Qual è la qualità dell'idrogeno necessaria per le celle a combustibile?

Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che impiega l'idrogeno come vettore energetico e l'ossigeno presente nell'aria per generare elettricità, rilasciando unicamente vapore acqueo.
L'ossigeno viene prelevato dall'aria ambiente e purificato mediante un filtro catodico per raggiungere il grado di purezza richiesto.
L'idrogeno viene immesso nella cella a partire da serbatoi contenenti gas già conforme alle specifiche di purezza richieste.
La concentrazione e la tipologia delle impurità presenti nell'idrogeno determinano la durabilità e il corretto funzionamento della cella.
Air Liquide propone idrogeno con una specifica «Fuel Cell», dotato dei requisiti e degli attributi ambientali necessari per i vostri progetti di mobilità o di generazione stazionaria di energia.

Perché una cella a combustibile richiede un gas con una purezza adeguata?

Come funziona una cella PEM?

Una cella a combustibile produce energia elettrica a partire da idrogeno con grado di purezza «Fuel Cell» e ossigeno. L'idrogeno viene immesso in una cella a membrana a scambio protonico (PEM).

All'interno, l'anodo (il polo negativo) catalizza la dissociazione della molecola di idrogeno in protoni (ioni positivi) ed elettroni. I protoni attraversano la membrana polimerica conduttrice fino a raggiungere il catodo (il polo positivo), dove si ricombinano con l'ossigeno. Gli elettroni vengono invece convogliati attraverso un circuito esterno, producendo una corrente elettrica continua. La cella genera così elettricità e vapore acqueo.

Gli elettrodi della cella a combustibile integrano catalizzatori ad altissime prestazioni formulati a base di metalli nobili.

Quali sono i rischi associati alle impurità nell’idrogeno?

Se l'idrogeno immesso contiene impurità, i catalizzatori anodici possono subire fenomeni di avvelenamento (catalyst poisoning), riducendo drasticamente la propria vita operativa. Le specie contaminanti si legano chimicamente e in modo irreversibile ai siti attivi deputati alla dissociazione molecolare dell'idrogeno, bloccandoli definitivamente.
Un idrogeno con una purezza inadeguata degrada la cella a combustibile fino a renderla inutilizzabile.

Quali sono le impurità da eliminare secondo la norma ISO 14687?

I catalizzatori di una cella a membrana a scambio protonico risultano estremamente sensibili ai contaminanti. La tipologia di impurità varia a seconda del processo produttivo dell'idrogeno, rendendo spesso imprescindibile una fase di purificazione mirata.

La norma ISO 14687 stabilisce le specifiche qualitative e i limiti massimi ammissibili per l'idrogeno impiegato come combustibile per celle a combustibile:

• L’azoto, presente principalmente a seguito di contaminazioni esterne e a prescindere dalla tecnologia di sintesi, presenta una soglia di tolleranza nell'ordine di poche centinaia di parti per milione (ppm).
• L’acqua e l'ossigeno sono presenti in tracce indipendentemente dal metodo produttivo. Devono essere mantenuti al di sotto di pochi ppm, nello specifico entro il limite di 5 ppm.
• Il CO₂ e il CO, frequentemente presenti nell'idrogeno da reforming a vapore (SMR), devono risultare inferiori rispettivamente a 2 ppm e a 0,2 ppm.
• L’ammoniaca, potenziale residuo nei flussi di H₂ derivati da cracking dell’ammoniaca, è vincolata a una concentrazione inferiore a un decimo di ppm.
• I composti solforati e clorurati devono essere totalmente esclusi, con tolleranze estremamente severe dell'ordine di pochissime parti per miliardo (ppb).

Perché gli attributi ambientali dell’idrogeno per celle a combustibile sono importanti?

Una cella a idrogeno rappresenta un generatore elettrico ideale per l'alimentazione di motopropulsori elettrici (automobili, autocarri, navi, aeromobili) o come gruppo di generazione per applicazioni stazionarie. Il sistema genera elettricità e vapore acqueo con zero emissioni di biossido di carbonio al punto di utilizzo.

L'idrogeno impiegato può inoltre disporre di attributi ambientali certificati, come la qualifica «a basso tenore di carbonio» (low-carbon) o la conformità ai criteri RFNBO (Renewable Fuels of Non-Biological Origin). La qualifica a basso tenore di carbonio richiede un abbattimento minimo del 70% delle emissioni di gas serra lungo l'intero ciclo di vita (LCA) rispetto al combustibile fossile di riferimento. Grazie a tali requisiti, l'energia elettrica prodotta vanta un'impronta carbonica quasi nulla, accelerando la transizione ecologica e la decarbonizzazione dell’industria e delle flotte commerciali pesanti.

Quali sono le soluzioni di approvvigionamento di idrogeno per le celle a combustibile?

Le celle a combustibile impiegano idrogeno allo stato gassoso, generalmente stoccato in bombole ad alta pressione installate a bordo del mezzo o del generatore. Sistemi di stoccaggio criogenico di idrogeno liquido a bordo sono attualmente in fase di sperimentazione industriale avanzata al fine di estendere l'autonomia operativa. Anche in questa configurazione, una fase di vaporizzazione e riscaldamento a monte dell'iniezione nello stack resta indispensabile per alimentare correttamente la cella.

• Pacchi bombole: la soluzione per consumi moderati, R&D e manutenzione
  Soluzione indicata per consumi ridotti, campagne di test, collaudi, manutenzione e revisione di veicoli a idrogeno, oppure per gruppi elettrogeni di soccorso (backup) non connessi alla rete elettrica.
• Semirimorchi (Tube Trailer / Carri bombolai): per la mobilità e consumi continuativi su larga scala
  Ideale per soddisfare fabbisogni rilevanti e costanti, quali stazioni di rifornimento di idrogeno (HRS) o per compensare picchi regolari di domanda energetica.
• Idrogeno liquido: per volumi massivi ed elevata autonomia
  L'idrogeno criogenico è indispensabile per il riempimento di serbatoi liquidi a bordo o per l'alimentazione continua di stazioni di erogazione ad altissima capacità.

Qualunque sia il modello logistico prescelto, Air Liquide garantisce la fornitura di idrogeno di qualità certificata Fuel Cell, dimensionata sulle vostre specifiche esigenze industriali.

Sul tema dell'idrogeno