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Cella a combustibile

1838
  • William Grove
Uno dei primi dispositivi a celle a combustibile realizzato da William Grove, che illustra i principi elettrochimici della chimica fisica.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che converte direttamente l'energia chimica di un combustibile, tipicamente idrogeno, e di un agente ossidante, spesso ossigeno, in elettricità. A differenza di una batteria, richiede un apporto esterno continuo di combustibile e ossidante per funzionare. I componenti principali sono un anodo, un catodo e un elettrolita che li separa, facilitando il trasporto degli ioni.

The fundamental operation of a fuel cell involves two simultaneous redox reactions. At the anode (the negative electrode), the fuel (e.g., hydrogen) is oxidized, releasing electrons and creating positive ions. For a hydrogen fuel cell, this reaction is [latex]2H_2 \rightarrow 4H^+ + 4e^-[/latex]. These electrons cannot pass through the electrolyte; instead, they are forced to travel through an external circuit, creating a usable electric current. The ions, however, migrate through the electrolyte to the cathode (the positive electrode). At the cathode, the oxidizing agent (e.g., oxygen from the air) reacts with the incoming ions and electrons to form a waste product, which is typically water in a hydrogen fuel cell. The cathode reaction is [latex]O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O[/latex].

Questo processo è una conversione energetica diretta, che trasforma l'energia potenziale chimica direttamente in energia elettrica senza una fase di combustione intermedia. Questo rappresenta un vantaggio fondamentale rispetto ai motori termici tradizionali (come i motori a combustione interna), che sono limitati dal ciclo di Carnot e perdono una quantità significativa di energia sotto forma di calore di scarto. L'elettrolita è un componente fondamentale, poiché le sue proprietà definiscono il tipo di cella a combustibile. Deve essere un ottimo conduttore per lo ione specifico che è progettato per trasportare (ad esempio, protoni, ioni idrossido o ioni ossido), ma un cattivo conduttore per gli elettroni, impedendo così alla cella di andare in cortocircuito internamente.

UNESCO Nomenclature: 2203
- Chimica fisica

Tipo

Dispositivo fisico

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • scoperta dell'idrogeno da parte di Henry Cavendish (1766)
  • scoperta dell'ossigeno da parte di Joseph Priestley e Carl Wilhelm Scheele (c. 1774)
  • invenzione della pila voltaica da parte di Alessandro Volta (1800)
  • formulazione delle leggi dell'elettrolisi di Michael Faraday (1833)

Applicazioni

  • propulsione automobilistica (FCEV)
  • generazione di energia stazionaria
  • dispositivi di alimentazione portatili
  • sistemi di alimentazione di backup per data center e telecomunicazioni
  • energia per veicoli spaziali e località remote

Brevetti:

  • US391381A (Francis Bacon, 1959, for alkaline fuel cell)

Idee e potenziali innovazioni

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Argomenti correlati: cella a combustibile, elettrochimica, idrogeno, ossigeno, anodo, catodo, elettrolita, reazione redox, conversione diretta dell'energia, William Grove.

Contesto storico

Cella a combustibile

1832
1834
1835
1838
1841
1845
1850
1831
1833
1834
1836
1839-01-01
1842
1847
1850

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

Invenzioni, innovazioni e principi tecnici correlati

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