Analisi sperimentale di una cella a combustibile passiva alimentata a metanolo diretto

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INTRODUZIONE 
 
Gli idrocarburi derivati dal petrolio, dal carbone e dal gas naturale sono essenziali per lo 
sviluppo del genere umano, visto che da essi traiamo la maggior parte dell’energia 
necessaria per muoverci, riscaldarci e generare elettricità e li sfruttiamo largamente 
nell’industria chimica e dei materiali.   
È altrettanto risaputo che la formazione di petrolio, carbone e gas naturale richiede tempi 
dell’ordine delle decine di milioni di anni, eppure il consumo mondiale di solo petrolio è di 
circa 12 milioni di tonnellate al giorno: la conseguenza è che entro il ventunesimo secolo le 
risorse petrolifere e di gas naturale si esauriranno, mentre il carbone dovrebbe permettere 
approvvigionamenti per circa altri due o tre secoli. [1]    
Gli effetti collaterali di uno sfruttamento di idrocarburi, principalmente attraverso la 
combustione, su scala così vasta sono molteplici: dall’immissione atmosferica di sostanze 
inquinanti(alcune delle quali nocive per le specie viventi) alle alterazioni climatiche e 
meteorologiche e al noto “effetto serra”, questi ultimi comunque riconducibili alla prima. 
Ad accelerare il processo contribuiscono la pronosticata crescita della popolazione 
mondiale, che aumenterà fino a 8-11 miliardi di individui alla metà del corrente secolo, e la 
crescente qualità della vita. Questi due fenomeni, che implicano consumi energetici 
sempre maggiori, sono concomitanti in modo particolarmente evidente soprattutto nelle 
regioni in via di sviluppo del pianeta (come Cina, India, area Mediorientale, America 
meridionale). [2]  
In quest’ottica allora si comprende la necessità di un rinnovamento che assicuri uno 
sviluppo sostenibile al genere umano. Il fine ultimo è realizzare un sistema energetico che 
non consumi risorse e non produca rifiuti: questo risultato, forse utopistico, costituisce un 
obiettivo di lungo periodo. Sul breve-medio periodo occorre perlomeno indirizzarsi verso 
tecnologie che massimizzino l’utilizzo di fonti disponibili, possibilmente rinnovabili, e 
minimizzino l’impatto ambientale derivante dal loro utilizzo: in questo percorso hanno 
particolare importanza le tecnologie che sfruttano il vettore energetico idrogeno. 
L’idrogeno, essendo l’elemento più diffuso nell’universo e possedendo un potere calorifico 
di 120 MJ/kg (quasi il triplo di quello del petrolio), a determinate condizioni può soddisfare 
tutti gli usi finali dell’attività umana. Un altro punto a favore dell’idrogeno è la possibilità di 
impiegarlo in sistemi di conversione diretta, quali le celle a combustibile, di cui una 
particolare tipologia è proprio l’oggetto di questa tesi. Tuttavia, poiché alle condizioni 
ambientali l’idrogeno si trova allo stato gassoso, la diffusione dei dispositivi in grado di 
sfruttarlo è stata frenata dalle difficoltà e dai costi connessi con il suo stoccaggio e il 
trasporto nonché dai prezzi più competitivi di tecnologie già presenti sul mercato (ad 
esempio motori a combustione interna alimentati con benzina o gasolio, pile tradizionali, 
ecc.) 
Una tecnologia innovativa che potrebbe aggirare le difficoltà e i costi del traporto e dello 
stoccaggio dell’idrogeno è costituita da fuel cells alimentate direttamente con metanolo, 
dal momento che quest’ultimo alle condizioni ambientali si presenta allo stato liquido. Tali 
celle inoltre presentano vantaggi come la possibilità lavorare a temperature prossime a
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quella ambientale, semplicità costruttiva, modesti ingombri e basse emissioni di anidride 
carbonica, tuttavia contrastati da alcuni problemi di prestazioni e affidabilità che non le 
rendono ancora mature per la commercializzazione.  
Il presente lavoro ha lo scopo di illustrare lo stato dell’arte delle celle a combustibile 
alimentate direttamente con il metanolo e funzionanti in modalità passiva, cioè prive di 
sistemi ausiliari, e mostrare i risultati di alcune prove sperimentali svolte nel laboratorio di 
macchine del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale della Sapienza di 
Roma. 
 
“L'acqua sarà un giorno un combustibile. L'idrogeno e l'ossigeno di cui è costituita, 
utilizzati isolatamente, offriranno una sorgente di calore e di luce inesauribile.” 
~ Jules Verne
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SOMMARIO 
 
Questa tesi si articola in 3 capitoli principali: 
1. Celle a combustibile 
2. Direct Methanol Fuel Cells 
3. Sezione sperimentale 
Nel primo capitolo si espongono l’architettura e i principi di funzionamento generali delle 
celle a combustibile, ponendo l’accento anche su aspetti relativi alla termodinamica e al 
rendimento di tali dispositivi. Sono dunque illustrate le diverse tipologie di fuel cells 
attualmente sul mercato e le loro caratteristiche generali. 
Il secondo capitolo è dedicato specificamente allo stato dell’arte delle celle a combustibile 
alimentate a metanolo diretto, con particolare riferimento alla configurazione passiva. 
Sono descritti nel dettaglio i componenti e analizzati i vantaggi e le problematiche. 
Il terzo e ultimo capitolo è la parte sperimentale della tesi, in cui si espone il lavoro svolto 
su un prototipo di DMFC passiva assemblata e testata presso il laboratorio di macchine 
del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale della Sapienza di Roma. In 
questo capitolo sono descritti i materiali e gli strumenti utilizzati nelle prove e le procedure 
seguite nello svolgimento delle stesse; infine sono mostrati e discussi i risultati ottenuti nei 
test al variare di alcuni parametri caratterizzanti del sistema.
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1. CELLE A COMBUSTIBILE 
 
1.1 Generalità e cenni storici 
Le celle a combustibile sono dispositivi che convertono direttamente l’energia chimica di 
un combustibile, tipicamente idrogeno o metanolo, in energia elettrica attraverso un 
processo elettrochimico isotermo e isobaro. Non avvenendo processi di combustione tipici 
dei convertitori convenzionali, non vi è il passaggio attraverso lo stadio di energia termica, 
cosicchè il rendimento non è vincolato a quel limite massimo, costituito dal rendimento di 
Carnot. [3] 
Analogamente alle pile tradizionali questi dispositivi producono corrente continua e la 
conversione dell’energia chimica avviene per mezzo di una reazione di ossidazione, ma 
nelle fuel cells la combinazione tra combustibile e ossidante avviene attraverso un 
percorso elettrolitico, e non già in modo diretto. Le celle a combustibile lavorano grazie a 
un flusso di reagenti riforniti dall’esterno e durante le reazioni elettrodiche non si 
consumano né gli elettrodi né l’elettrolita. Tuttavia, poiché le fuel cells sono semplicemente 
dei sistemi di conversione, mentre le pile tradizionali costituiscono esse stesse dei sistemi 
di stoccaggio e di conversione, l’energia prodotta può essere immagazzinata solo al di 
fuori della cella (es. in un serbatoio).  
 
 
Figura 1.1: schema di una generica fuel cell. 
 
Il primo prototipo di cella a combustibile fu realizzato già nel 1838 dell’avvocato e fisico 
William Grove, ma questa tecnologia risultava troppo complicata e costosa per i processi 
produttivi dell’epoca. Solamente un secolo più tardi, nuove ricerche condussero a una 
riscoperta e negli anni ’50 e ’60 la NASA svolse studi finalizzati a utilizzi spaziali delle fuel 
cells.
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Negli ultimi 20 anni le celle a combustibile hanno destato sempre maggiore attenzione, ma 
per alcune problematiche (che saranno esposte in seguito) ancora non sono riuscite ad 
affermarsi. 
 
1.2  Elementi costitutivi principali 
Gli elementi principali di una cella a combustibile sono di seguito riportati: 
 MEA: il “membrane electrode assembly” è l’unità chimicamente attiva della fuel cell, 
che costituisce il “cuore” del dispositivo. Essa è composta dai due elettrodi, anodo e 
catodo, detti anche Catalyst Layers (CLs) separati da un elettrolita e affiancati 
entrambi da strutture rigide porose, dette Gas Diffusion Layers (GDLs) come 
mostrato in figura 1.2.  
 
   
Figura 1.2: schema generale di un MEA. 
 
  
 Catalyst Layers: sono costituiti da un supporto poroso (in genere di carbonio), su 
cui sono legati uno o più metalli, più o meno pregiati, che favoriscono le reazioni 
catalitiche agli elettrodi: tra essi si genere una tensione grazie alla quale un carico 
collegato un circuito esterno può sfruttare il flusso elettronico prodotto. Per ottenere 
delle prestazioni soddisfacenti occorre che i CLs presentino un’elevata conducibilità 
elettrica e un’elevata porosità, in modo da permettere al flusso di reagenti di 
diffondere omogeneamente al suo interno. 
L’elettrolita permette agli ioni prodotti nella reazione all’anodo di raggiungere il 
catodo e ivi completare il complesso delle reazioni chimiche. Esso può essere sia 
liquido che solido in base al particolare tipo di cella a combustibile.
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 Gas Diffusion Layers: assicurano l’omogenea diffusione dei reagenti verso gli 
elettrodi e il trasporto dell’acqua prodotta lato anodo. 
Va puntualizzato che il fluido in alimentazione all’anodo può essere idrogeno 
oppure metanolo (o ancora un idrocarburo da cui si ottiene idrogeno per mezzo di 
un processo di reforming), mentre quello al catodo aria oppure ossigeno puro. 
 
 Collettori di corrente: consistono in piatti metallici, tipicamente di acciaio 
inossidabile, posti a contatto con il MEA sia lato anodo sia lato catodo e nei quali 
sono ricavate delle aperture. Il collettore anodico permette al flusso elettronico, 
generato nella reazione di ossidazione, di attraversare il circuito esterno 
interfacciato con la cella; il collettore catodico permette allo stesso flusso 
elettronico, dopo che questo ha attraversato il circuito, di raggiungere il catodo 
affinchè possa avere luogo la reazione di riduzione e chiudersi così il complesso 
delle reazioni chimiche. 
Le suddette aperture hanno la funzione di permettere ai reagenti di raggiungere i 
GDLs e ai prodotti di reazione di fuoriuscirvi. Inoltre in base alla diversa geometria 
consentono di regolare il flusso di combustibile al MEA.   
 
 Guarnizioni: garantiscono la tenuta della cella onde evitare la fuoriuscita dei 
reagenti. Eventuali perdite, oltre a rappresentare un depauperamento di sostanze 
attive, possono causare dei contatti tra il collettore anodico e il collettore catodico 
producendo localmente dei cortocircuiti, con conseguenti abbassamenti della 
tensione di cella. Peraltro la dispersione nell’ambiente di certe sostanze impiegate 
nelle FCs è pericolosa, in quanto può provocare all’essere umano irritazioni e/o 
intossicazioni acute o addirittura decesso nei casi più gravi. I materiali utilizzati per 
le guarnizione devono pertanto possedere proprietà isolanti ed essere resistenti alla 
corrosione. 
 
 Elementi strutturali: hanno la funzione di sostenere e mantenere uniti i vari 
componenti della cella. 
 
Avendo illustrato le caratteristiche degli elementi principali della cella, se ne può 
sinteticamente descrivere il funzionamento. Il combustibile e il comburente vengono 
introdotti nelle camere anodica e catodica rispettivamente e, attraverso i GDLs, diffondono 
verso gli elettrodi, dove i catalizzatori stimolano le reazioni di ossidoriduzione. Le specie 
ioniche generate nella reazione vengono trasportate selettivamente attraverso l’elettrolita 
dall’anodo al catodo (o viceversa), mentre gli elettroni attraversano un circuito esterno  
collegato ai collettori di corrente.