ELETTROCHIMICA DELLA CELLA

Il funzionamento di una cella a combustibile è basato sulla reazione d’ossidoriduzione

(3.1)

che avviene a temperatura e pressione costante. Le semireazioni che la compongono sono diverse a seconda del tipo di cella adoperata.

Nella cella PAFC, l’elettrolita adoperato è l’acido fosforico (H3PO4) mentre il combustibile e l’ossidante sono costituiti da ossigeno ed idrogeno. Quando l’idrogeno viene introdotto nel compartimento anodico della cella, entrando a contatto con il catalizzatore (platino) che riveste l’elettrodo dà luogo a due fenomeni contemporanei:
◊L’idrogeno che attraversa l’elettrodo cede ioni positivi (H+) alla soluzione lasciando sugli atomi solo l’elettrone di valenza e facendo assumere all’elettrodo un potenziale negativo
◊Gli ioni in soluzione tendono ad accumularsi sulla superficie dell’elettrodo a potenziale negativo
I due fenomeni avvengono inizialmente a velocità diverse. La velocità con cui gli ioni H+ vanno in soluzione è maggiore di quella in cui gli ioni in soluzione si accumulano sulla superficie dell’elettrodo. Al procedere della reazione, la cessione di ioni H+ alla soluzione viene ostacolata dal fatto che essa tende ad assumere un potenziale positivo.
Di conseguenza la velocità con cui gli ioni vanno in soluzione tende a diminuire e contemporaneamente quella con cui gli ioni tendono a depositarsi sull’elettrodo aumenta.
Ad un certo punto si arriva ad una condizione d’equilibrio dove i due fenomeni tendono ad avere la stessa velocità. Questa situazione è rappresentata dalla reazione d’ossidazione il cui effetto è di far assumere all’elettrodo (anodo) potenziale negativo e di rifornire l’elettrolita con ioni idrogeno H+.

(3.11)

Gli elettroni (e-) scorrono attraverso il circuito esterno fino all’altro elettrodo (catodo), nel cui compartimento viene fatto entrare ossigeno che subisce il processo di riduzione:

(3.12)

Gli ioni O2-, appena prodotti, si legano con due ioni H+ che provengono dall’elettrolita acido e che possono attraversare l’elettrodo poroso. Si produce cosi acqua.
La reazione complessiva che avviene al catodo è:

(3.13)

In sintesi, durante il funzionamento si ha circolazione di corrente e sviluppo di calore con espulsione d’acqua al catodo.
Da notare che le semireazioni d’ossidazione e riduzione che avvengono in una cella PAFC sono esattamente le stesse di quelle coinvolte in una cella PEFC ad elettrolita polimerico e che in tutte le altre celle, ad eccezione di quelle citate e delle DMFC, l’espulsione d’acqua avviene all’anodo.