Celle a combustibile: caratteristiche, efficienza e applicazioni

This thesis focuses on the analysis of fuel cells as an innovative and sustainable solution in the transport sector, with particular attention to the potential for reducing CO2 emissions. Initially, some CO2 emissions by vehicle type in Europe and the US were examined to understand and highlight the impact of the transport sector on the environment and the need for more sustainable energy solutions. Following some historical background, I have gone into the operation of fuel cells, describing their structure, basic chemical process, classification, advantages and consequent applications. I have analysed some theoretical aspects such as the formulations relating to open circuit voltage (OCV) and efficiency, highlighting their limits. Then I compared the characteristic curve of a low temperature fuel cell with the curve of a 800°C temperature cell. From the two graphs it is observed that although the reversible voltage is lower for the cell operating at 800°C (high temperature), the operational voltage is generally higher because irreversibility and voltage losses at high temperatures are lower. Finally, I have highlighted the various loss factors that determine the deviation of the operating voltage from the reversible voltage value.

La presente tesi si concentra sull’analisi delle celle a combustibile come soluzione innovativa e sostenibile nel settore dei trasporti, con particolare attenzione alle potenzialità di riduzione delle emissioni di CO2. Inizialmente sono stati esaminati alcuni dati relativi alle emissioni di CO2 suddivise per tipologia di veicolo in Europa e negli Stati Uniti per comprendere ed evidenziare l’impatto che ha il settore dei trasporti sull’ambiente e la necessità di soluzioni energetiche più sostenibili. In seguito a qualche cenno storico ho approfondito il funzionamento delle celle a combustibile descrivendone la struttura, il processo chimico di base, la loro classificazione, vantaggi e conseguenti applicazioni. Ho analizzato alcuni aspetti teorici come le formulazioni relative alla tensione a circuito aperto (OCV) e l’efficienza, evidenziandone i limiti. Successivamente ho confrontato la curva caratteristica di una cella a combustibile che opera a bassa temperatura con la curva di una cella che opera alla temperatura di 800°C. Dai due grafici si osserva che nonostante la tensione reversibile sia inferiore per la cella che opera a 800°C (alta temperatura), la tensione operativa è generalmente più alta perché le irreversibilità e le perdite di tensione ad alte temperature sono inferiori. Infine ho evidenziato i diversi fattori di perdita che determinano lo scostamento della tensione operativa dal valore della tensione reversibile.