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

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.