OTTIMIZZAZIONE DI MEMBEANE NAFION-ALTERNATIVE ATTRAVERSO SCAVENGERS INORGANICI PER MIGLIORARE LA STABILITA' CHIMICA NELLE PEMFCs

Abstract

La transizione energetica verso sistemi sostenibili richiede sia un aumento dell'efficienza di conversione sia la decarbonizzazione del mix energetico. L'idrogeno svolge un ruolo strategico in questa trasformazione, in particolare attraverso l'uso di celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica (PEMFC), che forniscono energia ad alta efficienza per i settori del trasporto pesante e aerospaziale. Nonostante il suo ampio utilizzo, il materiale standard per le membrane, il Nafion, presenta criticità legate ai costi, all'elevata necessità di idratazione e a preoccupazioni ambientali dovute alla sua classificazione come PFAS. Questo studio analizza membrane alternative composte da polietereterchetone solfonato (SPEEK) e nanofibre di cellulosa (CNF) per fornire una soluzione più sostenibile. Per affrontare il problema della degradazione chimica causata dalle specie reattive dell'ossigeno (ROS) durante il funzionamento della cella, questo lavoro esplora l'ottimizzazione di queste membrane attraverso l'incorporazione di scavenger a base di cerio e biossido di manganese. La ricerca riguarda la sintesi di questi additivi e la loro integrazione nella matrice polimerica, Le prestazioni sono valutate attraverso la caratterizzazione elettrochimica, inclusa la capacità di scambio ionico (IEC), la resistenza specifica d'area (ASR) e test in configurazione cella a H. Inoltre, la resistenza alla degradazione chimica viene indagata utilizzando il test di Fenton per simulare l'invecchiamento accelerato. L'obiettivo principale è identificare la concentrazione ottimale di additivi in grado di rappresentare il miglior compromesso tra il mantenimento di elevate proprietà elettrochimiche e la protezione contro la degradazione chimica, garantendo la durabilità a lungo termine di queste tecnologie energetiche sostenibili.

The energy transition toward sustainable systems requires both an increase in conversion efficiency and the decarbonization of the energy mix. Hydrogen plays a strategic role in this transformation, particularly through the use of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs), which provide high-efficiency energy for the heavy-duty transport and aerospace sectors. Despite its widespread use, the standard membrane material, Nafion, presents critical issues related to costs, high hydration requirements, and environmental concerns due to its classification as a PFAS. This study analyzes alternative membranes composed of sulfonated polyetheretherketone (SPEEK) and cellulose nanofibers (CNF) to provide a more sustainable solution. To address the problem of chemical degradation caused by reactive oxygen species (ROS) during cell operation, this work explores the optimization of these membranes through the incorporation of cerium and manganese dioxide scavengers. The research concerns the synthesis of these additives and their integration into the polymer matrix. Performance is evaluated through electrochemical characterization, including ion exchange capacity (IEC), area specific resistance (ASR), and H-cell configuration tests. Furthermore, resistance to chemical degradation is investigated using the Fenton test to simulate accelerated aging. The main objective is to identify the optimal concentration of additives capable of representing the best compromise between maintaining high electrochemical properties and protection against chemical degradation, ensuring the long-term durability of these sustainable energy technologies.