Un team di ingegneri dell'Università del Delaware ha sviluppato una tecnologia che potrebbe rendere le celle a combustibile più economiche e durevoli, una svolta che potrebbe accelerare la commercializzazione dei veicoli a celle a combustibile.

Descrivono i loro risultati in un articolo pubblicato in Comunicazioni sulla natura di lunedi, 4 settembre

Le celle a combustibile alimentate a idrogeno sono un'alternativa ecologica ai motori a combustione interna perché producono energia attraverso reazioni elettrochimiche, senza lasciare inquinamento.

I materiali chiamati catalizzatori stimolano queste reazioni elettrochimiche. Il platino è il catalizzatore più comune nel tipo di celle a combustibile utilizzate nei veicoli.

Però, il platino è costoso, come sa chiunque abbia acquistato gioielli. Il metallo costa circa $ 30, 000 per chilogrammo.

Anziché, il team UD ha realizzato un catalizzatore di carburo di tungsteno, che va per circa $ 150 per chilogrammo. Hanno prodotto nanoparticelle di carburo di tungsteno in un modo nuovo, molto più piccolo e più scalabile rispetto ai metodi precedenti.

"Il materiale è tipicamente realizzato a temperature molto elevate, circa 1, 500 gradi centigradi, e a queste temperature, cresce grande e ha poca superficie su cui si svolge la chimica, " disse Dionisios Vlachos, direttore del Centro di catalisi per l'innovazione energetica dell'UD. "Il nostro approccio è uno dei primi a realizzare materiali su scala nanometrica di elevata superficie che possono essere commercialmente rilevanti per la catalisi".

I ricercatori hanno realizzato nanoparticelle di carburo di tungsteno utilizzando una serie di passaggi tra cui il trattamento idrotermico, separazione, riduzione, carburazione e altro.

"Possiamo isolare le singole nanoparticelle di carburo di tungsteno durante il processo e creare una distribuzione molto uniforme della dimensione delle particelle, " disse Weiqing Zheng, un ricercatore associato presso il Centro di catalisi per l'innovazione energetica.

Prossimo, i ricercatori hanno incorporato le nanoparticelle di carburo di tungsteno nella membrana di una cella a combustibile. celle a combustibile per autoveicoli, note come celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC), contengono una membrana polimerica. Questa membrana separa il catodo dall'anodo, che scinde l'idrogeno (H2) in ioni (protoni) e li consegna al catodo, che emette corrente.

La membrana simile alla plastica si consuma nel tempo, soprattutto se subisce troppi cicli bagnato/asciutto, che può accadere facilmente in quanto acqua e calore vengono prodotti durante le reazioni elettrochimiche nelle celle a combustibile.

Quando il carburo di tungsteno è incorporato nella membrana della cella a combustibile, umidifica la membrana ad un livello che ottimizza le prestazioni.

"Il catalizzatore al carburo di tungsteno migliora la gestione dell'acqua delle celle a combustibile e riduce il carico del sistema di umidificazione, " ha detto Liang Wang, uno scienziato associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica.

Il team ha anche scoperto che il carburo di tungsteno cattura i radicali liberi dannosi prima che possano degradare la membrana della cella a combustibile. Di conseguenza, le membrane con nanoparticelle di carburo di tungsteno durano più a lungo di quelle tradizionali.

"Il catalizzatore a basso costo che abbiamo sviluppato può essere incorporato all'interno della membrana per migliorare le prestazioni e la densità di potenza, " disse . "Di conseguenza, la dimensione fisica dello stack di celle a combustibile può essere ridotta a parità di potenza, rendendolo più leggero ed economico. Per di più, il nostro catalizzatore è in grado di fornire prestazioni più elevate senza sacrificare la durata, che è un grande miglioramento rispetto a sforzi simili di altri gruppi."

Il team di ricerca UD ha utilizzato metodi innovativi per testare la durata di una cella a combustibile realizzata con carburo di tungsteno. Hanno usato un microscopio elettronico a scansione e un fascio ionico focalizzato per ottenere immagini a fette sottili della membrana, che hanno analizzato con un software, ricostruire la struttura tridimensionale delle membrane per determinare la longevità delle celle a combustibile.

Il gruppo ha richiesto un brevetto e spera di commercializzare la propria tecnologia.

"Questo è un ottimo esempio di come i diversi gruppi tra i reparti possono collaborare, " ha detto Zheng.