Funzionamento e manutenzione di una cella a combustibile

Il principio della cella a combustibile fu scoperto nel 1838 dal fisico svizzero-tedesco Christian Friedrich Schönbein. Egli avvolse due fili di platino in acido solforico (elettrolita) con idrogeno e ossigeno e rilevò una tensione elettrica tra i fili. Con lui collaborò anche il fisico britannico Sir William Grove. Già allora, numerosi scienziati ipotizzavano che l’acqua potesse essere il carbone del futuro. Tuttavia, anche all’epoca per produrre l’idrogeno era necessaria la corrente. Idealmente, oggi parliamo di idrogeno “verde”, prodotto con corrente proveniente da fonti di energia rinnovabili.

Una cella a combustibile è un convertitore di energia. L’energia prodotta dalla reazione chimica tra l’idrogeno e l’ossigeno viene convertita in energia elettrica e termica. L’ossidazione dell’idrogeno e la riduzione dell’ossigeno hanno luogo grazie alla separazione spaziale con l’ausilio di un elettrolita. È possibile utilizzare la violenta reazione della nota “prova del gas tonante”, ossia l’energia rilasciata quando l’idrogeno e l’ossigeno reagiscono per formare l’acqua.
Esistono diversi tipi di celle a combustibile che utilizzano come combustibile, ad esempio, il gas naturale o il metanolo, oltre ad altri elettroliti o agenti ossidanti. Tuttavia, il tipo più utilizzato nelle autovetture e negli autocarri è la cella a combustibile idrogeno-ossigeno, ad esempio la cella a combustibile PEM a bassa temperatura (cella a combustibile a membrana a scambio protonico, Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC).

Il fulcro della cella a combustibile PEM è lo stack. Gli stack contengono numerose membrane a scambio protonico disposte in serie, che sono permeabili ai protoni, mentre il trasporto di idrogeno e ossigeno è impedito. La singola membrana (elettrolita solido) è costituita da una lamina centrale sulla quale sono applicati alternativamente gli elettrodi (anodo (-) / catodo (+), compreso un catalizzatore). Il PEM è racchiuso in uno strato di diffusione aperto al gas.

Intorno alle unità composte da elettrodi e membrana dello stack sono disposte le cosiddette piastre bipolari. Il termine “bipolare” indica la piastra anodica che trasporta l’idrogeno e la piastra catodica che trasporta l’ossigeno. Le piastre bipolari sono utilizzate per la distribuzione omogenea di idrogeno e ossigeno, per la tenuta verso l’esterno, per il raffreddamento della cella a combustibile e per il collegamento elettrico delle celle. Sono caratterizzate da canali complessi e sono solitamente realizzate in grafite, metallo o materiali compositi.

Al centro della cella a combustibile PEM si trova la membrana a forma di piastra rettangolare, racchiusa dalle piastre bipolari. L’anodo è alimentato con idrogeno, il catodo con ossigeno. Entrambi gli elettrodi sono collegati tra loro. Il catalizzatore in metallo prezioso scinde le molecole di gas. Le molecole di idrogeno (H2) vengono scisse in due protoni. Ogni atomo di idrogeno rilascia il suo elettrone. A questo punto, i protoni migrano attraverso la membrana semipermeabile verso il catodo opposto, caricato positivamente, mentre gli elettroni prendono la deviazione attraverso la linea di collegamento tra l’anodo e il catodo. Quando i protoni e gli elettroni dell’idrogeno si incontrano sul lato catodico, l’ossigeno lì presente reagisce producendo acqua. Oltre al calore, durante questa reazione chimica si produce anche energia elettrica. In corrispondenza delle piastre terminali o della giunzione tra anodo e catodo è possibile misurare una tensione.

Speciali filtri dell’aria proteggono, ad esempio, anche dalle particelle più piccole. Per adsorbire i gas nocivi dell’aria, il filtro è dotato di strati di carbone attivo o di altri materiali adsorbenti. Questi catturano i gas nocivi e proteggono la cella a combustibile. I requisiti di filtrazione dell’aria per le celle a combustibile sono molto più elevati rispetto a quelli applicabili ai motori a combustione.

Se l’aria è troppo secca, la membrana dello stack di celle a combustibile si secca. Questo può ridurre la resistenza meccanica della membrana, che è responsabile del trasporto dei protoni. L’acqua prodotta dalla reazione può essere trasferita dall’aria di scarico, il lato umido, all’aria di alimentazione, il lato secco della cella a combustibile, attraverso un umidificatore.

Tuttavia, se l’umidità dell’aria è troppo elevata possono formarsi gocce di condensa. Queste possono bloccare le strutture fini dello strato di diffusione del gas o dello strato microporoso. Anche le gocce d’acqua che si raccolgono sul lato turbina del compressore elettrico si ripercuotono negativamente sulla durata della cella a combustibile. Per questo motivo, vengono utilizzati separatori d’acqua supplementari.

Il tema dell’acustica della cella a combustibile è interessante, ma non si ha a che fare con componenti meccanici come nel caso di un motore a combustione. I rumori di disturbo, infatti, possono presentarsi nel compressore elettrico o essere dovuti allo scorrimento dei fluidi nelle tubature. Opportuni risonatori smorzano il rumore indesiderato.

Lo stack di celle a combustibile (teoricamente) non richiede manutenzione ed è progettato come gruppo costruttivo per un elevato numero di ore di funzionamento. Tuttavia, gli elementi filtranti devono essere sostituiti a intervalli regolari. Anche il granulato nello scambiatore ionico, che assicura la giusta conducibilità del refrigerante, è specifico per il sistema e deve essere sostituito a intervalli fissi. Lo stesso vale per il filtro dell’aria del catodo, che deve essere sostituito regolarmente. A questi si aggiunge il circuito di raffreddamento. Esso contiene componenti rilevanti per la manutenzione, come il filtro dello scambiatore ionico e il filtro antiparticolato del refrigerante. È quindi evidente che il lavoro delle officine per autovetture e autocarri dovrebbe essere garantito anche dalla manutenzione dei veicoli con celle a combustibile.

I veicoli a celle a combustibile, in particolare gli autocarri, mostrano i loro punti di forza quando sono richieste autonomie elevate (ad esempio in caso di lunghe distanze) e tempi di rifornimento rapidi. Possono essere riforniti in pochi minuti. Dall’analisi del cosiddetto indicatore Well2Wheel (dalla produzione di idrogeno a quella dell’energia motrice) gli esperti stimano che la cella a combustibile raggiunga un’efficienza compresa tra il 30 e il 40%. I carburanti sintetici (anch’essi basati sull’idrogeno verde) raggiungono un’efficienza compresa tra il 20 e il 40%. Con un’efficienza compresa tra il 60 e il 70%, i veicoli elettrici a batteria mostrano valori significativamente più elevati, ma attualmente sono ancora soggetti a limitazioni in termini di tempo di ricarica e autonomia. In linea di principio, tuttavia, i valori dipendono fortemente dalla tecnologia in questione, dalle condizioni locali, dalla fonte di energia e da altri fattori. I rapidi progressi tecnologici potrebbero continuare a influire notevolmente sull’efficienza di ciascuna delle tre tecnologie anche in futuro.
Tuttavia, l’idrogeno come combustibile offre un’opportunità molto interessante per disaccoppiare la produzione di idrogeno verde e il suo utilizzo sia in termini di luogo che di tempo e quindi per poter offrire sistemi di trazione efficienti ed ecologici. La cella a combustibile rappresenta quindi un’opzione molto interessante per il futuro mix di sistemi di trazione.