La produzione di idrogeno è un settore ampio e in crescita. Nella nostra economia del futuro, a basse emissioni di carbonio, si ipotizza che l'idrogeno svolga un ruolo chiave, eliminando gradualmente la necessità di combustibili fossili e riducendo il riscaldamento globale. Uno dei principali vantaggi dell'idrogeno è la sua compatibilità con un'ampia gamma di applicazioni di celle a combustibile.

Le applicazioni che utilizzano questa tecnologia rientrano in tre categorie principali: generazione di energia portatile (per dispositivi mobili e alimentazione ausiliaria portatile), generazione di energia stazionaria (generazione di energia distribuita, fonti di energia di backup e centrali elettriche collegate alla rete) e trasporti (automobili, trasporti pubblici e macchinari pesanti). L'industria automobilistica, che è uno dei principali motori di crescita di questo mercato, sta conducendo un'intensa attività di ricerca volta a sviluppare la tecnologia delle celle a combustibile per il mercato automobilistico.

Principio operativo 

Le celle a combustibile convertono l'energia chimica direttamente in energia elettrica, senza alcun processo di combustione. Il principio di funzionamento della cella a combustibile si basa su reazioni di ossidoriduzione o redox. L'energia provoca una reazione tra l'idrogeno e l'ossigeno. Questo processo diretto ha il vantaggio di offrire un'elevata efficienza energetica: oltre il 50% e addirittura fino all'85% se si recupera anche l'energia termica derivata. In termini di produzione di elettricità, questo va oltre l'efficienza di qualsiasi processo di combustione.

Altri vantaggi includono l'assenza di emissioni nel sito operativo e un funzionamento silenzioso. Esistono diverse tecnologie di celle a combustibile, ognuna con i propri vantaggi e svantaggi. Le tre principali tecnologie oggi disponibili sul mercato differiscono per il mezzo di trasporto dei protoni: membrana elettrolitica polimerica (PEM), ossido solido (SO) e carbonato fuso (MC). Tra queste, la tecnologia PEM è la più versatile in termini di applicazione, grazie alla sua bassa temperatura di esercizio (<100 °C), che la rende ugualmente adatta all'uso in celle a combustibile di piccole e grandi dimensioni. Le celle a combustibile a ossido solido comportano temperature elevate e sono più adatte per applicazioni su larga scala, come la generazione di energia distribuita. Mentre le celle a combustibile PEM utilizzano idrogeno puro, le celle a combustibile SOFC possono utilizzare gas naturale o altri idrocarburi, dai quali l'idrogeno viene estratto nel processo di reforming. L'elevata temperatura di esercizio delle celle a combustibile SOFC facilita l'integrazione della fase di reforming nel device a cella a combustibile. 

Il principio di funzionamento di una cella a combustibile PEM è descritto nella Figura 1. Quando il combustibile a idrogeno viene scisso in protoni (ioni di idrogeno) ed elettroni nell'anodo, gli elettroni vengono trasportati verso il catodo tramite un circuito esterno, che genera una corrente elettrica. I portatori di carica positiva (nuclei di idrogeno) passano attraverso la membrana umida sul catodo, dove la loro reazione con l'ossigeno forma acqua. Questa reazione produce elettricità e calore.

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Figura 1: Principio di funzionamento di una cella a combustibile PEM. Il combustibile a idrogeno reagisce all'anodo in presenza di catalizzatore, formando elettroni e nuclei di idrogeno. Questi nuclei vengono trasportati verso il catodo attraverso un mezzo portatore di carica, dove reagiscono con l'ossigeno per formare acqua. Gli elettroni viaggiano attraverso il circuito esterno, creando corrente elettrica.

Massimizzare l'efficienza di una cella a combustibile 

L'efficienza della cella a combustibile è limitata da diverse fonti di perdita: perdite di attivazione dettate dalla reazione catalitica e dalle condizioni dei catalizzatori, perdite ohmiche che si verificano nel mezzo per il trasporto dei protoni, perdite di concentrazione dovute alla limitata velocità di trasferimento di massa alle superfici reattive e correnti interne che si verificano quando il combustibile si diffonde attraverso la membrana senza reagire. I meccanismi alla base delle perdite sono correlati alla gestione dell'acqua e della temperatura nella cella. Se la temperatura e l'umidità non sono ben controllate, l'invecchiamento dei catalizzatori e del mezzo di trasporto dei protoni aumenta le perdite, diminuisce l'efficienza e infine provoca la distruzione della cella. 

Le celle PEM più piccole di solito non hanno bisogno di umidificazione, ma nel caso delle celle più grandi che trasportano correnti più elevate, la membrana polimerica potrebbe richiedere l'umidificazione del reagente per evitare la disidratazione sotto carico. La capacità di scambio protonico è direttamente proporzionale all'umidità del polimero e il polimero secco limiterà la velocità di reazione e causerà perdite nella cella. 

Un'altra considerazione relativa al polimero secco riguarda la sua durata, che è una delle principali preoccupazioni quando si progettano le celle a combustibile. D'altra parte, se non viene rimossa dal lato catodico della cella una quantità sufficiente dell'acqua formatasi, il flusso d'acqua causerà un malfunzionamento della cella. La misurazione dell'umidità nel flusso di combustibile aiuta a controllare il processo di umidificazione, stimare i bilanci di massa per l'acqua e mantenere la corretta umidità della membrana. 

Per migliorare l'efficienza della reazione, quantità abbondanti di gas di reazione possono essere condotte alle superfici catalitiche. Per il carburante umido e non sottoposto a reazione proveniente dall'uscita dell'anodo può essere creato un ricircolo verso l'ingresso dell'anodo per umidificare il flusso di combustibile. Questo ricircolo può causare l'accumulo di contaminanti, che sono particolarmente dannosi nel caso delle celle a combustibile PEM. 

Oltre al controllo dell'umidità del flusso di combustibile, le misurazioni dell'umidità nei flussi anodici e catodici possono essere utilizzate per la misurazione delle impurità: se si conoscono la pressione totale e le pressioni parziali di idrogeno e acqua, è possibile stimare la pressione parziale delle impurità nella circolazione.
 

La tecnologia della sonda riscaldata aiuta a superare la sfida della misurazione in ambienti a elevata umidità 

Le misurazioni dell'umidità nelle applicazioni con celle a combustibile vengono eseguite in un ambiente ad alta umidità, in genere superiore all'80% di umidità relativa. L'esecuzione delle misurazioni dell'umidità in ambienti con condizioni prossime alla condensa è un'attività impegnativa, poiché la condensa può saturare il sensore di umidità relativa. Il sensore può impiegare più tempo per asciugarsi e riprendersi. Durante questo periodo la misurazione non è disponibile e non è possibile monitorare l'umidità nel vapore del carburante. 

La tecnologia della sonda riscaldata Vaisala offre un modo per superare questa sfida, in quanto l'umidità relativa può essere ridotta al di sotto del livello di condensa riscaldando l'elemento del sensore al di sopra della temperatura ambiente. Con un sensore di temperatura aggiuntivo posizionato vicino al sensore di umidità, è possibile misurare anche la temperatura effettiva del processo. La combinazione di questi due valori consente di calcolare l'umidità relativa effettiva nel processo ad alta umidità e allo stesso tempo previene il problema della condensa. 

VTT, una delle principali organizzazioni di ricerca in Finlandia, sta conducendo ricerche sulle celle a combustibile a bassa temperatura (PEM) e ad alta temperatura (SOFC). VTT utilizza gli strumenti per la misurazione dell'umidità Vaisala HMT310F e HMP7, nonché i trasmettitori GMP343 CO2 nella ricerca correlata alle celle a combustione. 

"I sensori di umidità Vaisala sono utilizzati attivamente nella nostra ricerca. Conoscere l'umidità dei gas reagenti è fondamentale per le celle a combustibile sia a bassa sia ad alta temperatura", afferma Mikko Kotisaari, Research Scientist, Celle a combustibile, presso VTT