Un team di ricerca collaborativo, compreso il Laboratorio Nazionale di Los Alamos, Università di Stoccarda (Germania), Università del Nuovo Messico, e Laboratori Nazionali Sandia, ha sviluppato un conduttore protonico per celle a combustibile a base di acidi polistirene fosfonici che mantengono un'elevata conducibilità protonica fino a 200 gradi C senza acqua. Descrivono l'avanzamento materiale in un articolo pubblicato questa settimana in Materiali della natura .

Idrogeno prodotto da fonti rinnovabili, nucleare, o combustibili fossili con cattura del carbonio, utilizzo, e lo stoccaggio possono aiutare a decarbonizzare le industrie e fornire protezione ambientale, resilienza energetica e flessibilità in più settori dell'economia. Verso quello, le celle a combustibile sono una tecnologia promettente che converte l'idrogeno in elettricità attraverso un processo elettrochimico, emettendo solo acqua.

"Mentre la commercializzazione di veicoli elettrici a celle a combustibile ad alta efficienza è iniziata con successo, " ha detto Yu Seung Kim, capo progetto a Los Alamos, "Sono necessarie ulteriori innovazioni tecnologiche per la piattaforma di celle a combustibile di prossima generazione che evolve verso applicazioni per veicoli pesanti. Una delle sfide tecniche delle attuali celle a combustibile è il rifiuto del calore dalle reazioni elettrochimiche esotermiche delle celle a combustibile.

"Abbiamo lottato per migliorare le prestazioni delle celle a combustibile a membrana ad alta temperatura dopo aver sviluppato una membrana coordinata a coppia ionica nel 2016, " ha detto Kim. "I polimeri a coppia ionica sono buoni per l'uso delle membrane, ma l'alto contenuto di droganti di acido fosforico ha causato l'avvelenamento degli elettrodi e l'inondazione di acido quando abbiamo usato il polimero come legante per elettrodi".

Nelle attuali celle a combustibile, il requisito di smaltimento del calore viene soddisfatto facendo funzionare la cella a combustibile ad un'elevata tensione di cella. Per ottenere un efficiente motore alimentato a celle a combustibile, la temperatura di esercizio delle pile a combustibile deve aumentare almeno fino alla temperatura del liquido di raffreddamento del motore (100 gradi C).

"Pensavamo che i polimeri fosfonati sarebbero stati una buona alternativa, ma i materiali precedenti non potevano essere implementati a causa della formazione di anidride indesiderabile alle temperature di esercizio delle celle a combustibile. Quindi ci siamo concentrati sulla preparazione di polimeri fosfonati che non subiscono la formazione di anidride. Il team di Kerres presso l'Università di Stoccarda è stato in grado di preparare tali materiali introducendo una frazione di fluoro nel polimero. È entusiasmante che ora abbiamo sia la membrana che il legante ionomerico per le celle a combustibile ad alta temperatura, " ha detto Kim.

Dieci anni fa, Atanasov e Kerres hanno sviluppato una nuova sintesi per un poli(pentafluorostirene) fosfonato che consisteva nelle fasi (i) polimerizzazione del pentafluorostirene tramite polimerizzazione in emulsione radicalica e (ii) fosfonazione di questo polimero mediante una reazione di fosfonazione nucleofila. Sorprendentemente, questo polimero ha mostrato una buona conduttività protonica essendo superiore a Nafion nell'intervallo di temperatura> 100 gradi C, e un'eccellente stabilità chimica e termica inaspettata di> 300 gradi C.

Atanasov e Kerres hanno condiviso il loro sviluppo con Kim a Los Alamos, il cui team a sua volta ha sviluppato celle a combustibile ad alta temperatura da utilizzare con i polimeri fosfonati. Con l'integrazione del gruppo di elettrodi a membrana con la membrana coordinata a coppia ionica di LANL (Lee et al. Nature Energy, 1, 16120, 2016), le celle a combustibile che impiegano il polimero fosfonato hanno mostrato un'eccellente densità di potenza (1,13 W cm-2 sotto H ₂ /O ₂ condizioni con> Stabilità di 500 h a 160 gradi C).

Qual è il prossimo? "Raggiungimento di oltre 1 W cm ^-2 la densità di potenza è una pietra miliare fondamentale che ci dice che questa tecnologia potrebbe essere commercializzata con successo", ha affermato Kim. Attualmente, la tecnologia sta perseguendo la commercializzazione attraverso l'ARPA-E del Dipartimento dell'Energia e l'Ufficio per le tecnologie dell'idrogeno e delle celle a combustibile all'interno dell'Ufficio per l'efficienza energetica e le energie rinnovabili (EERE).