Un innovativo polimero di acido fosfonico con spazi idrofobici per gli elettroliti delle celle a combustibile è stato sviluppato dai ricercatori dell’Università di Nagoya. Questo design, ideato da un gruppo guidato da Atsushi Noro, consente alle celle a combustibile di operare in modo efficiente a temperature elevate e bassa umidità, superando ostacoli significativi alla diffusione su larga scala. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati sulla rivista ACS Applied Polymer Materials.
Le celle a combustibile svolgono un ruolo cruciale nella generazione di elettricità, combinando elettrochimicamente idrogeno e ossigeno per produrre solo acqua come sottoprodotto, offrendo così una soluzione energetica pulita. Tuttavia, l’impiego di polimeri di acido perfluorosolfonico, classificati come sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS), nelle celle a combustibile convenzionali ha sollevato preoccupazioni a causa della loro persistenza nell’ambiente e dell’accumulo negli organismi viventi, portando a restrizioni normative in diversi paesi.
A differenza dei PFAS, i polimeri di acido fosfonico idrocarburico non contengono fluoro, rendendoli meno persistenti nell’ambiente. Questi polimeri presentano una moderata stabilità chimica in condizioni di alta temperatura e bassa umidità. Tuttavia, la scarsa conducibilità e la natura idrofila dei gruppi di acido fosfonico limitano il loro utilizzo, poiché tendono ad attrarre l’acqua, potenzialmente portando alla dissoluzione in ambienti umidi.
Per superare queste sfide, Noro ha introdotto uno spaziatore idrofobo tra lo scheletro del polimero e i gruppi di acido fosfonico di un polimero di acido fosfonico idrocarburico. Questa innovazione ha reso possibile l’insolubilità in acqua, la stabilità chimica e una conducibilità moderata, anche a temperature elevate e basse umidità. Inoltre, lo spaziatore idrofobo ha respinto efficacemente l’acqua, garantendo la stabilità del materiale.
La nuova membrana sviluppata ha dimostrato un’insolubilità significativamente maggiore in acqua calda rispetto ad altre membrane, come quella di acido fosfonico di polistirene senza spaziatori idrofobi e una membrana di polistirene solfonato reticolato disponibile commercialmente. In condizioni di 120°C e 20% di umidità relativa, la conducibilità della membrana sviluppata è risultata essere 40 volte superiore rispetto alla membrana di acido fosfonico di polistirene e 4 volte superiore rispetto alla membrana di polistirene solfonato reticolato.
Noro ha sottolineato che trovare una cella a combustibile che funzioni in condizioni di bassa umidità e alta temperatura offre numerosi vantaggi per i veicoli a celle a combustibile. Le reazioni agli elettrodi procedono più rapidamente a temperature più elevate, migliorando le prestazioni complessive della cella a combustibile e aumentando l’efficienza di generazione di energia. Inoltre, si riduce la formazione di monossido di carbonio sugli elettrodi e si ottiene una dissipazione del calore più efficiente a temperature elevate, consentendo progetti di sistemi di raffreddamento più semplici e senza umidificazione esterna, con sistemi più leggeri e compatti.
Lo studio ha ricevuto il supporto dall’Organizzazione per lo Sviluppo di Nuove Energie e Tecnologie Industriali (NEDO) e rappresenta un contributo significativo allo sviluppo delle celle a combustibile di prossima generazione, supportando il passaggio a una società a emissioni zero secondo la Roadmap NEDO per lo Sviluppo della Tecnologia delle Celle a Combustibile e dell’Idrogeno. Domande di brevetto sono state presentate per materiali correlati al concetto di design proposto in Giappone e in diversi altri paesi.
Riferimento: Membrane Elettrolitiche Polimeriche di Polistirene con Gruppi Alchilenefosfonato Direttamente Legati sulle Catene Laterali di Takenori Nakayama, Takato Kajita, Mio Nishimoto, Haruka Tanaka, Katsumi Sato, Mayeesha Marium, Albert Mufundirwa, Hiroyuki Iwamoto e Atsushi Noro, 10 dicembre 2024, ACS Applied Polymer Materials. DOI: 10.1021/acsapm.4c02688.
