Abbassamento della temperatura per trasformare l'idrogeno in elettricità

Energia

Redazione del sito web sull'innovazione tecnologica - 12 agosto 2025

Illustrazione della formazione di percorsi di trasferimento protonico nei due materiali sviluppati dal team. [Immagine: Kyushu University/Yoshihiro Yamazaki]

Il dilemma della temperatura

Gli ingegneri giapponesi hanno costruito una cella a combustibile che funziona a una temperatura di esercizio di poco più di un terzo di quella delle celle attuali.

A differenza delle batterie , che rilasciano l'energia chimica immagazzinata sotto forma di elettricità, le celle a combustibile convertono il combustibile chimico direttamente in elettricità: se il serbatoio della cella è pieno, non smetterà di produrre elettricità.

Il tipo più comune e promettente di questi generatori speciali sono le celle a combustibile a idrogeno a ossido solido (SOFC), che convertono l'idrogeno gassoso in elettricità, generando solo acqua come sottoprodotto.

C'è solo un problema: queste celle richiedono temperature molto elevate per funzionare, nell'intervallo tra 700 e 800 gradi Celsius, il che le rende molto costose da produrre e ne limita l'uso pratico.

Ora, Kota Tsujikawa e i suoi colleghi dell'Università di Kyushu hanno sviluppato una nuova cella a combustibile a ossidi solidi con una temperatura di esercizio efficiente di 300 °C. Il team spera che questa scoperta porti allo sviluppo di SOFC a bassa temperatura e basso costo, accelerando significativamente l'applicazione pratica di questi dispositivi.

Diffusione protonica e sua traiettoria. [Immagine: Kota Tsujikawa et al. - 10.1038/s41563-025-02311-w]

Il dilemma degli elettroliti

Il cuore di una cella a combustibile a idrogeno è l'elettrolita, uno strato ceramico che trasporta particelle cariche tra i due elettrodi per generare corrente elettrica. Nelle celle a combustibile a idrogeno (SOFC), l'elettrolita trasporta ioni idrogeno, noti anche come protoni. Tuttavia, la cella a combustibile deve operare a temperature estremamente elevate per funzionare in modo efficiente.

Gli elettroliti sono composti da diverse combinazioni di atomi disposti in una struttura reticolare cristallina. I protoni viaggiano tra questi atomi. Pertanto, i ricercatori hanno esplorato diverse combinazioni di materiali e droganti chimici – sostanze che alterano le proprietà fisiche del materiale – per migliorare la velocità con cui i protoni viaggiano attraverso gli elettroliti.

Ma ecco un altro problema: "L'aggiunta di droganti chimici può aumentare il numero di protoni mobili che attraversano un elettrolita, ma di solito ostruisce il reticolo cristallino, rallentando i protoni. Abbiamo cercato cristalli di ossido che potessero ospitare molti protoni e lasciarli muoversi liberamente: un equilibrio che il nostro nuovo studio ha finalmente raggiunto", ha affermato il professor Yoshihiro Yamazaki.

Struttura e stabilità chimica dei nuovi elettroliti. [Immagine: Kota Tsujikawa et al. - 10.1038/s41563-025-02311-w]

Scandio

Il team ha scoperto che due composti, lo stannato di bario (BaSnO ₃ ) e il titanato di bario (BaTiO ₃ ), opportunamente drogati con elevate concentrazioni di scandio (Sc), raggiungono la conduttività protonica di riferimento per le celle a combustibile (0,01 S/cm) a soli 300°C, un livello di conduttività paragonabile agli attuali elettroliti SOFC, che richiedono temperature nell'intervallo di 700°C.

Ciò è possibile perché lo scandio crea una sorta di autostrada a più corsie per i protoni, che quindi scorrono molto più facilmente.

"Oltre alle celle a combustibile, lo stesso principio può essere applicato ad altre tecnologie, come l'elettrolisi a bassa temperatura, le bombe all'idrogeno e i reattori che convertono _{la CO2} in sostanze chimiche preziose, moltiplicando così l'impatto della decarbonizzazione. Il nostro lavoro trasforma un paradosso scientifico di lunga data in una soluzione pratica, avvicinando l'energia dell'idrogeno a prezzi accessibili alla vita di tutti i giorni", conclude Yamazaki.

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