FUEL CELL ad elettrolita polimerico

La fuel cell ad elettettrolita polimerico (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) è di gran lunga il tipo di cella a combustibile più usato e sul quale viene investito il maggior sforzo in termini di ricerca. I motivi sono dovuti in parte al fatto che attualmente tale tecnologia offre una densità di potenza maggiore di un ordine di grandezza rispetto a qualsiasi altro tipo di fuel cell (con l’unica eccezione della fuel cell alcalina ad uso avanzato in campo spaziale che raggiunge le stesse prestazioni).

La PEMFC usa una membrana ad elettrolita polimerico che conduce gli elettroni dall’anodo al catodo. Il tipo di membrana più comune è la Dupont Nafion® che alla vista sembra un semplice foglio di plastica semitrasparente. Le fuel cells PEM rispondono bene ai cambiamenti nel carico elettrico rendendole molto adatte all’utilizzo nell’ambito dei trasporti leggeri, per la generazione di energia elettrica per utilizzi domestici e nell’ambito della navigazione spaziale. Esse operano a temperature abbastanza basse (70-85°C) e possono avviarsi e raggiungere metà della potenza quasi immediatamente. La piena potenza di erogazione viene raggiunta in circa 3 minuti (comunque molto lentamente in confronto alla erogazione istantanea della batterie tradizionali, o dei motori a combustione).

Una delle maggiori limitazioni è dovuto al costo elevato del platino o di simili catalizzatori che devono essere usati sia al catodo che all’anodo. Allo stato attuale sono necessari 16.8 mg di catalizzatore per kW di potenza. Grazie a notevoli sviluppi la quantità richiesta è passata a circa 0.98 mg per kW o, in termini di costo, 25 € al kW considerando i prezzi attuali. La densità di potenza massima che attualmente si può raggiungere con le PEMFC commerciali (in genere sono pile da 5 kW) è di circa 195 kW/m3 I ricercatori confidano nel limite prossimo raggiungibile di 490 kW/m3. Nel breve orizzonte temporale un sistema a fuel cell che include il combustibile, i controlli, il sistema di raffreddamento e di rimozione dell’acqua prodotta operante a 3.1 bar (pressione richiesta al fine di ottenere una ragionevole densità di potenza) potrà produrre circa 45 kW/ m3 e circa 90 W/kg. Come riferimento, un motore a benzina di un’ utilitaria raggiunge i 400 W/kg. L’efficienza dei sistemi di generazione di energia elettrica da combustibile per applicazioni a fini pratici si aggira attorno a 35% - 45%. Molti reclamano il fatto che le prestazioni delle fuel cell sono generalmente misurate in condizioni di laboratorio, senza considerare gli accessori. L’efficienza attesa per un’automobile o un impianto alimentato da fuel cell è di circa 35%, sicuramente meglio del rendimento degli attuali motori a benzina e diesel. A causa della bassa temperatura di funzionamento delle celle a combustibile ad elettrolita polimerico si presenta il problema di come disperdere il calore in eccesso.

Nelle PEMFC può venire usato solo idrogeno puro come combustibile se si vuole evitare l’avvelenamento del catalizzatore.Il monossido di Carbonio (CO) è in particolar modo dannoso e facilmente introdotto in seguito a processi di reforming. Lo Zolfo può essere dannoso se non completamente rimosso prima del reforming. Il reformer, che ha il compito di ottenere l’idrogeno necessario ad alimentare la cella, impiega molto più tempo della cella ad attivarsi; quest’ultima quindi deve essere avviata grazie ad idrogeno immagazzinato separatamente. Il processo di avvio così lungo e probabilmente molto frequente incrementa la possibilità di contaminazione dell’idrogeno di alimentazione. Per questo motivo è preferibile utilizzare idrogeno contenuto in un impianto centralizzato di stoccaggio. Qualsiasi Fuel Cell operante a bassa temperatura che produce acqua e che sia soggetta a cicli di congelamento e scongelamento (si pensi ad un auto parcheggiata all’aperto in inverno) vede aumentati i rischi intrinseci di danneggiamento.

 

Energia in Pillole è il titolo della serie di mini lezioni sulle energie rinnovabili, il risparmio energetico e cambiamento climatico di IRECon Italia Srl. Ogni numero di Energia in Pillole è pubblicato in esclusiva, con uscite periodiche, sul portale web www.energie-rinnovabili.net

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