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MembrAnEs for STationary application with RObust mechanical properties

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Aumentare la durata delle membrane delle celle a combustibile

Alcuni scienziati finanziati dall’UE hanno sviluppato nuove membrane durevoli per le celle a combustibile stazionarie, rompendo il paradigma trade-off nei materiali della membrana, migliorando la stabilità meccanica e la conducibilità.

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Una cella a combustibile permette di produrre elettricità grazie a una reazione chimica tra un carburante e l’ossigeno. Ovvero quelli che sfruttano una membrana polimerica a conduzione protonica come elettrolito sono noti come celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEM). Si tratta di membrane semipermeabili generalmente a base di ionomeri e progettate per condurre protoni pur essendo impermeabili ai gas. Tuttavia, finora, le celle a combustibile PEM non hanno ottenuto risultati soddisfacenti soprattutto a causa del guasto meccanico della membrana. Per aumentare la loro durata nel tempo, è stato istituito il progetto MAESTRO (“Membranes for stationary application with robust mechanical properties”). Uno dei materiali PEM più comuni e disponibili in commercio è l’acido perfluorosolfonico fluoropolimero (PFSA). MAESTRO ha compiuto grandi passi avanti per ottenere ionomeri PFSA a basso peso equivalente (EW) con migliorate proprietà meccaniche rispetto allo stato dell’arte. Gli ionomeri di riferimento potrebbero essere stati fino ad allora i migliori materiali in laboratorio. Tuttavia, MAESTRO ha dimostrato che non erano i migliori in termini di durata, quando si valutavano i gruppi di elettrodi a membrana (MEA) dopo 100 ore di funzionamento continuo. A tal fine, gli scienziati hanno usato ionomeri a peso equivalente minore nel tentativo di preparare membrane con solide caratteristiche meccaniche. I loro approcci si affidavano all’uso di metodi chimici, termici e di trattamento e di rinforzo riempitivo. In particolare, l’attenzione si è concentrata sull’esplorazione dei legami incrociati ionici durante la polimerizzazione dell’emulsione e la fusione della membrana. Questo approccio porta a molecole ionomeriche non lineari ad alto peso molecolare, in grado di superare i problemi associati alle variazioni dimensionali della membrana, ovvero il gonfiore. Gli scienziati hanno usato anche l’elettrospinning per produrre fibre organiche e inorganiche per rinforzare meccanicamente gli ionomeri di riferimento a peso equivalente contenuto. Attraverso il rinforzo con nanofibre, gli scienziati hanno segnalato un miglioramento significativo delle proprietà meccaniche delle membrane finali e maggiore durata, con conducibilità più alta rispetto alla membrana di riferimento. Un altro metodo per rinforzare meccanicamente gli ionomeri di riferimento era attraverso la reticolazione ionica basata su nanoparticelle. Alcune membrane sono state preparate utilizzando filler con nanoparticelle di diversa idrofobicità. Con prove in situ destinate ad accelerare la decomposizione meccanica, i MEA stabilizzati hanno dimostrato una maggiore durata, con meno del 3 % di perdita di tensione dopo 2 000 ore di funzionamento. I risultati del progetto sono stati diffusi tramite pubblicazioni e sul sito del progetto.

Parole chiave

Membrane delle celle a combustibile, stabilità meccanica, membrana a scambio protonico, proprietà meccaniche, ionomeri PFSA

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