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Cella a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC)

1960
  • Willard Thomas Grubb
  • Leonard Niedrach
Cella a combustibile a membrana a scambio protonico in ambiente di laboratorio, a dimostrazione della tecnologia di conversione energetica.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Una membrana a scambio protonico Cella a combustibile (PEMFC) uses a solid polymer membrane, such as Nafion, as its electrolyte. This membrane selectively conducts protons ([latex]H^+[/latex]) from the anode to the cathode. PEMFCs operate at low temperatures (typically 50-100°C), enabling rapid start-up and a compact design. They require high-purity hydrogen as fuel to avoid poisoning the platinum-based catalizzatori.

The heart of the PEMFC is the membrane electrode assembly (MEA), which consists of the proton-exchange membrane sandwiched between two catalyst-coated electrodes. At the anode, hydrogen gas is split into protons and electrons: [latex]H_2 \rightarrow 2H^+ + 2e^-[/latex]. The solid polymer membrane, which is an electrical insulator, allows only the protons to pass through to the cathode. The electrons are forced to travel through an external circuit, generating the electrical current. At the cathode, oxygen from the air, the protons from the membrane, and the electrons from the external circuit combine to form water: [latex]O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O[/latex].

A critical aspect of PEMFC operation is water management. The membrane must remain hydrated to maintain its proton conductivity, but excess water at the cathode (product water) can block the flow of oxygen to the catalizzatore sites, a phenomenon known as ‘flooding’. The low operating temperature makes PEMFCs susceptible to catalyst poisoning, particularly from carbon monoxide (CO) present in reformed hydrogen, which binds strongly to the platinum catalyst sites. This necessitates the use of very pure generatore di idrogeno, aumentando i costi operativi.

UNESCO Nomenclature: 3305
Tecnologia energetica

Tipo

Dispositivo fisico

Interruzione

Sostanziale

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • invenzione dell' cella a combustibile by William Grove (1838)
  • sviluppo della prima membrana polimerica a scambio ionico, Nafion, da parte di Walther Grot presso DuPont (fine anni '60)
  • research into platinum’s catalytic properties

Applicazioni

  • sistemi di propulsione per veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV) come il Toyota Mirai e Hyundai Nexo
  • unità di alimentazione di riserva per infrastrutture critiche
  • generatori di corrente portatili per uso ricreativo e militare
  • veicoli per la movimentazione dei materiali come carrelli elevatori
  • fonti di energia per la sonda spaziale del Progetto Gemini della NASA

Brevetti:

  • US2913511A (Willard T. Grubb, 1959)

Idee e potenziali innovazioni

  • membrane autoumidificanti che trattengono l'acqua, semplificando il sistema delle celle a combustibile
  • catalizzatori senza platino che utilizzano metalli di transizione o materiali a base di grafene
  • pemfc ad alta temperatura (ht-pemfc) che possono funzionare fino a 200°C, migliorando la tolleranza al co
  • membranes with integrated reinforcement to improve mechanical durability and durata
  • PEMFC a metanolo diretto o etanolo che utilizzano combustibili liquidi
  • circuito chiuso water management systems that recycle product water for membrane hydration
  • Strati di diffusione del gas stampati in 3D per un flusso di reagenti ottimizzato
  • sistemi diagnostici basati sull'intelligenza artificiale per prevedere il guasto della membrana e la degradazione del catalizzatore
  • pemfcs integrati con idruri metallici per lo stoccaggio di idrogeno allo stato solido
  • piastre bipolari realizzate in materiali compositi leggeri e resistenti alla corrosione
Correlato a: PEMFC, membrana a scambio protonico, Nafion, catalizzatore, platino, combustibile a idrogeno, assemblaggio membrana-elettrodo, bassa temperatura, settore automobilistico, General Electric.

Contesto storico

Cella a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC)

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1965-12-21
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1962-10-09
1964
1970

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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