CARATTERISTICA ELETTRICA

Le semireazioni d’ossidazione e riduzione che avvengono in una cella a combustibile avvengono spontaneamente e perciò comportano una diminuzione dell'energia libera del sistema (∆G < 0).
Come avviene in una cella galvanica, il flusso d’elettroni è dovuto ad una differenza di potenziale tra i due elettrodi. Essa è detta forza elettromotrice reversibile (f.e.m.) della cella.
Una cella a combustibile, quindi, è un sistema capace di produrre energia elettrica (W)

(3.14)

dove E è la f.e.m. reversibile della cella; n è il numero di moli d’elettroni coinvolti nella reazione; F (costante di Faraday) è la quantità di carica elettrica trasportata da una mole d’elettroni e pari a 96487 C.
Per il principio di conservazione dell’energia (Primo Principio della Termodinamica), in condizioni d’equilibrio, la massima quantità d’energia elettrica che si può ottenere da una cella, che opera a temperatura e pressione costante, è pari alla variazione d’energia libera di Gibbs:

(3.15)

La quantità di calore prodotta è data dalla (3.16) in cui ∆H è la variazione d’entalpia e ∆S è la variazione d’entropia

(3.16)

La f.e.m. reversibile di una cella dipende dalla temperatura e dalle concentrazioni delle specie in soluzione. In condizioni standard, la massima tensione ottenibile da una cella idrogeno e ossigeno è di 1,229 V. Per ricavare la f.e.m. in condizioni di temperatura, concentrazione e pressione diverse da quelle standard si usa l’equazione di Nerst.
In generale, la f.e.m. reversibile di una cella combustibile diminuisce al crescere della temperatura e aumenta al crescere delle pressioni e delle concentrazioni dei reagenti.
In realtà, la tensione erogata da una cella a combustibile, è sempre minore rispetto a quella ideale e questo è dovuto a causa di cadute di potenziale.

CORRENTE ELETTRICA PRODOTTA

La corrente elettrica prodotta da una cella a combustibile può essere ricavata applicando la Legge di Faraday. Essa afferma che in seguito al passaggio di 96500 C (1 F) attraverso la cella, si verifica la riduzione di una mole d’ossigeno al catodo e l’ossidazione di una mole d’idrogeno all’anodo.
Indicando con I la corrente totale che scorre nella cella, essa la si può esprimere, attraverso la legge di Faraday, con la (3.17) che evidenza come il valore della corrente sia legato alla quantità di combustibile impiegata per alimentare la cella

(3.17)

dove il termine dn/dt rappresenta la velocità con cui si consumano le specie reagenti.
In altri termini, la (3.17) rappresenta la quantità massima di corrente teoricamente ottenibile da una cella a combustibile.
In realtà, non tutto l’idrogeno viene convertito in corrente perché una sua piccola parte viene espulsa con i prodotti dalla reazione.

VANTAGGI E SVANTAGGI NELL’USO DELLE CELLE

Le celle a combustibile potrebbero assumere un ruolo strategico nelle generazione elettrica sia nel settore industriale che in quello civile e del trasporto, in quanto presentano una serie di vantaggi rispetto ai tradizionali metodi di produzione dell’energia.
I principali vantaggi sono:
◊Minimo impatto ambientale
◊Rendimento elettrico elevato (il passaggio dell’energia avviene in maniera diretta senza il passaggio intermedio, né della combustione né dell’azione meccanica di turbine o pistoni)
◊Flessibilità nell’esercizio (gli impianti si adeguano velocemente alle variazioni di carico)
◊Affidabilità (l’assenza di parti meccaniche in movimento permette alle celle di funzionare per lunghi periodi senza il bisogno di controlli e manutenzione)
◊Possibilità d’utilizzo di una grande varietà di combustibili
I principali svantaggi sono:
◊Problemi economici (elevato costo degli impianti e del combustibile)
◊Problemi tecnici (difficoltà d’immagazzinamento dell’idrogeno in maniera sicura ed efficiente; mancanza di un’adatta rete di trasporto e distribuzione del combustibile)