Nuovo protone

Le celle a combustibile sono unità compatte di conversione dell’energia che utilizzano fonti di energia pulita come l’idrogeno e le convertono in elettricità attraverso una serie di reazioni di ossido-riduzione. Nello specifico, le celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC), parte integrante dei veicoli elettrici, utilizzano membrane conduttrici di protoni per il funzionamento. Sfortunatamente, queste membrane soffrono di un compromesso tra elevata durabilità ed elevata conduttività ionica, che influisce sulla durata e sulle prestazioni delle PEMFC.

Per superare questo problema, gli scienziati hanno sintetizzato membrane polimeriche di acido perfluorosolfonico modificate chimicamente e fisicamente, come Nafion HP, Nafion XL e Gore-Select, che hanno dimostrato di essere molto più durevoli delle membrane non modificate tradizionalmente impiegate nelle operazioni con celle a combustibile. Sfortunatamente, nessuna delle membrane conduttrici di protoni esistenti ha raggiunto l’obiettivo tecnico altamente impegnativo – superare un test di durabilità accelerato o un test chimico e meccanico combinato – fissato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) per facilitarne l’uso nelle celle a combustibile delle automobili. 2025.

In questo contesto, un gruppo di ricercatori giapponesi, guidato dal professor Kenji Miyatake dell'Università di Waseda e dell'Università di Yamanashi, ha recentemente sintetizzato nuove membrane conduttrici di protoni per le PEMFC. Il loro lavoro, pubblicato sulla rivista Science Advances, è stato scritto in collaborazione dal dottor Liu Fanghua dell'Università di Waseda e dall'Università di Yamanashi e dal dottor Ick Soo Kim dell'Università di Shinshu.

I ricercatori hanno sintetizzato membrane conduttrici di protoni utilizzando uno ionomero aromatico parzialmente fluorurato (materiale polimerico costituito da resine termoplastiche stabilizzate da legami incrociati ionici) chiamato SPP–TFP-4.0 (SPP: polifenilene solfonato, TFP: bis (trifluorometil) terfenilene). Hanno quindi utilizzato il metodo del push-coating per rinforzare lo ionomero con nanofibre elettrofilate, non tessute e isotrope di poli(fluoruro di vinilidene) (PVDF) con elevata porosità (78%) o utilizzando politetrafluoroetilene espanso poroso (ePTFE). Ciò ha prodotto membrane composite, SPP–TFP-4.0–PVDF e SPP–TFP-4.0–ePTFE, rispettivamente di spessore 14 e 16 µm.

I ricercatori hanno eseguito un'ampia varietà di test su queste membrane conduttrici di protoni e hanno dimostrato che quella rinforzata con PVDF è superiore. "Ha sovraperformato la membrana perfluorurata Nafion XL all'avanguardia, chimicamente stabilizzata e rinforzata fisicamente in termini di funzionamento della cella a combustibile e stabilità chimica in situ ad una temperatura elevata di 120°C e con una bassa umidità relativa del 30%", sottolinea Miyatake .

La membrana SPP-TFP-4.0-PVDF ha dimostrato una lunga durata di 148.870 cicli o 703 ore, oltre sette volte superiore a quella del target DOE, nel test di durabilità accelerato con frequenti cicli bagnato-asciutto in condizioni di tensione a circuito aperto. Inoltre, ha mostrato un’elevata stabilità chimica con poca degradazione, energia di rottura stabile a vari livelli di umidità, proprietà meccaniche altamente stabili da zero al 60% di umidità relativa a 80°C ed eccellenti prestazioni delle celle a combustibile ad alte temperature (100–120°C).

In effetti, la membrana conduttiva protonica rinforzata a base di polimeri aromatici proposta soddisfa l'obiettivo del DOE statunitense per le future celle a combustibile per automobili, fornendo un'alternativa redditizia. Pertanto, questo studio potrebbe aprire la strada a PEMFC con operabilità e durabilità alle alte temperature. "Di conseguenza, i veicoli elettrici basati su celle a combustibile potrebbero diventare più potenti e convenienti. Ciò contribuirebbe anche alla realizzazione di una società basata sull'idrogeno e senza emissioni di carbonio", conclude un ottimista Miyatake.

Anche noi speriamo che veicoli elettrici così altamente efficienti, dotati di celle a combustibile potenti, durevoli e sostenibili, diventino presto realtà!

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Riferimento

DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adg9057

Autori: Fanghua Liu1,2, Ick S. Kim3 e Kenji Miyatake1,4,5

Affiliazioni:

1Centro di ricerca sull'energia pulita, Università di Yamanashi

2Organizzazione di ricerca per l'innovazione nel campo delle nanotecnologie e della vita