Affinché una cella a combustibile funzioni, ha bisogno di un agente ossidante. TU Wien ha ora trovato un modo per spiegare perché l'ossigeno non sempre entra nelle celle a combustibile in modo efficace, rendendoli inutilizzabili.

Le celle a combustibile utilizzano una semplice reazione chimica, come la combinazione di ossigeno e idrogeno per formare acqua, per generare elettricità. La domanda su quale sia il miglior materiale da utilizzare per realizzare celle a combustibile in ceramica non è semplice, però. Servono nuovi materiali che fungano da catalizzatore per la reazione chimica richiesta con la massima efficienza, ma che durino anche il più a lungo possibile senza che le loro proprietà cambino.

Gli sforzi precedenti per sviluppare materiali che soddisfano questi requisiti sono stati in gran parte basati su tentativi ed errori. Però, i team della TU Wien sono ora riusciti a trovare un modo per apportare modifiche mirate alla superficie delle celle a combustibile su scala atomica e allo stesso tempo effettuare misurazioni. Di conseguenza, è ora possibile spiegare per la prima volta fenomeni importanti, compresi i motivi per cui gli atomi di stronzio sono problematici e il fatto che il cobalto può essere utile in una cella a combustibile.

Il collo di bottiglia della fornitura di ossigeno

Al catodo, il terminale positivo della cella a combustibile, l'ossigeno è incorporato nel materiale della cella a combustibile dall'aria. Gli ioni di ossigeno caricati elettricamente devono quindi viaggiare attraverso il materiale e reagire con il carburante, per esempio idrogeno, sul lato carico negativamente, l'anodo.

"Il collo di bottiglia all'interno di questo intero processo è l'incorporazione di ossigeno al catodo, " spiega Ghislain Rupp, dal gruppo di ricerca guidato dal professor Jürgen Fleig presso l'Istituto di tecnologie chimiche e analisi di TU Wien. Anche il team guidato dal professor Andreas Limbeck e con sede presso lo stesso istituto è stato coinvolto in questo progetto di ricerca.

Le celle a combustibile devono funzionare a temperature estremamente elevate, da qualche parte nella regione tra 700 e 1000 gradi Celsius, per garantire che l'ossigeno venga incorporato abbastanza rapidamente. I ricercatori hanno cercato a lungo di identificare materiali catodici migliori che consentissero di ridurre la temperatura di esercizio. "Ci sono alcune opzioni ben note che sono di particolare interesse, compreso lantanio stronzio cobaltite, o LSC in breve, " spiega Ghislain Rupp. Il problema principale in questo caso è che questi materiali non rimangono stabili a lungo termine. C'è sempre un punto in cui l'attività diminuisce e le prestazioni della cella a combustibile diminuiscono. Fino ad ora, è stato possibile solo intuire la ragione precisa di ciò.

Alterazioni mirate della superficie

Una cosa è sempre stata chiara:la superficie del catodo, dove l'ossigeno deve depositarsi prima di entrare nella cella a combustibile, ha un ruolo cruciale da svolgere. Con questo in testa, i team della TU Wien hanno sviluppato un metodo per apportare modifiche mirate alla superficie che consente anche di effettuare misurazioni contemporaneamente per determinarne gli effetti sulle proprietà elettriche della cella a combustibile.

"Utilizziamo un impulso laser per vaporizzare vari materiali, che poi si accumulano in minuscoli volumi sulla superficie, " spiega Rupp. "Questo ci permette di modificare la composizione della superficie del catodo in piccoli, dosi precise, monitorando anche come ciò influisca sulla resistenza del sistema."

L'effetto dannoso dello stronzio in eccesso

In questo modo, siamo stati in grado di dimostrare che i materiali contenenti grandi volumi di stronzio sulla superficie hanno un effetto dannoso:"Se ci sono troppi atomi di stronzio sulla superficie, l'ossigeno non viene incorporato in modo molto efficace, " dice Rupp. "L'ossigeno viene assorbito dalla superficie del catodo in modo molto irregolare. In alcuni punti preferenziali, per esempio dove si trovano gli atomi di cobalto, l'ossigeno viene incorporato in modo efficace. Però, nei punti in cui domina lo stronzio, quasi nessun ossigeno è in grado di entrare nel catodo." Questo spiega anche perché le celle a combustibile si deteriorano nel tempo, poiché lo stronzio all'interno del materiale migra in superficie e copre eventuali accumuli di cobalto attivo, mantenendo infine l'aria lontana dalla cella a combustibile.

Questi risultati forniscono importanti informazioni su come l'ossigeno è fondamentalmente incorporato in materiali come l'LSC e quali processi causano il deterioramento delle prestazioni delle celle a combustibile. "Questa ricerca ci ha portato un enorme passo avanti verso l'uso tecnico dell'LSC come materiale per celle a combustibile, " Rupp crede. "Inoltre, il nostro nuovo metodo di indagine che combina il rivestimento ultra preciso con la misurazione elettrica troverà sicuramente altre importanti applicazioni nel campo degli ioni allo stato solido".