Celle a Combustibile
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La cella a combustibile

 

 

 Per trasformare l'energia chimica di un combustibile in energia elettrica ci si è affidati principalmente alla combustione, che comunque risulta essere una trasformazione alquanto inefficiente, difficile da controllare e inquinante. Esiste però un sistema alternativo per produrre energia elettrica senza ricorrere alla combustione: invece di bruciare il combustibile lo si trasforma in un flusso di idrogeno che viene introdotto insieme all'ossidante (aria) in appositi generatori elettrolitici, detti appunto celle a combustibile.

Queste funzionano all'incirca come una batteria. Presso uno dei due poli, l'anodo, si verifica un'ossidazione con conseguente liberazione di elettroni, che vengono canalizzati in un circuito esterno. All'altro polo, il catodo ha luogo una riduzione resa possibile dagli elettroni di ritorno dal circuito. Tra anodo e catodo è posto  il cosiddetto "elettrolita", che ha la funzione di trasportare gli ioni prodotti dall'ossidazione e consumati dalla riduzione  chiudendo il circuito elettrico. La trasformazione produce, oltre alla elettricità, anche calore e vapore acqueo.
La tecnologia delle celle a combustibile può essere impiegata sia per la propulsione che negli impianti domestici con la possibilità di avere la cogenerazione di elettricità e di calore, offrendo molti vantaggi: elevata efficienza, minima produzione emissioni di inquinanti e possibilità di operare con combustibili diversi (idrogeno puro, metanolo, etanolo, gas naturale, benzina, ecc.) consentendo di diversificare l'utilizzo delle fonti energetiche.

Il problema connessi a questa tecnologia è che per funzionare ha bisogno di utilizzare idrogeno, ma questo risulta difficile da immagazzinare sia nell'ambito domestico che nell'ambito automobilistico. Tra le soluzioni possibili c'è quella di ricavarlo direttamente dai vari combustibili fossili come benzina o metano, il meccanismo utilizzato deve occupare poco spazio e produrre sufficiente  quantità di idrogeno.

Nel prosieguo si riporta lo schema proposto dal Johnson Matthey Tecnology Center e che ha vinto il Premio Italgas per la Ricerca e la Innovazione Tecnologica 1999

Il sistema per ricavare l'idrogeno dal metanolo e dal gas naturale è stato chiamato HotSpotTM esso utilizza una reazione controllata del combustibile con l'ossigeno dell'aria che produce anidride carbonica, idrogeno, e, naturalmente, una gran quantità di calore. In pratica si spezza la molecola del metano in modo di generare da un lato l'anidride carbonica e dall'altro idrogeno,  il difetto di questa tecnologia e che permette di ricavare tanto idrogeno quanto c'è ne nel metano, inoltre l'ossigeno si trova nell'aria per cui l'idrogeno ricavato si trova in presenza di una notevole quantità di azoto. Per ovviare a questo inconveniente si utilizza il calore prodotto dalla reazione per combinare il metano con l'acqua producendo ancora idrogeno, che non sarà più  solo quello presente nel metano, ma anche quello presente nell'acqua. Inoltre non vi è presenza di azoto. Si sono quindi combinati assieme due meccanismi che sono complementari, il primo è veloce ma produce molto calore e poco idrogeno, il secondo invece per funzionare ha bisogno di molto calore ed è lento, ma produce molto idrogeno.

Un altro problema da risolvere  è che il sistema di trasformazione del gas naturale in idrogeno produce anche ossido di carbonio in quantità che non sono tollerate dall'anodo della cella a combustione, per cui è necessaria una purificazione dell'idrogeno dall'ossido di carbonio, cosa però molto difficile a causa della loro somiglianza chimica. Utilizzando degli opportuni catalizzatori si riesce ad ottenere la pulizia cercata, il metodo utilizzato è stato chiamato DemonoxTM  che operando in modo selettivo riesce ad eliminare l'ossido di carbonio eliminando il minor numero possibile di atomi di idrogeno.

Nel disegno precedente è riportato rappresenta lo schema di utilizzo in ambito domestico, con la generazione contemporanea di energia elettrica e di calore.


Fonte:  "Rivista del Gruppo Italgas" n 2/99