1. Le pile oggi
Le pile a combustibile

L'elemento fondamentale di queste pile è la cella a combustibile , un generatore elettrochimico in cui, in linea di principio, entrano un combustibile (tipicamente idrogeno) e un ossidante (ossigeno o aria) e da cui si ricavano corrente elettrica continua, acqua e calore.

Come gli altri elementi voltaici, una cella a combustibile è formata essenzialmente da due elettrodi, catodo ed anodo, e da un elettrolito che permette la migrazione degli ioni. Ma, nella cella a combustibile, la materia attiva viene continuamente rinnovata e quindi la corrente elettrica continua può essere erogata indefinitamente se si mantiene l'alimentazione di combustibile e di gas ossidanti.

Il combustibile e i gas ossidanti lambiscono rispettivamente l'anodo e il catodo (sulle facce opposte a quelle in contatto con l'elettrolito). Data la porosità degli elettrodi, vengono in questo modo continuamente alimentate le reazioni di ossidazione del combustibile e di riduzione dei gas ossidanti.

Un aspetto di importanza fondamentale per le applicazioni delle celle a combustibile, è rappresentato dal fatto che gli effluenti (acqua e gas esausti), che vanno continuamente rimossi dalla cella, non contengono sostanze inquinanti.

La cella ha struttura piatta a tre strati, di cui quello centrale, compreso fra il catodo e l'anodo, costituisce o contiene l'elettrolito. Alcuni tipi di celle funzionano in orizzontale (come la cella schematizzata nel disegno) altre in verticale, come avviene in particolare per le celle a membrana polimerica (celle PEM).

In pratica, le superfici affacciate devono avere un'area sufficiente per ottenere intensità di corrente adeguate alle esigenze applicative. Si può così arrivare, in funzione dell'applicazione e della filiera di celle, a superfici dell'ordine del metro quadrato. Le singole celle (caratterizzate da tensioni comprese da mezzo volt a un volt , secondo la tecnologia adottata e il carico elettrico ad essa collegato) vengono sovrapposte una all'altra, collegandole in serie in modo da ricavare una tensione complessiva del valore desiderato. L'impilamento di celle che così si ottiene, forma il cosiddetto stack (o "pila"), che rappresenta la base della sezione elettrochimica.

Generalmente un impianto a celle a combustibile è composto, oltre che dal modulo di potenza (contenente la sezione elettrochimica) anche da un convertitore di corrente (inverter) e di un trasformatore che convertono la corrente continua generata dalla pila in corrente alternata alla tensione e alla frequenza desiderate.

Lo stato attuale delle celle a combustibile
Lo sviluppo storico delle celle a combustibile ha occupato un arco di tempo molto ampio (oltre un secolo e mezzo) ed è stato fortemente condizionato, sotto l'effetto di forti spinte innovative e di notevoli difficoltà tecniche ed economiche che, soprattutto in passato, ne hanno ostacolato il cammino verso la piena maturità industriale e la diffusione commerciale.

Fra queste ultime occorre considerare in particolare:

  • i problemi tecnologici e i costi di produzione ancora elevati delle pile a combustibile
  • il successo delle soluzioni alternative elettromeccaniche tuttora più economiche e tecnologicamente meno impegnative.

Fra le motivazioni che spingono a intensificare gli sforzi verso lo sviluppo commerciale delle pile a combustibile, si possono citare:

  • la necessità di disporre di generatori di energia con ridotto impatto ambientale e basse emissioni di anidride carbonica (CO2 )
  • la ricerca di rendimenti elevati anche a livello di generatori di taglia medio-piccola
  • la ricerca di un'alternativa,seppur parziale, al nucleare
  • la concreta prospettiva di una significativa riduzione dei costi nel breve-medio termine.

Nonostante gli ostacoli sopra citati, sono oggi disponibili, a differenti stadi di sviluppo, diverse filiere di celle a combustibile FC (Fuel cell), che si distinguono una dall'altra per il tipo di elettrolito e che funzionano a diverse temperature medie e con differenti rendimenti. In generale la materia attiva è costituita da aria od ossigeno e da idrogeno oppure da idrocarburi (nel caso delle celle ad alta temperatura)

Celle a combustibile
a bassa e media temperatura

Celle alcaline (o AFC: Alkaline FC) che usano come elettrolito una soluzione acquosa di idrossido di potassio (KOH) e hanno elettrodi porosi a base di nichel (temperatura media di esercizio: 60-100 °C).

Celle PEM (Proton Exchange Membrane), dette anche SPFC (Solid Polymer FC, celle a elettrolito polimerico solido): sono dotate di una membrana a scambio di protoni su cui sono depositati gli elettrodi (temperatura media di esercizio: 60-120 °C).

Celle ad acido fosforico PAFC (Phosphoric Acid FC) che usano come elettrolito una soluzione di acido fosforico imbibito in una matrice di carburo di silicio posta fra due elettrodi di grafite opportunamentte trattata (temperatura media di esercizio: 180-200 °C).

Celle a combustibile ad alta temperatura

Celle ad ossidi solidi SOFC (Solid Oxide FC), il cui elettrolito è formato da ossido di zirconio stabilizzato con ossido di ittrio; il catodo è costituito da manganito di lantanio opportunamente trattato, l'anodo da un cermet a base di nichel-ossido di zirconio (temperatura media di esercizio: 800-1000 °C).

Celle a carbonati fusi (o MCFC: Molten Carbonate FC), che usano come elettrolito una miscela di carbonati (tipicamente di litio e di potassio), i due elettrodi sono entrambi a base di nichel: il catodo impiega ossido di nichel litiato, l'anodo usa nichel con piccole percentuali di cromo (temperatura media di esercizio: 600-700 °C).

Principali parametri delle celle a combustibile

Parametri delle celle a combustibile
Temperatura media di esercizio

[C°]
Rendimento elettrico dell'impianto
(1)

[%]
Temperatura media del calore residuo (*)
(2)

[C°]

FC alcaline (AFC)
60 - 100
50
<60

FC a membrana polimerica
(PEM, SPFC)
60 - 120
40
40 - 60

FC ad acido fosforico (PAFC)
180 - 200
40
70 - 80

FC a carbonati fusi (MCFC)
600 - 700
50 - 55
600 - 700

FC a ossidi solidi (SOFC)
800 - 1000
50 - 55
700 -1000
(1) La valutazione dei rendimenti di impianto non è omogenea. In alcuni casi (MCFC, PAFC, SOFC) si include il processo di reforming mentre in altri (PEM, AFC) si fa riferimento all'alimentazione diretta ad idrogeno.

(2) La temperatura del calore residuo ha notevole importanza per le applicazioni e in particolare per l'integrazione delle pile a combustibile in cicli di tipo combinato.

Le celle a combustibile a bassa e media temperatura (AFC, PEM, PAFC) presentano minori problemi tecnologici e permettono l'uso di materiali strutturali non particolarmente pregiati (sono però richiesti catalizzatori a base di metalli nobili). I rendimenti possono arrivare al 40%; solo le celle alcaline raggiungono il 50%.

Le celle a combustibile ad alta temperatura (MCFC, SOFC) presentano maggiori difficoltà tecnologiche, ma hanno maggiore flessibilità rispetto al combustibile e possono raggiungere rendimenti più elevati; inoltre l'alta temperatura del calore residuo consente l'integrazione in cicli di tipo combinato, permettendo di arrivare a rendimenti complessivi del 60-65 %.

Prospettive di applicazione
La riscoperta e il rilancio delle pile a combustibile, oltre un secolo dopo la loro invenzione da parte di W. Grove (1839), risale agli anni Sessanta, per le applicazioni in campo spaziale, dove le esigenze di affidabilità, leggerezza e densità di potenza prevalgono sui costi.

Negli anni Ottanta e Novanta, una maggiore attenzione alla salvaguardia ambientale e un'accresciuta disponibilità di materiali e tecnologie adatti alla realizzazione delle pile a combustibile hanno permesso di passare dalle esperienze di laboratorio a realizzazioni a livello preindustriale e, nel caso delle celle PAFC, alla produzione commerciale.

Oggi si ritiene che le pile a combustibile possano svolgere un ruolo di crescente importanza nell'ambito della generazione stazionaria di potenza, dove sta crescendo la richiesta di generazione distribuita che è stata finora soddisfatta prevalentemente con piccole turbine a gas e motori a combustione interna (nell'ambito delle tecniche tradizionali) o con generatori fotovoltaici ed eolici (nell'ambito delle fonti rinnovabili).

In particolare le pile a combustibile a temperatura media o alta rivestono particolare interesse per la cogenerazione (produzione associata di energia elettrica e calore).

Per quanto riguarda le potenzialità specifiche delle singole filiere, la tecnologia delle celle alcaline AFC si può considerare ormai matura, ma le caratteristiche di queste pile le rendono adatte solo ad applicazioni spaziali (Apollo, Shuttle) quando siano disponibili idrogeno e ossigeno puri. Esse sono state sperimentate anche in applicazioni militari (sommergibile con celle a combustibile da 100 kW della Siemens) e di trasporto terrestre (autobus ELENCO, alimentato a idrogeno), ma la mancanza di flessibilità nei riguardi del combustibile da impiegare limita fortemente i loro sviluppi futuri.

Le celle a membrana polimerica (PEM o SPFC) sono state inizialmente sviluppate per impieghi spaziali (Gemini) e, a partire dalla metà degli anni Ottanta, sono oggetto di crescente attenzione per applicazioni di trazione elettrica a causa dell'elevata densità di potenza e dell'assenza di problemi di corrosione. Dopo qualche applicazione di nicchia, come flotte di autobus o vetture per uso cittadino, dal 2004 le applicazioni cominceranno ad estendersi alle vetture di uso privato. Nel settore della generazione stazionaria di energia elettrica, l'uso delle pile a combustibile a membrana polimerica è previsto nelle seguenti applicazioni:

 

 

 

 

 

Per le celle a ossidi solidi SOFC sono state sviluppate due diverse configurazioni: una tubolare maggiormente sviluppata e sperimentata (ma penalizzata da costi proibitivi) e una planare meno sviluppata, ma con maggiori speranze di riduzione dei costi.