Una cella a combustibile è come una batteria in quanto genera elettricità da una reazione elettrochimica.
Una cella a combustibile, utilizza una fornitura esterna di energia chimica e può funzionare indefinitamente, purché sia alimentata con una fonte di idrogeno e una fonte di ossigeno (solitamente aria). La fonte di idrogeno è generalmente indicata come il combustibile e questo dà alla cella a combustibile il suo nome, anche se non vi è alcuna combustione coinvolta. L’ossidazione dell’idrogeno avviene invece per via elettrochimica in modo molto efficiente. Durante l’ossidazione, gli atomi di idrogeno reagiscono con gli atomi di ossigeno per formare acqua; nel processo gli elettroni vengono rilasciati e fluiscono attraverso un circuito esterno come corrente elettrica.
Le celle a combustibile possono variare da piccoli dispositivi che producono solo pochi watt di elettricità, fino a grandi centrali elettriche che producono megawatt. Tutte le celle a combustibile si basano su un design centrale che utilizza due elettrodi separati da un elettrolita solido o liquido che trasporta particelle elettricamente cariche tra di loro. Un catalizzatore è spesso usato per accelerare le reazioni agli elettrodi. I tipi di celle a combustibile sono generalmente classificati secondo la natura dell’elettrolita che usano. Ogni tipo richiede materiali e combustibili particolari ed è adatto ad applicazioni diverse.
Nel campo dell’energia, la maggior parte dell’idrogeno è usato attraverso le celle a combustibile (FC). Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che combina idrogeno e ossigeno per produrre elettricità, con acqua e calore come sottoprodotti. Nella sua forma più semplice, una singola cella a combustibile consiste di due elettrodi – un anodo e un catodo – con un elettrolita tra di loro. All’anodo, l’idrogeno reagisce con un catalizzatore, creando uno ione caricato positivamente e un elettrone caricato negativamente. Il protone passa poi attraverso l’elettrolita, mentre l’elettrone viaggia attraverso un circuito, creando una corrente. Al catodo, l’ossigeno reagisce con lo ione e l’elettrone, formando acqua e calore utile.
Celle a combustibile a ossido solido (SOFC)
Le SOFC usano un composto ceramico duro e non poroso come elettrolita. Poiché l’elettrolita è solido, le celle non devono essere costruite nella configurazione a piastre tipica di altri tipi di celle a combustibile. Le SOFC dovrebbero avere un’efficienza del 50%-60% circa nel convertire il combustibile in elettricità 15.
Operano a temperature molto alte, tipicamente tra 500 e 1 000 °C. A queste temperature, le SOFC non richiedono un costoso materiale catalizzatore al platino, come è attualmente necessario per le celle a combustibile a bassa temperatura come le PEMFC, e non sono vulnerabili all’avvelenamento del catalizzatore del monossido di carbonio (disattivazione da impurità). Tuttavia, la vulnerabilità allo zolfo è stata ampiamente osservata e lo zolfo deve essere rimosso prima di entrare nella cella attraverso l’uso di letti adsorbenti o altri mezzi.
Le SOFC hanno un’ampia varietà di applicazioni che vanno dalle unità di potenza ausiliaria nei veicoli alla generazione di energia stazionaria, con uscite da 100 W a 2 MW. La temperatura di funzionamento più alta rende le SOFC candidate ad essere utilizzate con dispositivi di recupero dell’energia nei motori termici o con la cogenerazione, il che aumenta ulteriormente l’efficienza complessiva del carburante.
Celle a combustibile a membrana a scambio di protoni (PEMFC)
Le celle a combustibile a membrana a scambio di protoni, note anche come celle a combustibile a elettrolita polimerico o PEMFC, forniscono un’alta densità di potenza e hanno diversi vantaggi legati al loro basso peso e volume, rispetto alle altre FC 15 . Le PEMFC usano una membrana polimerica come elettrolita ed elettrodi di carbonio poroso contenenti un catalizzatore di platino. Questo tipo di FC ha bisogno solo di idrogeno, ossigeno dall’aria e acqua per funzionare, e il loro funzionamento non comporta fluidi corrosivi come alcune altre FC. Sono tipicamente alimentate con idrogeno puro fornito da serbatoi di stoccaggio.
Funzionano a basse temperature, circa 80°C, e sono adatte per applicazioni di mobilità e altri usi che richiedono una domanda iniziale di potenza elevata, che è di alta densità.
A oggi, le PEMFC non funzionano ad alte temperature a causa del deterioramento delle membrane attuali, essendo una limitazione per alcune applicazioni FC. Il loro funzionamento a basse temperature ha un vantaggio importante ma anche alcuni inconvenienti. Il vantaggio principale è che la FC può raggiungere rapidamente la temperatura di funzionamento partendo dalla temperatura ambiente. Il problema principale è il fatto che hanno bisogno della presenza di un catalizzatore di platino per poter funzionare, aggiungendo costi. Inoltre, il catalizzatore al platino è anche molto sensibile all’avvelenamento da CO, rendendo obbligatorio l’uso di un reattore aggiuntivo per ridurre il CO nel gas combustibile se l’idrogeno proviene da un alcool o da un combustibile idrocarburo. Questo passaggio rende questo tipo di FC più costoso. Gli sforzi di ricerca per ridurre o addirittura sopprimere l’uso del platino sono in corso e la quantità di platino usata nelle FC PEM è già diminuita molto sostanzialmente. Inoltre, il catalizzatore di platino può essere riciclato.
Oggi la cella a combustibile PEM è la scelta di consenso per le applicazioni di trasporto su strada (auto, autobus, camion, ecc.) La PEM è anche usata in alcune applicazioni stazionarie.
Celle a combustibile alcaline
Le celle a combustibile alcaline (AFC) sono state una delle prime tecnologie FC sviluppate, e sono state il primo tipo ampiamente utilizzato nel programma spaziale statunitense per produrre energia elettrica.USA per produrre energia elettrica e acqua a bordo dei veicoli spaziali 13.
Queste FC usano una soluzione di idrossido di potassio in acqua come elettrolita, e possono usare una varietà di metalli non preziosi come catalizzatore all’anodo e al catodo. Gli AFC ad alta temperatura operano a temperature comprese tra 100°C e 250°C. Tuttavia, i design AFC più recenti operano a temperature più basse di circa 23°C a 70°C. L’efficienza di una FC alcalina che funziona con idrogeno puro è del 60%.
Uno dei loro vantaggi è che l’acqua prodotta è potabile e attualmente sono le celle a combustibile più economiche da produrre 14 . La ragione risiede nei materiali relativamente poco costosi usati come catalizzatori sui loro elettrodi, rispetto ai catalizzatori come il platino necessari per altri tipi di FC.
Una delle limitazioni delle AFC, è che sono sensibili all’anidride carbonica (CO2) che può essere presente nel carburante o nell’aria. La CO 2 reagisce con l’elettrolita per formare un carbonato che può diminuire la conduttività.
Attualmente, questo tipo di FC è in fase di test per applicazioni di potenza stazionarie.
Celle a combustibile diretto a metanolo (DMFC)
Le DMFC sono alimentate da metanolo puro, che viene miscelato con vapore e alimentato direttamente all’anodo della cella a combustibile. La loro novità è il combustibile utilizzato. L’anodo può essere alimentato con metanolo liquido o vapori di metanolo, mentre il catodo riceve aria. Le DMFC appartengono alla famiglia delle FC a bassa temperatura. Possono essere considerate un’evoluzione delle PEMFC, poiché usano una membrana polimerica come elettrolita. Tuttavia, il catalizzatore di platino-rutenio sull’anodo della DMFC è in grado di trarre l’idrogeno dal metanolo liquido, eliminando la necessità di un riformatore di carburante. Pertanto, il metanolo puro può essere usato come combustibile.
Le DMFC hanno intervalli di temperatura di funzionamento tra 60°C e 130°C e tendono ad essere utilizzate in applicazioni con modeste esigenze di potenza, come i dispositivi elettronici mobili o i caricabatterie e gli alimentatori portatili 19 .
Le DMFC potrebbero anche essere un’alternativa alle PEMFC e ai serbatoi di stoccaggio H 2 di bordo nei veicoli. In questa linea, progetti recenti mirano a dimostrare l’uso di celle a combustibile alimentate a metanolo come possibili range extender per piccole city car elettriche a batteria.
Celle a combustibile ad acido fosforico (PAFC)
Le celle a combustibile ad acido fosforico (PAFC) usano acido fosforico liquido come elettrolita (l’acido è contenuto in una matrice di carburo di silicio legato al teflon) ed elettrodi di carbonio poroso che contengono un catalizzatore di platino.
LePAFC sono state sviluppate a metà degli anni 60 e testate dagli anni 70. Da allora, caratteristiche come l’instabilità, le prestazioni e il costo sono state migliorate. Queste caratteristiche hanno reso le PAFC dei buoni candidati per le applicazioni stazionarie.
Funzionano ad un range tra 150°C e 200 °C, l’acqua risultante dal funzionamento può essere convertita in vapore per il riscaldamento dell’aria e dell’acqua (Combined Heat and Power, CHP). Questa caratteristica permette di aumentare l’efficienza fino al 70%. A temperature più basse l’acido fosforico è un povero conduttore ionico, e l’avvelenamento da CO del catalizzatore di platino nell’anodo diventa significativo. Tuttavia, hanno il vantaggio di essere molto meno sensibili al CO rispetto alle PEMFC e alle AFC. Le PAFC ammettono combustibili che contengono CO e possono anche tollerare una concentrazione di CO di circa 1,5%, il che aumenta la gamma di combustibili che possono essere utilizzati (nota: se si usa la benzina, lo zolfo deve essere rimosso prima).
Celle a combustibile a carbonato fuso (MCFC)
Le celle a combustibile a carbonato fuso (MCFC) sono state sviluppate per centrali elettriche a gas naturale (GN) e a carbone per applicazioni elettriche, industriali e militari. Le MCFC funzionano ad alta temperatura e usano un elettrolita composto da una miscela di sale di carbonato fuso sospesa in una matrice ceramica porosa e chimicamente inerte di ossido di alluminio e litio (LiAlO 2 ). Poiché le MCFC funzionano a temperature estremamente elevate (650°C e oltre), i catalizzatori non hanno bisogno di essere metalli preziosi come il platino, rendendo le MCFC più accessibili 20.
Hanno un’efficienza del 60% quando producono elettricità e dell’85% se sono usate in cogenerazione. I vantaggi del funzionamento ad alta temperatura è che c’è un aumento delle efficienze e permette l’uso di catalizzatori che sono meno costosi; tuttavia, tali alte temperature accorciano la vita utile del FC e promuovono la corrosione. Le MCFC possono funzionare con combustibili come gas naturale, biogas, syngas, metano e propano.
Gli svantaggi includono una bassa densità di potenza e l’aggressività dell’elettrolita.