Questo articolo si concentrerà sulla storia dello sviluppo delle celle a combustibile, portandovi attraverso alcuni eventi importanti nella loro evoluzione.
Scoperta dell’elettrolisi dell’acqua
Lo sviluppo delle celle a combustibile non può essere discusso senza menzionare William Nicholson e Anthony Carlisle. Fu la loro proposta nel 1800 di utilizzare l’elettricità per decomporre l’acqua in idrogeno e ossigeno che portò a una serie di esperimenti successivi sull’elettrolisi dell’acqua.
Data di nascita del primo prototipo di cella a combustibile
Negli anni 1830, il chimico britannico William Grove ebbe un’idea interessante mentre conduceva esperimenti di elettrolisi dell’acqua. Pensò che se l’acqua potesse essere decomposta in idrogeno e ossigeno con l’elettricità, allora il processo inverso, in cui l’idrogeno e l’ossigeno si combinano per formare acqua, dovrebbe generare elettricità. Disconnesse la corrente e, dopo averlo fatto, gli elettrodi divennero polarizzati, mantenendo una differenza di potenziale tra di loro. Quando venne collegato un circuito esterno, fluisce una corrente. Grove chiamò questo dispositivo “batteria voltaica a gas”. Questa ricerca fu pubblicata in una rivista filosofica nel febbraio 1839, segnando la data di nascita del primo prototipo di cella a combustibile.
Proposta del concetto di cella a combustibile
Cinquant’anni dopo, il rinomato chimico Ludwig Mond e il suo assistente Charles Langer condussero con successo esperimenti nel 1889 per generare elettricità utilizzando idrogeno e ossigeno. Utilizzarono fogli di platino rivestiti di platino con ampie superfici come elettrodi per impedire che i pori del catalizzatore venissero inondati dall’elettrolito, e una base ceramica porosa riempita di acido solforico come elettrolito non fluente. Questa cella produsse una densità di corrente di 6A/ft² (1ft² = 0,092903m²) a una tensione di 0,73V.
Tuttavia, questa cella aveva notevoli svantaggi: era costosa, aveva una scarsa riutilizzabilità e le sue prestazioni diminuivano rapidamente, limitandone l’applicazione pratica. Nonostante questi problemi, il termine “cella a combustibile” venne introdotto in questo periodo ed è stato usato da allora.
Funzioni dei vari componenti della cella a combustibile
Entro il 1894, lo sviluppo delle celle a combustibile aveva fondamenti teorici per la guida. Quell’anno, Friedrich Wilhelm Ostwald, una figura di spicco nella chimica fisica, menzionò in una rivista elettrochimica tedesca il concetto di utilizzare l’ossigeno dell’aria per ossidare i combustibili naturali direttamente attraverso principi elettrochimici, senza generare calore, per creare un dispositivo di generazione di energia. Affermò: “In futuro, la produzione di energia elettrica sarà elettrochimica, non limitata dalla seconda legge della termodinamica. Pertanto, l’efficienza della conversione energetica sarà superiore all’efficienza dei motori termici”.
Ostwald si concentrò sulla ricerca teorica della termodinamica delle celle a combustibile, proponendo molte idee e teorie su come funzionano le celle a combustibile e dimostrando sperimentalmente le funzioni dei vari componenti delle celle a combustibile. Il suo documento pubblicato pose le basi per il campo delle celle a combustibile e segnò l’inizio di un ampio lavoro di ricerca.
“Batteria a carbone”
Successivamente, nel 1896, l’ingegnere americano William Jacques affermò di aver sviluppato una “batteria a carbone”, costituita da un anodo di carbone e un catodo di ferro immersi in un elettrolito caustico fuso con aria che lo attraversava. Jacques ottenne una densità di corrente di 100mA/cm² e una potenza di 1,5kW (da un pacco di 100 celle) a 450°C da questa batteria.
Tuttavia, ricerche successive rivelarono che la reazione dell’anodo nella batteria di Jacques era l’ossidazione dell’idrogeno prodotto dalla reazione tra ferro e acqua dell’elettrolito, e l’efficienza effettiva della batteria era solo dell’8%, molto inferiore all’82% dichiarato da Jacques. Inoltre, l’ossido di sodio fuso veniva continuamente consumato reagendo con la CO2 generata, dando alla batteria una durata di soli sei mesi.
La prima ondata di sviluppo delle celle a combustibile
Durante questo periodo, nel 1932, il professore Francis Thomas Bacon dell’Università di Cambridge migliorò la prima cella a combustibile Mond-Langer. Sostituì l’elettrolito acido con uno alcalino (KOH) e utilizzò elettrodi di diffusione di gas porosi. Uno strato che impediva la permeazione del gas venne applicato sul lato in cui gli elettrodi entravano in contatto con l’elettrolito, impedendo al gas di passare attraverso gli elettrodi. Dopo anni di ricerca, Bacon ottenne un brevetto per la prima cella a combustibile alcalina nel 1959. Nel 1960 dimostrò pubblicamente un pacco di celle a combustibile con una potenza di ingresso di 5-6 kW. La sua dimostrazione portò ad attività di ricerca su larga scala in molti paesi, segnando la prima ondata di sviluppo delle celle a combustibile.
Un nuovo tipo di cella a combustibile: la cella a combustibile a membrana a scambio protonico
Alla fine degli anni ’50, W. Thomas Grubb, un ricercatore chimico presso la General Electric Company (GE), progettò una cella a combustibile utilizzando una membrana a scambio ionico di polistirene solfonato come elettrolito, portando a una rivoluzione nelle celle a combustibile. Tre anni dopo, un altro ricercatore di GE, Leonard Niedrach, migliorò ulteriormente il design depositando platino sulla membrana, con il platino che era il catalizzatore essenziale per le reazioni di ossidazione dell’idrogeno e di riduzione dell’ossigeno. Questo portò alla nascita della nuova cella a combustibile, la cella a combustibile a membrana a scambio protonico, nota anche come cella a combustibile Grubb-Niedrach.
Contemporaneamente, GE sviluppò una piccola cella a combustibile per la Divisione Elettronica del Bureau of Ships della Marina degli Stati Uniti e il Corpo dei segnali dell’Esercito degli Stati Uniti, utilizzando idrogeno generato dalla reazione tra acqua e idruro di litio come combustibile. Negli anni ’60, le celle a combustibile a membrana a scambio protonico iniziarono a essere commercializzate e vennero utilizzate nelle missioni spaziali Gemini. Sfortunatamente, a causa della contaminazione interna e dei problemi di permeazione del gas con la membrana di scambio, non vennero utilizzate nelle successive missioni Apollo o nel programma Space Shuttle. Nel decennio successivo, GE fece significativi progressi nelle celle a combustibile a membrana a scambio protonico, che trovarono applicazioni sia in ambito militare che aerospaziale.
Aggiornamento delle celle a combustibile alcaline
All’inizio degli anni ’60, il produttore di aerei e motori Pratt & Whitney (P&W) ottenne i diritti di brevetto per la pila di Bacon e la ridisegnò. Introducendo una soluzione alcalina a concentrazione più elevata (85% KOH) e abbassando la pressione del gas, l’efficienza della cella a combustibile alcalina aumentò significativamente. Queste celle a combustibile di P&W furono successivamente utilizzate nel programma Apollo.
Rinascita delle celle a combustibile a membrana a scambio protonico
Negli anni ’80, l’applicazione delle celle a combustibile come fonti di energia indipendenti di media e piccola scala divenne più prominente. Le celle a combustibile potevano soddisfare le esigenze di aree al di fuori della portata delle reti elettriche urbane e mostravano un potenziale promettente nei trasporti e nei dispositivi portatili.
Di conseguenza, la membrana polimerica a scambio ionico Nafion sviluppata da DuPont negli Stati Uniti divenne riconosciuta per migliorare significativamente le prestazioni e la durata delle celle a combustibile relativamente piccole, riducendo efficacemente il carico di platino. Ciò portò a una rinascita dell’interesse per le celle a combustibile a membrana a scambio protonico, attirando potenziali utenti in nuovi campi di applicazione.
La seconda ondata di sviluppo delle celle a combustibile
A partire dalla metà degli anni ’80, il numero di articoli relativi alle celle a combustibile a membrana a scambio protonico aumentò rapidamente. Ciò fu dovuto principalmente a due ragioni: il crescente numero di automobili che causavano inquinamento atmosferico e l’alta domanda di batterie di grande capacità per dispositivi portatili. Questi fattori spinsero la ricerca continua sulle celle a combustibile, segnando l’inizio della seconda ondata di sviluppo delle celle a combustibile. I progressi più significativi durante questa fase riguardarono le celle a combustibile a membrana a scambio protonico.
La prima pila di celle a combustibile a membrana a scambio protonico utilizzata nella navicella spaziale Gemini aveva una potenza di uscita di 1 kW. A causa dell’elevata resistenza ohmica e della stabilità chimica insufficiente della membrana, la singola cella aveva una densità di corrente inferiore a 100 mA/cm² a 0,6V, una densità di potenza di circa 60 mW/cm² e una durata inferiore a 2000 ore. Tuttavia, durante la seconda ondata di sviluppo delle celle a combustibile, le prestazioni delle celle a combustibile a membrana a scambio protonico videro miglioramenti rivoluzionari. Entro il 1990, la densità di potenza aveva raggiunto 600-800 W/cm² e la durata si era estesa a decine di migliaia di ore. Questi progressi furono attribuiti ai miglioramenti nei vari componenti, portando alla commercializzazione diffusa delle celle a combustibile a membrana a scambio protonico migliorate.
Le celle a combustibile a membrana a scambio protonico diventano mainstream
Alla fine degli anni ’90, le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEM) erano diventate mainstream, mentre la ricerca sulle celle a combustibile a ossido solido (SOFC) e le celle a combustibile a carbonati fusi ad alta temperatura (MCFC) continuava. Tuttavia, la ricerca sulle celle a combustibile alcaline era significativamente diminuita dagli anni ’80.
Entrare nel XXI secolo
Nel XXI secolo, i dispositivi portatili a celle a combustibile e i veicoli civili a celle a combustibile sono stati continuamente sviluppati. I traghetti a celle a combustibile, gli autobus e i sistemi di trasporto ferroviario hanno piani di sviluppo e implementazione strategici relativamente maturi in molti paesi e regioni.
2014: il primo anno di commercializzazione dei veicoli a celle a combustibile
Il rilascio del modello Mirai nel 2014, il primo veicolo a celle a combustibile prodotto in serie da Toyota, ha segnato l’inizio della commercializzazione dei veicoli a celle a combustibile. A causa del suo prezzo elevato e della mancanza di infrastrutture di rifornimento di idrogeno, sono stati venduti solo 6.000 veicoli Mirai in tutto il mondo. Il Mirai è assemblato a mano nella fabbrica giapponese di Toyota, dove i componenti di 13 diverse fabbriche vengono assemblati dai lavoratori, producendo solo 6,5 auto al giorno. Il componente più costoso del Mirai è la pila di celle a combustibile, che costa $11.000 e rappresenta un sesto del prezzo totale dell’auto. Il sistema di Toyota può ridurre il costo di produzione della pila di celle a combustibile a meno di $8.000 attraverso l’aumento della capacità produttiva.
Il primo superyacht al mondo alimentato a idrogeno
Nel 2020, è stato introdotto lo yacht Aqua, diventando il primo superyacht al mondo alimentato a idrogeno. Progettato dalla compagnia olandese Sinot Yacht & Architecture, lo yacht Aqua presenta cinque ponti sopra e due serbatoi sottovuoto da 28 tonnellate contenenti idrogeno liquido sotto. Ha una velocità massima di 32 km/h e può viaggiare per 6.035 km con un pieno di idrogeno. In caso di insufficiente fornitura di idrogeno liquido, lo yacht Aqua può utilizzare carburante diesel di riserva per garantire il normale funzionamento.
Il traguardo dei veicoli a idrogeno della Cina
Nel 2022, il numero di veicoli a idrogeno in Cina ha superato per la prima volta le 10.000 unità, raggiungendo le 14.979, rendendo la Cina il paese con il maggior numero di veicoli commerciali a idrogeno a livello globale. La Cina ha anche costruito 358 stazioni di rifornimento di idrogeno, rappresentando quasi il 50% del totale globale, classificandosi al primo posto a livello mondiale per stazioni costruite, operative e di nuova costruzione. Si stima che entro il 2025 la Cina avrà 100.000 veicoli a idrogeno e oltre 1.000 stazioni di rifornimento di idrogeno.
Ricerca attuale sulle celle a combustibile
Nel 2023, l’Università Federale degli Urali in Russia ha sviluppato una cella a combustibile a ossido solido (SOFC) più ecologica che può sostituire le batterie acide, alcaline e al litio. Le SOFC hanno anodi metallici ceramici e catodi di ossido poroso. Per semplificare la produzione delle SOFC, i ricercatori hanno progettato celle simmetriche con composizioni elettrodiche identiche. I nuovi composti ferritici a base di ferro, bario e lantanio utilizzati per produrre SOFC simmetriche mostrano alta conducibilità e bassa resistenza alla polarizzazione nell’aria. I ricercatori dell’Università di Nagoya in Giappone hanno sviluppato una nuova membrana elettrolitica polimerica super ad alta densità per celle a combustibile, un componente chiave delle celle a combustibile a elettrolita polimerico ecologiche.
Ampia applicazione e futuro delle celle a combustibile
Secondo l’ultimo rapporto “Global Hydrogen Review 2023” dell’Agenzia Internazionale dell’Energia, l’interesse globale per l’idrogeno rimane alto. Si prevede che la produzione globale di idrogeno a basse emissioni raggiungerà 38 milioni di tonnellate all’anno entro il 2023, un aumento del 50% rispetto al rapporto del 2022. A dicembre, il Consiglio dell’Idrogeno e McKinsey & Company hanno rilasciato congiuntamente un aggiornato rapporto “Global Hydrogen Insights”. L’analisi di oltre 1.400 progetti importanti sull’idrogeno mostra che, nonostante le sfide come l’aumento dei tassi di interesse e le limitazioni della catena di approvvigionamento, l’economia globale dell’idrogeno continua a crescere. Il rapporto afferma che il totale degli investimenti nei progetti globali sull’idrogeno è aumentato a 570 miliardi di dollari, coprendo la produzione, l’uso finale e le infrastrutture, un aumento del 35% rispetto al 2022.
La tecnologia delle celle a combustibile è ancora in rapido sviluppo e applicazione, e si ritiene che in futuro la tecnologia delle celle a combustibile brillerà e ci condurrà verso una società dell’idrogeno.
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