Le celle a combustibile non sono particolarmente note per la loro praticità e convenienza, ma potrebbe essere appena cambiato. C'è una nuova cella che funziona con carburante a basso costo a temperature paragonabili ai motori delle automobili e che riduce i costi dei materiali.

Sebbene la cellula sia in laboratorio, ha un alto potenziale per alimentare elettricamente un giorno case e forse automobili, affermano i ricercatori del Georgia Institute of Technology che ne hanno guidato lo sviluppo. In un nuovo studio sulla rivista Energia della natura i ricercatori hanno descritto in dettaglio come hanno reinventato l'intera cella a combustibile con l'aiuto di un catalizzatore a combustibile di nuova invenzione.

Il catalizzatore ha fatto a meno del costoso carburante a idrogeno facendolo da solo a basso costo, metano facilmente disponibile. E i miglioramenti in tutta la cella hanno raffreddato drasticamente le temperature operative ribollenti che sono consuete nelle celle a combustibile a metano, una straordinaria realizzazione ingegneristica.

Le celle a combustibile a metano richiedono solitamente temperature da 750 a 1, 000 gradi Celsius per l'esecuzione. Questo nuovo ha bisogno solo di circa 500, che è persino una tacca più fresca dei motori a combustione delle automobili, che corrono a circa 600 gradi Celsius.

Quella temperatura più bassa potrebbe innescare risparmi sui costi a cascata nella tecnologia ausiliaria necessaria per far funzionare una cella a combustibile, potenzialmente spingendo la nuova cellula alla redditività commerciale. I ricercatori sono fiduciosi che gli ingegneri possano progettare unità di alimentazione elettrica attorno a questa cella a combustibile con uno sforzo ragionevole, qualcosa che ha eluso le precedenti celle a combustibile a metano.

"Sensazione nel nostro mondo"

"La nostra cella potrebbe rendere semplice, sistema complessivo robusto che utilizza acciaio inossidabile a basso costo per realizzare interconnettori, " ha detto Meilin Liu, che ha guidato lo studio ed è professore presso la School of Material Science and Engineering della Georgia Tech. Gli interconnettori sono parti che aiutano a riunire molte celle a combustibile in una pila, o unità funzionale.

"Sopra i 750 gradi Celsius, nessun metallo resisterebbe alla temperatura senza ossidazione, quindi avresti molti problemi a trovare i materiali, e sarebbero estremamente costosi e fragili, e contaminare la cellula, " ha detto Liù.

"Abbassare la temperatura a 500 gradi Celsius è una sensazione nel nostro mondo. Pochissime persone l'hanno provato, " ha detto Ben deGlee, un assistente di ricerca laureato nel laboratorio di Liu e uno dei primi autori dello studio. "Quando sei così basso, rende molto più semplice il lavoro dell'ingegnere che progetta lo stack e le tecnologie connesse."

La nuova cella elimina anche la necessità di un importante dispositivo ausiliario chiamato steam reformer, che è normalmente necessaria per convertire il metano e l'acqua in idrogeno combustibile.

Liu, deGlee, co-primo autore Yu Chen, che è un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Liu, e il co-primo autore Yu Tang dell'Università del Kansas hanno pubblicato i risultati della loro ricerca il 29 ottobre, 2018. Il loro lavoro è stato finanziato dall'Office of Basic Energy Sciences e dall'Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), entrambi nel Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. È stato anche finanziato dalla Divisione di Chimica della National Science Foundation.

'Generazione distribuita'

La ricerca si è basata su un tipo di cella a combustibile con un alto potenziale di redditività commerciale, la cella a combustibile ad ossido solido (SOFC). Le SOFC sono note per la loro versatilità nei combustibili che possono utilizzare.

Se va al mercato, anche se la nuova cella potrebbe non alimentare le automobili per un po', potrebbe atterrare prima negli scantinati come parte di un sistema più decentralizzato, più pulito, rete elettrica più economica. La pila stessa di celle a combustibile avrebbe le dimensioni di una scatola da scarpe, più la tecnologia ausiliaria per farlo funzionare.

"La speranza è che tu possa installare questo dispositivo come uno scaldabagno senza serbatoio. Si esaurirebbe con il gas naturale per alimentare la tua casa, "Ha detto Liu. "Ciò salverebbe la società e l'industria dall'enorme costo di nuove centrali elettriche e grandi espansioni della rete elettrica".

"Renderebbe case e aziende più indipendenti dal potere, " Liu ha detto. "Questo tipo di sistema si chiamerebbe generazione distribuita, e i nostri sponsor vogliono svilupparlo".

Idrogeno fatto in casa

L'idrogeno è il miglior combustibile per alimentare le celle a combustibile, ma il suo costo è esorbitante. I ricercatori hanno scoperto come convertire il metano in idrogeno nella stessa cella a combustibile tramite il nuovo catalizzatore, che è fatto con cerio, nichel e rutenio e ha la formula chimica Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2, CNR abbreviato.

Quando le molecole di metano e acqua entrano in contatto con il catalizzatore e il calore, il nichel scinde chimicamente la molecola di metano. Il rutenio fa lo stesso con l'acqua. Le parti risultanti tornano insieme come quel tanto desiderabile idrogeno (H2) e monossido di carbonio (CO), che i ricercatori hanno sorprendentemente messo a frutto.

"La CO causa problemi di prestazioni nella maggior parte delle celle a combustibile, ma qui, lo stiamo usando come carburante, " disse Chen.

Fare elettricità

H2 e CO continuano a ulteriori strati di catalizzatore che compongono l'anodo, la parte della cella a combustibile che strappa gli elettroni, rendendo gli ioni di monossido di carbonio e idrogeno carichi positivamente. Gli elettroni viaggiano attraverso un filo, creando il flusso di elettricità, verso il catodo.

Là, ossigeno, che è molto affamato di elettroni, aspira gli elettroni, chiudendo il circuito elettrico e diventando ioni O2. L'idrogeno e l'ossigeno ionizzati si incontrano ed escono dal sistema come condensazione d'acqua; il monossido di carbonio e gli ioni ossigeno si incontrano per diventare anidride carbonica pura, che potrebbe essere catturato.

Per l'energia prodotta, la tecnologia delle celle a combustibile crea lontano, molto meno anidride carbonica rispetto ai motori a combustione.

In alcune celle a combustibile, l'acqua nelle reazioni iniziali deve essere introdotta dall'esterno. In questa nuova cella a combustibile, viene reintegrato nell'ultima fase di reazione, che forma acqua che torna indietro per reagire con il metano.

I catalizzatori convergono

Il nuovo catalizzatore, CNR, prodotto da collaboratori di ricerca presso l'Università del Kansas, è lo strato esterno del lato anodico della cella e funge anche da protettore contro il decadimento, allungando la vita della cellula. Il CNR ha forti catalizzatori di coorte negli strati interni e dall'altra parte della cellula, il catodo.

All'estremità del catodo, la reazione e il movimento dell'ossigeno attraverso il sistema sono generalmente notoriamente lenti, ma il laboratorio di Liu lo ha recentemente accelerato per aumentare la produzione di elettricità usando i cosiddetti catodi in nanofibra, che il laboratorio di Liu ha sviluppato in uno studio precedente. (Vedi studio precedente:un catalizzatore di nanofibre di perovskite doppia su misura consente un'evoluzione ultraveloce dell'ossigeno.)

"Le strutture di questi vari catalizzatori, così come i catodi in nanofibra, tutti insieme ci hanno permesso di abbassare la temperatura di esercizio, " disse Chen.