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Storie di successo dei progetti - La corsa per pile a combustibile più economiche

Ricercatori europei stanno lavorando per sviluppare membrane del cuore delle pile a combustibile, un costoso componente di una tecnologia in rapida ascesa, più economiche.

Energia

Abbassare i costi è fondamentale. Scienziati ed economisti credono che, a lungo termine, le pile a combustibile a idrogeno siano uno dei migliori candidati per sostituire i carburanti fossili nelle automobili. Ma è improbabile che ciò accada se questa tecnologia rimane costosa. Attualmente, la tecnologia principale è la "pila a combustibile con membrana a scambio protonico" ("Proton exchange membrane fuel cells" PEMFC). È una delle meno care e sebbene i costi si siano drasticamente ridotti dalla prima volta che le pile a combustibile furono usate sul serio per il programma Gemini della NASA negli anni 1960, questa tecnologia è ancora troppo onerosa per la produzione di massa. Il PEM è al centro di queste pile a combustibile. È possibile usare altri carburanti, come il diesel, ma l'idrogeno è quello menzionato più spesso. Ecco come funziona. L'idrogeno è l'elemento più abbondante dell'Universo. Il suo atomo (H) consiste di un elettrone, un singolo protone e nessun neutrone. La molecola di idrogeno (H2) entra nella pila a combustibile e incontra l'anodo, che divide i protoni di idrogeno (2H+) dai suoi elettroni (2e-). La membrana conduce gli ioni a carica positiva, o protoni (H+), ma non gli elettroni, quindi i protoni passano attraverso la membrana e finiscono sul catodo, mentre gli elettroni devono seguire un circuito esterno intorno alla membrana per raggiungere il catodo. Quando viaggiano su questo circuito gli elettroni creano una corrente. Una volta raggiunto il catodo i protoni e gli elettroni reagiscono con l'ossigeno creando acqua. Il progetto "Fuel cell membranes based on functional fluoropolymers" (Flupol), finanziato dall'UE, ha l'obiettivo di creare membrane più economiche usando fluoropolimeri – un polimero a base di fluorocarbonio con molteplici legami carbonio-fluorina forti. È un compito molto difficile perché i PEM devono soddisfare una lunga e dettagliata lista di obiettivi di rendimento. Progettare nuovi materiali per questo fine è una cosa complessa, secondo Justyna Walkowiak, prima ricercatrice del progetto Flupol, perché non ci si può concentrare solo su un tipo di proprietà. "Devono dimostrare alta conduttività protonica, assenza di conduttività elettronica, bassa permeabilità a carburante e ossidante, basso trasporto di acqua attraverso la diffusione e l'elettro-osmosi, stabilità ossidativa e idrolitica, buone proprietà meccaniche, basso costo e la capacità di montaggio in assemblati membrana-elettrodi," spiega. Attualmente il Nafion, il marchio di una membrana prodotta da DuPont, rappresenta l'avanguardia. Si tratta di un prodotto disponibile sul mercato che viene usato in automobili e diversi macchinari e attrezzature portatili. Ci sono anche altri marchi con un design simile e tutte queste membrane sono polimeri. I polimeri sono una serie di monomeri collegati e i monomeri sono atomi o piccole molecole che possono formare legami chimici in lunghe catene con altri monomeri. Il monomero naturale più comune è il glucosio ed esso può legarsi con altri monmeri per creare polimeri come la cellulosa e l'amido. Ci sono milioni di polimeri, sia naturali che sintetici. Tutte le membrane attualmente disponibili si basano su due o tre monomeri affini, tutti basati su polimeri del fluorocarbonio di un tipo o di un altro. La strategia di Flupol consisteva nello studiare polimeri aromatici fluorinati. Nella chimica organica, i composti aromatici comprendono anelli aromatici nella loro struttura chimica. Questi anelli sono formati dal modo in cui gli atomi si legano l'uno all'altro. Non costa poco "Quello che abbiamo pensato è che i composti aromatici sono adatti per il trattamento dopo la polimerizzazione e questo significa che saremmo in grado di cambiare le proprietà del polimero dopo la sintesi," spiega Walkowiak. "Abbiamo pensato che potrebbe essere più economico cambiare le proprietà dopo la polimerizzazione. In questo momento non è conveniente economicamente, ma pensiamo che in futuro tali costi si potrebbero ridurre". Walkowiak crede che i due anni assegnati al progetto Flupol erano pochi per lavorare su una questione tanto ampia, ma crede che il progetto abbia comunque prodotto alcuni risultati seri e che abbia fornito percorsi chiari verso il futuro. In primo luogo Walkowiak ha sviluppato un metodo di preparazione nuovo e conveniente in termini di costi per un'importante classe di monomeri, chiamati monomeri stirenici mono fluorinati. È stato un buon risultato in un campo particolarmente difficile. Nella scienza dei polimeri, i chimici normalmente controllano prima se un composto può auto-polimerizzarsi. Si chiama omopolimerizzazione. "Se questo non funziona, si vede se si possono usare due momomeri per indurre la co-polimerizzazione," dice Walkowiak. E se anche questo non funziona, si può provare la "copolimerizzazione indotta da termonomero)" (o ter-polimerizzazione) usando tre monomeri. Uno dei monomeri agisce come una coppia attiva per collegare gli altri due. Si polimerizza la coppia attiva con il primo monomero e poi si incorpora il terzo per ottenere le qualità desiderate nel materiale finale. L'innovazione di Walkowiak è stata quella di trovare un metodo di ter-polimerizzazione per preparare monomeri stirenici monofluorinati. In secondo luogo, il progetto ha trovato un modo di minimizzare un problema comune tra certi monomeri e stireni, un composto molto importante nella scienza dei polimeri. Due monomeri, FMST e TFMST possono legarsi con uno stirene, ma il FMST rallenta la reazione, il tasso al quale il materiale si lega. Questo ha due costose conseguenze. Prima di tutto ci vuole più tempo. In secondo luogo, la reazione più lenta risulta in legami a catena, i collegamenti tra ciascun monomero, più corti. Quindi si ottiene meno materiale finale a causa dei legami più corti. Più tempo e meno materiale possono diventare molto costosi molto rapidamente con alcuni di questi materiali. Walkowiak ha trovato un modo per ridurre l'effetto rallentante del FMST combinandolo con il TFMST. "Il FMST rallenta comunque la reazione, ma non così tanto," spiega Walkowiak. Infine, la ricercatrice ha sviluppato una nuova metodologia di polimerizzazione controllata per materiali polimerici. "Le reazioni tradizionali di polimerizzazione radicale libera, come la produzione di polistirene, tendono in effetti a mancare di controllo. Un effetto di tale mancanza di controllo è un alto grado di ramificazione. Inoltre, visto che la conclusione avviene a caso, quando due catene collidono, è impossibile controllare la lunghezza delle catene individuali." spiega Walkowiak. "Ma usando agenti di trasferimento della catena, o CTA, si può ottenere un limite di controllo. "La cosa importante è usare i CTA adatti, e il mio lavoro ha trovato il CTA specifico necessario per produrre copolimeri che contengano stireni fluorinati e stireni. Questi particolari copolimeri non sono mai stati sintetizzati prima. È una cosa nuova. Questi compolimeri mostrano proprietà davvero interessanti, di cui la ricercatrice non è attualmente libera di parlare. "Gli studi sullo sviluppo di tali materiali sono in corso e i risultati sono promettenti. Potrebbero avere proprietà molto interessanti riguardo la stabilità del materiale," conferma. Ma Walkowiak rivelerà che il passo fondamentale è l'introduzione degli elementi fluorinati nei copolimeri. Complessivamente è un corpo di risultati davvero notevole che contribuisce in modo significativo a migliorare le nostre conoscenze dei polimeri aromatici fluorinati e della loro potenziale applicazione alla tecnologia delle pile a combustibile e ci potrebbero essere altri benefici inaspettati, come spesso avviene in questo ramo della scienza. Il progetto Flupol ha ricevuto finanziamenti dal programma Marie Curie del Settimo programma quadro (7° PQ) per la ricerca dell'UE.