Fuel Cell per applicazioni marittime. Articolo 2. PEMFC.

Le celle a combustibile a membrana di scambio protonico (PEMFC) sono già state ampiamente utilizzate in molte applicazioni (auto, navi passeggeri con potenza intorno ai 100 kW, in sottomarini con potenze da 30-50 kW).

Le PEMFC utilizzano catalizzatori a base di platino per la scissione delle molecole di idrogeno in protoni e un elettrolita costituito da una membrana polimerica umidificata che è un isolante elettrico ma lascia passare gli ioni idrogeno (H+).  Gli ioni idrogeno, creatisi per catalisi nell’anodo con la sottrazione di due elettroni alla molecola, passano attraverso la membrana e si ricombinano nel catodo con l’ossigeno per ossidoriduzione sottraendo gli elettroni all’elettrodo. Ne risulta una corrente elettrica che fluisce dall’anodo al catodo e, per reazione elettrochimica, la produzione di acqua e calore.

La temperatura operativa è, e deve rimanere, all’interno del range 50-100 °C. Temperature superiori a 100 °C non sono raccomandabili poiché la membrana deve rimanere umida in fase liquida.  Il controllo del giusto livello di umidità è una delle difficoltà tecniche maggiori delle PEM. La corretta idratazione delle membrane di scambio protonico (PEM) è importante per ottenere prestazioni e durata ottimali di questo tipo di celle a combustibile. L’umidità è il vettore per gli ioni di idrogeno e occorre prevenire sia un essiccamento che un eccessivo “allagamento” della membrana. Un accumulo eccessivo di acqua, sia in forma liquida che in quella di vapore, può perturbare il passaggio dei gas attraverso la membrana.  I meccanismi di trasporto dell'acqua all'interno della pila di celle a combustibile PEM risulta dal comporsi dei seguenti fenomeni fisici:
1) trasferimento convettivo causato dai gradienti di pressione all'interno della pila.
2) elettro-osmotico dall'anodo al catodo, ovvero nelle zone in cui è presente il campo elettrico.
3) diffusione dell'acqua dal catodo all'anodo non caratterizzato dalla presenza di campo elettrico ma dovuto al gradiente di concentrazione. Infatti, la migrazione data dal campo elettrico tende ad accumulare le molecole d’acqua nei pressi del catodo provocando un campo inverso a quello elettrico dovuto al gradiente di concentrazione.

Il carburante, idrogeno puro, prodotto per elettrolisi è molto costoso anche dal punto di vista energetico, quindi è necessario convertire in idrogeno gli idrocarburi (reforming).  L’idrogeno ricavato dagli idrocarburi deve essere accuratamente filtrato per eliminare il monossido di carbonio e lo zolfo (sotto forma di acido solfidrico) presenti in grandi quantità.  Questi inquinanti, anche in concentrazioni di poche parti per milione, degradano le prestazioni del platino (poisoning. Nel caso del CO è irreversibile). Anche la presenza di CO2 (anidride carbonica) può creare problemi in quanto, anche se la reazione avviene con basse probabilità, il CO2, in alcune condizioni, può reagire con l’idrogeno e produrre acqua e monossido di carbonio. 

La cella a combustibile PEM è una tecnologia matura già utilizzata con successo in applicazioni marittime.  La maturità della tecnologia è il motivo principale per cui questa è una delle tecnologie più promettenti di FC ad uso marittimo, la sua diffusione comporta un costo relativamente basso (nonostante il catalizzatore sia in platino, l’intero sistema è relativamente semplice). La temperatura operativa è bassa, non sono possibili usi di cogenerazione e quindi l’efficienza totale non è eccezionale, attestandosi su un 40-60% e il funzionamento richiede idrogeno puro, molto più costoso di altri carburanti usati in altre tipologie di FC.  Gli aspetti di sicurezza sono correlati all'uso e allo stoccaggio dell'idrogeno su un’imbarcazione, ma vedremo che, con le dovute precauzioni, i rischi residui sono limitabili. Usando l'idrogeno come combustibile, l'unica emissione è acqua e calore di bassa temperatura. Quindi si parla di emissioni nulle. Si possono ottenere moduli fino a 120 kW e con dimensioni fisiche ridotte, il che è positivo per l'uso marittimo perché aumenta lo spazio a disposizione per lo stoccaggio del carburante (H2).

I principali svantaggi e limiti della tecnologia PEMFC sono: la sensibilità alle impurità presenti nell'idrogeno come acido solfidrico e CO, un complesso sistema di gestione dell'acqua (sia gas che liquido) e una vita limitata (molto dipendente dal controllo delle condizioni operative) soprattutto legata alla degradazione del platino. Per fortuna, i cicli di carico che deve sopportare il sistema, che accorciano notevolmente la vita delle celle, in applicazioni marittime sono molto più predicibili e con meno transitori rispetto a quelli automotive. Realizzando sistemi ibridi con batterie tradizionali in combinazione con DC/DC converter intelligenti, si ammortizzano i transitori di “demand” di potenza lasciando l’impedenza ai capi dei moduli FC costante indipendentemente dalla richiesta di potenza istantanea allungando la vita degli stack FC. Sia la FC che le batterie sono accoppiati a un convertitore DC/DC (o CC/CC, in italiano), che consente un controllo attivo e intelligente delle due fonti di alimentazione in modo da sottoporre i moduli FC a una richiesta di potenza la più possibile costante (ovvero nel punto di lavoro di maggiore efficienza e quindi minore stress). In ogni caso, la vita media degli stack FC raggiungibile al momento è tra le 10000 e le 20000 ore. Questa vita relativamente limitata richiede un abbassamento dei costi di sostituzione dei moduli. A questo proposito, si stanno facendo molti sforzi per riuscire a ridurre la quantità di Pt e metalli costosi negli elettrodi.

Il prossimo articolo sarà dedicato ad un altra tipologia di FC, le SOFC (Solid Oxide Fuel Cell).