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- ELETTRONICA OGGI 458 - NOVEMBRE/DICEMBRE 2016
EDA/SW/T&M
FUEL CELL TEST
L
e celle a combustibile sono cresciute di importan-
za soprattutto grazie alla semplicità del loro prin-
cipio di funzionamento, che consente di ottenere
energia elettrica stabilizzata attraverso una reazione
elettrochimica fra l’idrogeno e l’ossigeno, con elevata
efficienza e senza rilascio di residui inquinanti. La ver-
satilità di impiego ne fa la scelta vincente per un’ampia
gamma di applicazioni dall’alimentazione degli appa-
recchi consumer portatili alla trazione delle automobili
elettriche o ibride, fino alla generazione di energia nelle
grandi centrali. Inoltre, per la messa a punto bastano po-
chi semplici test alla portata di tutti.
Elettricità semplice
Ci sono svariate versioni di Fuel
Cell che, in pratica, cercano tutte
di adattare la reazione base defi-
nita per l’idrogeno molecolare 2H
2
+ O
2
= 2H
2
0 (+ 4e - ) in funzione del
composto che si decide di usare al
suo posto, come l’idrogeno atomi-
co, gli idruri metallici, il metanolo
o l’acido formico che hanno il van-
taggio di essere molto meno peri-
colosi e per tal motivo semplifica-
no l’ingegnerizzazione delle pile e
ne diminuiscono i costi. L’idrogeno
molecolare può essere ottenu-
to, ad esempio, dal metano con il
processo CH
4
+ H
2
O = CO +3H
2
oppure dal monossido di carbonio
con la CO + H
2
O = CO
2
+ H
2
ma
sono allo studio molte altre tecno-
logie. Indipendentemente dalla reazione elettrochimica e
dalla tecnologia costruttiva le Fuel Cell devono comunque
soddisfare alcuni requisiti elettrici indispensabili per ga-
rantire stabilità alle prestazioni. Considerando che l’effi-
cienza di queste pile supera il 60%, ma può agevolmente
arrivare all’80% o più, si capisce che i test per determinare
l’impedenza delle celle diventano importanti per ottimiz-
zarne il punto di lavoro e quantificarne le perdite interne
e il rendimento. L’impedenza interna di una cella a com-
bustibile è composta in modo prevalente dalla resistenza
intrinseca dei materiali costruttivi e poi dall’impedenza
introdotta nell’elettrolita dalla reazione elettrochimica che
genera l’energia. La prima dipende essenzialmente dalle
caratteristiche fisiche della membrana e degli elettrodi
(MEA, Membrane Electrode Assembly) e dalle condizio-
ni di temperatura e umidità in cui si trovano ma è quasi
tutta confinata fra la membrana e il catodo dove avviene
la ricombinazione dell’idrogeno con l’ossigeno per for-
mare l’acqua residua mentre si può trascurare dalla parte
dell’anodo dove gli atomi di idrogeno si separano dai loro
elettroni. La seconda componente di
impedenza è determinata dalle con-
dizioni di polarizzazione in cui si tro-
va l’elettrolita e dipende dal modo in
cui avviene la reazione elettrochimi-
ca, ma è generalmente inferiore alla
prima. Il circuito equivalente di una
cella in termini di impedenza è per-
tanto composto da una Rm predomi-
nante in serie con una Re alla quale
però va in parallelo una capacità Ce
che tiene conto dell’inerzia che ha la
reazione elettrochimica nella cella ad
adattarsi alle condizioni di carico e
può anche parzialmente dipendere
dalla Rm. In sintesi, si definisce Equi-
valent Series Resistance la ESR =
Rm+Re Ce.
Test economici e rapidi
I due metodi di test più diffusi sono il “Current Inter-
rupt” (CI), noto anche come “Step Responce”, e la “Elec-
trochemical Impedance Spectroscopy” (EIS), che ha
come variante la “High Frequency Resistance” (HFR).
Il test per interruzione di corrente o risposta a gra-
dino è il più semplice, perché consiste nello stacca-
re improvvisamente il carico dalla cella e misurare
Test d’impedenza
sulle Fuel Cell
Lucio Pellizzari
Bastano pochi e semplici test per determinare
l’impedenza interna delle Fuel Cell e ottimizzarne
la configurazione per massimizzare l’efficienza della
reazione elettrochimica e il rendimento elettrico
Fig. 1 – Gli Impedance Meter Kikusui KFM2005 e
KFM2030 eseguono test EIS sulle Fuel Cell con scan-
sione fra 10 mHz e 10 kHz e risoluzione di 100 mΩ
selezionabile fino a 0,5A, 5A o 30A