Celle a combustibile: energia pulita da studi CNR

Applicazioni nell'autotrazione elettrica e nella telefonia cellulare

Le celle a combustibile (o Fuel Cells, FC) sono da tempo considerate una valida alternativa agli attuali sistemi di produzione di energia elettrica, grazie agli elevati rendimenti ed al basso impatto ambientale, caratteristiche che rispondono perfettamente ai requisiti richiesti alle tecnologie energetiche per garantire uno sviluppo sostenibile del pianeta.

L'invenzione della FC, nei suoi principi di base, risale a più di 150 anni fa, quando fu scoperta nel 1839 dal fisico inglese Sir William Grove. Nonostante la prospettiva offerta dalla possibilità di generare corrente elettrica dalla reazione tra ossigeno ed idrogeno, fu solo grazie alla necessità di avere una fonte energetica di semplice funzionamento, affidabile e non inquinante, da utilizzare nel settore militare ed aerospaziale, che la ricerca prese ad interessarsi delle FC, ma, a causa dei costi proibitivi, l'applicazione rimase tuttavia confinata a tali settori fino agli anni '70. I risultati della ricerca ed il livello tecnologico raggiunti dalle FC negli ultimi anni hanno accresciuto notevolmente l'interesse delle industrie e delle società di produzione e distribuzione dell'energia verso questa tecnologia, anche in considerazione dei vantaggi che può offrire; questi sistemi, infatti, oltre ad essere efficienti e non inquinanti, sono silenziosi in quanto privi di parti in movimento, e necessitano di poca manutenzione. Le FC possono trovare applicazione in numerosi settori, dalla produzione di energia elettrica in grandi e piccole centrali di potenza, alla produzione combinata di elettricità e calore per specifiche utenze, quali quartieri residenziali, ospedali, uffici pubblici, industrie, sino alle più recenti applicazioni nei settori dell'autotrazione elettrica e dell'alimentazione di piccole unità elettroni, in sostituzione delle batterie.

Stazione di prova per DMFC presso il CNR-ITAE

Il sistema completo è costituito da tre sezioni principali: la sezione di trattamento del combustibile, la cella elettrochimica vera e propria ed eventualmente il sistema di conversione dell'energia elettrica continua in alternata. La cella elettrochimica è alimentata da un combustibile ed un comburente, all'interno della cella avviene la trasformazione diretta dell'energia chimica in energia elettrica, attraverso un processo elettrochimico che prevede l'ossidazione del combustibile contenuto nel flusso di gas che alimenta l'anodo, e la riduzione dell'ossigeno contenuto nel gas (aria) che alimenta il catodo. Il combustibile più indicato è l'idrogeno, per la sua alta reattività e perché facilmente ottenibile da idrocarburi e da fonti energetiche rinnovabili (biogas, solare fotovoltaico ed eolico mediante elettrolisi dell'acqua). I componenti essenziali di una cella singola sono gli elettrodi (anodo e catodo sui quali è depositato il catalizzatore) ed un elettrolita. L'elettrolita permette il passaggio degli ioni tra i due elettrodi, internamente alla cella, mentre gli elettroni prodotti all'anodo raggiungono il catodo attraverso un circuito esterno. L'insieme di celle singole, assemblate in stack, costituisce la sezione elettrochimica del sistema.

La tecnologia delle celle a combustibile si è differenziata negli anni in funzione dell'elettrolita utilizzato e del conseguente livello di temperatura di funzionamento. Se si escludono le celle a combustibile ad elettrolita alcalino (Alkaline Fuel Cell AFC), sviluppate durante gli anni '60 nel corso dei programmi spaziali "Apollo" ed il cui elevato costo non consente un utilizzo commerciale, le tipologie che oggi rivestono maggiore interesse sono cinque, con differenti caratteristiche e diverso grado di sviluppo: Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC); Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC); Solid Oxide Fuel Cell (SOFC); Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC); Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Il campo d'impiego di un tipo di FC è determinato dalle sue caratteristiche di funzionamento, ed in particolare dalla temperatura di lavoro e dal tipo di combustibile utilizzato.

Sia le PAFC che le FC ad alta temperatura (MCFC e SOFC) si prestano ad applicazioni legate alla produzione di energia elettrica per usi stazionari ed alla cogenerazione elettricità-calore. Per quanto riguarda le applicazioni nei trasporti e nel settore dei dispositivi portatili, vengono preferite le celle a bassa temperatura (>200·C), nelle due varianti ad elettrolita polimerico (PEFC) ed a metanolo diretto (DMFC).

In questi tipi di FC l'elettrolita è costituito da una membrana polimerica conduttrice protonica. La temperatura di lavoro è attualmente limitata a circa 70-90·C dall'uso delle membrane polimeriche, pertanto la cinetica di reazione richiede catalizzatori costituiti da metalli nobili (prevalentemente platino). Tuttavia, sono in corso attività di sviluppo di nuove membrane, in grado di lavorare a temperature più elevate (120 160·C) per favorire sia la cinetica di reazione che il possibile sfruttamento dell'energia termica prodotta dalla cella, soprattutto nelle applicazioni stazionarie. Nel caso delle PEFC il combustibile utilizzato è l'H2 puro (per evitare l'avvelenamento del catalizzatore) o H2 prodotto dal trattamento di idrocarburi (con catalizzatori anodici tolleranti al CO), mentre nelle DMFC il combustibile usato è il metanolo liquido. L'alimentazione del catodo, invece, avviene normalmente con aria.

Auto a cella a combustibile realizzata dalla Opel (Zafira)

Mini-stack di celle a combustibile ad elettrolita polimerico realizzato presso il CNR-ITAE

I sistemi PEFC e DMFC hanno dei vantaggi rispetto ai sistemi convenzionali, inclusi i veicoli a trazione elettrica a batterie, in quanto hanno un'efficienza potenzialmente molto alta e non producono emissioni nocive, emettendo unicamente vapore acqueo ed, in dipendenza dal combustibile utilizzato, CO2. L'autonomia del mezzo alimentato da FC è limitata solamente dalla capacità di trasporto del combustibile e i tempi di rifornimento sono paragonabili a quelli di un veicolo tradizionale. Nel caso di veicoli in cui l'alimentazione avviene direttamente mediante lo stesso combustibile (idrogeno o metanolo liquido) trasportato a bordo del mezzo, l'uso diretto di H2 garantisce alte prestazioni in termini di densità di energia ottenibili, ma pone seri problemi di trasporto del combustibile, sia in termini di possibilità di rifornimento che di sicurezza. L'uso di combustibili liquidi come il metanolo non pone problemi di trasporto, considerata l'analogia con i combustibili tradizionalmente usati nella trazione, ma in questo caso la reazione di ossidazione elettrochimica è più complessa e, allo stato attuale, meno efficiente rispetto a quella dell'H2. Nel caso di veicoli con idrogeno prodotto a bordo (on board), il combustibile trasportato a bordo dell'autoveicolo subisce, attraverso un Fuel Processor (FP), la trasformazione in un gas ricco di H2.

L'attuale sviluppo ha portato ad ottenere per le PEFC elevate potenze specifiche (1kW/l, corrispondenti a circa 50 litri occupati in un auto di media potenza), e sono stati fissati per la commercializzazione i seguenti obiettivi di costi e durata: 100 Euro/kW e 5000 ore di funzionamento. Tale durata corrisponde, nel caso il sistema sia montato su una vettura, a circa 100.000 km di percorrenza. Sulla base dei risultati finora ottenuti, numerose case automobilistiche (Daimler-Benz, GM, Ford, Toyota, Volkswagen, Volvo, PSA Peugeot-Citroën, Renault Opel e Fiat ecc.) finanziano oggi importanti programmi di sviluppo di veicoli elettrici alimentati a FC con l'obiettivo di produrli in serie sin dal 2004.

Nel settore delle apparecchiature elettroniche portatili, che richiedono potenze fino a 100 W, attualmente l'unica opzione possibile è l'utilizzo delle batterie che, soprattutto in particolari applicazioni quali la telefonia cellulare o notebook, hanno evidenziato alcuni limiti determinati da pesi ed ingombri, dall'autonomia, dai tempi di ricarica e dalla sostituzione che comporta problemi di smaltimento. Una FC operante a metanolo o ad idrogeno potrebbe di contro fornire energia per tempi almeno 30 volte superiori alle attuali batterie NiCd; inoltre, a parità di peso, può fornire energia elettrica cento volte più elevata rispetto a qualunque tipologia di batteria. Queste considerazioni hanno accelerato le attività sperimentali per l'utilizzo di FC per piccole unità elettroniche, orientate a risolvere le problematiche legate alla miniaturizzazione del sistema.

Computer portatile alimentato a cella a combustibile realizzato dalla Ballard

In Italia le attività svolte nell'ambito dello sviluppo delle FC hanno riguardato tutti gli aspetti di R&S, dal trattamento del combustibile allo sviluppo di componentistica innovativa, alla tecnologia di stack. Il ruolo del CNR nell'ambito della tecnologia delle FC è stato quello di promuovere in Italia il passaggio dal processo alla tecnologia, individuando le problematiche scientifiche e tecnologiche che ne limitavano lo sviluppo e impostando lo studio di specifiche attività finalizzate alla riduzione dei costi di materiali e componenti e all'aumento della potenza specifica e della efficienza globale del sistema, in collaborazione con enti e società di ricerca nazionali ed internazionali.

Le attività di ricerca del CNR-ITAE (Istituto per la Trasformazione e l'Accumulo dell'Energia) sono state indirizzate principalmente allo sviluppo di materiali e componenti, nonché alla realizzazione di sistemi completi con caratteristiche di elevata potenza specifica. In questo ambito è stato realizzato, presso l'ITAE, un impianto dimostrativo per la produzione in serie di elettrodi per PEFC e DMFC finanziato dalla Regione Sicilia (nell'ambito del Programma Operativo Plurifondo Sicilia 1994-1999) e dalla Società Ponte di Archimede S.p.A. di Messina. Inoltre, sono in corso attività di progettazione e realizzazione di prototipi di celle PEFC e DMFC di piccola potenza per applicazioni stazionarie e mobili. Tra gli organi del CNR che hanno promosso e partecipato alle attività sopra descritte, insieme all'ITAE, riferimento nazionale ed internazionale nel settore, è da segnalare anche l'Istituto Motori di Napoli, che ha varato progetti di ricerca sull'impiego dell'idrogeno prodotto a bordo di veicoli, che prevedono fra l'altro, prove su banco a rulli di sistemi completi per veicoli di media potenza.

Infine, anche il Progetto Finalizzato "Materiali Speciali" ha finanziato tra i programmi in corso lo sviluppo di membrane innovative per celle a combustibile a bassa temperatura.