LE CELLE A COMBUSTIBILE

La nascita delle celle a combustibile risale al 1839, anno in cui Sir William Grove, riportò i risultati di un esperimento nel corso del quale era riuscito a generare energia elettrica in una cella contenente una soluzione di acido solforico diluita, dove erano stati immersi due elettrodi, sui quali arrivavano rispettivamente idrogeno ed ossigeno.
Il primo utilizzo si ebbe negli anni ’60 quando furono adottate per realizzare i generatori elettrici nell’ambito delle missioni Gemini ed Apollo della NASA.

CONCETTI GENERALI

La cella a combustibile è un dispositivo che converte direttamente l’energia chimica dei reagenti, un combustibile ed un ossidante, in elettricità sotto forma di corrente continua a bassa tensione, attraverso reazioni elettrochimiche.
Il suo principio di funzionamento è assimilabile a quello di una comune batteria, con la differenza che i reagenti non sono immagazzinati all’interno delle batteria ma vengono forniti dall’esterno ed inoltre né l’elettrolita né gli elettrodi vengono consumati durante la reazione.
La cella elementare è composta da due elettrodi in materiale poroso rivestiti da catalizzatori immersi in un elettrolita.
Gli elettrodi fungono da siti catalitici per le reazioni elettrochimiche. Ad essi spetta il compito di estrarre i prodotti di reazione dalla cella. La loro struttura porosa facilita la diffusione dei reagenti gassosi che alimentano la cella. Inoltre, con l’utilizzo di opportuni catalizzatori si riesce ad ottenere un’eccezionale cinetica chimica e quindi una elevata densità di potenza.
L’elettrolita ha il compito di trasportare le specie ioniche tra anodo e catodo chiudendo il circuito elettrico all’interno della cella. Esso deve avere una elevata conducibilità ionica ed una buona stabilità della composizione chimica.
La più nota pila a combustibile è quella idrogeno-ossigeno che è basata sulla combustione fredda, cioè senza fiamma:
   (3.1)

Secondo la reazione di ossidoriduzione, l’idrogeno (combustibile) inviato all’anodo si dissocia in ioni positivi ed elettroni; gli elettroni (e-) viaggiano attraverso il carico esterno mentre gli ioni idrogeno (H+) attraversano l’elettrolita migrando verso il catodo e chiudendo cosi il circuito elettrico. Gli ioni, al catodo, reagiscono con l’ossigeno contenuto nell’aria producendo acqua. La trasformazione elettrochimica è accompagnata dalla liberazione di calore che deve essere tolto dalla cella per mantenere costante la temperatura di funzionamento.
Una singola cella fornisce normalmente una tensione di circa 0,7 V. Per ottenere la potenza ed il voltaggio desiderato, più celle elementari vengono “impilate” e unite elettricamente in serie, formando il cosiddetto stack.
Uno degli aspetti più importanti delle celle a combustibile sta nel fatto che l’energia chimica viene trasformata direttamente in energia elettrica senza essere convertita prima in energia termica come avviene per la produzione di energia elettrica da combustibili fossili.
L’emissione di inquinanti, a differenza dei sistemi di conversione tradizionali, è notevolmente ridotta. Un confronto delle emissioni di impianti a celle combustibile con quelle di impianti di generazione di potenza tradizionali è riportato nella figura (3.2).