Membrane nanostrutturate nelle celle a combustibile
Partendo da questo presupposto, il progetto ZEOCELL , finanziato dall'UE, ha analizzato le proprietà di vari materiali multifunzionali nanostrutturati per un funzionamento a elevate temperature, con l'obiettivo di integrare un livello di conduttività ionica equivalente o superiore a 100 millisiemens (mS)/cm nelle membrane delle celle a combustibile, insieme a una buona stabilità chimica, meccanica e termica. La durata di funzionamento di almeno 1 000 ore a temperature comprese tra 130 e 200 ºC, il contenimento dei costi di alimentazione del carburante e dei costi di produzione al di sotto di 400 euro/m2 costituiscono altre proprietà fondamentali oggetto dell'iniziativa. Per raggiungere questi risultati, i partecipanti al progetto ZEOCELL hanno realizzato e analizzato a fondo sette composizioni di membrane elettrolitiche, mediante l'utilizzo di uno o più dei seguenti materiali: polibenzimidazole poroso (PBI), liquidi ionici protici (PIL) e zeoliti/zeotipi microporosi, le cui proprietà morfologiche, fisico-chimiche, meccaniche ed elettromeccaniche sono state analizzate nel dettaglio. Dal momento che l'architettura delle membrane polimeriche rappresenta un fattore cruciale per il trasporto protonico, gli scienziati hanno realizzato pellicole in PBI con pori casuali o fissi da utilizzare come supporti per la conduzione dei protoni. Mediante l'adozione di tecniche di innesto e di rivestimento in film, sono stati elaborati idonei protocolli di funzionalizzazione per i materiali microporosi e sono stati inoltre analizzati altri aspetti che incidono sulle prestazioni, mediante il doping con acido fosforico, l'integrazione dei liquidi ionici protici e l'aggiunta di riempitivi inorganici, tra cui zeoliti microporosi e nanocristalli di titanosilicati. Le pellicole dei liquidi ionici polimerici su supporti di polibenzimidazole poroso casuale hanno registrato prestazioni ottimali in termini di conduzione (oltre 275 mS/cm) dopo 1 000 ore di funzionamento. Sono state sviluppate con successo membrane ibride basate su PBI porosi drogati all'acido e materiali microporosi con una buona conduttività e e proprietà di alimentazione del carburante adeguate. L'iniziativa ZEOCELL si è rivelata una prova di concetto promettente nell'ambito della quale sono state registrate prestazioni superiori rispetto agli assemblaggi membrana-elettrodo commerciali. Tuttavia, sono necessari ulteriori studi tesi all'aumento della durabilità e alla riduzione dell'alimentazione di carburante a temperature superiori a 120 ºC, mediante l'ottimizzazione dell'elettrodo e il potenziamento dei componenti delle celle a combustibile. Dalle analisi commerciali e della valutazione dei costi è emerso un enorme potenziale in termini di sistemi di microcogenerazione di calore, di sistemi elettrici e di potenza di backup per il settore delle telecomunicazioni. Una volta superati gli ostacoli correlati alla durabilità, la produzione di massa di PEMFC a elevata temperatura potrebbe garantire un'elevata competitività nel mercato globale. I materiali ZEOCELL potrebbero inoltre trovare applicazione nei processi di separazione in fase liquida e gassosa, nelle batterie al litio, nei processi di adsorbimento e catalisi, nonché nelle microcelle a combustibile e nei microlaboratori su chip (lab-on-chip).