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

nafion

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.

ARGOMENTI

GLI ULTIMI ARGOMENTI

TI POTREBBE INTERESSARE

Resa percentuale in una reazione. Esercizi svolti e commentati

La resa percentuale di una reazione costituisce un modo per valutare l'economicità di una reazione industriale che può essere accantonata se è bassa. Si possono...

Bilanciamento redox in ambiente basico: esercizi svolti

Il bilanciamento di una reazione redox in ambiente basico  può avvenire con  il metodo delle semireazioni. Nel bilanciamento vanno eliminati di eventuali ioni spettatori...

Temperature di ebollizione di composti organici

Le temperature di ebollizione dei composti organici forniscono informazioni relative alle loro proprietà fisiche e alle caratteristiche della loro struttura e costituiscono una delle...