La riduzione del 33% dello spessore delle membrane e del 62,5% del contenuto di platino può abbassare i costi delle celle a combustibile senza compromettere le prestazioni.
A volte è possibile fare di più con meno. È il caso delle fuel cell PEM, ossia basate sulla tecnologia della membrana a scambio protonico, che hanno dimostrato di poter essere più efficienti ed economiche anche con meno materiale.
La scoperta appartiene ai ricercatori della Fondazione SINTEF e della Norwegian University of Science and Technology che, in un recente articolo su Journal of The Electrochemical Society, hanno spiegato come riduzioni nella membrana e nel catalizzatore possano portare a vantaggi concreti.
Il campo in cui ci muoviamo è quello delle celle a combustibile con membrana a scambio protonico, una promettente tecnologia di conversione caratterizzata da elevata densità energetica, bassa temperatura di funzionamento e alta efficienza elettrica. Nonostante i significativi vantaggi, questi dispositivi stentano a essere adottati su larga scala e, in parte, a causa degli elevati costi.
Come ridurli? Per capirlo è necessario “smontare” le fuel cell PEM. Questi dispositivi sono costituiti da un gruppo di elettrodi a membrana (MEA), che comprende la membrana a scambio protonico sopracitata, strati di catalizzatore (platino), strati di diffusione del gas, piastre bipolari e le guarnizioni.
In questo contesto, membrana e catalizzatore rappresentano fino al 41% del costo totale della cella. Per questo motivo, i ricercatori di SINTEF hanno deciso di studiare come ridurre al minimo questi due componenti.
Il team di scienziati ha trovato un modo per disporre le particelle di platino in modo che garantissero le stesse prestazioni ma in minore quantità, portando a una riduzione del 62,5% del contenuto del metallo. Nel contempo, è riuscito a ridurre del 33% la già sottilissima membrana.
“Le membrane delle celle a combustibile odierne hanno uno spessore di 15 μm (micrometri)”, spiega Patrick Fortin, ricercatore del SINTEF. “Il nostro prototipo misura solo 10 μm. Per fare un paragone, un foglio A4 standard ha uno spessore di 100 μm”.
Durante lo studio, il gruppo ha scoperto di aver raggiunto il limite di spessore massimo di una membrana prima di compromettere il funzionamento. I test di laboratorio hanno mostrato che le prestazioni erano pressoché identiche sia per le membrane da 15 μm che per quelle da 10 μm. Questo equilibrio, afferma Fortin, è legato alle proprietà della membrana.
“L’efficacia delle nuove membrane si basa sulla velocità con cui i protoni si muovono attraverso la superficie della membrana e nello strato del catalizzatore, una cosiddetta ‘resistenza interfacciale’, e sulla velocità con cui si muovono attraverso la membrana stessa, una cosiddetta ‘resistenza di massa’”.
