Fuel Cell Le Fuel Cell (o celle a combustibile) sono apparecchi in

Fuel Cell
Le Fuel Cell (o celle a combustibile) sono apparecchi in grado di produrre corrente elettrica tramite
una reazione chimica nella quale viene consumato dell'idrogeno. Il primo esperimento atto a
dimostrare il principio di funzionamento delle fuel cell fu compiuto dall'avvocato e scienziato
William Grove nel 1839. Una fuel cell è composta da un catodo, un elettrolita ed un anodo. Per
comprendere il principio di funzionamento analizziamo una fuel cell con elettrolita acido (simile a
quella utilizzata da Grove). Si osservi lo schema in figura:
Anodo
2H2 → 4H+ + 4eElettrolita
Catodo
O2 + 4e- + 4H+ → 2H2O
Carico
(ad es. un
motore
elettrico)
Come si può notare, all'anodo della cella avviene una ionizzazione dell'idrogeno che rilascia degli
elettroni e degli ioni H2 (protoni). Questa reazione rilascia dell'energia. Viceversa, al catodo,
l'ossigeno reagisce con gli elettroni e gli ioni di idrogeno che fluiscono attraverso l'elettrolita per
formare dell'acqua.
Chiaramente, affinchè entrambe le reazioni si producano, gli elettroni prodotti all'anodo devono
poter raggiungere il catodo attraverso un circuito elettrico.
Inoltre, gli ioni H+ devono poter fluire attraverso l'elettrolita: nell'esempio, viene utilizzato un acido
che per definizione è un fluido contenente ioni H+ liberi e dunque perfetto per lo scopo. Si noti che
alcuni polimeri possono contenere ioni di idrogeno liberi: detti materiali vengono chiamati in
inglese “proton exchange membranes” e sono comunemente usati nelle celle a combustibile.
L'elettrolita deve inoltre essere permeabile agli elettroni, altrimenti quest'ultimi non
attraverserebbero il circuito esterno e tutto il lavoro andrebbe perso.
Complessivamente, la reazione che si sviluppa nell'esempio, può essere scitta:
2H2 + O2 →
2H2O
ovvero come se l'idrogeno venisse “bruciato” insieme all'ossigeno per produrre dell'acqua.
A seconda del tipo di cella, la reazione globale rimane invariata mentre cambiano le singole reazioni
al catodo ed all'anodo.
Il voltaggio di una singola cella è normalmente piuttosto basso (circa 0.7 V) ed è quindi necessario
collegare più celle in serie per creare quello che in inglese viene definito “stack”.
Due sono i problemi intrinsechi alle fuel cell:
La reazione avviene molto lentamente, generando cosi basse correnti e potenze;
l'idrogeno non esiste in natura, da poter essere utilizzato direttamente come combustibile.
Per risolvere questi due problemi sono stati creati diversi tipi di fuel cell, che si distinguono
normalmente per il tipo di elettrolita utilizzato. Nella seguente tabella vengono riportati i diversi tipi
(si è preferito utilizzare i nomi e acronimi in inglese).
Tipo di cella
Ioni mobili
Temperatura di utilizzo Applicazioni e note
Alcaline (AFC)
OH-
50-200°C
Usate
in
veicoli
spaziali, ad es Apollo,
Shuttle.
30-100°C
Usate per autotrazione
e applicazioni mobili.
20-90°C
Utilizzate per sistemi a
bassa potenza che
devono funzionare per
lunghi periodi, ad
esempio
computer
portatili.
Circa 220°C
Utilizzate per sistemi di
produzione combinata
di potenza e calore
(CHP). Diversi sistemi
da 200 kW in funzione.
Circa 650°C
Utilizzate per sistemi
CHP di grande scala,
fino a qualche MW di
potenza.
500-1000°C
Utilizate per sistemi
CHP
di
varie
dimensioni, da qualche
kW fino a qualche MW
di potenza.
Proton
exchange H+
membrane (PEMFC)
Direct
(DMFC)
Phosphoric
(PAFC)
Molten
(MCFC)
methanol H+
acid H+
Carbonate CO32-
Solid oxide (SOFC)
O2-
Di seguito, si analizzano brevemente i singoli tipi di cella, evidenziandone vantaggi e svantaggi.
Proton exchange membrane fuel cell: sono la versione più semplice di fuel cell esistenti.
L'elettrolita è un polimero solido nel quale sono presenti degli ioni di idrogeno mobili. Le
singole celle funzionano a temperature relativamente basse e dunque la reazione chimica è
per natura lenta. Per aumentarne la velocità si utilizzano dei catalizzatori ed elettrodi
sofisticati. Come catalizzatore viene impiegato il platino ma grazie ai recenti sviluppi sono
necessarie piccole quantità che non influenzano il costo delle celle in maniera sensibile. Il
vero problema di queste celle è che devono essere alimentate direttamente con idrogeno ad
elevato grado di purezza. Il loro vantaggio è la relativa semplicità.
Direct methanol fuel cell: in questo tipo di celle è possibile utilizzare direttamente il
metanolo in forma liquida come combustibile, senza dover passare per un reformer.
Sfortunatamente, è possibile sviluppare solo potenze molto basse, ma ciò nonostante si
stanno aprendo un gran numero di applicazioni di tipo elettronico.
Alkaline fuel cell: questo genere di celle sono state impiegate con successo nell'azienda
aerospaziale americana (NASA), ad esempio nei programmi Apollo e nello Space Shuttle.
Per garantire una velocità di reazione accettabile vengono impiegati degli elettrodi altamente
porosi drogati con platino, che operano a temperature e pressioni maggiori delle PEMFC.
Come per queste ultime, sia l'idrogeno che l'ossigeno impiegati devono avere una elevato
grado di purezza.
Phosphoric acid fuel cell: sono state le prime fuel cell ad essere prodotte in grandi quantità
e ad aver trovato un diffuso impiego per applicazioni terrestri. In particolare, molti sistemi
CHP (combined heat and power) da 200 kW per la cogenerazione sono stati installati in
Giappone, USA ed Europa. Per aumentare la velocità di reazione vengono impiegate alte
temperature (circa 200°C), elettrodi porosi e platino come catalizzatore. Per alimentare
questa tipologia di celle si utilizza normalmente un riformatore di gas (metanolo
generalmente) che produce idrogeno e biossido di carbonio (CO2), aumentandone però costi
e peso.
Solid oxide fuel cell: questo tipo di celle lavora a temperature comprese tra i 500 e i
1000°C, non necessitando in questo modo di particolari catalizzatori. Inoltre è possibile
alimentarle direttamente con gas (metano) poiché il processo di trasformazione ed estrazione
dell'idrogeno avviene internamente. Da questo punto di vista, questo tipo di cella risolve
tutti i problemi tipici delle fuel cell. Ciononostante, i materiali ceramici utilizzati sono molto
complessi e costosi. Inoltre, per il loro corretto funzionamento, sono necessari tutta una serie
di impianti aggiuntivi, tra i quali dei pre-riscaldatori dell'aria e del combustibile. Inoltre, il
sistema di raffreddamento della cella è molto complesso e le celle stesse sono di difficile
accensione.
Molten carbonate fuel cell: questo tipo di cella lavora ad una temperatura di circa 650°C e
possiede l'interessante proprietà di necessitare della presenza di CO2 nell'aria per funzionare
correttamente. Come catalizzatore e base per l'elettrodo viene utilizzato il nickel, un
materiale economico e facilmente reperibile. Come nel caso delle SOFC si può utilizzare
direttamente del gas come combustibile (metano). Il problema di questo tipo di cella va
ricercato nell'elettrolita impiegato, una mistura calda e corrosiva di litio, potassio e carbonati
di sodio.
(C.N.)