I veicoli a celle a combustibile promettono davvero bene per il futuro dei trasporti, ma la loro adozione su larga scala potrebbe richiedere più tempo del previsto.
Che cos’è una cella a combustibile?
Una cella a combustibile è un dispositivo che genera elettricità attraverso una reazione elettrochimica tra un combustibile, tipicamente idrogeno, e un agente ossidante, di solito ossigeno dall’aria. A differenza dei motori a combustione tradizionali che bruciano il combustibile, le celle a combustibile producono elettricità tramite un processo chimico senza combustione, il che le rende più pulite ed efficienti.
Quando il combustibile (idrogeno) viene fornito all’anodo e l’ossigeno viene fornito al catodo, si verificano reazioni elettrochimiche che producono elettricità, acqua e calore come sottoprodotti. La reazione complessiva in una cella a combustibile a idrogeno è tipicamente:
Anodo: 2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻
Catodo: O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
Gli elettroni generati durante la reazione di ossidazione all’anodo non possono passare attraverso l’elettrolita e vengono invece indirizzati attraverso un circuito esterno, generando una corrente elettrica che può alimentare dispositivi o sistemi elettrici. Nel frattempo, gli ioni prodotti all’anodo e al catodo viaggiano attraverso l’elettrolita per mantenere l’equilibrio delle cariche.
Quali sono i diversi tipi di celle a combustibile?
Esistono diversi tipi di celle a combustibile, ognuna con le proprie caratteristiche e applicazioni adatte. I tipi più comuni di celle a combustibile sono:
Cella a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC):Operano a temperature relativamente basse (tipicamente tra 60°C e 90°C), il che consente un rapido avvio e le rende adatte per applicazioni automobilistiche.
Cella a combustibile a ossido solido (SOFC):Operano a temperature elevate, tipicamente tra 500°C e 1000°C, il che consente loro di convertire direttamente una vasta gamma di combustibili in elettricità, tra cui idrogeno, gas naturale e biocarburanti.
Cella a combustibile a metanolo diretto (DMFC):Le DMFC utilizzano il metanolo come combustibile, che viene ossidato direttamente all’anodo per produrre elettricità, eliminando la necessità di un riformatore di combustibile separato.
Di cosa sono fatte le celle a combustibile a idrogeno (PEM)?
Le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEM) sono tipicamente costituite da diversi componenti chiave:
Elettrodi (Anodo e Catodo): Questi elettrodi facilitano le reazioni elettrochimiche con il combustibile (idrogeno) all’anodo e l’agente ossidante (ossigeno) al catodo.
Membrana a scambio protonico (PEM): La PEM consente il passaggio selettivo dei protoni (H⁺) bloccando il passaggio degli elettroni, separando i compartimenti anodo e catodo e consentendo il flusso di ioni necessario per la reazione elettrochimica.
Strati di diffusione del gas (GDL): I GDL aiutano a distribuire i gas reagenti (idrogeno e ossigeno) uniformemente sulla superficie degli elettrodi e facilitano la rimozione dell’acqua prodotta durante la reazione elettrochimica.
Piastre bipolari: Forniscono il contatto elettrico tra le celle adiacenti in un pacco, facilitano il flusso dei gas reagenti e del refrigerante e aiutano a dissipare il calore generato durante il funzionamento.
Piastre terminali e guarnizioni: Questi componenti forniscono supporto strutturale al pacco celle a combustibile e prevengono la fuoriuscita di gas tra le celle.
Sistemi di umidificazione e raffreddamento: In alcuni design di celle a combustibile PEM, vengono utilizzati umidificatori e sistemi di raffreddamento per regolare la temperatura e l’umidità dei gas reagenti e mantenere condizioni operative ottimali per la PEM e gli elettrodi.
Questi componenti lavorano insieme per facilitare le reazioni elettrochimiche che avvengono all’interno della cella a combustibile PEM, convertendo l’energia chimica dell’idrogeno e dell’ossigeno in energia elettrica, acqua e calore.
Per cosa vengono utilizzate le celle a combustibile?
Le celle a combustibile vengono utilizzate in una varietà di applicazioni in diversi settori grazie ai loro vantaggi unici, tra cui alta efficienza, basse emissioni e funzionamento silenzioso. Alcune applicazioni comuni delle celle a combustibile includono:
Trasporto: Alimentano veicoli, autobus e carrelli elevatori, offrendo lunghe autonomie, rifornimento rapido e funzionamento a zero emissioni.
Generazione di energia stazionaria: Forniscono energia di riserva affidabile, generazione di elettricità remota e soluzioni di cogenerazione per case, aziende e industrie.
Energia portatile e ausiliaria: Prolungano l’autonomia dell’elettronica portatile, alimentano sensori remoti e offrono elettricità off-grid in luoghi remoti.
Marina e aerospaziale: Propellono silenziosamente le imbarcazioni con zero emissioni e vengono esplorate per l’uso negli aeromobili per ridurre le emissioni e il rumore.
Questi sono solo alcuni esempi della vasta gamma di applicazioni per le celle a combustibile. Man mano che la tecnologia continua ad avanzare e i costi diminuiscono, ci si aspetta che le celle a combustibile giochino un ruolo sempre più importante nel raggiungimento degli obiettivi di sostenibilità e nella riduzione della dipendenza dai combustibili fossili.
Quali auto a celle a combustibile sono disponibili?
Toyota, Hyundai, Honda, Mercedes-Benz, BMW e Riversimple sono all’avanguardia nello sviluppo di veicoli a celle a combustibile. I loro modelli come la Toyota Mirai, la Hyundai NEXO e la Honda Clarity Fuel Cell mostrano i più recenti progressi nella tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno. Questi veicoli offrono lunghe autonomie, zero emissioni e opzioni di guida flessibili attraverso una combinazione di celle a combustibile a idrogeno e propulsori elettrici a batteria.
Le auto a celle a combustibile sono il futuro?
I veicoli a celle a combustibile promettono davvero bene per il futuro dei trasporti, ma la loro adozione su larga scala potrebbe richiedere più tempo del previsto. Nonostante il loro potenziale, devono essere superati diversi ostacoli prima che diventino comuni sulle strade. L’infrastruttura rappresenta una sfida significativa; è necessario stabilire una rete di stazioni di rifornimento paragonabile alle stazioni di servizio convenzionali.
Inoltre, il costo dei veicoli a celle a combustibile rimane elevato, principalmente a causa dei materiali costosi come il platino utilizzati nella loro costruzione. Sono necessari progressi tecnologici per rendere le celle a combustibile più efficienti e durevoli, riducendo ulteriormente i costi. Sebbene i veicoli a celle a combustibile offrano benefici di energia pulita, il loro percorso per diventare un’opzione di trasporto mainstream sarà probabilmente graduale, richiedendo sforzi concertati per affrontare queste sfide.