L'industria dei trasporti è uno dei maggiori consumatori di energia nell'economia degli Stati Uniti con una crescente domanda per renderla più pulita ed efficiente. Mentre sempre più persone utilizzano auto elettriche, progettare aerei a propulsione elettrica, navi e sottomarini è molto più difficile a causa dei requisiti di potenza ed energia.

Un team di ingegneri della McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis ha sviluppato una cella a combustibile ad alta potenza che fa progredire la tecnologia in questo settore. Guidati da Vijay Ramani, il Roma B. e Raymond H. Wittcoff Distinguished University Professor, il team ha sviluppato una cella a combustibile a boroidruro diretto che funziona al doppio della tensione delle odierne celle a combustibile commerciali.

Questo progresso utilizza un'esclusiva interfaccia bipolare su microscala (PMBI) abilitata per gradiente di pH, segnalato in Energia della natura 25 febbraio potrebbe alimentare una varietà di modalità di trasporto, inclusi veicoli subacquei senza equipaggio, droni ed eventualmente aerei elettrici, a costi notevolmente inferiori.

"L'interfaccia bipolare su microscala abilitata per gradiente di pH è al centro di questa tecnologia, " disse Ramani, anche professore di energia, ingegneria ambientale e chimica. "Ci permette di far funzionare questa cella a combustibile con reagenti liquidi e prodotti in sommergibili, in cui l'assetto neutro è critico, permettendoci anche di applicarlo in applicazioni ad alta potenza come il volo dei droni."

La cella a combustibile sviluppata presso la Washington University utilizza un elettrolita acido su un elettrodo e un elettrolita alcalino sull'altro elettrodo. Tipicamente, l'acido e l'alcali reagiscono rapidamente quando vengono a contatto l'uno con l'altro. Ramani ha detto che la svolta chiave è il PMBI, che è più sottile di una ciocca di capelli umani. Utilizzando la tecnologia a membrana sviluppata presso la McKelvey Engineering School, il PMBI può impedire all'acido e all'alcali di mescolarsi, formando un forte gradiente di pH e consentendo il buon funzionamento di questo sistema.

"I precedenti tentativi di ottenere questo tipo di separazione acido-alcali non sono stati in grado di sintetizzare e caratterizzare completamente il gradiente di pH attraverso il PMBI, " disse Shrihari Sankarasubramanian, un ricercatore del team di Ramani. "Utilizzando un nuovo design dell'elettrodo in combinazione con tecniche elettroanalitiche, siamo stati in grado di dimostrare inequivocabilmente che l'acido e l'alcali rimangono separati."

L'autore principale Zhongyang Wang, un dottorando nel laboratorio di Ramani, ha aggiunto:"Una volta che il PBMI sintetizzato utilizzando le nostre nuove membrane ha dimostrato di funzionare in modo efficace, abbiamo ottimizzato il dispositivo a celle a combustibile e identificato le migliori condizioni operative per ottenere una cella a combustibile ad alte prestazioni. È stato un percorso tremendamente impegnativo e gratificante per lo sviluppo delle nuove membrane a scambio ionico che ha consentito il PMBI".

"Questa è una tecnologia molto promettente, e ora siamo pronti a passare ad ampliarlo per applicazioni sia in sommergibili che in droni, " ha detto Ramani.