Il principio di funzionamento

Una cella a combustibile produce energia elettrica a partire da idrogeno ed ossigeno (o aria) senza organi in movimento.

Essa converte direttamente per via elettrochimica l'energia libera del combustibile, presentando perciò alti rendimenti, con una assenza quasi totale di emissioni.

E' costituita da un anodo a cui viene inviato l'idrogeno ed un catodo cui viene inviata l'aria con interposizione di un elettrolita conduttore di ioni.

Le due semireazioni che avvengono agli elettrodi sono:

 

anodo H2 = 2H+ + 2e

catodo ½ O2 + 2H+ + 2e = H2O

 

La reazione totale è quindi H2 + ½ O2 = H2O che corrisponde alla reazione di formazione dell'acqua; la variazione di energia libera associata a questa reazione genera un potenziale di Nerst cioè un potenziale elettrico:

 

D G° = -nFE

 

Dove:

D G° è la variazione di energia libera associata alla reazione = 228,61 kJ/mole;

n è il numero di moli di elettroni coinvolti nella reazione = 2;

F è la carica elettrica posseduta da una mole di elettroni = 96.488 Coulomb;

E è il potenziale di Nerst.

 

Esplicitando l'espressione si ricava il valore del potenziale:

E = - D G°/nF

E = - 228,61/(2x96488) =1,18 V

 

Ne segue che durante l'ossidazione di una mole di elettroni di idrogeno si instaura una differenza di potenziale tra anodo e catodo pari a circa 1,2 V.

Se gli elettroni coinvolti nella reazione vengono fatti passare in un conduttore metallico esterno al circuito si otterrà una energia elettrica utilizzabile; all'interno dell'elettrolitica si muoveranno invece gli ioni così da completare la reazione.

 

 

I vari tipi di celle a combustibile prendono il nome dal tipo di elettrolita utilizzato: nel nostro caso esso è costituito da una membrana polimerica tipo "Nafion" da cui il nome di celle a combustibile ad elettrolita polimerico (SPEFC) o a membrana.

Uno stack è costituito da un certo numero di celle elementari (anodo, elettrolita, catodo) impilate una sull'altra e collegate elettricamente in serie in modo da ottenere ai capi della "pila" un valore significativo di tensione essendo la tensione cella singola pari a 0.5-0.7 Volt.