Conversione di energia chimica in energia elettrica tramite Fuel Cell: aspetti tecnologici ed elettrochimici

2In una fuel cell, invece, l’energia chimica è fornita da un combustibile e da 
un ossidante immagazzinati all’esterno della cella in cui avvengono le 
reazioni chimiche; dunque, finché si apportano alla cella combustibile e 
ossidante, si può ottenere energia elettrica. 
 
Esistono varie tipologie di fuel cell e molte classificazioni sono presenti in 
letteratura. Una classificazione generale è quella proposta dal seguente 
schema. 
  
Dirette Indirette Rigenerative 
A bassa T A  T 
intermedia 
Ad alta T Reformer 
Fuel Cells 
1.Termiche 
2.Elettriche 
3.Fotochimiche 
4.Radiochimiche
Idrogeno-
ossigeno 
Idrogeno-
ossigeno 
Idrogeno-
ossigeno 
Fuel Cell 
biochimiche 
Composti 
organici-
ossigeno 
Composti 
organici-
ossigeno 
Monossido 
di 
carbonio-
ossigeno 
Composti 
azotati-
ossigeno 
Ammoniaca-
ossigeno 
Idrogeno-
alogeno 
Metallo-
ossigeno 
 
Figura I.2. – Classificazione generale delle tipologie di Fuel Cell 
 
Le differenti fuel cell possono essere classificate in dirette, indirette e 
rigenerative. In una fuel cell diretta, i prodotti delle reazioni di cella sono 
scaricati; invece, in una fuel cell rigenerativa i reagenti non utilizzati sono 
separati dai prodotti e “rigenerati” attraverso uno dei metodi indicati nella 
tabella. Queste due tipologie di cella sono paragonabili alle batterie 
primarie e secondarie. Il terzo tipo di fuel cell è quello indiretto: un 
3esempio è la “reformer fuel cell” che è alimentata da combustibili organici 
che vengono convertiti in idrogeno all’interno della cella stessa. La fuel cell 
biochimica è un altro esempio di cella indiretta: una sostanza è 
decomposta da un enzima in soluzione per produrre idrogeno. 
Un’ulteriore suddivisione è fatta in base al range di temperatura in cui la 
fuel cell opera : si hanno celle operanti a temperature basse (25-100°C), 
intermedie (100-500°C), alte (500-1000°C) e molto alte (sopra i 1000°C). 
In ciascuno di questi range di temperatura, i differenti tipi di fuel cell 
possono essere suddivisi dipendentemente dal combustibile usato. Alcuni 
dei combustibili devono essere immediatamente disponibili, come il gas 
naturale, o devono essere facilmente prodotti, come l’idrogeno. Tra i 
composti organici, gran parte dei potenziali combustibili sono 
immagazzinabili (idrocarburi e alcooli); anche il carbone può essere 
considerato un combustibile. I combustibili che contengono azoto, già 
impiegati, sono ammoniaca, idrazina e idrazine metil-sostituite. 
L’ossigeno, puro o come aria, è usato in tutte le fuel cells come ossidante.  
Un’ulteriore suddivisione è fatta in base alla natura dell’elettrolita – e ad 
essa farò riferimento in seguito -. A seconda del range di temperatura 
questo può essere acquoso (bassi e intermedi range di temperatura), fuso 
(raramente a temperature intermedie, generalmente ad alte), solido (alle 
alte temperature; è il caso di miscele di ossidi, dove lo ione ossido è “il 
trasportatore di corrente” nell’elettrolita). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
41. – L’idrogeno come combustibile. 
 
L’idrogeno è un gas industriale di primaria importanza. Fu per lungo tempo 
utilizzato per il gonfiaggio degli aerostati; venne poi sostituito dall’elio, 
leggermente più pesante, ma meno infiammabile. Attualmente, l’impiego 
dell’idrogeno come combustibile avviene nei programmi spaziali. Oggetto 
delle più recenti ricerche è l’impiego di questo elemento nelle celle a 
combustibile. L’obiettivo è quello di realizzare, ad esempio, un sistema 
energetico basato sull’idrogeno, con la costruzione di impianti per la 
produzione di energia che utilizzino l’idrogeno prodotto dall’elettrolisi 
dell’acqua marina. 
L’interesse dell’idrogeno come fonte di energia risale all’inizio degli anni 
settanta, durante la prima crisi petrolifera. La visione di un sistema 
energetico basato sull’idrogeno era però strettamente correlata, nella 
realtà, con la disponibilità di energia elettrica a basso costo; di 
conseguenza, i progetti di ricerca legati all’energia dall’idrogeno furono 
progressivamente abbandonati. 
Nel corso degli anni ottanta, furono fatti passi in avanti nello studio delle 
tecnologie relative alle risorse rinnovabili e all’efficienza energetica, tanto 
che la ricerca su sistemi energetici altamente efficienti basati su idrogeno 
e fonti rinnovabili, apparve sempre più interessante. 
La materia prima fondamentale per la produzione dell’idrogeno è l’acqua 
per questa ragione l’idrogeno è una fonte completamente rinnovabile. 
Questo elemento risulta dunque compatibile con l’ambiente e non 
produce, al momento della combustione, alcun gas serra, in particolare 
C0
2
. 
Purtroppo l’impiego di idrogeno come combustibile incontra nella pratica 
numerosi problemi soprattutto per gli alti costi di produzione e di 
immagazzinamento.  
 
 
 
 
 
51.1. – Produzione di idrogeno. 
                               Le principali tecnologie di produzione dell’idrogeno sono: 
 ξ  elettrolisi dell’acqua; 
 ξ  steam reforming del gas metano; 
 ξ  ossidazione parziale non catalitica di idrocarburi; 
 ξ  gassificazione del carbone; 
 ξ  gassificazione e pirolisi delle biomasse; 
 ξ  altri metodi. 
 
 
 
Figura 1.1. - Processi di produzione di idrogeno 
 
 
Elettrolisi dell’acqua. 
 
H
2
O              H
2
 + 1/2O
2 
 
Il processo dell’elettrolisi fu applicato per la prima volta da Sir William 
Grove nel 1839. Questo processo richiede il passaggio di corrente 
elettrica attraverso una soluzione acquosa; la corrente entra nella cella 
6elettrolitica tramite un elettrodo caricato negativamente, il catodo, 
attraversa la soluzione acquosa ed esce attraverso un elettrodo caricato 
positivamente, l’anodo. L’idrogeno e l’ossigeno così separati confluiscono 
rispettivamente verso il catodo e verso l’anodo. 
 L’elettrolisi è il metodo più comune per la produzione di idrogeno anche 
se incontra notevoli ostacoli per la quantità limitata di idrogeno prodotta e 
per i costi, ancora troppo elevati, dovuti all’impiego di energia elettrica. 
Attualmente, solo il 4% della produzione mondiale di idrogeno avviene per 
elettrolisi. 
 
 
Figura 1.2. -  Elettrolisi dell'acqua 
 
Per risolvere questi problemi, si prevede l’applicazione dell’elettrolisi con 
vapore ad alta temperatura (900-1000°C). 
H
2
O + corrente elettrica                 H
2
 + 1/2 O
2 
L’alta temperatura del sistema accelera le reazioni, riduce le perdite di 
energia dovute alla polarizzazione degli elettrodi ed accresce l’efficienza 
complessiva del sistema. In ogni caso, prima che le nuove tecnologie 
7vengano perfezionate e divengano operative, il costo per la produzione di 
idrogeno dall’elettrolisi resta il più alto rispetto a qualsiasi altra tecnologia.  
L’elettrolisi resta comunque il processo che riveste maggiore interesse e 
su cui la ricerca punta di più. 
 
Steam reforming del gas metano.  
a) “Steam reforming” di metano: 
CH
4
 + H
2
O                     CO + 3H
2
 
CO + H
2
O                      CO
2
 + H
2 
CH
4
 + 2H
2
O                   CO
2
 + 4H
2 
b) “Steam reforming” di metano e di idrocarburi in generale: 
C
n
H
m
 + nH
2
O                      n CO + (n+m/2) H
2
 
n CO + nH
2
O                      n CO
2 
+ n H
2
 
C
n
H
m
 + 2n H
2
O                   n CO
2
 + (2n+m/2) H
2
 
Lo steam reforming del gas metano è un processo ben sviluppato ed 
altamente commercializzato attraverso il quale si produce il 48% 
dell’idrogeno mondiale. Esso implica la reazione tra metano e vapore in 
presenza di catalizzatori. Tale processo, su scala industriale, richiede una 
temperatura operativa di circa 800°C ed una pressione di 2.5 MPa. 
 
La prima fase consiste nella decomposizione del metano in idrogeno e 
monossido di carbonio. Nella seconda fase, chiamata “shift reaction”, il 
monossido di carbonio e l’acqua si trasformano in biossido di carbonio ed 
idrogeno. Tramite assorbimento o separazione con membrane, il biossido 
di carbonio è separato dalla miscela di gas, la quale viene ulteriormente 
purificata per rimuovere altri componenti non desiderati. 
Il costo del gas naturale incide fortemente sul prezzo finale dell’idrogeno; 
per impianti di grosse dimensioni il costo del gas naturale rappresenta il 
52-68% del costo totale.  
I costi dello steam reforming con metano sono notevolmente inferiori a 
quelli dell’elettrolisi e competitivi con quelli di altre tecnologie. Questo 
processo comporta inoltre un ridotto impatto ambientale. 
 
 
 
8Ossidazione parziale non catalitica di idrocarburi. 
L’idrogeno può essere ottenuto dall’ossidazione parziale non catalitica di 
idrocarburi pesanti come la nafta, in un range di temperatura compreso tra 
i 1300 e i 1500°C. L’efficienza complessiva del processo (circa il 50%) è 
minore di quella ottenuta dalla tecnologia dello steam reforming (65-75%) 
ed è necessario ossigeno puro. I costi sono pertanto sensibilmente più 
elevati. 
 
Gassificazione del carbone.  
In generale, il processo della gassificazione consiste nella parziale 
ossidazione, non catalitica, di una sostanza solida, liquida o gassosa con 
l’obiettivo finale di produrre un combustibile gassoso, formato 
principalmente da idrogeno, ossido di carbonio e idrocarburi leggeri come 
il metano. La produzione di idrogeno mediante gassificazione del carbone 
è una tecnologia che trova numerose applicazioni commerciali, ma si 
rivela competitiva con la tecnologia dello steam reforming solo in quei 
paesi dove il costo del gas naturale è molto elevato. 
 
Gassificazione e pirolisi delle biomasse. 
Come la gassificazione, anche la pirolisi - o distillazione secca - è un 
processo che per mezzo della decomposizione termica, spezza le 
molecole complesse delle sostanze organiche in sostanze semplici. Essa 
consiste nel riscaldare la sostanza da trattare a 900-1000°C, in assenza di 
ossigeno, con ottenimento di sostanze volatili e di un residuo solido.  
L’applicazione di calore alle biomasse (legno, grassi e rifiuti agricoli) 
produce numerosi, differenti gas, tra cui l’idrogeno.  
La gassificazione delle biomasse prevede l’impiego sia di materiale 
derivato dai rifiuti solidi urbani sia da materiali specifici appositamente 
coltivati per essere impiegati come fonte d’energia.  
Un importante vantaggio ambientale dell’utilizzo delle biomasse come 
fonte di idrogeno è il fatto che il biossido di carbonio emesso nella 
conversione delle biomasse, non contribuisce ad aumentare la quantità 
totale di gas nell’atmosfera. Esso è infatti consumato dalle biomasse 
durante il periodo di crescita (fotosintesi) e nella stessa quantità è 
9restituito all’ambiente durante il processo di gassificazione. Purtroppo il 
contenuto d’idrogeno è solo del 6-6.5% , rispetto al 25% di gas naturale. 
Per questa ragione i costi si presentano ancora molto elevati e il sistema 
non risulta competitivo. 
  
Altri metodi.  
Si sta puntando molto su sistemi che consentano la produzione di 
idrogeno tramite l’impiego diretto dell’energia solare, in sostituzione 
dell’energia elettrica necessaria per l’elettrolisi dell’acqua. Si tratta 
comunque di tecnologie in fase sperimentale. Uno di questi metodi usa il 
processo della foto-conversione ed associa un sistema di assorbimento 
della luce solare ed un catalizzatore per la scissione dell’acqua.  
Vi sono due classificazioni principali di tali sistemi: fotobiologico (alcune 
alghe e batteri sono in grado di produrre idrogeno sotto specifiche 
condizioni) e fotoelettrochimico.  
Un altro esempio sono le centrali fotovoltaiche ad idrogeno.  
Una delle tecnologie di produzione dell’idrogeno, che è ancora ai 
primissimi stadi della ricerca, è basata su metodi di conversione 
enzimatica del glucosio e di altri zuccheri. Si affianca a questa la radiolisi, 
che consiste nella separazione delle molecole d’acqua tramite la collisione 
con particelle ad alto contenuto energetico prodotte in un reattore 
nucleare. A causa della rapida ricombinazione di ossigeno e idrogeno, 
l’efficienza di questo metodo è però molto bassa (1%). 
 
 
1.2. – Stoccaggio di idrogeno. 
Sono previsti differenti modi per immagazzinare idrogeno. 
I principali sono i seguenti: 
 ξ  compressione, 
 ξ  liquefazione, 
 ξ  all’interno di idruri di metallo ed idruri chimici, 
 ξ  attraverso sistemi basati sul carbonio, e  
 ξ  tramite microsfere di cristallo.