Celle a combustibile in termini semplici
Le celle a combustibile sono una tecnologia innovativa destinata a rivoluzionare il modo in cui il mondo genera elettricità. Soprannominate la “batteria del futuro”, rappresentano un’alternativa pulita ed altamente efficiente ai tradizionali sistemi basati sulla combustione come il motore a combustione interna (ICE).
Cos'è una cella a combustibile?
Pensa alle celle a combustibile come a un tipo speciale di batteria. L’obiettivo finale di una batteria e di una cella a combustibile è lo stesso: generare elettricità per fornire energia a un’applicazione. La differenza principale tra i due è da dove proviene l’energia.
Pensa alle batterie come a un contenitore preriempito. Hanno già l'elettricità immagazzinata all'interno, pronta per l'uso e non richiedono alcuna fonte di carburante aggiuntiva.
Le celle a combustibile sono l'opposto. Non immagazzinano l'elettricità: la creano. Le celle a combustibile generano elettricità attraverso una reazione chimica, convertendo direttamente l'energia da una fonte di combustibile in energia elettrica. Quell’elettricità può quindi essere utilizzata per alimentare le sue applicazioni.
Ad esempio, le celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEM) sono l’attuale focus dei veicoli a celle a combustibile (FCV). Le celle a combustibile PEM utilizzano combustibile a idrogeno per generare elettricità. L’elettricità viene immessa in una batteria, che poi alimenta un motore elettrico per spingere il veicolo in movimento.
Parti di una cella a combustibile
Sebbene le celle a combustibile siano costituite da diversi strati di materiali diversi, ci sono tre parti fondamentali da conoscere:
• Membrana elettrolitica
• Strati catalitici (anodo e catodo)
• Strati di diffusione del gas
Questi tre componenti costituiscono il gruppo elettrodo membrana della cella a combustibile (MEA). A volte chiamato “il cuore” della cellula, il MEA è il luogo in cui viene prodotta l’elettricità, o energia. Indipendentemente dal tipo, una cella a combustibile avrà sempre un anodo, un catodo e una membrana elettrolitica. La differenza sta nel materiale di cui è fatta la membrana elettrolitica.
La membrana elettrolitica
La membrana separa i due strati di catalizzatore. Agisce come il custode della cella a combustibile. Il suo compito è consentire solo alle particelle caricate positivamente necessarie di passare da un lato all'altro del catalizzatore, bloccando al contempo il passaggio delle particelle caricate negativamente. Questo componente è anche il luogo da cui le celle a combustibile prendono il nome. Una cella a combustibile con una membrana elettrolitica polimerica è chiamata cella a combustibile PEM.
Gli strati catalizzatori
Una cella a combustibile ha due strati catalizzatori. Ciascuno strato è costituito da un rivestimento dell'elettrodo di materiale catalizzatore. La membrana è inserita tra di loro. Da un lato c'è un elettrodo negativo (anodo) e dall'altro c'è un elettrodo positivo (catodo). Lo strato anodico assorbe il carburante e lo separa in protoni ed elettroni. Lo strato catodico assorbe ossigeno e converte ossigeno, protoni ed elettroni in acqua e calore.
Strati di diffusione del gas (GDL)
Mentre l'anodo e il catodo svolgono la loro funzione, i GDL si trovano all'esterno degli strati catalitici per diffondere i gas derivanti dal processo chimico e rimuovere l'acqua prodotta. I GDL aiutano a prevenire l’eccessivo accumulo di acqua e aiutano a bilanciare la ritenzione idrica e il rilascio di acqua. La ritenzione dell'acqua è necessaria per mantenere la conduttività della membrana, mentre il rilascio dell'acqua è necessario per mantenere aperti i pori dei GDL in modo che l'idrogeno e l'ossigeno possano diffondersi negli elettrodi.
Come le celle a combustibile generano elettricità
All'interno della cellula si verificano una serie di reazioni chimiche per separare gli elettroni dalle molecole del carburante per generare elettricità. Nel caso dell'idrogeno, l'idrogeno gassoso viene immesso nella cella a combustibile sul lato dell'anodo mentre l'ossigeno viene immesso nel catodo. All'anodo, le molecole di idrogeno vengono separate in protoni ed elettroni. Le particelle positive e negative percorrono quindi due percorsi diversi.
Gli elettroni viaggiano verso un circuito elettrico esterno prima di proseguire verso il catodo. Il circuito esterno è il luogo in cui viene creato un flusso di elettricità. Le particelle positive passano attraverso la membrana fino al catodo. Una volta lì, i protoni si riuniscono con gli elettroni e reagiscono con l'ossigeno per produrre acqua e calore.
Perché le celle a combustibile come alternativa all'ICE?
La mancanza di combustione è un enorme punto di forza per investire e adottare le tecnologie delle celle a combustibile. Mentre i motori ICE e le centrali elettriche tradizionali richiedono la combustione per convertire il carburante in energia, una cella a combustibile no. Converte il combustibile in elettricità attraverso un processo elettrochimico non comburente. Poiché non vi è combustione, alla produzione elettrica non sono associate emissioni nocive. Gli unici sottoprodotti sono acqua pura e calore.
Poiché possono fornire energia pulita per varie applicazioni, le industrie si stanno rivolgendo alle celle a combustibile nel tentativo di adottare tecnologie che le porteranno verso i loro obiettivi di emissioni. Le celle a combustibile stanno già facendo avanzare il settore dei trasporti commerciali alimentando camion pesanti, autobus, ferrovie e navi marittime. Anche industrie, società di servizi pubblici e istituzioni come data center, ospedali e università si affidano alle celle a combustibile. Queste applicazioni fisse includono alimentazione di backup, riduzione dei picchi e generazione di energia portatile e ausiliaria.
Con la crisi climatica al centro dei pensieri di tutti, le industrie sono ansiose di passare a soluzioni energetiche più rispettose dell’ambiente. Le celle a combustibile sono una soluzione molto promettente, ma c’è una ragione per cui vengono chiamate la “batteria del futuro”. Negli ultimi 20 anni sono stati compiuti progressi e ulteriori progressi sono necessari prima che i semirimorchi alimentati da celle a combustibile possano circolare su tutte le autostrade. Ma noi di Accelera™ by Cummins siamo fiduciosi che ci arriveremo. Stiamo investendo attivamente nelle celle a combustibile PEM per il trasporto di veicoli commerciali e l’energia stazionaria, ritenendo che siano una soluzione vitale che accelererà il passaggio a emissioni zero.
Dopotutto, le celle a combustibile hanno contribuito a mandare i primi esseri umani sulla Luna nel 1969. Quindi, se la NASA può farlo, perché non possiamo farlo anche noi?
Vuoi vedere esempi reali di celle a combustibile in azione? Dai un'occhiata a questi progetti dimostrativi:
