Cella a combustibile: reazioni, membrana a scambio protonico

Una cella a combustibile è un generatore di corrente in cui l’energia di legame è convertita in elettricità.
In generale una cella è costituita da un anodo, un catodo e un elettrolita: all’anodo sono fatte pervenire molecole di idrogeno che agisce da combustibile e al catodo molecole di ossigeno che agisce da comburente con ottenimento di vapore acqueo e elettricità.

Una cella a combustibile è quindi attraversata da un flusso di sostanze e produce un flusso di energia. Una cella a combustibile è costituita da due elettrodi in cui è presente un catalizzatore che è quasi sempre il platino.

Esistono molti tipi di celle a combustibile la cui classificazione è fatta sulla base dell’elettrolita. Le  più comuni sono quelle costituita da una membrana a scambio protonico e vengono dette PEM (Proton Exchange Membrane).

Reazioni in una cella a combustibile 

Le semireazioni che avvengono in una cella a combustibile sono:
all’anodo: 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e^–
al catodo: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^–→ 2 H₂O
La reazione di ossidoriduzione complessiva è quindi:
2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

All’anodo avviene la semireazione di ossidazione a seguito della quale l’idrogeno molecolare è ionizzato a ione H⁺; gli elettroni passano attraverso un circuito esterno generando corrente elettrica proporzionale alla velocità della reazione chimica e utilizzabile per qualsiasi scopo. Essa  giunge al catodo mentre gli ioni H⁺ passano attraverso una membrana e raggiungono a loro volta il catodo dove avviene la semireazione di riduzione.

La reazione della cella produce 0.7 V pertanto in una pila a combustibile sono presenti un certo numero di celle al fine di ottenere il potenziale richiesto per il funzionamento del dispositivo considerato.

Membrana a scambio protonico

Il cuore di una cella a combustibile PEM è costituito dalla membrana a scambio protonico che agisce come una membrana selettivamente permeabile per il movimento dei protoni in una singola direzione.

Uno dei composti che esibisce questa caratteristica di selettività è il nafion ottenuto dal chimico Walther Grot nei laboratori della DuPont alla fine degli anni ’60 dello scorso secolo da una modificazione del teflon

Il nafion è un fluoropolimero-copolimero costituito da tetrafluoroetilene solfonato e costituisce il primo polimero con proprietà ioniche che è stato il capostipite di una nuova classe di polimeri detti ionomeri che contengono sia unità ripetitive non ioniche sia una piccola frazione di unità ripetitive contenenti specie ioniche.

Una membrana a scambio protonico, nota anche come membrana polimerica a scambio protonico o PEM dall’inglese Proton Exchange Membrane, è un tipo di membrana utilizzata in diverse applicazioni, tra cui le celle a combustibile ad idrogeno la cui tecnologia fu realizzata agli inizi degli anni ’60 presso la General Electric grazie al lavoro di Thomas Grubb e Leonard Niedrach.

La PEM è realizzata generalmente con un polimero solido che consente il trasporto di protoni attraverso di essa. Questa membrana permette il passaggio selettivo dei protoni, mentre blocca il passaggio degli elettroni, consentendo così la separazione delle cariche elettriche e facilitando la produzione di corrente elettrica.

Per le applicazioni di una cella a combustibile la membrana a scambio protonico è inserita tra l’anodo e il catodo. Durante la reazione elettrochimica, la semireazione di ossidazione all’anodo genera protoni ed elettroni; la semireazione di riduzione al catodo combina protoni ed elettroni con ossidanti per generare acqua.

Per completare la reazione elettrochimica, la membrana a scambio protonico svolge un ruolo fondamentale che conduce i protoni dall’anodo al catodo attraverso la membrana. La membrana a scambio protonico funge anche da separatore per separare i reagenti anodici e catodici nelle celle a combustibile.

Durante questo processo, gli elettroni generati all’anodo vengono convogliati attraverso un circuito esterno per fornire lavoro utile, come ad esempio alimentare un motore elettrico.
Le membrane a scambio protonico devono essere sottili, flessibili, resistenti all’acqua e chimicamente stabili per funzionare in modo efficace e duraturo.

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