Le Fuel Cell

La FC, analogamente a qualunque batteria non è altro che un generatore elettrochimico in grado di produrre energia elettrica in modo continuo, a seguito di reazioni chimiche. L'unica differenza è che nelle FC reagiscono un gas riducente ed un ossidante; prodotti di scarto da questa reazione sono acqua purissima e calore.

Le FC sono utilizzate in ambito aerospaziale sin dalla fine degli anni Sessanta e oggi trovano larga applicazione anche in ambito militare: l'acqua bevuta dagli astronauti sullo Shuttle è il prodotto di scarto delle fuel cell.

Fisicamente, una cella è composta da un anodo (polo negativo) ed un catodo (polo positivo), tra i quali è inserito un elemento elettrolita. Il gas riducente, in questo caso l'idrogeno (riducente in quanto cede elettroni), viene pompato verso l'anodo, mentre l'ossidante (ossigeno o semplice aria compressa) viene convogliato al polo opposto.

Vediamo, di seguito, l'ipotetica reazione di un atomo di idrogeno con l'ossigeno presente nell'aria (per capirne il funzionamento, dobbiamo ricordarci che un atomo di idrogeno è composto da un protone, un neutrone ed un elettrone e che ogni molecola contiene due atomi).

Un H2 (molecola di idrogeno) viene convogliato verso l'anodo, contemporaneamente, un O2 (molecola di ossigeno) viene inviato al catodo. La membrana elettrolitica presente tra i due, permette il passaggio del solo nucleo atomico dell'idrogeno dall'anodo al catodo. In altre parole, un H2 si trasforma in 2H+ , ovvero due ioni di idrogeno, e in 2e- , due elettroni;
I 2H+ migrano, attraverso l'elettrolita, in direzione del catodo, mentre i 2e- si raccolgono attorno all'anodo, generando un potenziale elettrico. Anodo e catodo sono collegati da un conduttore e i 2e-, quindi, si spostano naturalmente verso il catodo, dove si completa la reazione;
Grazie ad un catalizzatore che, ricordiamo, è un elemento deputato ad accelerare determinati processi chimici, i 2H+ e i 2e- reagiscono con ½ O2 , generando a valle del catodo una molecola, H20 , ovvero acqua, mentre il passaggio dei 2H+ attraverso l'elettrolita, produce calore. Il calore, infatti, è il secondo prodotto di scarto della fuel cell. Siccome, ovviamente il flusso di atomi è continuo, la corrente elettrica che si crea può essere utilizzata.

Ogni singola cella produce però circa 0.6 Volt, quindi per ottenere una tensione di lavoro accettabile, si utilizzano stack composti da numerose celle collegate in serie.

Il processo esemplificato è relativo ad una cella a combustibile di tipo PEM, ovvero, con membrana polimerica a scambio protonico, che prevede il passaggio dei soli ioni di idrogeno.

Le PEM FC, sono le celle a combustibile il cui stato di sviluppo è cresciuto maggiormente negli ultimi anni e sono, praticamente, prossime all'industrializzazione su larga scala, processo che ne abbatterà decisamente il costo. Attualmente, una cella di questo tipo lavora in un intervallo di temperature compreso tra i 70 e 100 °C e i catalizzatori utilizzano una discreta quantità di platino: due caratteristiche che contribuiscono a limitarne l'efficacia e a mantenerne elevato il prezzo.

Tuttavia, in futuro non è escluso il ricorso a nuovi catalizzatori e a materiali innovativi, che miglioreranno la situazione dal punto di vista dei costi e dell'efficienza. Gli obiettivi, in ambito automobilistico, sono finalizzati all'ottenimento di PEM FC dal costo variabile tra i 50 e i 100 Euro/kW, con una garanzia di 5000/7000 ore di funzionamento, corrispondenti circa a 100/150 mila km. Oggettivamente, si tratta di un traguardo non elevatissimo che acquista (notevole) valore solo se lo si esamina nel contesto di una tecnologia ancora in gran parte sperimentale.

Oltre alla fuel cell di tipo PEM, esistono altri tipi di celle, che prevedono l'utilizzo di elettroliti con Acido Fosforico (PA FC), Carbonati di Litio e Potassio (MC FC), Ossidi Solidi (SO FC), Alcalini (A FC) e Metanolo (DM FC). (una dettagliata spiegazione degli altri tipo di FC la trovate Qui).

Come già accennato, il maggior inconveniente delle fuel cell, risiede nelle temperature di esercizio. Tutte lavorano entro range ben determinati, (le SO FC raggiungono anche i 1000 °C) e perdono progressivamente efficacia, al variare della temperatura ambientale: climi estremamente caldi o freddi ne limitano notevolmente l'efficienza fino, in alcuni casi, a bloccarne il processo (se non si ricorre ad appositi dispositivi di riscaldamento o dissipatori di calore, a seconda delle situazioni): ad esempio, a bassa temperatura, si riduce la permeabilità delle membrane elettrolitiche e aumenta la resistenza al passaggio della corrente elettrica; inoltre, quando si è sotto lo zero, l'acqua tende a congelare a valle del polo positivo, non può più essere espulsa e si rischia, letteralmente, di "annegare" la cella, bloccando il ciclo di funzionamento della cella stessa.

Rispetto ad altri sistemi di conversione di energia le fuel cells presentano vantaggi e svantaggi; cerchiamo di ricapitolarli:

VANTAGGI

Zero Emissioni : un dispositivi alimentato con Fuel cells ha come unica emissione acqua, se operato con idrogeno puro, mentre se si utilizza un reformer a bordo bisogna tenere conto delle sue emissioni. Il funzionamento è perfettamente silenzioso, se si eccettua il rumore generato dagli ausiliari necessari per il suo funzionamento;
Alta efficienza : una fuel cell ha un'efficienza molto più alta di un normale motore a combustione interna, in quanto, non risentendo dei limiti di Carnot come tutte le macchine termiche, ha un rendimento che non è limitato dalla massima temperatura raggiungibile. Questo discorso vale anche e soprattutto ai carichi parziali, dove spesso un motore a combustione interna ha difficoltà ad operare alla massima efficienza;
Rapida risposta al carico : una fuel cell ha una risposta rapidissima alle variazioni del carico (proprie, ad esempio, di un veicolo stradale); inoltre è in grado di autoregolarsi al variare delle richieste di carico, mantenendo sempre la massima efficienza;
Bassa temperatura operativa : le fuel cells di tipo PEM operano a temperature intorno ai 70°C,. Questo rende l'impianto e il loro utilizzo mobile molto semplice;
Trasformazioni energetiche ridotte : passando direttamente da energia chimica ad elettrica ni hanno perdite minime; il rendimento complessivo del sistema è quindi maggiore.
Tempo di rifornimento : un apparecchio o un veicolo equipaggiato con una fuel cell, contrariamente ai normali veicoli elettrici, ha tempi di rifornimento ("ricarica") del tutto confrontabili con quelli dei veicoli endotermici tradizionali; inoltre l'autonomia operativa non è limitata dalle dimensioni del pacco batterie, ma solo dalle dimensioni del serbatoio, esattamente come i veicoli tradizionali.

SVANTAGGI

Idrogeno : uno degli svantaggi maggiori è nel fatto che l'idrogeno è un gas ancora molto costoso da acquistare, anche se è facile trovare soluzioni economiche di auto-produzione o produzione da fonti rinnovabili; inoltre è un gas potenzialmente pericoloso e necessita di particolari accorgimenti per lo stoccaggio a bordo;
Impurezze : allo stato attuale le fuel cells risentono molto di eventuali impurezze presenti nel combustibile (per la presenza del catalizzatore), per cui è necessario utilizzare idrogeno sufficientemente puro; questo obbliga ad utilizzare idrogeno prodotto da elettrolisi dell'acqua o a depurarlo se prodotto tramite reforming;
Catalizzatore costoso : attualmente il catalizzatore usato agli elettrodi è Platino, che è un metallo molto costoso e costituisce una delle voci di costo principali della fuel cell;
Ghiaccio : per l'umidificazione delle membrane (che resta ancora uno dei punti più critici per il buon funzionamento delle fuel cells) si utilizza acqua pura, eventualmente sfruttando anche quella prodotta al catodo; questo significa che a basse temperature c'è il rischio che si formi del ghiaccio all'interno della cella, danneggiandola;
Tecnologia nuova : la tecnologia delle fuel cells è stata approfondita soltanto da pochi anni, pertanto, pur avendo di fronte senza dubbio notevoli passi avanti da compiere, è ancora allo stato sperimentale e perciò risulta essere (anche a causa della totale assenza di economie di scala) ancora molto costosa;
Assenza di infrastrutture : un altro problema che frena lo sviluppo di veicoli ad idrogeno è l'assenza di un'infrastruttura per l'approvvigionamento, che oggi risulta ancora difficile da realizzare a costi competitivi.