Le celle a combustibile (o pile a combustibile) sono dispositivi che producono energia elettrica grazie ad una particolare tipologia di reazione chimica, chiamata redox o di ossidoriduzione, tipicamente tra idrogeno e ossigeno, senza combustione termica. Questa è una tecnologia chiave nella transizione energetica visto il suo stretto legame con l'idrogeno e il suo principale vantaggio è quello di produrre energia pulita visto che, non avvenendo alcuna reazione di combustione all’interno della cella, l’impatto emissivo di sostanze nocive o climalteranti è minimo. Le celle a combustibile trovano applicazione in svariati settori: dai trasporti alle industrie fino allo spazio.
Funzionamento delle celle a combustibile
Il principio di funzionamento alla base di una cella a combustibile è del tutto simile a quello della pila o batteria (tant’è vero che il termine “cella” viene anche sostituito con “pila” a combustibile). A differenza della pila, una cella a combustibile funziona principalmente con due reagenti: idrogeno gassoso e ossigeno. La cella è composta da due elettrodi (anodo e catodo), separati tra loro da un elettrolita. Nei due elettrodi avvengono le reazioni di ossidoriduzione: idrogeno e ossigeno vengono “consumati” con contestuale produzione di acqua, calore ed elettroni (energia elettrica) che viene fatta circolare tra catodo e anodo attraverso un circuito elettrico esterno. L’elettrolita infine svolge la funzione di "chiusura del circuito elettrico", favorendo il trasporto degli ioni (gli atomi che hanno perso gli elettroni) prodotti nella reazione di ossidazione e usati in quella di riduzione.
Vi è, tuttavia, una sostanziale differenza tra batteria e cella a combustibile in quanto, la batteria è un sistema chiuso che funziona consumando i reagenti attivi agli elettrodi, contenuti nell’involucro stesso della batteria. La cella a combustibile invece, lavora grazie alla presenza di un flusso continuo di reagenti, forniti dall’esterno. Questo significa che l’autonomia di una batteria è strettamente legata alla quantità di reagenti presenti nel suo interno e che, una volta scarica, necessita di un processo di ricarica per ripristinare le sue condizioni iniziali (la ricarica di attua fornendo alla batteria energia elettrica). Una cella a combustibile invece garantisce una vita di esercizio continua (e idealmente infinita) fintanto che essa venga costantemente rifornita con i reagenti (ad esempio idrogeno e ossigeno).
Tipi di pile a combustibile
Anche in questo caso, come per le semplici batterie, esistono diversi tipi di celle a combustibile, le quali offrono più o meno vantaggi in base all’applicazione per la quale sono utilizzate. La tipologia di cella varia tipicamente in base alla tipologia di elettrolita utilizzato. Le celle più diffuse sono quelle a membrana, a scambio protonico (PEMFC): queste utilizzano una membrana polimerica per condurre i protoni nel suo interno, producendo acqua come sottoprodotto. Esistono poi le celle a ossido solido (SOFC) dove in questo caso viene utilizzato un elettrolita ceramico solido per condurre gli ioni ossigeno. Esistono poi celle alcaline (AFC), celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC), ad acido fosforico (PAFC) ma si tratta di applicazioni meno diffuse.
Applicazioni delle celle a combustibile
La principale applicazione è legata al settore dei trasporti: le celle a combustibile infatti sono utilizzate per convertire l'energia chimica dell'idrogeno, stoccato nel serbatoio del veicolo, in energia elettrica, necessaria per alimentare il motore che lo muove. Questa classe di veicoli ha come vantaggi, rispetto ai veicoli elettrici a batteria, autonomie più lunghe e tempi di rifornimento molto più rapidi.
Le celle a combustibile trovano anche impiego nel settore energetico ovvero, dove la produzione di elettricità per alimentare dispositivi e impianti non può avvenire con le modalità convenzionali; basti pensare al campo spaziale, piuttosto che a quello militare. Altre applicazioni includono la produzione di energia di emergenza, la cogenerazione di energia elettrica e termica negli edifici nonché l'utilizzo in dispositivi portatili con dimensioni piuttosto compatte.
Un interessante applicazione delle celle a combustibile è quella legata allo stoccaggio di energia. Concettualmente, l'energia elettrica in eccesso prodotta da impianti rinnovabili potrebbe essere usata per alimentare celle elettrolitiche (l'inverso di quello che fanno le celle a combustibile) per separare idrogeno e ossigeno dall'acqua e stoccarli rispettivamente in due diversi serbatoi. Quando la produzione da rinnovabili cessa, e la domanda di elettricità aumenta, si può pensare di utilizzare le celle a combustibile per invertire il processo ottenendo nuovamente elettricità (e acqua).
Vantaggi e svantaggi delle celle a combustibile
Le celle a combustibile godono di diversi vantaggi che le rendono una soluzione interessante: innanzitutto, le celle a combustibile offrono un'alta efficienza energetica, poiché convertono direttamente l'energia chimica dell'idrogeno in energia elettrica, senza dover passare attraverso processi termici o conversioni energetiche intermedie, tipiche delle centrali elettriche tradizionali. Inoltre, durante il loro funzionamento, si scaldano raggiungendo anche centinaia di gradi centigradi; per massimizzarne ulteriormente il rendimento, il calore prodotto, al posto di essere smaltito e buttato in atmosfera, può essere sfruttato per il riscaldamento di ambienti o di fluidi vettori (come l'acqua). Un ulteriore vantaggio delle celle a combustibile è la loro minima emissione di inquinanti e che non producono alcun tipo di rumore, pertanto possono essere sfruttate per tutte quelle applicazioni dove l’emissione sonora deve essere controllata e mantenuta sotto certi livelli. Inoltre, hanno una lunga durata di funzionamento (fino a 10.000 ore) che permette di ridurre i costi nell'arco dell'intero ciclo di vita del dispositivo.
Tuttavia, le celle a combustibile presentano anche alcuni svantaggi, come ad esempio: costi di produzione relativamente elevati; vita utile delle celle relativamente breve; la gestione in sicurezza dell'idrogeno, essendo un gas molto volatile ed estremamente infiammabile, nonché la sua produzione, che per essere sostenibile deve avvenire con processi che non contribuiscano all’emissione di gas serra.
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