This new fuel cell could turbocharge renewable power / Questa nuova cella a combustibile potrebbe potenziare la produzione di energia rinnovabile

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

 New type of ceramic fuel cell cranks out record amounts of power. / Il nuovo tipo di cella a combustibile in ceramica aumenta la quantità di energia prodotta.

Fuel cells are far greener than gas-powered engines because they produce electricity without burning up the hydrogen (or other fuel) that powers them. But they’re often impractical on a commercial scale because they’re so much more expensive to make. Now, researchers report that by creating a fuel cell that can run at a midrange temperature, they’ve made an inexpensive, powerful version that could boost the prospects for plentiful green energy.

Most fuel cells run at temperatures too hot or too cool to make at a reasonable price. One class, the polymer electrolyte membrane (PEM) cells that power cars and buses, run at about 100°C. Another class, the solid oxide fuel cells (SOFCs) that power backup generators for hospitals and other buildings, typically run at 1000°C. The lower temperature of PEM cells makes the essential chemical reactions sluggish, requiring the use of expensive metal catalysts, such as platinum, to speed them up. But the feverish temperatures of SOFCs means that even if they don’t need the pricy catalysts, they need to be built from expensive metal alloys that can handle the scorching operating temperatures.

So in recent years, fuel cell researchers have pursued a Goldilocks strategy, looking for midrange temperature fuel cells that operate at about 500°C. That’s warm enough for reactions to proceed quickly, but cool enough to allow them to be built from cheaper metals, such as stainless steel. Initially, scientists tried doing so with catalysts borrowed from SOFCs. The devices worked, but they generated just 200 milliwatts of power per square centimeter (mW/cm2) of electrode surface area, well behind the performance of PEM fuel cells and SOFCs. To make it commercially, such fuel cells would need to produce at least 500 mW/cm2, according to the U.S. Department of Energy (DOE).

Two teams have gotten close. One group, led by Ryan O’Hayre, a materials scientist at the Colorado School of Mines in Golden, reported last year in Science that it had produced an intermediate temperature fuel cell capable of producing 455 mW/cm2. Another group, led by Ji-Won Son, a materials chemist with the Korea Institute of Science and Technology in Seoul, reported last year in Nature Communications that it got a similar result at the ideal operating temperature of 500°C.

Now, a group led by Sossina Haile, a chemical engineer at Northwestern University in Evanston, Illinois, has crossed the goal line. Haile and her colleagues figured out that one key problem was occurring as soon as the reaction started. Both PEM fuel cells and SOFCs, like batteries, have two electrodes separated by an ion-conducting electrolyte. At one electrode, fuel molecules are broken apart and stripped of negatively charged electrons, which pass through an external circuit to a second electrode. Meanwhile, positively charged ions ripped from the fuel molecules travel through the electrolyte to the second electrode where they recombine with the traveling electrons.

Haile discovered that the connection point between the first electrode—called an anode—and the electrolyte was weak, blocking protons from zipping through to the second electrode, or cathode. So Haile and colleagues added a thin but dense layer of catalyst material atop the bulk of their anode catalyst, creating an easier transition for protons to move into the electrolyte. The researchers also tweaked the composition of their ceramic electrodes to make them more stable in the presence of steam and carbon dioxide. As they report today in Nature Energy their devices produced nearly 550 mW/cm2 at 500°C. They were stable for hundreds of hours of operation with few signs of degradation.

O’Hayre says the new work is “a great contribution,” and calls the performance “impressive.” But he notes that there are still a few issues that need to be solved before these devices are ready for market. For starters, the current cells are small, just a few centimeters in diameter. Researchers would need to find a way to make much larger versions, which could be tricky. That’s because the dense coating on the anode was formed by a technique called pulsed laser deposition, which is difficult to do large-scale on a commercial assembly line.

Another challenge, adds David Tew, a program manager at DOE’s Advanced Research Projects Agency-Energy in Washington, D.C., is that the all-ceramic electrodes and electrolyte are extremely brittle, which could make them less durable for use in real-world conditions.

Haile doesn’t disagree with those concerns. But she says her team’s advance should encourage researchers to solve those problems. If they do, intermediate range fuel cells could transform renewable energy, because they can also be used to convert electricity—say from a wind turbine—into hydrogen and other fuels for storage, and later turn them back into electricity. That would solve renewable energy’s biggest challenge: storing energy when the sun isn’t shining and the wind is still. That’s a combination that even Goldilocks might say could be just right for the future of fuel cells.

ITALIANO

Le celle a combustibile sono molto più ecologiche dei motori a gas perché producono elettricità senza bruciare l'idrogeno (o altro combustibile) che le alimenta. Ma sono spesso poco pratici su scala commerciale perché sono molto più costosi da realizzare. Ora, i ricercatori riferiscono che creando una cella a combustibile che può funzionare a una temperatura media, hanno realizzato una versione economica e potente che potrebbe aumentare le prospettive di un'abbondante energia verde.

La maggior parte delle celle a combustibile funziona a temperature troppo calde o troppo fredde per fare un prezzo ragionevole. Una classe, le celle a membrana di elettrolita polimerico (PEM) che alimentano auto e autobus, funzionano a circa 100 ° C. Un'altra classe, le celle a combustibile ad ossido solido (SOFC) che alimentano i generatori di riserva per ospedali e altri edifici, in genere funzionano a 1000 ° C. La temperatura più bassa delle cellule PEM rende pigri le reazioni chimiche essenziali, richiedendo l'uso di costosi catalizzatori metallici, come il platino, per accelerarli. Ma le febbrili temperature di SOFC significano che anche se non hanno bisogno dei catalizzatori, devono essere costruite con costose leghe metalliche che possono sopportare le temperature di lavoro torride.

Quindi, negli ultimi anni, i ricercatori delle celle a combustibile hanno perseguito una strategia Goldilocks, alla ricerca di celle a combustibile per temperature medie che funzionano a circa 500 ° C. È abbastanza caldo perché le reazioni procedano rapidamente, ma abbastanza fredde da consentire loro di essere costruite con metalli più economici, come l'acciaio inossidabile. Inizialmente, gli scienziati hanno provato a farlo con catalizzatori presi a prestito da SOFC. I dispositivi hanno funzionato, ma hanno generato appena 200 milliwatt di energia per centimetro quadrato (mW / cm2) di superficie dell'elettrodo, ben inferiore alle prestazioni delle celle a combustibile PEM e delle SOFC. Per renderle commercialmente appetibili, tali celle a combustibile dovrebbero produrre almeno 500 mW / cm2, secondo il dipartimento di energia degli Stati Uniti (DOE).

Due gruppi si sono avvicinati. Un gruppo, guidato da Ryan O'Hayre, scienziato dei materiali presso la Colorado School of Mines di Golden, ha riferito lo scorso anno a Science di aver prodotto una cella a combustibile a temperatura intermedia in grado di produrre 455 mW / cm2. Un altro gruppo, guidato da Ji-Won Son, un chimico dei materiali con l'Istituto coreano di scienza e tecnologia a Seul, ha riferito l'anno scorso in Nature Communications che ha ottenuto un risultato simile alla temperatura operativa ideale di 500 ° C.

Ora, un gruppo guidato da Sossina Haile, un ingegnere chimico della Northwestern University di Evanston, Illinois, ha superato la linea di meta. Haile e i suoi colleghi hanno capito che un problema chiave si stava verificando non appena è iniziata la reazione. Sia le celle a combustibile PEM che le SOFC, come le batterie, hanno due elettrodi separati da un elettrolita a conduzione ionica. Ad un elettrodo, le molecole di combustibile vengono separate e private di elettroni caricati negativamente, che passano attraverso un circuito esterno a un secondo elettrodo. Nel frattempo, gli ioni caricati positivamente strappati dalle molecole del carburante viaggiano attraverso l'elettrolita verso il secondo elettrodo dove si ricombinano con gli elettroni in movimento.

Haile scoprì che il punto di connessione tra il primo elettrodo - chiamato anodo - e l'elettrolito era debole, bloccando i protoni dallo sfondamento al secondo elettrodo o catodo. Così Haile e colleghi hanno aggiunto uno strato sottile ma denso di materiale catalizzatore sulla parte superiore del loro catalizzatore anodico, creando una transizione più facile per i protoni da spostare nell'elettrolita. I ricercatori hanno anche ottimizzato la composizione dei loro elettrodi ceramici per renderli più stabili in presenza di vapore e anidride carbonica. Come riferiscono oggi in Nature Energy, i loro dispositivi hanno prodotto circa 550 mW / cm2 a 500 ° C. Erano stabili per centinaia di ore di funzionamento con pochi segni di degrado.

O'Hayre dice che il nuovo lavoro è "un grande contributo" e definisce la performance "impressionante". Ma nota che ci sono ancora alcuni problemi che devono essere risolti prima che questi dispositivi siano pronti per il mercato. Per i principianti, le celle attuali sono piccole, con pochi centimetri di diametro. I ricercatori dovrebbero trovare un modo per fare versioni molto più grandi, il che potrebbe essere complicato. Questo perché il rivestimento denso sull'anodo era formato da una tecnica chiamata deposizione laser pulsata, che è difficile da fare su larga scala su una catena di montaggio commerciale.

Un'altra sfida, aggiunge David Tew, un program manager presso l'Agenzia di ricerca avanzata di progetti DOE - Energy a Washington, DC, è che gli elettrodi e l'elettrolita interamente in ceramica sono estremamente fragili, il che potrebbe renderli meno durevoli per l'uso in condizioni reali.

Haile non è in disaccordo con tali preoccupazioni. Ma lei dice che il progresso del suo gruppo dovrebbe incoraggiare i ricercatori a risolvere quei problemi. Se lo fanno, le celle a combustibile a intervallo intermedio potrebbero trasformare l'energia rinnovabile, perché possono anche essere utilizzate per convertire l'elettricità, ad esempio da una turbina eolica, in idrogeno e altri combustibili per lo stoccaggio, e successivamente trasformarle in energia elettrica. Ciò risolverebbe la più grande sfida delle energie rinnovabili: immagazzinare energia quando il sole non splende e il vento è immobile. Questa è una combinazione che persino Goldilocks potrebbe dire potrebbe essere una soluzione giusta per il futuro delle celle a combustibile.

Da:

http://www.sciencemag.org/news/2018/02/new-fuel-cell-could-turbocharge-renewable-power?utm_campaign=news_daily_2018-02-12&et_rid=344224141&et_cid=1846704