RICERCA ITALIANA     

Membrane ibride a conduzione protonica ed elettrocatalizzatori per celle a combustibile a elettrolita polimerico

Università degli Studi di Perugia

Abstract

Il progetto si propone di sviluppare nuove membrane ibride a conduzione protonica ed elettrocatalizzatori per celle a combustibile a elettrolita polimerico.
Le membrane ibride risulteranno dalla combinazione di diverse matrici ionomeriche con diversi tipi di filler. In particolare, saranno preparate quattro classi di membrane: 1) Nafion riempito con ossoclusters metallici; 2) Nafion riempito con fillers organici non polimerici dotati di adatte funzionalità acide e basiche; 3) matrici ionomeriche alifatiche (PVdF) o aromatiche (PES) con basso grado di solfonazione riempite con fosfonati di zirconio caratterizzati da elevata conducibilità protonica.
La preparazione delle membrane ibride presuppone anche la sintesi di nuovi ionomeri solfonati comprendenti sia ionomeri in cui il gruppo solfonico è direttamente legato a una matrice polialifatica o poliaromatica, sia ionomeri dove una catena alifatica perfluorurata, contenente da 2 a 6 atomi di carbonio, è interposta fra la matrice e il gruppo solfonico.
La caratterizzazione delle membrane prevede lo studio della morfologia del filler, della stabilità termica, delle proprietà meccaniche (modulo tensile), dello swelling in acqua e metanolo e, soprattutto, della conducibilità protonica ad umidità relativa controllata nell’intervallo di temperatura 80-150°C. Si presterà particolare attenzione alla determinazione dell’idratazione della membrana nelle stesse condizioni di temperatura e umidità relativa usate per le >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Mario Casciola Università degli Studi di PERUGIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Lo sviluppo di nuove membrane ibride a conduzione protonica e di elettrocatalizzatori supportati per celle a combustibile ad elettrolita polimerico prevede il perseguimento dei seguenti obiettivi.
1) Sintesi di ionomeri innovativi con diverso grado di solfonazione ottenuti a partire da polivinilidene fluoruro (PVdF) e da poliaril solfoni. Tali materiali comprenderanno ionomeri in cui il gruppo solfonico è legato direttamente alle catene dei suddetti polimeri o attraverso catene perfluorurate alifatiche di diversa lunghezza. Ci si aspetta che la presenza di queste catene laterali accresca la flessibilità degli ionomeri, specialmente nel caso dei poliaril solfoni, favorendo in tal modo non solo la separazione di fase fra i gruppi ionogenici e la componente idrofobica dello ionomero, ma anche l’interazione fra i gruppi ionogenici del filler e quelli dello ionomero.
2) Sviluppo di membrane ibride costituite dai suddetti ionomeri e da ionomeri perfluorurati contenenti diversi tipi di filler comprendenti a) specie organiche non polimeriche dotate di gruppi accettori e donatori di protoni, b) fosfati solfofenilfosfonati di zirconio lamellari con diverso rapporto fosfato/fosfonato e diversa morfologia, c) nanoclusters inorganici dotati di gruppi funzionali acidi superficiali, ottenuti mediante diverse procedure sintetiche e caratterizzati da diversa granulometria. Nel complesso, tali membrane dovrebbero avere conducibilità protonica > 0.01 S/cm fino ad almeno >>>

Risultati parziali attesi

Il progetto porterà allo sviluppo di nuovi tipi di membrane ibride a conduzione protonica e di catalizzatori elettrodici per celle a combustibile ad elettrolita polimerico.

MEMBRANE IBRIDE
Le membrane ibride risulteranno dalla combinazione di diverse matrici ionomeriche con diversi tipi di filler. Sono previste in paricolare quattro tipologie di membrane ibride: 1) Nafion riempito con ossoclusters metallici; 2) Nafion riempito con filler organici non polimerici dotati di adatti gruppi funzionali acido-base; 3) matrici alifatiche (PVdF) o aromatiche (PES) con basso grado di solfonazione riempite con fosfonati di zirconio a strati dotati di elevata conducibilità protonica.
Lo sviluppo delle membrane ibride presuppone anche la sintesi di nuovi ionomeri solfonati comprendenti sia ionomeri dove il gruppo solfonico è direttamente legato a una matrice polialifatica o poliaromatica, sia ionomeri dove una catena alifatica perfluorurata, contenente da 2 a 6 atomi di carbonio, è interposta fra la matrice e il gruppo ionogenico.
Nel complesso le migliori membrane dovrebbero avere conducibilità > 0.01 S/cm fino ad almeno 120°C ad umidità relativa non superiore a 90%, basso swelling di volume (<20% in acqua) e bassa permeabilità al metanolo (ovvero rapporto permeabilità/conducibilità inferiore a quello delle membrane di Nafion).
Grazie a queste proprietà, le nuove membrane risulteranno adatte per celle a combustibile alimentate con >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

INTRODUZIONE
Le celle a combustibile a elettrolita polimerico (PEM FCs) sono attualmente considerate come il tipo di cella a combustibile più adatto ad essere impiegato nelle auto elettriche e nei dispositivi elettrici portatili. Esistono tre principali tipi di PEM FCs che prendono il nome dal tipo di combustibile usato: FC alimentate con idrogeno puro (o FC a idrogeno), con idrogeno contenuto in un gas di reforming (ad esempio FC a metanolo indiretto), e con metanolo gassoso o in soluzione acquosa (FC a metanolo diretto, DMFC). La membrana polimerica ideale dovrebbe possedere conducibilità protonica di almeno 0.01 S/cm alla temperatura di lavoro, bassa permeabilità alle specie che la alimentano, elevata inerzia chimica nei confronti degli agenti ossidanti e buona resistenza meccanica.
Grazie alla elevata conducibilità protonica a bassa temperatura e all’eccellente stabilità chimica, le membrane ionomeriche perfluorurate, come ad esempio il Nafion, sono attualmente le più adatte per le celle a idrogeno [1-4]. Ciò nondimeno permangono seri ostacoli alla commercializzazione su larga scala di questo tipo di celle a combustibile derivanti soprattutto da alcune limitazioni intrinseche della membrana perfluorurata. Nel caso specifico delle celle a metanolo diretto c’è anche il problema di trovare adatti elettrocatalizzatori per aumentare la velocità di ossidazione del metanolo e di riduzione dell’ossigeno.

IONOMERI
Oltre all’elevato costo [4] >>>