Sintesi e caratterizzazione di elettrocatalizzatori per celle a combustibile rigenerative  

Responsabili di progetto

Stefania Siracusano, Kamel El-khatib

Accordo

EGITTO - ASRT - Academy of Scientific Research and Technology

Bando

CNR/ASRT 2011-2012

Dipartimento

Energia e Trasporti

Area tematica

Ingegneria, ICT e tecnologie per l'energia e i trasporti

Stato del progetto

Nuovo

Proposta di ricerca

Negli ultimi anni, alla luce della liberalizzazione del settore energetico, le fonti rinnovabili (sole, vento), rispondendo a requisiti di elevata efficienza di conversione nonché di “distribuzione” sul territorio, hanno ottenuto una significativa penetrazione nel mercato della produzione di energia elettrica. Diventa dunque interessante il recupero energetico sotto forma di idrogeno ottenuto tramite processo di elettrolisi a partire dal surplus energetico proveniente da fonti rinnovabili. L’idrogeno potrà essere stoccato in modo da produrre nuovamente energia nei momenti di maggior domanda, come risorsa di back up in fase di emergenza o come combustibile nel settore trasporti. Pertanto è fondamentale sviluppare un sistema integrato in cui l’impianto di conversione dell’energia solare è combinato a un dispositivo in grado di accumulare il surplus di energia prodotta in alcuni periodi e riutilizzarla in funzione della richiesta. Una delle strategie più promettenti per stoccare l’energia elettrica è quella di produrre idrogeno attraverso l’elettrolisi dell’acqua. In questo modo è possibile differire la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili e “spalmarla” sull’intero arco temporale preferito (orario, giornaliero, stagionale).
Questo progetto è 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’utilizzo 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.
Le RFC, come già detto, sono celle reversibili costituite da due sezioni distinte, una funge da cella a combustibile, una da elettrolizzatore, in questo caso le due sezioni sono contraddistinte da elettrodi e componentistica dedicata ad una sola funzione, in particolare gli elettrodi lato ossigeno sono dotati di catalizzatori diversi, uno, in genere Platino, adatto alla riduzione dell’ossigeno nel comparto fuel cell, uno adatto alla ionizzazione della molecola dell’acqua, in genere un ossido metallico, nel comparto elettrolizzatore.
La proposta di questo progetto è pertanto lo sviluppo di catalizzatori per EZ e per FC con elevate attività catalitiche e stabilità nel tempo. Questi catalizzatori verranno caratterizzati dal punto di vista elettrochimico e strutturale e testati in monocella in condizioni operative analoghe all’applicazione pratica.

Obiettivi della ricerca

Questo progetto, che il nostro gruppo di ricerca si propone di realizzare in collaborazione con il gruppo egiziano del Dr. El-Khatib, è indirizzato allo sviluppo di un sistema di conversione e accumulo di energia costituito da una cella rigenerativa (SPE). Gli obiettivi del progetto riguardano lo sviluppo del sistema e la sua ottimizzazione in termini di materiali, prestazione e densità di energia. Questi obiettivi sono oggetto di azioni che coinvolgono profondamente la ricerca di base in termini di sviluppo di materiali nanostrutturati avanzati e tecniche di deposizione appropriate.  L’analisi del sistema cella rigenerativa (integrata con un sistema fotovoltaico) costituisce il sistema complessivo stand-alone in grado di garantire continuità e stabilità nella erogazione di energia elettrica.
Gli obiettivi del progetto saranno indirizzati allo sviluppo di componenti innovativi, quali catalizzatori ed elettrodi in modo da ridurre il carico di metallo nobile e permettere l’ottenimento di efficienze di conversione superiori al 50%, prestazioni migliori di 500 mA/cm2 a  1.6V ad 80°C in modalità di elettrolisi e a 0.6V in modalità fuel cell.
Nello specifico il progetto sarà finalizzato allo sviluppo ed alla ottimizzazione di catalizzatori per elettrodi monofunzionali (fuel cell/elettrolizzatore); tutti i materiali sviluppati saranno opportunamente caratterizzati dal punto di vista funzionale, strutturale ed elettrochimico.

Ultimo aggiornamento: 13/05/2025