Cosa sono e come funzionano le celle a combustibile

L'auto a idrogeno si può basare su tre tipi di celle a combustibile, vediamo come funzionano

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Cella a combustibile
Una cella a combustibile utilizzata sullo space shuttle

Sempre più spesso si sente parlare di auto alimentate da un “motore a idrogeno”, che funzionano con celle a combustibile (fuel cell). Per capire al meglio questa tecnologia proviamo a fare un quadro della situazione attuale, cercando di capire come funzionano e che tipologie ci sono di celle a combustibile.

Come funzionano le celle a combustibile

Le celle a combustibile sono sistemi elettrochimici in cui una ossidoriduzione di combustione (per esempio fra idrogeno e ossigeno per produrre acqua) avviene con le semireazioni di ossidazione e riduzione non contestuali ma separate, in siti diversi divisi da una membrana.

Dalla reazione si ricava una corrente elettrica con un rendimento molto maggiore rispetto alla stessa combustione lasciata avvenire in modo “classico”; i prodotti di reazione dipendono dalla formulazione dei reagenti, ma equivalgono a quelli che si otterrebbero lasciando avvenire la stessa reazione in modo incontrollato: se si tratta di una combustione di idrocarburi, tipicamente i prodotti di reazione sono acqua e anidride carbonica (CO2).

Non si eliminano quindi le emissioni di anidride carbonica, ma si riducono a parità di energia prodotta (grazie all’efficienza di reazione vicina al 100%) e si evitano prodotti collaterali della reazione come ossidi d’azoto (che si formano a causa della combustione ad alta temperatura in presenza dell’azoto atmosferico) o particolato (generato da una imperfetta combustione).

Inoltre la reazione non produce calore che poi deve essere convertito in energia meccanica da qualche macchina termica avente a sua volta un rendimento molto inferiore al 100%, ma produce direttamente energia elettrica subito sfruttabile e lo fa con un rendimento elevatissimo.

I differenti tipi di celle a combustibile: PEM, AFC e a flusso

Ci sono vari tipi di celle a combustibile dal punto di vista dell’architettura della cella e dello stato fisico di elettrolita e reagenti. Nel tipo più usato, la cella a combustibile a membrana a scambio protonico (PEM), l’elettrolita è una membrana solida, per esempio in Nafion, i reagenti possono essere ad esempio idrogeno e ossigeno oppure metanolo e ossigeno, mentre gli elettrodi sono in Platino o Platino/Rubidio di solito su un supporto di grafite.

PEM Fuel Cell, celle a combustibile PEM
Schema delle celle a combustibile PEM

Un altro tipo è la cella a combustibile alcalina (AFC) in cui l’elettrolita è una soluzione acquosa di idrossido di potassio di cui viene impregnata una apposita matrice, e i reagenti sono idrogeno e ossigeno. Gli elettrodi sono in Platino o Nichel.

Celle a combustibile AFC
Schema celle a combustibile AFC

Esiste poi una classe particolare di celle che funzionano a flusso: i reagenti sono liquidi, giocano anche un ruolo di elettrolita, sono separati da un particolare tipo di membrana e si consumano durante il funzionamento. C’è un serbatoio per ognuno dei due reagenti e delle pompe che li fanno circolare attraversando la cella in cui, all’interfaccia rappresentata dalla membrana, può avvenire la reazione. Per caricare una cella a combustibile di questo tipo basta banalmente versare gli elettroliti in due serbatoi. Il rifornimento quindi è veloce come quello di un motore a combustione interna; non c’è confronto con il tempo di ricarica per via elettrica di una batteria.

flowcell - celle a combustibile a flusso
Schema celle a combustibile a flusso

comparazioneMa ricordiamoci che per quanto riguarda invece la densità di energia accumulabile in rapporto a peso e volume, le batterie al Litio e al Metallo-aria sono ancora in vantaggio rispetto alle celle a combustibile.

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