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Nuove celle a combustibile in grado di funzionare a temperature comprese tra -20 e 200°C

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Nuove celle a combustibile in grado di funzionare a temperature comprese tra -20 e 200°C

Una delle celle a combustibile dei ricercatori mentre veniva testata. . Credito: Tang et al.

Le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) sono celle energetiche in grado di trasformare l’energia chimica prodotta durante la reazione elettrochimica tra idrogeno e ossigeno in energia elettrica. Sebbene queste celle possano essere soluzioni energetiche molto promettenti, la maggior parte di esse può funzionare solo a intervalli di temperatura limitati, come da 80 a 90 gradi Celsius o da 140 a 180 gradi Celsius.

I ricercatori dell’Accademia cinese delle scienze, dell’Università normale di Tianjin e dell’Università di Tianjin hanno recentemente progettato un nuovo tipo di PEMFC in grado di funzionare in un intervallo di temperature molto più ampio, in particolare da -20 a 200 gradi Celsius. Il loro articolo, pubblicato in NaturaEnergia, potrebbe facilitare l’uso diffuso della tecnologia PEMFC, riducendone al contempo i costi di fabbricazione.

“Quando pensiamo alla fuoriuscita di acido fosforico (PA) da una membrana di polibenzimidazolo (PBI), crediamo che una molecola di benzimidazolo assorbirebbe una molecola di PA, secondo il concetto di interazioni acido-base”, Nanwen Li, uno degli autori del documento, ha detto a TechXplore. “Tutte le altre molecole di PA nella membrana PBI, d’altra parte, sono per lo più trattenute da interazioni di legame idrogeno. Questo è come una catena di cani che trattiene un cane, in modo che altri cani seguano questo cane per parentela. Tuttavia, se noi può creare una cuccia per cani, tutti i cani in questa cuccia non potrebbero uscire facilmente se la porta d’ingresso è chiusa.”

L’obiettivo principale del recente studio condotto da Li e dai suoi colleghi era quello di creare una membrana in grado di assorbire PA. Per rafforzare ulteriormente la sua capacità di catturare l’AP, i ricercatori hanno sfruttato quello che è noto come “effetto di sifonamento capillare”, un effetto attraverso il quale i liquidi possono essere facilmente assorbiti.

Quando si applica l’effetto di sifone capillare su una membrana convenzionale, il liquido potrebbe non essere rilasciato facilmente. Pertanto, il team ha deciso di fabbricare la membrana utilizzando i polimeri di base (TB) di Tröger, materiali con una microporosità intrinseca ultra elevata.

“Gli ultra-micropori nel polimero della tubercolosi agiscono come capillari per l’assorbimento e la ritenzione di PA, come nella metafora della cuccia del cane”, ha spiegato Li. “Regolando la struttura chimica del monomero, è stato possibile controllare la dimensione e la distribuzione dei pori della membrana polimerica. Una membrana con una dimensione dei pori di circa 3,5 Å ha mostrato il miglior effetto di sifonamento delle molecole di PA, e quindi la migliore stabilità di conducibilità e prestazioni delle celle a combustibile in un’ampia gamma di temperature di esercizio.”

Nuove celle a combustibile in grado di funzionare a temperature comprese tra -20 e 200°C

Il processo di fabbricazione delle membrane. Credito: Tang et al.

Le celle a combustibile funzionano tipicamente con combustibili ossidanti elettrochimicamente, come l’idrogeno, in presenza di aria o ossigeno, producendo infine energia elettrica e acqua. La membrana conduttiva di protoni contenuta nei PEMFC è rivestita con una sostanza catalitica su ciascun lato, per innescare reazioni elettrochimiche tra l’anodo (idrogeno) e il catodo (ossigeno) all’interno di una cellula.

“Tra le altre, ci sono due funzioni primarie della membrana: una è quella di condurre i protoni prodotti cataliticamente all’anodo per trasportarli al catodo e combinarli con l’ossigeno, producendo infine acqua, mentre l’altra è quella di forzare gli elettroni (cioè , energia elettrica) prodotta cataliticamente all’anodo, attraverso un circuito esterno, dove completano il circuito e producono acqua”, ha detto Li. “Si può pensare alle celle a combustibile come a una combustione catalitica altamente controllata di idrogeno e ossigeno, che non esplode come farebbe se si accendesse, ma rilascia energia elettrica su richiesta. L’elettrolisi, o la scissione dell’acqua, è proprio il contrario, dove immetti energia elettrica per dividere l’acqua in idrogeno e ossigeno.”

Usando la membrana ultramicroporosa drogata con PA che hanno creato, Li e i suoi colleghi sono stati in grado di fabbricare celle a combustibile in grado di funzionare a una gamma molto ampia di temperature. Questo è un risultato notevole, poiché i PEMFC sviluppati in precedenza possono funzionare solo a intervalli di temperatura ristretti.

“Utilizzando il nostro design, lo stack di celle a combustibile sarebbe notevolmente semplificato”, ha affermato Li. “Riteniamo che l’effetto di sifonamento per l’assorbimento di PA negli ultra-micropori sia significativo per lo sviluppo di PEMFC ad alta temperatura ad alte prestazioni e migliorerebbe anche il sistema complessivo di celle a combustibile, consentendone il funzionamento senza sistemi di riscaldamento ausiliari”.

Il nuovo design della membrana e delle celle potrebbe presto portare allo sviluppo di PEMFC con prestazioni migliori, riducendo anche significativamente i costi di fabbricazione. Nei loro prossimi studi, Li e i suoi colleghi hanno in programma di applicare l’effetto di sifonaggio capillare anche allo strato di catalizzatore, per migliorarne l’efficacia e ridurre il carico del catalizzatore.

Inoltre, si concentreranno sulla microregolazione della dimensione dei pori della membrana e sulla distribuzione della miscelazione, copolimerizzazione e reticolazione. Ciò potrebbe in definitiva aiutare a migliorare ulteriormente la stabilità e la conduttività delle celle a combustibile.

“Vorremmo anche progettare e preparare sistemi PBI con lo stesso tipo di ultra-microporosità delle membrane che abbiamo utilizzato, che potrebbero essere più facili da applicare nel settore energetico”, ha aggiunto Li. “Inoltre, lo stesso effetto di sifonamento che abbiamo prodotto potrebbe essere utilizzato anche nello strato catalizzatore, per trattenere le molecole di PA all’interno dello strato catalizzatore ed evitare così l’impatto negativo dell’avvelenamento da fosfato del catalizzatore Pt. Pertanto, prevediamo che un elevato utilizzo del catalizzatore e quindi si otterrà un basso carico del catalizzatore per le celle a combustibile con membrana a scambio protonico ad alta temperatura”.


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