Una nuova membrana ideata da un’équipe di scienziati dei Sandia National Laboratories promette di incrementare l’efficienza delle fuel cell. La scoperta è stata descritta sulla rivista specializzata Nature Energy.

Le celle a combustibile sono una tecnologia molto promettente perché producono energia senza emissione di inquinanti. Uno dei punti deboli delle membrane impiegate nelle fuel cell è il funzionamento a temperature o troppo alte o troppo basse. Una caratteristica che impedisce alle celle a combustibile di sfruttare il loro pieno potenziale. Il problema potrebbe essere risolto grazie alla nuova membrana realizzata dal chimico dei Sandia National Laboratories Cy Fujimoto e dai suoi colleghi.

La membrana brevettata dai ricercatori è costituita da un materiale noto come polifenilene. Il punto di forza della membrana è la capacità di lavorare in modo efficiente a un intervallo più ampio di temperature. Inoltre rispetto ai prodotti in commercio la membrana dura fino a tre volte in più.

Le membrane a scambio protonico permettono l’escrezione dei protoni del materiale fornendo gli elettroni che vanno ad alimentare la produzione di elettricità della fuel cell. Se i protoni non riescono a passare facilmente attraverso la cella il flusso difficoltoso riduce le prestazioni del dispositivo.

Le membrane a scambio protonico utilizzate nei veicoli fuel cell richiedono acqua. La temperatura operativa pertanto non può essere più alta del punto di ebollizione dell’acqua. Temperature troppo alte seccano la membrana, incrementando la resistenza della cella e riducendone le prestazioni.

Per ottenere performance migliori il flusso di idrogeno va idratato. In questo modo la fuel cell non può però operare al massimo delle sue prestazioni perché non è possibile superare il valore termico dell’ebollizione dell’acqua.

Il problema secondo gli autori dello studio può essere risolto utilizzando carburanti idratati e un radiatore più ampio in grando di dissipare in modo efficace il calore di scarto. I costruttori di auto fuel cell stanno già impiegando questa soluzione, ma se le membrane a scambio protonico non necessiteranno più di acqua il processo diventerà ancora più semplice, sostenibile ed economico.

Un altro punto debole della tecnologia è il costo delle attuali membrane a scambio protonico, pari a ben 250-500 dollari per metro quadrato. Il Dipartimento dell’Energia americano mira a ridurlo a 5-20 dollari per metro quadro. I ricercatori hanno compiuto dei progressi in questa direzione impiegando un processo ad alte temperature che si avvale dell’acido fosforico per dopare una membrana polibenzimidazole a una temperatura di oltre 350° Fahrenheit.

La membrana non può operare sotto i 284° F senza degradare l’acido fosforico. Questa caratteristica la rende inadatta ad applicazioni nell’industria automotive, dove la condensazione dell’acqua nella partenza del motore a freddo e da altre reazioni del catodo abbassa la temperatura a livelli che compromettono l’acido fosforico.

La prima fuel cell a coppia ionica ad ammoniaca creata dal Los Alamos National Laboratory combina i fosfati con la membrana brevettata presso i laboratori Sandia. La coppia ionica ammonio-bifosfato garantisce prestazioni stabili a una temperatura compresa tra 176 e i 320 gradi F, reagendo bene alle variazioni d’umidità.

Il nuovo polimero secondo i ricercatori è interessante dal punto di vista industriale perché incrementa la ritenzione dell’acido fosforico e non perde d’efficienza riscaldando la fuel cell e aggiungendo umidità.

8 settembre 2016
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