Cella a combustibile

Dall’energia chimica all’energia elettrica

Una cella a combustibile (in realtà un gruppo di celle) ha essenzialmente gli stessi tipi di componenti di una batteria. Come in quest’ultima, ogni cella di un sistema di celle a combustibile ha una coppia di elettrodi corrispondenti. Questi sono l’anodo, che fornisce elettroni, e il catodo, che assorbe gli elettroni. Entrambi gli elettrodi devono essere immersi e separati da un elettrolita, che può essere un liquido o un solido, ma che in entrambi i casi deve condurre ioni tra gli elettrodi per completare la chimica del sistema. Un combustibile, come l’idrogeno, viene fornito all’anodo, dove viene ossidato, producendo ioni idrogeno ed elettroni. Un ossidante, come l’ossigeno, viene fornito al catodo, dove gli ioni di idrogeno dell’anodo assorbono elettroni da quest’ultimo e reagiscono con l’ossigeno per produrre acqua. La differenza tra i rispettivi livelli di energia agli elettrodi (forza elettromotrice) è la tensione per unità di cella. La quantità di corrente elettrica disponibile per il circuito esterno dipende dall’attività chimica e dalla quantità di sostanze fornite come combustibili. Il processo di produzione di corrente continua finché c’è una fornitura di reagenti, perché gli elettrodi e l’elettrolita di una cella a combustibile, a differenza di quelli di una normale batteria, sono progettati per rimanere invariati dalla reazione chimica.

Una cella a combustibile pratica è necessariamente un sistema complesso. Deve avere caratteristiche per aumentare l’attività del combustibile, pompe e soffianti, contenitori per lo stoccaggio del combustibile, e una varietà di sofisticati sensori e controlli con cui monitorare e regolare il funzionamento del sistema. La capacità operativa e la durata di ciascuna di queste caratteristiche di progettazione del sistema possono limitare le prestazioni della cella a combustibile.

Come nel caso di altri sistemi elettrochimici, il funzionamento della cella a combustibile dipende dalla temperatura. L’attività chimica dei combustibili e il valore dei promotori di attività, o catalizzatori, sono ridotti dalle basse temperature (ad esempio, 0 °C, o 32 °F). Temperature molto alte, d’altra parte, migliorano i fattori di attività ma possono ridurre la durata di funzionamento degli elettrodi, dei soffiatori, dei materiali di costruzione e dei sensori. Ogni tipo di cella a combustibile ha quindi un intervallo di progettazione di temperatura operativa, e un allontanamento significativo da questo intervallo è probabile che diminuisca sia la capacità che la durata.

Una cella a combustibile, come una batteria, è intrinsecamente un dispositivo ad alta efficienza. A differenza delle macchine a combustione interna, in cui si brucia un combustibile e si espande il gas per fare lavoro, la cella a combustibile converte l’energia chimica direttamente in energia elettrica. A causa di questa caratteristica fondamentale, le celle a combustibile possono convertire i combustibili in energia utile con un’efficienza del 60%, mentre il motore a combustione interna è limitato a efficienze vicine al 40% o meno. L’alta efficienza significa che sono necessari molto meno combustibile e un contenitore di stoccaggio più piccolo per una richiesta di energia fissa. Per questo motivo, le pile a combustibile sono un’alimentazione attraente per le missioni spaziali di durata limitata e per altre situazioni in cui il carburante è molto costoso e difficile da fornire. Inoltre non emettono gas nocivi come il diossido di azoto e non producono praticamente nessun rumore durante il funzionamento, il che le rende contendenti per le stazioni locali di generazione di energia municipale.

Una cella a combustibile può essere progettata per funzionare in modo reversibile. In altre parole, una cella a idrogeno-ossigeno che produce acqua come prodotto può essere fatta per rigenerare idrogeno e ossigeno. Tale cella a combustibile rigenerativa comporta non solo una revisione del design degli elettrodi, ma anche l’introduzione di mezzi speciali per separare i gas prodotti. Alla fine, i moduli di potenza che comprendono questo tipo di cella a combustibile ad alta efficienza, usati insieme a grandi matrici di collettori termici per il riscaldamento solare o altri sistemi di energia solare, possono essere utilizzati per mantenere i costi del ciclo di energia più bassi in apparecchiature più longeve. Le maggiori compagnie automobilistiche e le aziende produttrici di macchinari elettrici in tutto il mondo hanno annunciato la loro intenzione di produrre o utilizzare commercialmente le celle a combustibile nei prossimi anni.