Cella a Combustibile

L’idrogeno può essere utilizzato per alimentare veicoli dotati di un motore con celle a combustibile. L’idrogeno liquido viene anche utilizzato a bordo di veicoli spaziali per alimentare celle a combustibile che forniscono l’energia necessaria per il funzionamento della strumentazione di bordo. L’acqua ottenuta come sottoprodotto da dette celle a combustibile può essere bevuta dall’equipaggio.
L’idrogeno potrebbe alimentare molti dispositivi elettronici di uso comune, come laptop, telefoni cellulari e giocattoli, che ora richiedono batterie pesanti e costose.

Una cella a combustibile miniaturizzata è leggera, economica e di durata più lunga di quella di una batteria comune. I telefoni cellulari, ad esempio, potrebbero funzionare ininterrottamente per mesi e, periodicamente, è sufficiente acquistare una fiala di un combustibile ricco di idrogeno (come metano o metanolo), da inserire nell’apparecchio, per alimentare la piccola cella a combustibile.

I dispositivi che utilizzano l’idrogeno per produrre elettricità direttamente sono chiamati “celle a combustibile”.

La celle a combustibile ad idrogeno è un generatore elettrochimico in cui l’energia elettrica viene prodotta dalla reazione tra un combustibile (idrogeno) e un composto ossidante gassoso (ossigeno o aria). Da questa reazione viene prodotto calore, acqua ed ovviamente elettricità.
Una cella a combustibile è costituita da due elettrodi di materiale poroso, il catodo (polo negativo) e l’anodo (polo positivo). Gli elettrodi agiscono come siti catalitici per le reazioni cellulari che consumano principalmente idrogeno e ossigeno, con produzione di acqua e passaggio di corrente elettrica nel circuito esterno. Tra i due poli c’è un elettrolito, che ha la funzione di condurre gli ioni prodotti da una reazione (quella che si verifica nell’anodo) e consumata dall’altra (quella che si verifica nel catodo), chiudendo il circuito elettrico all’interno del cellula. La trasformazione elettrochimica è accompagnata dalla produzione di calore, che è necessario estrarre per mantenere una temperatura operativa costante della cella. Questa struttura è simile a quella delle comuni batterie elettriche, ma, a differenza di quest’ultima, le celle a combustibile a idrogeno consumano sostanze che provengono dall’esterno e sono quindi in grado di funzionare senza interruzioni fino a quando non vengono forniti carburante e ossidante.
La cella ha una struttura piatta con tre strati: quello centrale, compreso tra il catodo e l’anodo, costituisce o contiene l’elettrolito. Le singole celle sono sovrapposte l’una sull’altra e collegate in serie in modo da ottenere una tensione della corrente del valore desiderato. Più celle in pila sono chiamate stack.

La tecnologia che utilizza l’idrogeno come fonte di energia si sta rapidamente sviluppando sia per applicazioni stazionarie (non in movimento, come industrie, abitazioni) e sistemi mobili (trasporto).
Le celle a combustibile sono di notevole interesse ai fini della produzione di energia elettrica, in quanto possiede caratteristiche energetiche ed ambientali tali da renderlo potenzialmente vantaggioso per l’adozione:
• alto rendimento elettrico, con valori che vanno dal 40-48% (riferito al potere calorifico del combustibile) per impianti con celle a bassa temperatura, fino a raggiungere oltre il 60% per quelli con celle ad alta temperatura;
• riduzione dell’impatto ambientale, sia dal punto di vista delle emissioni gassose che delle parti acustiche, che consente di posizionare gli impianti in aree residenziali, rendendo il sistema particolarmente adatto alla produzione di energia elettrica distribuita;
• possibilità di cogenerazione (produzione associata di elettricità e calore): il calore co-generato può essere fornito a diverse temperature, sotto forma di vapore o acqua calda, e utilizzato per uso sanitario, condizionamento di ambienti, ecc.