Cella a combustibile

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Introduzione

Cella a combustibile Apparecchio elettrochimico utilizzato per convertire in elettricità l’energia chimica di una reazione. A differenza di una cella elettrochimica o di una batteria, una cella a combustibile non si esaurisce e non richiede ricarica; funziona fintanto che vengono forniti ai due elettrodi un carburante e un agente ossidante.

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Funzionamento

Il combustibile, in genere idrogeno, ammoniaca o idrazina, viene utilizzato all’anodo, cioè all’elettrodo positivo, mentre l’ossidante, spesso aria o ossigeno, viene fornito al catodo. I due elettrodi della cella sono separati da un conduttore ionico elettrolitico. Nella cella idrogeno-ossigeno, che prevede l’uso di un idrossido di metallo come elettrolita, all’anodo e al catodo si sviluppano le seguenti reazioni 2H₂ + 4OH¯→4H₂O + 4e¯ e O₂ + 2H₂O + 4e→4OH¯. Gli elettroni generati all’anodo si muovono lungo un circuito esterno e passano al catodo, mentre gli ioni OH¯ prodotti al catodo giungono attraverso l’elettrolita all’anodo, dove si combinano con l’idrogeno, formando acqua che deve essere rimossa durante il funzionamento per evitare l’allagamento dell’apparecchio. Il voltaggio erogato da una cella di questo tipo è di 1,2 V. Le celle a idrogeno-ossigeno che usano membrane a scambio ionico o elettroliti dell’acido fosforico furono usate rispettivamente nei programmi spaziali Gemini e Apollo (vedi Esplorazione dello spazio).

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Celle a carbonati fusi

Attualmente sono in via di sviluppo celle a combustibile che utilizzano elettroliti di carbonati fusi. L’elettrolita, che a temperatura ambiente si presenta allo stato solido, si trasforma in liquido alla temperatura di funzionamento (tra i 650 e gli 800 °C). Simili celle presentano il vantaggio di utilizzare come carburante monossido di carbonio, e ciò permette di usare anche miscele di monossido di carbonio e idrogeno prodotte durante la gassificazione del carbone.

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Celle a combustibile solido

Di largo impiego sono anche le celle a combustibile solido in cui l’elettrolita è diossido di zirconio solido, un composto che a circa 1000 °C presenta una buona conducibilità elettrica, e il carburante può essere idrogeno, monossido di carbonio o metano, assieme ad aria o ossigeno forniti gradualmente al catodo. L’elevata temperatura di funzionamento delle celle a ossido solido permette l’uso diretto di metano, un combustibile che non richiede l’impiego di costosi catalizzatori al platino. Le celle a ossido solido hanno il vantaggio di essere relativamente poco sensibili alle impurità del combustibile, quali ad esempio i composti di zolfo e azoto, che riducono la funzionalità di altri sistemi simili.