Gli elettrodi scanalati possono migliorare le prestazioni del protone

LOS ALAMOS, Nuovo Messico – Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico sono una soluzione energetica promettente per ridurre le emissioni di carbonio nel settore dei trasporti. Come suggerisce il nome, queste cellule contengono una membrana conduttrice di protoni basata su materiali polimerici che funge da elettrolita.

Anche se le PEMFC potrebbero presentare notevoli vantaggi, il loro costo, la durata e la disponibilità del carburante necessario per farle funzionare dovranno migliorare prima di poter essere implementate su larga scala.

I ricercatori del Los Alamos National Laboratory hanno recentemente sviluppato nuovi elettrodi che potrebbero migliorare significativamente le prestazioni e la durata delle PEMFC. Questi elettrodi, introdotti in Nature Energy, hanno una caratteristica conformazione scanalata in grado di facilitare il trasporto sia dell'ossigeno che dei protoni nelle celle a combustibile.

“Sapevamo che le prestazioni degli elettrodi convenzionali erano limitate dal trasporto di specie come ossigeno e protoni, e ci siamo ispirati al lavoro storico dei nostri colleghi del LANL negli anni ’90, che scoprirono come combinare un catalizzatore di platino supportato da carbonio con ionomero a conduzione protonica per ottenere importanti miglioramenti delle prestazioni", ha dichiarato a Tech Xplore Jacob Spendelow, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio.

“È un po’ sorprendente che, 30 anni dopo, gli elettrodi all’avanguardia utilizzino ancora essenzialmente la stessa struttura. Abbiamo quindi deciso di riprogettare la struttura utilizzando un approccio progettuale razionale per accelerare sia il trasporto dell’ossigeno che quello dei protoni”.

Gli elettrodi scanalati progettati da Spendelow e dai suoi colleghi hanno numerose creste su microscala, che consistono essenzialmente in un catalizzatore di platino supportato da carbonio separato da rientranze vuote. Grazie alla loro configurazione unica, possono ripartire il trasporto di ossigeno e protoni in diverse parti della loro struttura.

"Gli elettrodi convenzionali richiedono un trasporto misto di ossigeno e protoni attraverso tutte le parti dell'elettrodo, il che richiede alcuni compromessi di progettazione, poiché lo ionomero conduttore di protoni ostacola il trasporto di ossigeno", ha spiegato Spendelow. “Al contrario, separando il trasporto di ossigeno e protoni, il design dell’elettrodo scanalato consente di ottimizzare parti dell’elettrodo (le scanalature) per il trasporto dell’ossigeno, mentre altre parti (le creste) sono ottimizzate per il trasporto dei protoni. Questo approccio “divide et impera” consente trasporti più rapidi e prestazioni più elevate”.

I ricercatori hanno valutato i loro elettrodi scanalati in una serie di test eseguiti in condizioni operative standard per le celle a combustibile. Hanno scoperto che le loro prestazioni erano fino al 50% migliori rispetto a quelle degli elettrodi convenzionali e che potevano facilitare il trasporto dell'ossigeno e migliorare l'uniformità delle reazioni chimiche. Inoltre, gli elettrodi scanalati sembravano essere più durevoli rispetto ai loro omologhi convenzionali, poiché le loro prestazioni non diminuivano di molto dopo un test di corrosione del carbonio.

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