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Una fantastica cella a combustibile
Un nuovo elettrolita per celle a combustibile ad ossido solido, realizzato da ricercatori in Spagna, opera a temperature di centinaia di gradi inferiori a quelle degli elettroliti convenzionali, il che potrebbe aiutare a rendere più pratiche tali celle a combustibile.
Cristalli conduttivi: Un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione a scansione mostra la struttura cristallina di un nuovo materiale elettrolitico per celle a combustibile ad ossido solido che funziona bene a temperatura ambiente.
Jacobo Santamaria , del dipartimento di fisica applicata dell'Universidad Complutense de Madrid, in Spagna, e i suoi colleghi hanno modificato un elettrolita di zirconia stabilizzato con ittrio, un tipo comune di elettrolita nelle celle a combustibile ad ossido solido, in modo che funzioni appena al di sopra della temperatura ambiente . Normalmente, tali elettroliti richiedono temperature superiori a 700 °C. In combinazione con miglioramenti agli elettrodi delle celle a combustibile, ciò potrebbe abbassare la temperatura alla quale operano queste celle a combustibile.
Le celle a combustibile ad ossido solido sono promettenti per le centrali elettriche di prossima generazione perché sono più efficienti dei generatori convenzionali, come le turbine a vapore, e possono utilizzare una maggiore varietà di combustibili rispetto ad altre celle a combustibile. Possono generare elettricità con benzina, diesel, gas naturale e idrogeno, tra gli altri combustibili. Ma le alte temperature richieste per un funzionamento efficiente rendono costose le celle a combustibile ad ossido solido e ne limitano le applicazioni. L'elettrolita a bassa temperatura riportato dai ricercatori spagnoli potrebbe essere un enorme miglioramento per le celle a combustibile ad ossido solido, afferma Eric Wachsman , direttore del Florida Institute for Sustainable Energy, presso l'Università della Florida.
In una cella a combustibile ad ossido solido, l'ossigeno viene alimentato in un elettrodo e il carburante nell'altro. L'elettrolita consente agli ioni di ossigeno di migrare da un elettrodo all'altro, dove si combinano con il carburante; nel caso più semplice, in cui l'idrogeno è il combustibile, questo produce acqua e rilascia elettroni. L'elettrolita impedisce agli elettroni di tornare direttamente al lato ossigeno della cella a combustibile, costringendoli invece a viaggiare attraverso un circuito esterno, generando elettricità. Attraverso questo percorso tortuoso, alla fine trovano la loro strada verso l'elettrodo dell'ossigeno, dove si combinano con il gas ossigeno per formare ioni di ossigeno, perpetuando il ciclo.
L'elettrolita, che è un materiale solido, in genere conduce ioni solo ad alte temperature. Santamaria, attingendo a lavori precedenti di altri ricercatori, ha scoperto che la conduttività ionica a basse temperature potrebbe essere notevolmente migliorata combinando strati di materiali elettrolitici standard con strati di titanato di stronzio dello spessore di 10 nanometri. Ha scoperto che, a causa delle differenze nelle strutture cristalline dei materiali, un gran numero di posti vacanti di ossigeno, posti all'interno delle strutture cristalline dei materiali che normalmente ospiterebbero un atomo di ossigeno, si forma dove questi due materiali si incontrano. Queste vacanze formano percorsi che consentono agli ioni di ossigeno di muoversi attraverso il materiale, migliorando la conduttività dei materiali a temperatura ambiente di un fattore di 100 milioni.
Il materiale è ancora lontano dall'essere incorporato nelle celle a combustibile commerciali. Per prima cosa, il grande miglioramento della conduttività ionica richiederà ulteriori verifiche, afferma Wachsman, soprattutto alla luce della difficoltà di misurare le prestazioni di materiali estremamente sottili. In secondo luogo, la direzione della conduttività migliorata, lungo il piano del materiale anziché perpendicolare ad esso, richiederà una riprogettazione delle odierne celle a combustibile. Inoltre, il fattore limitante per la temperatura nelle celle a combustibile ora sono i materiali degli elettrodi. Prima che le celle a combustibile ad ossido solido a temperatura ambiente siano possibili, anche queste dovranno essere migliorate.
Tuttavia, se i risultati iniziali saranno confermati da ricerche future, i nuovi materiali rappresenteranno un progresso significativo. Ivan Schuller , un professore di fisica presso l'Università della California, San Diego, afferma che questo rappresenta un importante cambiamento nelle prestazioni degli elettroliti. Aggiunge, motiverà sicuramente molti nuovi lavori da parte di altri.