cèlla a combustibile
cèlla a combustibile Dispositivo elettrochimico in grado di convertire direttamente l’energia chimica in energia elettrica tramite un processo a temperatura costante in cui l’idrogeno viene combinato con l’ossigeno per formare acqua (➔ pila).
Abstract di approfondimento da Celle a combustibile di Maria Assunta Navarra e Bruno Scrosati (Enciclopedia della Scienza e della Tecnica)
Il principio di funzionamento della cella a combustibile fu scoperto nel 1839 dal fisico inglese William Grove. Quasi cento anni dopo, sempre in Gran Bretagna, l’ingegnere Francis Th. Bacon sviluppò ulteriormente l’invenzione di Grove, dedicando particolare attenzione alla morfologia degli elettrodi e al ruolo del catalizzatore nel promuovere i processi di cella. In tempi più recenti si sono avuti ulteriori sviluppi tecnologici, prima negli anni Settanta, a seguito dei programmi spaziali che hanno selezionato le celle a combustibile quali sistemi preferenziali per l’alimentazione elettrica a bordo di importanti missioni, come i programmi Gemini e Apollo e, più recentemente, in relazione alle loro potenzialità nel rinnovamento energetico (ciclo di idrogeno) e nel trasporto ecosostenibile (veicoli elettrici).
Il funzionamento di una cella a combustibile è basato sulla seguente reazione elettrochimica:
[1] H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (1)
che comporta la combustione dell’idrogeno gassoso con l’ossigeno gassoso con formazione di acqua. L’idrogeno è il combustibile più utilizzato, ma possono essere odoperati anche alcoli o benzine. Poiché l’idrogeno non è una risorsa è necessario che venga prodotto sfruttando dei processi che includono l’elettrolisi dell’acqua, il cracking o il reforming in corrente di vapore di combustibili organici quali il gas naturale, il metanolo o gli idrocarburi. Tra tutti questi processi di sintesi, solamente l’elettrolisi dell’acqua dà luogo a idrogeno puro, mentre dagli altri si ottengono miscele in cui l’idrogeno è presente con altri componenti gassosi, in genere indesiderati in quanto possono influire sul corretto funzionamento della cella a combustibile.
In linea di principio, una cella a combustibile è simile a una batteria elettrochimica, come per esempio il noto accumulatore piombo-acido. Infatti, entrambi i dispositivi sono in grado di convertire direttamente l’energia chimica in energia elettrica, combinando un elettrodo negativo, o anodo (idrogeno nella cella a combustibile e piombo nell’accumulatore), con uno positivo o catodo (ossigeno nella cella a combustile e biossido di piombo nell’accumulatore) posti a contatto con un opportuno mezzo a conduzione di ioni o elettrolita (una serie di sistemi protonici o alcalini nella cella a combustibile, soluzione di acido solforico nell’accumulatore). Vi è, tuttavia, una differenza tra i due dispositivi in quanto, mentre una batteria è un sistema chiuso che funziona consumando i componenti attivi agli elettrodi, la cella a combustibile lavora grazie a un flusso di reagenti gassosi riforniti dall’esterno. Ne segue che la batteria è limitata nella sua durata dalla quantità di reagenti che ha nel suo interno e necessita di un processo di carica per ripristinare le sue condizioni iniziali, mentre una cella a combustibile garantisce una vita di esercizio continua fino a quando essa viene rifornita con i reagenti gassosi.