Una cella a combustibile è un dispositivo che permette di ottenere direttamente elettricità da certe sostanze, come l'idrogeno o il metano, attraverso una reazione chimica chiamata elettrolisi.[1] Ogni cella contiene due elettrodi, uno positivo (anodo) e uno negativo (catodo), e l'elettrolita che trasporta le particelle cariche da un elettrodo all'altro.[2] È presente inoltre un catalizzatore che accelera la reazione in prossimità degli elettrodi. Le celle che utilizzano l'idrogeno reagiscono con l'ossigeno e generano dell'acqua come prodotto di "scarto", per cui sono utilissime in quelle applicazioni di alta tecnologia dove è necessaria una fonte pulita di energia. Per comprendere come funziona una cella o pila a combustibile, puoi costruirne una con materiali di uso comune.

Parte 1 di 2:
Costruire la Pila a Combustibile

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    Riunisci tutto il materiale necessario. Per costruire una semplice cella a combustibile casalinga hai bisogno di 30 cm di cavo elettrico di platino o rivestito di tale metallo, un bastoncino da ghiacciolo, una batteria da 9 volt dotata di connettore, del nastro adesivo trasparente, un bicchiere di acqua, sale (facoltativo) e un voltmetro.[3][4]
    • Puoi acquistare la batteria a 9 volt e la clip apposita in un negozio di elettronica o in una ferramenta.
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    Taglia il filo di platino in due segmenti da 15 cm. Dovrai comprarlo presso un negozio di forniture per l'elettronica, dato che questo metallo non viene usato per i normali cablaggi elettrici. Il platino è il catalizzatore di questa reazione.
    • Si consigliano i cavi di platino perché gli altri materiali, come il rame, reagiscono con l'ossigeno e il sale inquinando la soluzione con i sottoprodotti della reazione stessa.[5]
    • Puoi anche utilizzare dei cavi di acciaio inox di altissima qualità, perché non reagisce tanto rapidamente.[6]
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    Avvolgi ogni filo attorno a una sottile asta di metallo per conferirgli una forma a molla. Le due molle così ottenute saranno gli elettrodi della pila a combustibile. Prendi l'estremità del cavo e avvolgila in maniera molto stretta attorno all'asta per formare una bobina. Togli il primo filo e ripeti il processo con il secondo.
    • L'asta di metallo può essere un chiodo, un alesatore, un appendiabiti di metallo oppure il terminale di un multimetro.
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    Taglia a metà i terminali del connettore della batteria. Dividi entrambi i cavi fissati alla clip e togline la guaina di rivestimento usando una pinza tagliafili.
    • Usa la parte spellacavi della pinza per eliminare la guaina isolante da una delle estremità dei cavi tagliati. Spella solo le estremità dei terminali che hai tagliato dal connettore.
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    Collega i cavi così esposti alle spirali degli elettrodi. In questo modo puoi fissare gli elettrodi al voltmetro e alla fonte di energia (la batteria da 9 volt) attraverso la clip, per misurare quanta elettricità viene generata dalla cella a combustibile.
    • Torci il cavo del terminale rosso della clip attorno all'estremità di una spirale lasciando libera la maggior parte di quest'ultima.
    • Avvolgi il cavo del terminale nero attorno all'estremità della seconda spirale.
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    Fissa gli elettrodi a un bastoncino per ghiaccioli o a una spinetta di legno usando il nastro adesivo. Il bastoncino deve essere più lungo dell'apertura del contenitore pieno d'acqua, in modo che possa appoggiarsi sui bordi. Fissa gli elettrodi in maniera che penzolino verso il basso, lontano dal bastoncino; tutto ciò ti permette di immergere facilmente gli elettrodi in acqua.
    • Puoi usare del comune nastro adesivo o quello isolante. Non si tratta di un dettaglio importante fintanto che gli elettrodi sono ben collegati al bastoncino.
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    Riempi un bicchiere con l'acqua di rubinetto o una soluzione salina. Per ottenere una buona reazione è necessario che ci siano degli elettroliti nel liquido.[7] L'acqua distillata non funziona, perché non ha impurità che possano agire come elettroliti. Il sale e il bicarbonato di sodio, disciolti in acqua, sono sostanze perfette a questo scopo.
    • La normale acqua di rubinetto è ricca di impurità e minerali che possono funzionare come elettroliti, se non hai del sale a portata di mano.
    • Versa un cucchiaio di sale o di bicarbonato per ogni 240 ml di acqua. Mescola finché la sostanza non è sciolta del tutto.
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    Appoggia il bastoncino sul bicchiere. Le spirali degli elettrodi devono essere immerse in acqua per la maggior parte della loro lunghezza, eccetto il punto in cui sono collegate ai fili della clip. Ricorda che solo il platino deve restare a contatto con la soluzione.
    • Se necessario, blocca il bastoncino con altro adesivo in maniera che gli elettrodi restino in acqua.
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    Collega i cavi che partono dagli elettrodi al voltmetro oppure a una lampadina LED. Il voltmetro mostrerà la corrente generata dalla pila a combustibile una volta che questa sarà attivata. Unisci il cavo rosso alla sonda positiva dello strumento e il cavo nero alla sonda negativa.
    • Potrai notare una piccola differenza di potenziale segnalata dal voltmetro, circa 0,01 volt, sebbene lo strumento possa anche indicare un valore pari a zero.
    • Puoi connettere una piccola lampadina, come quella di una torcia, oppure un diodo LED.
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Parte 2 di 2:
Attivare la Pila a Combustibile

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    Metti in contatto i terminali della batteria da 9 volt con la clip per uno o due secondi. La batteria deve solo inviare l'energia iniziale attraverso i cavi, in modo che le molecole di idrogeno presenti nell'acqua tocchino gli elettrodi e si separino dall'ossigeno. Quando ciò avviene, dovresti notare delle bolle attorno agli elettrodi.[8] Tale processo è detto elettrolisi.
    • Osserva le bolle che si formano attorno a ciascuno dei due elettrodi; uno avrà bolle di idrogeno e l'altro di ossigeno.
    • La batteria non deve essere perfettamente connessa alla clip, è sufficiente un breve contatto per innescare la reazione.
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    Stacca la batteria. Il suo scopo è solo quello di dare inizio all'elettrolisi. L'idrogeno e l'ossigeno separati si ricombineranno in acqua rilasciando l'energia che hanno usato inizialmente sotto forma di elettricità.[9] Il platino di cui sono composte le spirali funziona da catalizzatore per accelerare il processo di riunione fra i due gas, in modo che tornino a formare molecole di acqua.
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    Leggi i dati sul display del voltmetro. All'inizio il valore potrebbe essere alto, circa due volt, ma la differenza di potenziale diminuirà man mano che le bolle di idrogeno si dissiperanno, in un primo momento velocemente e poi in maniera più graduale finché l'ultima bolla non scoppierà.
    • La lampadina o il LED all'inizio potrebbe emettere una luce brillante, ma l'intensità diminuirà gradatamente e alla fine si spegnerà.
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Consigli

  • Una singola cella a combustibile produce solo una piccola quantità di elettricità, più o meno come il dispositivo descritto in precedenza. A livello commerciale le celle vengono assemblate in pile.
  • Sebbene la cella a combustibile trattata in questo articolo utilizzi l'acqua come elettrolita, quelle commerciali sfruttano l'idrossido di potassio (come quelle usate per il programma spaziale Apollo), l'acido fosforico, il carbonato di sodio o di magnesio fuso ad alte temperature oppure dei polimeri speciali.[10]

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Avvertenze

  • Quando usi una pila a combustibile, resta a debita distanza da fiamme libere o fonti di calore. Sebbene la pila emetta una quantità minima di idrogeno, ricorda che questo resta un gas infiammabile.
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Cose che ti Serviranno

  • Cavo di platino o di nichel ricoperto di platino
  • Asta sottile di metallo (chiodo, alesatore o oggetto simile)
  • Piccola spinetta in legno o plastica — in alternativa, un bastoncino da ghiacciolo
  • Batteria da 9 volt
  • Connettore per batteria da 9 volt
  • Nastro adesivo trasparente
  • Sale (facoltativo)
  • Bicchiere di acqua
  • Voltmetro (oppure una lampadina di una torcia o un LED)

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Categorie: Scienze
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