Le celle a combustibile ad elettrolita polimerico (PEMFC) stanno ricevendo una crescente attenzione per diversi tipi di applicazione, dall'utilizzo in dispositivi portatili a bassa potenza all'implementazione in applicazioni più ampie come il settore dei trasporti. Questo progetto aspira ad affrontare alcuni ben noti problemi, ancora da approfondire, che limitano la diffusione di questi sistemi, come ad esempio il costo elevato dovuto all'uso di catalizzatori a base di platino (Pt), la lenta cinetica della reazione a carico dell'ossigeno agli elettrodi, l'attraversamento (crossover) dei gas reagenti attraverso l'elettrolita all'interno della cella.
Lo scopo principale di questo lavoro è lo sviluppo di membrane e catalizzatori durevoli, efficienti ed a basso costo che possano lavorare in un ampio intervallo di condizioni operative specialmente ad alta temperatura e bassa umidità relativa (RH). In questo contesto, questo progetto propone un approccio strategico, basato sulla preparazione di ossidi di natura perovskitica da utilizzare come additivi sia per il comparto elettrodico che elettrolitico di una fuel cell. Saranno quindi realizzate membrane innovative organiche/inorganiche ed elettrocatalizzatori compositi che superino i limiti dei materiali attualmente in uso. Se da un lato l'incorporazione di ossidi inorganici all'interno di una membrana polimerica ha il duplice ruolo di aumentare la ritenzione di acqua e migliorare la stabilità termica e meccanica della stessa. Dall'altro canto un additivo inorganico aggiunto al comparto elettrodico può supportare l'attività catalitica del catalizzatore al punto da favorire la riduzione del carico di metallo nobile.
Potenti tecniche ex-situ verranno utilizzate per investigare le proprietà chimico-fisiche dei materiali ottenuti. Caratterizzazioni in situ saranno utilizzate per monitorare le prestazioni in cella a combustibile mediante un prototipo di laboratorio.
In termini di scienza e tecnologia il progetto apporterà un avanzamento allo stato dell'arte di un settore strategico in via di sviluppo quale la conversione di idrogeno in energia elettrica. Lo scopo di questo progetto è quello di sviluppare componenti elettrodici ed elettrolitici per celle a combustibile (PEMFC) al fine di ridurre i costi, migliorare le prestazioni e la durata.
Il progetto mira a contribuire alle specifiche del programma Horizon 2020 supportando l'obiettivo di decentrare la produzione di energia elettrica dal petrolio e combustibili fossili attraverso lo sfruttamento di risorse energetiche alternative. In quest'ottica, l'idrogeno è attualmente considerato il miglior candidato come vettore energetico del futuro.
Lo sviluppo di componenti base, quali elettrocatalizzatori e membrane nanocomposite per le celle a combustibile ad elettrolita polimerico, ha l'obiettivo di rendere la tecnologia più vicina ai target stabiliti da Horizon 2020 in particolare per quel che riguarda la riduzione dei costi e l'incremento della durata/prestazione del sistema. Per raggiungere questi obiettivi sono necessarie nuove tecnologie che utilizzino catalizzatori più economici, componenti ad elevata durabilità, membrane capaci di operare ad alte temperature e basse umidità relativa. Per esempio le membrane che rappresentano lo stato dell'arte attuale, perdono efficienza in termini di conducibilità protonica a T>100°C pertanto è necessario sviluppare nuove membrane in grado di sostenere elevate temperature con bassa umidificazione. Una strategia molto promettente per superare queste limitazioni con risultati positivi, consiste nello sviluppo/utilizzo di membrane composite (organiche-inorganiche). L'inserimento di solidi inorganici in elettroliti polimerici convenzionali a base di Nafion ha la duplice funzione di migliorare la ritenzione dell'acqua d'idratazione e di fornire ulteriori siti acidi per la conduzione protonica. Inoltre, la formazione di compositi organici-inorganici risulta benefica in termini di stabilità meccanica e termica delle membrane che ne risultano nonché ridurre la permeazione dei gas reagenti[2,3,4]. E' inoltre necessario sviluppare nuovi componenti catalitici per favorire la riduzione dei costi. Anche in questo caso risulta promettente supportare il Platino con l'aggiunta di un opportuno additivo, l'uso di miscele di platino e ossidi comporta la riduzione del carico di metallo nobile.
In questo caso l'ossido viene disperso in un sistema a più componenti che oltre a garantire un'elevata resistenza nelle condizioni operative, risulta a basso costo. Tali ossidi possono avere un effetto sinergico, in quanto amplificano le proprietà chimico fisiche ed elettrochimiche del catalizzatore.
Il progetto beneficerà inoltre del know-how del gruppo di ricerca di appartenenza che opera nel settore quale elettrochimica e scienza dei materiali. Inoltre, nell'ambito del progetto si intende approfondire l'aspetto elettrochimico e chimico-fisico dei migliori materiali sfruttando possibili collaborazioni con enti di ricerca altamente specializzati nella caratterizzazione e nello sviluppo di materiali per applicazione energetiche.
Un opportunità per favorire l'avanzamento dell'arte sarà data grazie alla partecipazione a convegni/workshop nazionali ed internazionali con l'intento di raccogliere idee, informazioni utili per un ulteriore miglioramento delle tematiche di ricerca proposte.
[2]Nam, S., Lee, K.H., Kang, Y., Park S.M., Lee, J. W. Organic-Inorganic Nanocomposite Membranes as
High Temperature Proton Exchange Membranes for a Direct Dimethyl Ether Fuel Cell Application, Separation Science and Technology 2007; 13: 2927-2945
[3]Sgambetterra M,Brutti S, Allodi V, Mariotto G,Panero S, Navarra M A, Critical Filler Concentration in Sulfated Titania-Added Nafion¿ Membranes for Fuel Cell Applications, Energies 2016; 9:272
[4]Scipioni R, Gazzoli D, Teocoli F, Palumbo O, Paolone A, Ibris N, Brutti S, Navarra M A,Preparation and Characterization of Nanocomposite Polymer Membranes Containing Functionalized SnO2 Additives Membranes 2014; 4:123-142