Le celle PEM a membrana polimerica

Le celle a combustibile a membrana polimerica (PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) sono oggi la tecnologia più diffusa per il trasporto e le applicazioni mobili. Il loro elemento distintivo è una sottile membrana di polimero che conduce protoni e funge da elettrolita solido, permettendo alla cella di lavorare a bassa temperatura e di accendersi rapidamente.

Vediamo come è fatta una cella PEM, come funziona la membrana a scambio protonico, perché lavora a bassa temperatura e quali compromessi questo comporta.

Una membrana al posto del liquido

La caratteristica fondamentale della PEMFC è che l’elettrolita non è un liquido ma una membrana polimerica solida, dello spessore di poche decine di micrometri. Questa membrana lascia passare gli ioni idrogeno (i protoni, H⁺) ma blocca gli elettroni e separa fisicamente l’idrogeno dell’anodo dall’ossigeno del catodo. Avere un elettrolita solido elimina i problemi di gestione di un liquido corrosivo, riduce i rischi di perdite e rende la cella compatta e robusta, adatta agli usi veicolari.

Il polimero a scambio protonico

La membrana è fatta di un polimero perfluorurato con gruppi acidi solfonici (il capostipite commerciale è una resina ionomerica perfluorurata sviluppata negli anni Sessanta). Questi gruppi, quando la membrana è idratata, dissociano e creano una rete di canali in cui i protoni si muovono trasportati dall’acqua. Da qui una conseguenza pratica essenziale: la conducibilità della membrana dipende dal suo grado di umidità. Una membrana secca conduce male, quindi la gestione dell’acqua nella cella PEM è un punto critico di progetto.

E°_cella = E°_cat − E°_an = +1,23 V − 0 V = +1,23 V

Le semireazioni sono le stesse della cella a idrogeno acida: ossidazione dell’idrogeno all’anodo, riduzione dell’ossigeno al catodo, con tensione ideale intorno a 1,23 V. La specificità della PEM sta nel mezzo attraverso cui i protoni viaggiano: non una soluzione acida libera, ma i canali idratati della membrana polimerica.

Bassa temperatura e catalizzatori

La membrana polimerica lavora bene solo a bassa temperatura, tipicamente fra 50 e 80 °C, perché oltre quella soglia rischia di disidratarsi o degradarsi. Questo è un vantaggio per l’avviamento rapido, ma comporta anche un limite: alle basse temperature le reazioni elettrodiche, soprattutto la riduzione dell’ossigeno, sono lente. Per accelerarle servono catalizzatori a base di platino finemente disperso sugli elettrodi. Il platino è costoso e sensibile agli avvelenamenti: anche piccole tracce di monossido di carbonio nel combustibile lo bloccano, perciò l’idrogeno usato deve essere molto puro.

Pregi e limiti della PEM

Le caratteristiche della tecnologia ne definiscono il campo d’uso elettivo.

Perché domina nel trasporto

La combinazione di avviamento rapido, elevata densità di potenza, struttura compatta e assenza di liquidi corrosivi rende le PEM la scelta naturale per i veicoli e per i sistemi portatili, dove conta poter partire da freddo e seguire un carico variabile. I limiti — costo del platino, necessità di idrogeno puro, gestione dell’acqua — sono il prezzo da pagare per la bassa temperatura. Per le applicazioni stazionarie ad alta potenza, dove l’avviamento lento non è un problema, si preferiscono invece le celle ad alta temperatura come le SOFC, descritte nell’articolo dedicato.

Perché conta nella pratica

Per chi valuta soluzioni di propulsione a idrogeno o sistemi di backup, conoscere i vincoli delle PEM evita errori di applicazione. La necessità di idrogeno ad alta purezza incide sui costi di approvvigionamento; la sensibilità del platino al monossido di carbonio condiziona la scelta della fonte di idrogeno; la gestione dell’acqua e della temperatura determina l’affidabilità in esercizio. Capire questi compromessi permette di scegliere la PEM dove i suoi pregi pagano davvero — mobilità, prontezza, compattezza — e di orientarsi su altre famiglie dove servono potenza stazionaria e tolleranza al combustibile.

Domande frequenti

Che cosa distingue una cella PEM dalle altre?

L’elettrolita: nelle PEM è una membrana polimerica solida che conduce protoni, anziché un liquido o un ceramico. Questo rende la cella compatta, priva di liquidi corrosivi e capace di lavorare a bassa temperatura con avviamento rapido, caratteristiche ideali per i veicoli e gli usi mobili.

Come funziona la membrana a scambio protonico?

È un polimero perfluorurato con gruppi acidi solfonici che, quando è idratata, lascia migrare i protoni H⁺ dall’anodo al catodo trasportati dall’acqua, mentre blocca gli elettroni. La sua conducibilità dipende dal grado di umidità: una membrana secca conduce male, perciò la gestione dell’acqua è essenziale.

Perché le PEM lavorano a bassa temperatura?

Perché la membrana polimerica si degrada o si disidrata oltre circa 80 °C. La bassa temperatura (50–80 °C) consente avviamenti rapidi, ma rende lente le reazioni agli elettrodi, soprattutto la riduzione dell’ossigeno, e richiede catalizzatori al platino per accelerarle.

Perché l’idrogeno per le PEM deve essere puro?

Perché il catalizzatore al platino è sensibile agli avvelenamenti: anche piccole tracce di monossido di carbonio si legano al platino e ne bloccano l’attività catalitica. Per questo l’idrogeno alimentato deve avere un tenore di CO molto basso, il che incide sui costi e sulla scelta della fonte di idrogeno.

Dove si usano principalmente le celle PEM?

Soprattutto nel trasporto e nelle applicazioni mobili o portatili: automobili, autobus, muletti, generatori di backup. La loro prontezza di avviamento, l’elevata densità di potenza e la struttura compatta le rendono adatte a profili di carico variabili, mentre per la generazione stazionaria ad alta potenza si preferiscono celle ad alta temperatura come le SOFC.