Synthesis and characterization of electrocatalysts for regenerative fuel cells  

Project leaders

Stefania Siracusano, Kamel El-khatib

Agreement

EGITTO - ASRT - Academy of Scientific Research and Technology

Call

CNR/ASRT 2013-2014

Department

Energy and Transportation

Thematic area

Engineering, ICT and technologies for energy and transportation

Status of the project

Extended

Report for renewal

relazione-ii-anno-bilaterale-cnr-asrt.pdf

Research proposal

La domanda energetica mondiale sta crescendo ad un ritmo incessante. L’incremento del consumo energetico coinvolge sia i Paesi sviluppati sia quelli in via di sviluppo dove la diffusione dell’industrializzazione ed il miglioramento della qualità della vita sono tendenze irreversibili. Per far fronte all’inarrestabile impennata della richiesta energetica non si può pensare di continuare sulla strada intrapresa nel secolo scorso, basando ancora l’economia mondiale sull’uso dei combustibili fossili ed in particolare del petrolio. Esistono almeno un paio di problematiche connesse alla necessità di cambiar rotta: il progressivo esaurimento delle fonti energetiche fossili a livello mondiale e l’inquinamento ambientale dilagante con il riscaldamento atmosferico dovuto all’effetto serra.
Fra le possibili alternative, l’idrogeno si propone come una delle soluzioni più indicate a superare la crisi energetica ed ambientale. E’ bene sottolineare che l’idrogeno non è una fonte naturale di energia ma soltanto un mezzo per accumulare e veicolare energia.
Partendo da energia primaria (fonti rinnovabili) si può scomporre l’acqua in idrogeno ed ossigeno; ricomponendo l’idrogeno con l’ossigeno dell’aria si riottengono acqua ed energia termica e/o elettrica. Questi processi sono molto efficienti dal punto di vista ambientale.
Le problematiche legate alle tempistiche differenziate fra produzione ed utilizzo dell’energia elettrica prodotta dalle fonti rinnovabili rendono i dispositivi di accumulo dell’energia, particolarmente negli apparati stand-alone, parte integrante degli stessi sistemi di produzione di energia.
Di particolare interesse è la produzione di idrogeno da fonti rinnovabili tramite elettrolisi per le sue alte efficienze di conversione (circa 70%) alla luce della liberalizzazione del mercato dell’energia che fornisce la generazione distribuita e rende accessibile a tutti gli impianti rinnovabili.
Molte fonti rinnovabili (eolico e fotovoltaico) inoltre, hanno un carattere di intermittenza e quindi si pone il problema di regolarizzare e stoccare in maniera appropriata l’energia prodotta in ore di non utilizzo.
Finché la rete elettrica sara’ in grado di assorbire perfettamente e senza sprechi tutti i contributi provenienti dalle rinnovabili ha senso mettere tutta l’energia prodotta direttamente in rete. Qualora questo non dovesse più avvenire, l’energia risultante delle rinnovabili potrà essere stoccata producendo idrogeno con elettrolizzatori in modo da produrre nuovamente energia dall’idrogeno nei momenti di maggior domanda, come risorsa di backup in fase di emergenza o come combustibile nel settore trasporti. Il fatto di dover utilizzare energia elettrica per poter produrre idrogeno dal quale ottenere nuovamente energia elettrica risulta essere un’operazione ovviamente termodinamicamente inefficiente. Ma il guadagno, nonostante le perdite e’ comunque positivo rispetto allo spreco che si avrebbe disperdendo l’energia prodotta in assenza di capacita’ di assorbimento.
Questo progetto, avviato due anni fa, è stato indirizzato allo sviluppo di un sistema di conversione e accumulo di energia costituito da una cella a combustibile rigenerativa di nuova generazione (SPE). Questa consente di trasformare il surplus di energia elettrica prodotta (mediante pannelli fotovoltaici) in idrogeno e la riconversione elettrochimica altamente reversibile in energia utile in funzione della richiesta da parte della rete.
Aspetti fondamentali del progetto riguardano quindi l’ottimizzazione di nuovi materiali per un dispositivo di cella a combustibile rigenerativa (RFC) per migliorare stabilità ed efficienza.
In pratica le celle rigenerative o reversibili (RFC, Regenerative Fuel Cells) sono sistemi elettrochimici capaci sia di convertire direttamente l’energia chimica in energia elettrica, sia di attuare il processo opposto ossia, tramite l’energia elettrica, dissociare la molecola dell’acqua nei suoi costituenti gassosi, idrogeno ed ossigeno; si tratta di un sistema avente configurazione sia fuel cell (FC) che elettrolizzatore (EZ). Quest’ultimo, alimentato da una fonte di energia rinnovabile, sviluppa idrogeno ed ossigeno i quali, una volta immagazzinati, saranno utilizzati all’occorrenza, in fuel cell, per la produzione di energia elettrica.
Questo progetto è indirizzato all’ottimizzazione di catalizzatori per EZ e per FC già sviluppati nel precedente progetto e che hanno dato soddisfacenti risultati in termini di attività catalitiche e stabilità nel tempo. Questi catalizzatori ottimizzati verranno anch’essi caratterizzati dal punto di vista elettrochimico e strutturale e testati in monocella in condizioni operative analoghe all’applicazione pratica.

Research goals

L’obiettivo di questo progetto che, con la  collaborazione con il gruppo egiziano del Dr. El-Khatib, il nostro gruppo di ricerca si propone di realizzare è indirizzato all’ottimizzazione del sistema di conversione e accumulo di energia costituito da una cella rigenerativa (SPE). Gli obiettivi del progetto riguardano in particolare l’ottimizzazione in termini di materiali, prestazione e densità di energia.
Lo scopo del progetto sarà indirizzato allo sviluppo di componenti innovativi, quali catalizzatori ed elettrodi in modo da ridurre maggiormente il carico di metallo nobile e permettere l’ottenimento di efficienze di conversione superiori al 60%, prestazioni migliori di 700 mA/cm2 a  1.6V ad 80°C in modalità di elettrolisi e a 0.65V in modalità fuel cell.
Nello specifico il progetto sarà finalizzato all’ottimizzazione di catalizzatori per elettrodi per celle rigenerative (fuel cell/elettrolizzatore); tutti i materiali sviluppati saranno anch’essi caratterizzati dal punto di vista funzionale, strutturale ed elettrochimico.

Last update: 07/06/2025