Costruire una cella a combustibile migliore

Le celle a combustibile basate su composti acidi solidi possono offrire tensioni più elevate, temperature di esercizio più elevate, minore complessità del sistema e più opzioni di combustibile rispetto alle attuali celle a combustibile. Quindi segnala i ricercatori del California Institute of Technology in questa settimana Natura .

Le celle a combustibile convertono l'energia chimica direttamente in energia elettrica, un processo più efficiente della combustione ( vedi Fai il pieno di idrogeno ). Le celle a combustibile più promettenti utilizzano membrane fatte di elettroliti polimerici. Funzionano facendo passare un combustibile, come l'idrogeno, attraverso la membrana, che è permeabile solo ai protoni. L'elettrone dell'idrogeno deve girare intorno alla membrana, generando la corrente elettrica. Dall'altra parte della membrana, l'idrogeno si lega all'ossigeno atmosferico, quindi l'unico sottoprodotto è l'acqua.

Ma le membrane elettrolitiche polimeriche hanno un grosso inconveniente: hanno bisogno di umidità per funzionare. Ciò limita le condizioni operative al di sotto del punto di ebollizione dell'acqua, un vincolo importante su dove e come possono essere utilizzate le celle a combustibile.

Per funzionare, il polimero deve essere bagnato, afferma Sossina Haile, assistente professore di scienza dei materiali al Caltech e autore principale del Natura carta. Ciò significa che ci sono molti problemi di gestione dell'acqua e di gestione della temperatura. Devi tenerlo fresco ma non troppo, bagnato ma non troppo. (Troppo vapore acqueo, si condensa sulla superficie della membrana e blocca il gas.) Tutto ciò aumenta la complessità, e quindi il costo, delle celle a combustibile, afferma.

Niente acqua, nessun problema

	Gruppo di ricerca del professor Haile (da sinistra a destra): Calum Chisholm, Ryan Merle, Dane Boysen e Sossina Haile.

A differenza delle membrane elettrolitiche polimeriche, le membrane ad acido solido di Haile sono anidre, il che significa che funzionano indipendentemente dalla presenza di acqua. In Natura , Haile ha riportato risultati positivi a temperature fino a 160 °Celsius per membrane fatte di cesio idrogeno solfato, un acido solido economico quanto il sale da cucina, afferma Haile.

Un elettrolita protonico privo di acqua è una cosa meravigliosa da avere, afferma Sekharipuram Narayanan, un ricercatore di celle a combustibile presso il Jet Propulsion Laboratory della National Aeronautics and Space Administration che ha lavorato con Haile in passato.

La ricerca di Narayanan si concentra sull'alimentazione delle celle a combustibile con metanolo, un'area che potrebbe ottenere un grande impulso dalle membrane acide solide. Le cosiddette celle a combustibile a metanolo diretto utilizzano il metanolo invece dell'idrogeno come combustibile. Ma le membrane a base di polimeri consentono anche il passaggio di un po' di metanolo senza generare energia, un problema chiamato crossover del metanolo. Sebbene non sia stato dimostrato, Haile teorizza che gli acidi solidi possono ridurre il crossover del metanolo.

Zolfo, grosso problema?

Tuttavia, se si vuole che le celle a combustibile solido-acido siano una valida fonte di energia, devono essere superati gli ostacoli principali. Il prototipo di Haile ha generato solo 50 milliampere di corrente per centimetro quadrato di membrana, rispetto a 1 amp per centimetro quadrato generato dalle membrane di elettroliti polimerici.

C'è un molto molta strada da fare con il suo approccio prima che diventi vicino all'utile, dice Tom Zawodzinski, un ricercatore di celle a combustibile presso il Los Alamos National Laboratory, in una e-mail a technologyreview.com.

Un altro problema: gli elettroliti solidi, come quelli di Haile, non funzionano a temperatura ambiente e devono essere riscaldati prima che inizino a generare energia. Non è un grosso problema, dice Narayanan, quando si alimenta un'auto, ma rende quasi impossibili le piccole applicazioni, come i telefoni cellulari.

Forse l'ostacolo più grande è che la membrana di Haile contiene zolfo, che reagisce con l'idrogeno per ridurre gradualmente le prestazioni della cella a combustibile. Il problema è che la cella a combustibile, l'elettrolita, si trova di fronte a un ambiente estremo, dice Haile. La membrana contiene zolfo che reagirà con l'idrogeno. Il prodotto della reazione, idrogeno solforato, interferisce con la reazione chimica che genera elettricità.

Per aggirare il problema, il gruppo di ricerca di Haile sta cercando acidi solidi che non contengano zolfo. È qualcosa che potrebbe essere risolto oggi, o potrebbe non risolversi mai, dice.

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