PEM, SPFC, PEFC

Pile a combustibile con membrana di scambio protonico:
PEM ( Proton Membrane Exchange). Conosciute anche come SPFC ( Solid Polymer Fuel Cell) e PEFC (Proton Exchage Fuel Cell)

Queste pile a combustibile (o celle a combustibile) funzionano a temperature relativamente basse (60-120 °C), hanno un’alta densità di energia e il loro rendimento può variare velocemente a seconda delle esigenze. Sono adatte per applicazioni che necessitano di un avvio veloce.




Secondo il Dipartimento di Energia Statunitense “sono le più indicate per i veicoli a basso rendimento, per gli edifici e, potenzialmente, per piccoli strumenti, essendo utilizzabili come batterie sostituibili o ricaricabili”.


La membrana di scambio dei protoni, ricoperta da entrambi i lati da una lega di particelle metalliche (in origine platino ma ora anche altri materiali meno costosi) sparpagliate che fungono da catalizzatori, è un sottile foglio di plastica che permette il passaggio dell’idrogeno. Gli atomi di idrogeno vengono attirati verso l’anodo della pila a combustibile dove, grazie al catalizzatore, sprigionano elettroni diventando ioni di idrogeno (protoni).
Gli elettroni così prodotti, creano corrente elettrica che può essere utilizzata prima che venga raggiunto il catodo,dove si trova l’ossigeno.
Nello stesso tempo i protoni, attraverso la membrana, arrivano al catodo dove idrogeno e ossigeno hanno prodotto acqua, completando l’intero processo.



La reazione all'interno di ogni elettrodo


Il gas di idrogeno viene ionizzato producendo elettroni liberi e H+ ioni.
Gli elettroni percorrono il circuito esterno della cella, e arrivano al catodo. Gli H+ ioni si muovono attraverso la soluzione elettrolitica e arrivano anch'essi al catodo.



Nel catodo gli H+ioni e elettroni reagiscono con l'ossigeno producendo l'acqua:


L'unico "inquinante" che produce questo tipo di cella è l'acqua.



L'unico carburante consentito è l'idrogeno, gli idrocarburi possono essere utilizzati ma il loro reform deve essere fatto perfettamente. Una piccola quantità di monossido di carbonio nella cella e' un veleno permanente per il catalizzatore.



Generalmente lavorano ad una temperatura di esercizio di 90°C e questo permette di usare anche materiali poco costosi. Sfortunatamente queste basse temperature sono vicine alla temperatura ambiente e questo e' un problema perché non si riesce a disperdere il calore in eccesso.

E' richiesto un catalizzatore per avviare la reazione a queste base temperature; agli inizi veniva usato il Platino ma il suo alto costo a portato a sviluppare nuovi materiali, ed ora il costo per automobile del catalizzatore e' di circa 150$.

Se si usa un reformer sono richiesti alcuni minuti ulteriori per il riscaldamento. La riserva di idrogeno deve essere usata nella fase di start-up.
E' richiesto l'uso di un impianto di raffreddamento, questo per la presenza di acqua pura nella cella. La gestione di questa acqua e' un problema per le prestazioni della cella; la cella infatti, deve operare in condizioni tali che l'acqua prodotta non evapori troppo velocemente altrimenti la membrana polimerica non e' sufficientemente idratata.
Per questi problemi spesso di arricchisce di H2 gas con poco o niente CO (diventa un serio problema alle basse temperature).



Generalmente lavorano ad una temperatura di esercizio di 90°C e questo permette di usare anche materiali poco costosi. Sfortunatamente queste basse temperature sono vicine alla temperatura ambiente e questo e' un problema perché non si riesce a disperdere il calore in eccesso.

E' richiesto un catalizzatore per avviare la reazione a queste base temperature; agli inizi veniva usato il Platino ma il suo alto costo a portato a sviluppare nuovi materiali, ed ora il costo per automobile del catalizzatore e' di circa 150$.

Se si usa un reformer sono richiesti alcuni minuti ulteriori per il riscaldamento. La riserva di idrogeno deve essere usata nella fase di start-up.
E' richiesto l'uso di un impianto di raffreddamento, questo per la presenza di acqua pura nella cella. La gestione di questa acqua e' un problema per le prestazioni della cella; la cella infatti, deve operare in condizioni tali che l'acqua prodotta non evapori troppo velocemente altrimenti la membrana polimerica non e' sufficientemente idratata.
Per questi problemi spesso di arricchisce di H2 gas con poco o niente CO (diventa un serio problema alle basse temperature).


 
Principali società e sviluppi
La canadese Ballard, pioniera nelle tecnologie PEM ha sviluppato diversi sistemi:
Prototipi per autotrazione, in collaborazione con Daimler-Chraisler
Generatori di emergenza, denominati AirGen
Cogeneratori da 1 a 250 kW, costituita da moduli denominati Mark 1030 , a idrogeno o anche con reformer per l'utilizzo con metano

Un'altra società conadese, la Hydrogenics, ha una gamma di sistemi con potenza da 1 a 5 kW, è integrabile anche con un sottosistemi per estrarre idrogeno da idruri, l'idrogeno è presente solo al momento di necessità.

In Europa la maggiore società del settore è la  Nuvera, con un centro direzionale a Milano

Altra importante società è la Plug Power, tra i vari partner vantano la General Electrics, la Vaillant, la Honda

Le fuel cell PEM possono produrre energia elettrica da idrogeno e ossigeno ma possono produrre anche idrogeno ed ossigeno da energia elettrica ed acqua, la  Proton Energy  sta sviluppando un sistema con queste caratteristiche

Altre società nel settore PEM
www.ztekcorp.com 
www.idatech.com  
www.hpower.com  
www.palcan.com   
www.avistalabs.com