Esistono diverse tecnologie di cella, con diverse caratteristiche e diverso grado di sviluppo.

Introduzione

Le celle a combustibile sono apparecchiature elettrochimiche che realizzano la conversione diretta dell’energia chimica di un combustibile in energia elettrica, senza l’intervento intermedio di un ciclo termico, ottenendo pertanto rendimenti di conversione più elevati rispetto a quelli delle macchine termiche convenzionali.

La nascita delle celle a combustibile risale al 1839, anno in cui l’inglese William Grove riportò i risultati di un esperimento nel corso del quale era riuscito a generare energia elettrica in una cella contenente acido solforico, dove erano stati immersi due elettrodi, costituiti da sottili fogli di platino, sui quali arrivavano rispettivamente idrogeno ed ossigeno.

Una cella a combustibile è composta da due elettrodi in materiale poroso, separati da un elettrolita; gli elettrodi fungono da siti catalitici per le reazioni di cella, mentre l’elettrolita ha la funzione di condurre gli ioni prodotti da una reazione e consumati dall’altra, chiudendo il circuito elettrico all’interno della cella. La trasformazione elettrochimica è accompagnata da produzione di calore, che è necessario estrarre per mantenere costante la temperatura di funzionamento della cella.

Esistono diverse tecnologie di cella, con diverse caratteristiche e diverso grado di sviluppo.

Normalmente le celle vengono classificate sulla base dell’elettrolita utilizzato (celle alcaline, ad elettrolita polimerico, ad acido fosforico, a carbonati fusi, ad ossidi solidi) o in riferimento della temperatura di funzionamento (celle a bassa e alta temperatura).

Per quanto riguarda le celle ad elettrolita polimerico PEMFCs (Proton Exchange Membrane fuel cells) si sono riscontrati buoni risultati per una loro applicazione nei settori dell’energia portatile e del trasporto veicolare, dove si stanno portando avanti progetti di sviluppo di tecnologie di celle che utilizzano come combustibile idrogeno o metanolo.

In particolare le celle con alimentazione diretta di metanolo, DMFCs (Direct Methanol Fuel Cells), hanno rispetto a quelle ad idrogeno maggiori prospettive di trovare applicazioni nel settore veicolare a breve termine grazie ai minori problemi di sicurezza e di stoccaggio e alla possibilità di utilizzare per la distribuzione del combustibile infrastrutture già esistenti.

Se le celle a combustibile, come si spera, diventeranno più convenienti economicamente e

supereranno le performance dei tradizionali motori a combustione interna, troveranno

larga diffusione come generatori di potenza. Tuttavia prima che tale tecnologia possa

essere commercializzata bisogna che il costo di questi dispositivi diminuisca e che il

rendimento energetico aumenti. Aspetto rilevante è il costo dei materiali (catalizzatori costituiti da metalli nobili, membrane perfluorosulfoniche) e il costo di produzione dei vari componenti del dispositivo che sono attualmente più alti dei sistemi convenzionali di conversione di energia. Una parte cruciale di tale strategia è sviluppare membrane, le quali costituiscono un elemento critico per tali dispositivi; infatti l’attuale sfida per gli ingegneri è realizzare membrane impermeabili al combustibile ed al comburente con elevata conduzione protonica.

Una prima conquista avvenne nel 1960, quando la DuPont realizzò un fluoro polimero, composto da gruppi solfonici legati a una catena principale, che denominò Nafion

. Questo polimero, trovò una buona applicazione nelle celle a combustibile, poiché si dimostrò un eccellente mezzo di conduzione protonica. Tuttavia alcune controindicazioni delle membrane al Nafion

sono costituite dall’elevato costo del polimero e dall’esigenza di dover saturare d’acqua la membrana affinché questa lavori bene.

L’obbiettivo di questo lavoro di tesi è stato lo studio e la preparazione di un materiale polimerico alternativo avente buone capacità di conduzione cationica ed un’adeguata stabilità chimica e meccanica, da impiegarsi nella realizzazione di membrane per celle a combustibile ad elettrolita polimerico (PEMFCs).

Le membrane, realizzate in questa tesi per “evaporation-casting”, sono costituite da un blend polimerico di PSS-PVA (polistirenesolfonato/polivinilalcool) una coppia di materiali con funzionalità diverse: il PSS contiene gruppi ionizzabili che rendono disponibili gli idrogenioni, mentre il PVA presenta funzionalità capaci di formare ponti a idrogeno atte a favorire la migrazione dei protoni in un campo elettrico.

Individuata la composizione ottimale per le membrane di PSS-PVA, attraverso un’analisi qualitativa di stabilità termica, il prototipo di membrana è stato caratterizzato mediante analisi di conducibilità ionica, analisi di permeabilità diffusiva alle molecole di metanolo e sperimentazioni diretta in cella a combustibile.

Per quanto riguarda i test di conducibilità ionica, essi sono stati effettuati utilizzando tecniche di spettroscopia ad impedenza elettrochimica in un campo di temperatura compreso tra 25°C e 80°C. La permeabilità al metanolo è stata verificata mediante apposita cella di permeazione, utilizzando tecniche cromatografiche, con misure in diversi istanti di tempo della concentrazione di metanolo permeato attraverso la membrana. Infine apposite celle da laboratorio sono state utilizzate per la loro sperimentazione diretta.

Allo scopo di ottimizzare le caratteristiche delle membrane PSS-PVA, sono state proposte

diverse configurazioni di MEA (Membrane Electrode Assembly) sulle quali sono state

condotte analisi morfologiche al S.E.M. (Scanning Electron Microscope).

Successivamente i MEA preparati sono stati sperimentati direttamente in cella elettrochimica da laboratorio a metanolo/ossigeno e a idrogeno/ossigeno, per verificarne le prestazioni in termini di curva densità di corrente–polarizzazione elettrodica, di voltaggio e di potenza specifica.

Tutte le analisi sopra accennate per le membrane PSS-PVA sono state condotte anche per

le membrane al Nafion

, permettendo in questo modo un confronto tra i risultati ottenuti

nelle diverse analisi per i due materiali.