Computer portatili alimentati a metano più vicini di quanto si pensi

Celle a combustibile a metano più vicine grazie ad una nuova tecnologia

Rendere le celle a combustibile pratiche e convenienti non è facile. Tuttavia, gli scienziati iniziano ad ottenere risultati incoraggianti e questo lascia pensare ad una svolta vicina per questa tecnologia, ancora confinata nei laboratori di ricerca.

Con i progressi nei dispositivi nanostrutturati, le temperature di esercizio inferiori e l’uso di una fonte di combustibile abbondante come il metano (rispetto all’idrogeno, che andrebbe prodotto) e materiali più economici, un gruppo di ricercatori guidati da Shriram Ramanathan presso la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) sono sempre più ottimisti circa la fattibilità commerciale della tecnologia.

Ramanathan, un esperto e innovatore nello sviluppo di celle a combustibile ad ossido solido (SOFC), afferma che ben presto la tecnologia potrebbe diventare indispensabile per gli strumenti tecnologici portatili.

Le celle a combustibile elettrochimiche sono state a lungo considerate come una potenziale alternativa eco-friendly ai combustibili fossili, soprattutto perché  la maggior parte delle celle emettono poco più che acqua come rifiuto.

Gli ostacoli all’uso delle celle a combustibile per ricaricare computer portatili e telefoni o per alimentare la prossima generazione di automobili elettriche sono rimasti l’affidabilità, la temperatura d’esercizio ed il costo.

Le celle a combustibile funzionano convertendo l’energia chimica (idrogeno o alcuni idrocarburi come il metano) in una corrente elettrica. Gli ioni di ossigeno viaggiano dal catodo attraverso l’elettrolita verso l’anodo, dove ossidano il combustibile per produrre una corrente di elettroni di nuovo verso il catodo.

Questo può sembrare abbastanza semplice in linea di principio, ma fino ad ora, le celle di tipo SOFC sono state poco più che un esperimento di laboratorio, piuttosto che qualcosa di pratico da avviare alla produzione. In due studi che appariranno sul Journal of Power Sources questo mese, la squadra di Ramanathan ha descritto alcuni avanzamenti critici nella tecnologia SOFC che possono accelerare la corsa verso il mercato.

Nel primo articolo, il gruppo di Ramanathan ha dimostrato che le SOFC in ceramica a film sottile che non contengono platino sono stabili e funzionali.

Nei SOFC a film sottile, l’elettrolita è ridotto a un centesimo o anche un millesimo delle dimensioni consuete, utilizzando strati densi  di film speciali in ceramica, ognuno di solo pochi nanometri di spessore. Questi micro-SOFC di solito incorporano elettrodi di platino, che però si rivelano costosi e inaffidabili.

“Se si utilizzano elettrodi metallici porosi”, spiega Ramanathan, “essi tendono ad essere intrinsecamente instabili per lunghi periodi di tempo. Cominciano ad agglomerarsi e a creare circuiti aperti nelle celle a combustibile”.

Il micro-SOFC senza platino di Ramanathan elimina questo problema, con un conseguente doppio vantaggio: minor costo e maggiore affidabilità.

In un secondo articolo pubblicato questo mese, la squadra ha dimostrato che un micro-SOFC  a metano ha  operato a meno di 500 °C, un valore che è relativamente raro nel campo.

I SOFC tradizionali sono operativi solo a circa 800 °C, ma temperature così elevate sono compatibili solo con produzione di energia stazionaria. In altre parole, usarli per alimentare uno smartphone non è fattibile.

Negli ultimi anni, gli scienziati dei materiali hanno lavorato per ridurre la temperatura di esercizio di circa 300 °C, un range che Ramanathan chiama “sweet spot”.

Inoltre, quando le celle a combustibile funzionano a temperature più basse, l’affidabilità del materiale è meno critica – consentendo, per esempio, l’utilizzo di ceramiche meno costose e interconnessioni metalliche – e il tempo di avvio può essere più breve.

“La bassa temperatura è un santo graal in questo campo”, dice Ramanathan. “Se si possono realizzare elevate prestazioni delle celle a combustibile ad ossido solido, che operano nel raggio di 300 °C, è possibile utilizzarle nei veicoli di trasporto e nei dispositivi elettronici portatili, e con diversi tipi di carburanti”.

L’uso di metano, un gas naturale abbondante e a buon mercato, nelle celle di tipo SOFC è  anche notevole. Fino a poco tempo, l’idrogeno era il combustibile primario per le SOFC. L’ idrogeno puro, tuttavia, richiede una maggiore processazione.

“E’ costoso fare idrogeno puro”, dice Ramanathan, “e limita fortemente la gamma di applicazioni.”

Con il metano al posto dell’idrogeno i progressi nella temperatura di esercizio, l’affidabilità e la convenienza dovrebbero continuare a rafforzarsi a vicenda.

“La ricerca futura esplorerà nuovi tipi di catalizzatori per SOFC a metano, con l’obiettivo di individuare a prezzi accessibili materiali  abbondanti sulla Terra che possano aiutare ad abbassare la temperatura di funzionamento ancora di più”, aggiunge Ramanathan.