Cos’è una cella a combustibile? 

Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che converte l'energia chimica di un combustibile, come l'idrogeno, direttamente in energia elettrica attraverso una reazione elettrochimica. Questo processo avviene senza la combustione diretta del combustibile, il che rende le celle a combustibile un'opzione molto efficiente e pulita per la produzione di energia elettrica.

Le celle a combustibile sono composte da uno strato di elettrolita e da due elettrodi, un anodo e un catodo. Durante il funzionamento, l'idrogeno viene fornito all'anodo e l'ossigeno (o l'aria contenente ossigeno) viene fornito al catodo. All'anodo, l'idrogeno viene suddiviso in ioni idrogeno (H+) e elettroni (e-). Gli ioni idrogeno attraversano quindi l'elettrolita e si combinano con gli ioni ossigeno e gli elettroni al catodo per formare acqua (H2O), che è il prodotto finale della reazione. Nel frattempo, gli elettroni che fluiscono attraverso un circuito esterno generano corrente elettrica che può essere utilizzata per alimentare dispositivi elettrici o veicoli.

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Elementi costitutivi delle celle a combustibile

Le principali componenti di una cella a combustibile includono:

• Elettrolita: È uno strato che separa l'anodo e il catodo e permette il passaggio selettivo di ioni, ma non di elettroni. Gli elettroliti più comuni includono membrane polimeriche a scambio protonico (PEM), ossido solido (SOFC) e altri materiali conduttori di ioni.
• Anodo: È l'elettrodo dove avviene l'ossidazione del combustibile (solitamente idrogeno) per produrre elettroni e ioni idrogeno.
• Catodo: È l'elettrodo dove avviene la riduzione dell'ossigeno per combinare elettroni, ioni idrogeno e ossigeno per formare acqua.
• Collettore di corrente: È un elemento che raccoglie e trasferisce gli elettroni prodotti dalla reazione elettrochimica all'esterno della cella a combustibile
• Contenitore: È un involucro che contiene gli elementi interni della cella a combustibile e protegge la cella dagli agenti esterni.
• Accessori e sistemi di controllo: Questi includono dispositivi per la gestione del flusso di combustibile e aria, sistemi di raffreddamento e controllo della temperatura, e dispositivi di sicurezza per prevenire il surriscaldamento o la pressurizzazione eccessiva.

Come si produce l’idrogeno e quali sono i suoi utilizzi

L'idrogeno può essere prodotto da diverse fonti di energia primaria, compreso il gas naturale, il petrolio, il carbone, l'acqua e le fonti rinnovabili come l'energia solare e eolica. I metodi comuni di produzione di idrogeno includono:

• Reforming del gas naturale: Questo processo coinvolge la reazione del gas naturale con vapore acqueo ad alte temperature per produrre idrogeno e anidride carbonica. Il metano nel gas naturale funge da fonte di idrogeno.
• Elettrolisi dell'acqua: Questo processo coinvolge l'uso di energia elettrica per decomporre l'acqua (H2O) nei suoi componenti, idrogeno e ossigeno. Quando l'elettricità viene fornita da fonti rinnovabili, come il sole o il vento, l'idrogeno prodotto è considerato verde e privo di emissioni.
• Gassificazione del carbone o della biomassa: Questo processo coinvolge la trasformazione del carbone o della biomassa in una miscela di idrogeno e monossido di carbonio attraverso la gasificazione. L'idrogeno può quindi essere separato dalla miscela e utilizzato come combustibile.

L'idrogeno è utilizzato in una varietà di settori e applicazioni, tra cui:

Mobilità: L'idrogeno può essere utilizzato come combustibile per alimentare veicoli a celle a combustibile, fornendo un'alternativa pulita e a emissioni zero ai veicoli alimentati da combustibili fossili.

Produzione di energia: L'idrogeno può essere utilizzato come combustibile in celle a combustibile per produrre energia elettrica e termica.

Industria: L'idrogeno è utilizzato come agente riducente in una varietà di processi industriali, compresa la produzione di ammoniaca, la raffinazione del petrolio, la produzione di acciaio e la produzione di materiali sintetici.

Stoccaggio energetico: L'idrogeno può essere utilizzato come mezzo di stoccaggio energetico per immagazzinare energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili quando non è disponibile.

Settore aerospaziale: L'idrogeno è utilizzato come propellente nei razzi e nei veicoli spaziali, dove la sua alta densità energetica e il suo peso ridotto lo rendono un'opzione ideale per applicazioni spaziali.

Come funziona un'automobile con celle a combustibile a idrogeno

Un'automobile a celle a combustibile a idrogeno funziona utilizzando un sistema di celle a combustibile per convertire l'idrogeno in energia elettrica per alimentare un motore elettrico. Il processo generale è il seguente:

• Fornitura di idrogeno: L'idrogeno viene immagazzinato in serbatoi speciali a bordo dell'auto. Quando l'auto è in funzione, l'idrogeno viene pompato dai serbatoi e inviato alla cella a combustibile.
• Reazione elettrochimica: All'interno della cella a combustibile, l'idrogeno reagisce con l'ossigeno atmosferico proveniente dall'aria per produrre acqua e energia elettrica attraverso una reazione elettrochimica. Questa energia elettrica viene quindi utilizzata per alimentare il motore elettrico dell'auto.
• Propulsione del veicolo: L'energia elettrica prodotta dalla cella a combustibile alimenta il motore elettrico dell'auto, che trasforma l'energia elettrica in movimento, permettendo al veicolo di muoversi.
• Emissioni: L'unico sottoprodotto della reazione tra idrogeno e ossigeno è l'acqua, che viene rilasciata dall'auto sotto forma di vapore acqueo. Ciò significa che le auto a idrogeno non emettono sostanze inquinanti nocive durante il funzionamento e sono considerate veicoli a emissioni zero.

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Quanto durano le celle a combustibile dell'idrogeno?

La durata delle celle a combustibile dell'idrogeno dipende da diversi fattori, tra cui la tecnologia specifica della cella a combustibile, le condizioni operative, la manutenzione e l'uso dell'auto. In generale, le celle a combustibile sono progettate per durare per migliaia di ore di funzionamento prima di richiedere la sostituzione o la manutenzione.

Le celle a combustibile a membrana a scambio di protoni (PEMFC), utilizzate comunemente nelle applicazioni automotive, possono avere una durata operativa di circa 5.000-10.000 ore prima di richiedere la sostituzione. Tuttavia, con la ricerca e lo sviluppo in corso, si prevede che le tecnologie delle celle a combustibile migliorino ulteriormente la loro durata nel tempo.

La durata delle celle a combustibile può essere influenzata da diversi fattori, compresi:

• Condizioni operative: Le celle a combustibile possono subire un'usura maggiore in condizioni di carico elevato, temperatura estrema o umidità elevata.
• Manutenzione: Una corretta manutenzione e un utilizzo adeguato dell'auto possono contribuire a garantire la durata delle celle a combustibile.
• Qualità del combustibile: L'utilizzo di idrogeno di alta qualità, privo di impurità e ben purificato può contribuire a proteggere le celle a combustibile da danni e contaminazioni.
• Progettazione e materiali: Le celle a combustibile sono soggette a usura e corrosione nel tempo a causa della natura degli ambienti operativi.

Rischi dell’alimentazione a idrogeno

Nonostante i numerosi vantaggi dell'idrogeno come combustibile pulito ed efficiente, ci sono anche alcuni rischi e sfide da considerare nell'adozione su larga scala dell'alimentazione a idrogeno. Alcuni di questi rischi includono:

Infrastruttura di distribuzione limitata: Attualmente, l'infrastruttura di distribuzione dell'idrogeno è limitata in molte parti del mondo, il che rende difficile reperire idrogeno per l'uso in veicoli a celle a combustibile e altre applicazioni.

Sicurezza: L'idrogeno è altamente infiammabile e può formare miscele esplosive con l'aria in determinate condizioni.

Costi elevati: Attualmente, le tecnologie delle celle a combustibile e la produzione di idrogeno sono costose rispetto ad altre opzioni di energia.

Produzione di idrogeno: La produzione di idrogeno può essere un processo energetico intensivo e può comportare emissioni di gas serra e altri impatti ambientali se non è alimentata da fonti di energia rinnovabile.

Conservazione e trasporto: L'idrogeno ha una densità energetica relativamente bassa e richiede infrastrutture speciali per lo stoccaggio e il trasporto. La compressione o la liquefazione dell'idrogeno per aumentare la densità energetica può comportare costi aggiuntivi e richiedere infrastrutture dedicate.

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