Celle a combustibile

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Cosa sono le Celle a Combustibile ( o Fuel Cell):

Una cella a combustibile (detta anche pila a combustibile o dal inglese fuel cell) è un dispositivo elettrochimico che permette di ottenere elettricità direttamente da certe sostanze, tipicamente da idrogeno ed ossigeno, senza che avvenga alcun processo di combustione termica.

L'efficienza o rendimento delle pile a combustibile può essere molto alta, e uno dei pochi limiti alla sua diffusione è il costo fin ora elevato che è giustificato dall'utilizzo di platino al loro interno.

 

Differenze tra Fuel Cell e Batterie tradizionali:

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Le pile a combustibile producono corrente continua come le normali batterie, e le reazioni seguono in entrambi i casi le leggi dell'elettrochimica. La differenza essenziale sta nel dove l'energia viene immagazzinata.

  • In una batteria,
    l'energia è immagazzinata nella batteria stessa. La batteria è un sistema completo di stoccaggio e conversione dell'energia.
  • In una pila a combustibile,
    l'energia è immagazzinata al di fuori della pila, per esempio in un serbatoio di idrogeno. La pila è solo un convertitore e non contiene di per sé alcuna energia.

Tipi di Pile a Combustibile:

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Pile a membrana a scambio protonico

Le pile a combustibile più note sono le pile a membrana a scambio protonico, o "PEM". In esse, l'idrogeno si separa in protoni ed elettroni sull'anodo; i protoni possono passare attraverso la membrana per raggiungere il catodo, dove reagiscono con l'ossigeno dell'aria, mentre gli elettroni sono costretti a passare attraverso un circuito esterno per raggiungere il catodo e ricombinarsi, fornendo potenza elettrica. Il catalizzatore presente sugli elettrodi è quasi sempre il platino, in una forma o in un'altra.
Il catalizzatore al platino è molto sensibile all'avvelenamento da monossido di carbonio, e il livello di questo deve essere mantenuto al di sotto di 1 ppm. Con l'uso di catalizzatori al platino e rutenio, si può arrivare a una tolleranza di 10 ppm. Il monossido di carbonio può accompagnare l'idrogeno se esso arriva da una fase di reforming di altri combustibili (principalmente metanolo e metano).
Variazioni sul tema delle PEM sono pile dirette a metanolo o ad acido formico, dove si usa un combustibile liquido. Entrambi i tipi di pila hanno basse densità di potenza e sono adatti soprattutto alle applicazioni di bassa potenza e quando sicurezza o praticità impediscono l'uso di gas, come nella microelettronica.

Altre:

Altri tipi di pile a combustibile sono: 

  • Pile a ossido solido (SOFC) lavorano ad altissime temperature (da 800 a 1.000 °C) e sono costituite da materiali ceramici, la cui fragilità di solito ne sconsiglia l'uso in applicazioni mobili
  • Le pile ad acido fosforico (PAFC), considerate una tecnologia "matura" e dalla quale non ci si aspettano ulteriori avanzamenti.
  • Le pile alcaline (AFC), che non sono più considerate pratiche perché non tollerano la presenza di CO2, presente nell'atmosfera. Sono state usate nelle missioni Apollo e nello Space Shuttle.
  • Le pile a carbonato fuso (MCFC), ad alta temperatura (circa 600 °C) presentano problemi nella gestione di un liquido corrosivo ad alta temperatura.
  • Le pile a metanolo diretto (DMFC), a bassa temperatura, utilizzano un combustibile liquido (metanolo CH3OH) ed aria in ingresso preriscaldata a circa 80 °C. La soluzione (ad esempio al 3%) reagisce all'anodo con l'acqua dando luogo a CO2 e ioni H+ (oltre naturalmente ad elettroni): come catalizzatori si usano leghe Platino-Rutenio e si ottengono densità di potenza intorno ai 100 mW/cm2 di superficie di cella.

 

Foto Celle a Combustibile

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Diagramma di una pila a combustibile alcalina:
(1) Idrogeno (2) Flusso degli elettroni (3) Carico (4) Ossigeno (5) Catodo (6) Elettrolita (7) Anodo (8) Acqua (9) Ioni idrossido
Fuel cell
Comuni Batterie
PAFC

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