo nelle PEMFC, ad esempio a causa di impurità nel flusso di gas dopo la riformazione, può avvelenare lo strato catalizzatore. L’equilibrio idrico è critico: se è troppo causa «inondazioni» e se è troppo poco può asciugare la membrana. Lo strumento di monitoraggio e diagnostica HEALTH-CODE controlla tutte queste condizioni e rileva i problemi prima che questi influiscano in modo irreversibile sul funzionamento e sulla durata di vita delle PEMFC. La spettroscopia avanzata offre la soluzione Secondo il coordinatore del progetto, il prof. Cesare Pianese, «I precedenti approcci di monitoraggio si basavano su numerosi sensori convenzionali di temperatura, pressione, portata massica e tensione, tra gli altri. Questi richiedono massicce analisi dei dati e tecniche di modellazione per compensare la mancanza di informazioni dirette sui processi elettrochimici che si verificano all’interno delle celle». La soluzione HEALTH-CODE è un passo avanti per il monitoraggio e la diagnosi delle prestazioni di PEMFC. Lo strumento sfrutta la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS), una tecnica ben nota già utilizzata in numerose applicazioni. La sua ampia utilità si basa sulla pletora di informazioni che fornisce, coprendo i parametri degli elettrodi e le molteplici reazioni elettrochimiche che avvengono a velocità diverse. La conferma in un ambiente operativo reale ha ribadito la capacità dello strumento di rilevare una modalità di guasto prima che si verifichino danni irreversibili, in modo più affidabile rispetto agli approcci precedenti e con un’integrazione che aggiunge meno del 3 % di costi di produzione. La conseguente riduzione dei costi operativi e di manutenzione costituirà un incentivo fondamentale per l’adozione delle PEMFC. Secondo Pianese, «Lo sfruttamento porterà a una migliore manutenzione, all’integrazione in nuovi paradigmi energetici come gli edifici/reti intelligenti e a una migliore implementazione della gestione virtuale di centrali elettriche». Inoltre, questa tecnologia potrebbe presto andare a beneficio di applicazioni che vanno al di là dell’energia µ-CHP e di riserva basata su PEMFC. In più, i sistemi mobili (automobili, autobus, treni) potrebbero essere le prime tecnologie basate sulle celle a combustibile a beneficiare del monitoraggio e della diagnostica fondati sulle tecnologie EIS. L’innovazione dovrebbe proseguire ben oltre il completamento del progetto, grazie al successo di due workshop congiunti che hanno suscitato un grande interesse. Esistono inoltre piani per lo sviluppo di un «ecosistema di crescita» che alimenta un proficuo scambio tra soggetti a livello regionale, nazionale e internazionale.
Parole chiave
Celle a combustibile con membrana elettrolitica polimerica (PEMFC), monitoraggio, idrogeno, spettroscopia ad impedenza elettrochimica (EIS), elettricità, celle a combustibile, calore ed elettricità microcombinati (µ-CHP)
