RICERCA ITALIANA     

Preparazione, sperimentazione e sviluppo di componenti innovativi di celle a combustibile a elettrolita polimerico: (a) anodi a membrana elettrocatalitica con struttura microporosa, (b) membrane dense selettive di elettrolita solido.

Università di Pisa

Abstract

Il presente programma di ricerca prevede la preparazione, la sperimentazione e lo sviluppo di componenti di nuova concezione per impiego nelle celle a combustibile a elettrolita polimerico funzionanti con idrogeno (ovvero con metanolo) a temperature fino a 160°C. In particolare è prevista la realizzazione e sviluppo

(1) di un nuovo tipo di anodo elettrocatalitico a membrana con tolleranza all'avvelenamento da monossido di carbonio (CO) molto superiore rispetto agli anodi dello stato dell'arte.

(2) di membrane con adeguate proprietà ionoconduttrici (e possibilmente ridotto cross-over di metanolo) in condizione di "ambiente secco" (bassa umidità relativa) e temperature dell'ordine di 150°C.

Per quanto riguarda il punto (1) saranno sperimentati metodi innovativi per preparare membrane di carbonio conduttore con struttura nanoporosa. Tali membrane dovranno possedere un sistema continuo di pori interconnessi con diametro di 3÷4 nm ed elevata area superficiale interna accessibile. Dette membrane nanoporose saranno caricate internamente con particelle metalliche nanoscopiche (1 nm) a base di leghe Pt-Ru-M (M = Mo, Ni, Co, Os, etc.) con proprietà elettrocatalitiche, così da ottenere membrane elettrocatalitiche idonee all'impiego efficace come anodo in celle a combustibile. A tale riguardo, sono state recentemente da noi ottenute nanoparticelle mono disperse di Pt-Ru con diametro di 2 nm, le quali esibiscono attività catalitica verso la >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Vincenzo TRICOLI Università di PISA

Obiettivo del Programma di Ricerca

obiettivo (1)
realizzare membrane elettrocatalitiche di nuova concezione da impiegare quali anodi di elevata efficacia in celle a combustibile a elettrolita polimerico con alimentazione di idrogeno, ovvero di metanolo. Il conseguimento di tale obiettivo prevede, dapprima, la realizzazione di un tipo di membrane di carbonio conduttore a struttura nanoporosa controllata. Precisamente, tali membrane dovranno possedere un sistema continuo di pori interconnessi con diametro di 3÷4 nm ed elevata area superficiale interna accessibile. Successivamente, dette membrane nanoporose saranno caricate internamente con particelle metalliche nanoscopiche (1 nm) a base di leghe Pt-Ru-M (M = Mo, Ni, Co, Os e altri metalli) con proprietà elettrocatalitiche, seguendo metodi da noi già sperimentati e messi a punto. L'idea è quella di produrre, così, un tipo di anodo a membrana (per celle a combustibile) di nuova concezione, all'interno del quale i processi simultanei di diffusione e di reazione del combustibile possono essere ottimizzati controllando opportunamente la nanostruttura della membrana porosa e la dispersione delle nanoparticelle catalitiche all'interno di essa. L'obiettivo ultimo è ottenere anodi per celle a combustibile assai più efficaci degli anodi dello stato dell'arte e, sperabilmente, adeguati pienamente allo scopo.

obiettivo (2)
realizzare membrane ionoconduttrici che possiedono elevata conducibilità ionica in "ambiente secco" da impiegare quale >>>

Risultati parziali attesi

Il risultato parziale atteso al termine di questa fase è la realizzazione di una serie di membrane di carbonio a struttura nanoporosa controllata ed elevata area superficiale interna accessibile. Tali supporti a membrana verranno caricati con nanoparticelle elettrocatalitiche attive per la elettroossidazione di idrogeno e di metanolo e resistenti ad avvelenamento da CO. Tali membrane cosi ottenute avranno la funzione di elettrodo anodico per celle a combustibile a elettrolita polimerico.Il risultato parziale atteso al termine di questa fase è l'ottenimento di una serie di membrane (eventualmente composite) prive di difetti con adeguata conducibilità ionica in condizioni di bassa umidità relativa. Alcune di queste membrane potrebbero, inoltre, manifestare ridotta permeabilità di metanolo (e, quindi, basso "cross-over").

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Si registra, da alcuni anni, un interesse crescente verso celle a combustibile elettrochimiche a elettrolita solido polimerico, funzionanti a bassa temperatura con alimentazione diretta di metanolo liquido (in soluzione acquosa), oppure con alimentazione di idrogeno. I motivi di tale interesse risiedono nella intravista potenziale applicazione di questa tecnologia al settore del trasporto veicolare (automobile elettrica).
Per quanto riguarda le celle a metanolo, due sono i problemi tecnici tuttora da risolvere prima che tale tecnologia diventi adeguata ad applicazioni veicolari e quindi matura per la commercializzazione su grande scala:
1. modesta attività dell'elettrocatalizzatore anodico (per l'ossidazione del metanolo) [1];
2. elevato flusso di metanolo attraverso la membrana polimerica ionoconduttrice.
Il primo è causa di forti dissipazioni durante l'ossidazione di metanolo, che producono anche una tensione anodica insoddisfacente. Il secondo si traduce in notevoli perdite di combustibile e anche ridotta tensione catodica. Il risultato è una relativamente modesta efficienza energetica della cella, unitamente ad una potenza specifica non proprio soddisfacente.
L'elettrolita polimerico pressoché unicamente impiegato nelle celle a metanolo prototipo è il Nafion. Membrane a base di Nafion, sebbene dotate di buona conducibilità ionica, sono scarsamente impermeabili al metanolo. Inoltre, il costo di tale materiale è alquanto elevato. Ricerche >>>