Principio di funzionamento e vantaggi di una pila di celle a combustibile a idrogeno

Indicatore di livello carburanteLa cella a combustibile è un tipo di dispositivo di conversione energetica in grado di convertire l'energia elettrochimica di un combustibile in energia elettrica. Viene chiamata cella a combustibile perché, insieme alla batteria, costituisce un dispositivo di generazione di energia elettrochimica. Una cella a combustibile che utilizza l'idrogeno come combustibile è detta cella a combustibile a idrogeno. Il funzionamento di una cella a combustibile a idrogeno si basa sulla reazione di elettrolisi dell'acqua per produrre idrogeno e ossigeno. Il processo di reazione di una cella a combustibile a idrogeno è pulito ed efficiente. Le celle a combustibile a idrogeno non sono limitate dall'efficienza termica del 42% del ciclo di Carnot utilizzato nei motori automobilistici tradizionali e possono raggiungere un'efficienza superiore al 60%.

A differenza dei razzi, le celle a combustibile a idrogeno generano energia cinetica attraverso la violenta reazione di combustione tra idrogeno e ossigeno, rilasciando l'energia libera di Gibbs dell'idrogeno tramite dispositivi catalitici. L'energia libera di Gibbs è un'energia elettrochimica che coinvolge l'entropia e altre teorie. Il principio di funzionamento di una cella a combustibile a idrogeno si basa sulla decomposizione dell'idrogeno in ioni idrogeno (ovvero protoni) ed elettroni attraverso un catalizzatore (platino) presente all'elettrodo positivo della cella. Gli ioni idrogeno attraversano la membrana di scambio protonico per raggiungere l'elettrodo negativo, dove reagiscono con l'ossigeno trasformandosi in acqua e calore, mentre gli elettroni corrispondenti fluiscono dall'elettrodo positivo a quello negativo attraverso il circuito esterno, generando energia elettrica.

Nelpila di celle a combustibileAvviene la reazione tra idrogeno e ossigeno, e durante il processo si verifica un trasferimento di carica che genera corrente. Allo stesso tempo, l'idrogeno reagisce con l'ossigeno per produrre acqua.
Come bagno di reazione chimica, il nucleo tecnologico chiave di una pila di celle a combustibile è la "membrana a scambio protonico". I due lati della membrana sono a contatto con lo strato catalitico per decomporre l'idrogeno in ioni carichi. Poiché la molecola di idrogeno è piccola, gli elettroni trasportati dall'idrogeno possono spostarsi verso l'estremità opposta attraverso i minuscoli fori della membrana. Tuttavia, durante il passaggio degli elettroni trasportati dall'idrogeno attraverso i fori della membrana, gli elettroni vengono strappati dalle molecole, lasciando solo i protoni di idrogeno caricati positivamente che raggiungono l'altra estremità attraverso la membrana.
protoni di idrogenoGli ioni vengono attratti dall'elettrodo sull'altro lato della pellicola e si combinano con le molecole di ossigeno. Le piastre degli elettrodi su entrambi i lati della pellicola scindono l'idrogeno in ioni idrogeno positivi ed elettroni, e scindono l'ossigeno in atomi di ossigeno per catturare gli elettroni e trasformarli in ioni ossigeno (elettricità negativa). Gli elettroni formano una corrente tra le piastre degli elettrodi e due ioni idrogeno e uno ione ossigeno si combinano per formare acqua, che diventa l'unico "prodotto di scarto" del processo di reazione. In sostanza, l'intero processo operativo è un processo di generazione di energia. Con il progredire della reazione di ossidazione, gli elettroni vengono continuamente trasferiti per formare la corrente necessaria a far funzionare l'auto.