Cella a combustibile a idrogeno

Una cella a combustibile a idrogeno produce elettricità combinando idrogeno e ossigeno su due elettrodi separati da un elettrolita, con acqua e calore come soli prodotti. A differenza di una pila, è alimentata dall'esterno e funziona finché arriva gas. Christian Schönbein osservò l'effetto nel 1838, lui e William Grove lo segnalarono nel 1839, Grove costruì una batteria a gas di cinquanta elementi nel 1842 e negli anni Sessanta del Novecento le celle a combustibile alimentarono le capsule Gemini e Apollo.

Che cos’è

Una cella a combustibile è una cella elettrochimica alimentata di continuo con i suoi reagenti. In una cella a idrogeno, l’idrogeno arriva a un elettrodo e l’ossigeno, di solito quello dell’aria, all’altro, e la cella fornisce corrente continua finché i gas continuano ad affluire. Una pila contiene una scorta fissa di sostanze che si esaurisce; in una cella a combustibile elettrodi ed elettrolita sono pensati per restare immutati.

La reazione è l’inverso dell’elettrolisi dell’acqua: idrogeno e ossigeno si combinano in acqua e una parte della loro energia chimica esce come elettricità anziché come calore. Con idrogeno puro gli unici prodotti sono elettricità, acqua e calore. Poiché non si brucia combustibile per azionare un motore, il rendimento può superare il 60%.

Come funziona

Una cella moderna è a strati: piastre scanalate portano l’idrogeno su una faccia della membrana e l’aria sull’altra.

Gli elettrodi portano un catalizzatore, spesso platino. L’elettrolita che li separa lascia passare ioni ma non elettroni, che devono fare il giro attraverso il circuito esterno, dove compiono lavoro in una lampada o in un motore. In una cella a membrana a scambio protonico l’idrogeno cede i suoi elettroni all’elettrodo negativo, l’anodo, e diventa ioni idrogeno; questi attraversano la membrana fino all’elettrodo positivo, il catodo, dove incontrano gli elettroni di ritorno e l’ossigeno e formano acqua. Una cella alcalina muove ioni idrossido nel verso opposto: si formano al catodo da ossigeno, acqua ed elettroni, attraversano l’elettrolita fino all’anodo e lì si combinano con l’idrogeno, così l’acqua compare all’anodo.

La reazione avviene solo dove si toccano gas, elettrolita e catalizzatore, perciò gli elettrodi sono porosi, per allungare il più possibile questa linea d’incontro. Grove lo notò nel 1842: sulla semplice lamina di platino l’azione si produceva solo sulla linea dell’acqua, così ricoprì le sue lamine di platino finissimo depositato da una soluzione. Gli elettrodi moderni sono fogli sottili con uno strato idrorepellente, uno strato attivo di catalizzatore su carbonio e uno strato conduttore.

Una sola cella dà una tensione bassa, quindi le celle si impilano in serie per ottenerne una utile. Nelle celle a membrana a scambio protonico l’elettrolita è una sottile membrana di plastica che lascia passare solo gli ioni idrogeno. Le celle alcaline, del tipo sviluppato da Bacon, usano una soluzione alcalina. Altri tipi funzionano a caldo, con carbonati fusi o con un elettrolita ceramico solido. Un sistema completo richiede anche pompe o ventilatori, un modo di smaltire acqua e calore, sensori e controlli.

Come si fa

Tolta la pila, il gas rimasto sulle mine le trasforma in una minuscola cella a combustibile.

Si può vedere al lavoro una cella a combustibile in scala minima. Preparate il montaggio con le matite descritto per l’elettrolisi dell’acqua: due matite di legno temperate alle due estremità, infilate in un cartoncino appoggiato su un bicchiere d’acqua in cui è sciolto un po’ di sale inglese, con le punte inferiori nel liquido senza toccarsi. Servono inoltre una pila da 9 volt, due cavetti con pinze a coccodrillo e un multimetro impostato per misurare volt in corrente continua.

Collegate la pila alle due punte superiori finché dalle due mine salgono bollicine. Una parte dell’idrogeno e dell’ossigeno resta trattenuta sulla grafite. Staccate la pila e collegate al suo posto le due matite al multimetro, la matita che era sul polo negativo al cavetto nero dello strumento.

Il multimetro segna una tensione: l’idrogeno trattenuto su una mina e l’ossigeno sull’altra si ricombinano attraverso la soluzione e spingono una corrente nello strumento, come sulle lamine di platino di Grove. Ricollegate la pila per produrre altro gas.

Sicurezza. Le bollicine contengono idrogeno, che forma miscele esplosive con l’aria e brucia con una fiamma quasi invisibile. Tenete fiamme e scintille lontano dal bicchiere e non raccogliete mai il gas in un recipiente.

Storia ed evoluzione

Nel febbraio 1839 Grove riferì che l’ago di un galvanometro deviava quando una lamina di platino entrava nell’idrogeno e l’altra nell’ossigeno.

Christian Friedrich Schönbein, professore di fisica e chimica a Basilea, osservò l’effetto nel 1838. In una lettera datata dicembre 1838 e pubblicata nel numero di gennaio 1839 del Philosophical Magazine descrisse come fili di platino usati come elettrodi in acqua acidulata perdessero o acquistassero potere voltaico nell’idrogeno o nell’ossigeno, e attribuì le correnti ottenute all’unione dei due gas. Nel numero di febbraio William Robert Grove, più tardi professore di filosofia sperimentale alla London Institution, descrisse l’effetto alla fine di un articolo sulla combinazione dei gas per mezzo del platino. Saldò due lamine di platino attraverso il fondo di un recipiente di vetro pieno d’acqua acidulata con acido solforico e capovolse un tubo di ossigeno sull’una e uno di idrogeno sull’altra. Appena le lamine toccarono i gas, un galvanometro collegato deviò, e nelle ore seguenti il liquido salì in entrambi i tubi, di più in quello dell’idrogeno. Grove concludeva sperando di “decomporre l’acqua per mezzo della sua composizione”.

Nel dicembre 1842 descrisse una “batteria voltaica gassosa” di 50 coppie di tubi, ciascuno con una lamina di platino platinato, immersi in acido solforico diluito. Dava una scossa, una scintilla tra punte di carbone e corrente sufficiente a scomporre l’acqua. Il suo assistente notò che l’idrogeno veniva consumato due volte più in fretta dell’ossigeno.

Alla fine degli anni Ottanta dell’Ottocento Ludwig Mond e Carl Langer ottennero celle più durevoli trattenendo l’elettrolita in un materiale poroso non conduttore. Francis Thomas Bacon si dedicò alla cella a idrogeno e ossigeno mentre lavorava per l’impresa di ingegneria C. A. Parsons, proseguì al King’s College di Londra e, dal 1946, a Cambridge, dove sviluppò pratiche celle alcaline con elettrodi a diffusione di gas. Il volo spaziale creò poi la domanda di energia leggera ed efficiente. Le celle a combustibile alimentarono le capsule Gemini e Apollo e più tardi lo Space Shuttle; quelle dell’Apollo derivavano da un’unità da 6 kW costruita per il progetto di Bacon dall’impresa Marshall di Cambridge. Oggi si usano in veicoli, edifici e come alimentazione di riserva, ma il costo del platino e lo stoccaggio dell’idrogeno ne frenano ancora la diffusione.