La cella a combustibile

L’idrogeno può essere utilizzato per alimentare i veicoli provvisti di motore con celle a combustibile. L’idrogeno liquido è anche utilizzato a bordo delle navicelle spaziali per alimentare le celle a combustibile che forniscono l’elettricità necessaria per il funzionamento della strumentazione di bordo. L’acqua ottenuta come sottoprodotto da tali celle a combustibile può essere bevuta dall’equipaggio.
L’idrogeno potrebbe alimentare molti apparecchi elettronici di comune utilizzo, come  computer portatili, telefoni cellulari e giocattoli, che oggi necessitano di batterie pesanti e costose. Una cella a combustibile miniaturizzata è leggera, economica e di durata superiore a quella di una comune batteria. I telefoni cellulari, ad esempio, potrebbero funzionare continuativamente per mesi e basterebbe comprare periodicamente una fiala di un combustibile ricco di idrogeno (come metano o metanolo), da inserire nell’apparecchio, per alimentare la piccola cella a combustibile.
Le apparecchiature che utilizzano l’idrogeno per produrre direttamente energia elettrica vengono dette “celle a combustibile”. La cella a combustibile ad idrogeno è un generatore elettrochimico in cui l’energia elettrica è prodotta dalla reazione tra un combustibile (l’idrogeno) e un composto gassoso ossidante (l’ossigeno o l’aria). Insieme all’elettricità, vengono prodotti anche calore e acqua.
Una cella a combustibile è costituita da due elettrodi in materiale poroso, il catodo (polo negativo) e l’anodo (polo positivo). Gli elettrodi fungono da siti catalitici per le reazioni di cella che consumano fondamentalmente idrogeno ed ossigeno, con produzione di acqua e passaggio di corrente elettrica nel circuito esterno. Tra i due poli è posto l’elettrolita, che ha la funzione di condurre gli ioni prodotti da una reazione (quella che avviene all’anodo) e consumati dall’altra (quella che avviene al catodo), chiudendo il circuito elettrico all’interno della cella.La trasformazione elettrochimica è accompagnata da produzione di calore, che è necessario estrarre per mantenere costante la temperatura di funzionamento della cella. Questa struttura è del tutto simile a quella delle comuni batterie elettriche ma, a differenza di queste ultime, le celle combustibile a idrogeno consumano sostanze che provengono dall’esterno e quindi sono in grado di funzionare senza interruzioni finché vengono fornite di combustibile e di ossidante.
La cella ha una struttura piatta a tre strati: quello centrale, compreso fra il catodo e l’anodo, costituisce o contiene l’elettrolita. Le singole celle vengono sovrapposte l’una all’altra e collegate in serie in modo da ricavare una tensione di corrente del valore desiderato. Più celle impilate prendono il nome di stack (o “pila”).
Generalmente, un impianto a celle a combustibile è costituito, oltre che dalla sezione elettrochimica, anche da un convertitore di corrente e da un trasformatore che convertono la corrente continua generata dalla pila in corrente alternata. Le celle a combustibile si differenziano a seconda della natura chimica dell’elettrolita e della temperatura alla quale funzionano. Le celle che liberano temperature comprese tra 60 e 200 gradi centigradi sono dette a bassa-media temperatura, mentre si definiscono ad alta temperatura quelle che sviluppano calore fino alla temperatura di 1000 gradi centigradi. Queste ultime sono spesso utilizzate per applicazioni che necessitano sia di elettricità sia di calore.
Le celle a combustibile a bassa e media temperatura presentano minori problemi tecnologici di quelle ad alta, ma hanno rendimenti inferiori.
La tecnologia che sfrutta l’idrogeno come fonte di energia è in rapido sviluppo sia per applicazioni stazionarie (non in movimento, come industrie, abitazioni) sia per sistemi mobili (trasporti).
Le celle a combustibile rivestono un notevole interesse al fine della produzione di energia elettrica, in quanto presentano caratteristiche energetiche ed ambientali tali da renderne potenzialmente vantaggiosa l’adozione:

  • rendimento elettrico elevato, con valori che vanno dal 40-48% (riferito al potere calorico inferiore del combustibile) per gli impianti con celle a bassa temperatura, fino a raggiungere oltre il 60% per quelli con celle ad alta temperatura;
  • ridottissimo impatto ambientale, sia dal punto di vista delle emissioni gassose che di quelle acustiche, il che consente di collocare gli impianti anche in aree residenziali, rendendo il sistema particolarmente adatto alla produzione di energia elettrica distribuita;
  • possibilità di cogenerazione (produzione associata di energia elettrica e calore): il calore cogenerato può essere disponibile a diversa temperatura, in forma di vapore o acqua calda, ed impiegato per usi sanitari, condizionamento di ambienti, ecc.

Una delle centrali elettriche a “celle a combustibile” più grandi del mondo è quella che si trova presso il polo tecnologico della Bicocca a Milano (da 1,3 megawatt di potenza).

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