Obiettivo 3: Celle a Combustibile
REFERENTE/I
Valentina Naticchioni – ENEA
valentina.naticchioni@enea.it
Attività
L’attività riguarda la produzione di membrane polimeriche a base di polibenzimidazolo (PBI) mediante elettrofilatura per applicazioni in HT-PEM FCs. L’elettrofilatura sfrutta un campo elettrico ad alta tensione per produrre da una soluzione polimerica in un tessuto di fibre di diametro nanometrico. Il risultato è un materiale altamente poroso, con elevata area superficiale e struttura interconnessa, alternativo alle membrane dense ottenute per casting. L’obiettivo dell’attività è individuare le condizioni operative che permettono di ottenere fibre regolari, prive di difetti e riproducibili, variando i parametri di processo in modo sistematico attraverso un approccio di Design of Experiments (DOE), che consente di valutare l’effetto di ciascuna variabile e delle loro interazioni con un numero contenuto di prove.
Figura 1
Processo produttivo dalla soluzione di PBI alla membrana nanofibrosa: processo di elettrofilatura, parametri di controllo, ottimizzazione tramite DOE e consolidamento della membrana.
Attività
L’attività riguarda il doping acido delle membrane elettrofilate di PBI e lo studio del meccanismo con cui esse acquisiscono proprietà di conduzione protonica. Il PBI, di per sé, non è conduttivo: diventa tale solo dopo adsorbimento di acido fosforico, che si lega ai siti basici del polimero formando coppie ioniche acido-base attraverso le quali il protone si trasferisce da una molecola all’altra. È questo meccanismo che consente il funzionamento della cella sopra i 120 °C e in condizioni di bassissima umidità, dove le membrane convenzionali non lavorano. Il processo di adsorbimento viene descritto in modo quantitativo mediante isoterme di adsorbimento e valutazioni cinetiche, che descrivono la velocità con cui l’acido penetra nella struttura, e studi termodinamici, che ne chiariscono la spontaneità e la natura energetica. Una volta consolidato il trattamento di doping, le membrane possono essere testate in single-fuel cell setup HT-PEM.
Figura 2
Dalla membrana nanofibrosa al test in cella: reticolazione acido-base PBI/H₃PO₄, studio di isoterme, cinetica e termodinamica di assorbimento, test in HT-PEMFC.
ATTiVITA’
L’attività riguarda la trasformazione del mat di PBI in un assemblato elettrodo-membrana (MEA) e la sua valutazione elettrochimica: la membrana, per generare corrente, viene accoppiata agli strati catalitici e agli strati di diffusione dei gas (GDL). Gli strati catalitici vengono depositati secondo l’approccio CCS (Catalyst Coated Substrate), in cui il catalizzatore è applicato sul substrato diffusivo e successivamente accoppiato alla membrana attraverso pressatura termica. Il MEA viene poi montato in una cella singola e provato a temperature superiori a 120 °C con umidità relativa inferiore al 10%, alimentando idrogeno e aria a differenti rapporti stechiometrici. Le prestazioni sono valutate mediante tecniche di polarizzazione, potenziale a circuito aperto e spettroscopia di impedenza elettrochimica al fine di separare e valutare i contributi ohmici da quelli di interfaccia.
Figura 1
Membrana PBI elettrofilata, produzione del MEA con approccio CCS e caratterizzazione elettrochimica su banco prova in cella singola HT-PEM.
Risultati
• Produzione di membrane elettrofilate in PBI con dimensioni di fibra nanometriche
• Produzione di MEA CCM dopate con acido fosforico
• la membrana m-PBI elettrofilata dimostra una coerente integrazione con la MEA, un funzionamento stabile e una potenza promettente in condizioni di alta temperatura in ambiente anidro.
Figura 2
Micrografie SEM a) campione ottenuto per casting b) campione elettrofilato c) MEA d) curve di densità di potenza
Team di ricerca
Il team di ricerca di queste attività ha visto protagonisti Valentina Naticchioni, in qualità di ricercatrice attivamente impegnata nello sviluppo e caratterizzazione dei materiali, coadiuvata dal Luis Hein, nanofaber spa, specialista di elettrospinning e da Emmanuel De Gragorio (PhD, Uniparthenope).
Il progetto ha previsto due contratti rispettivamente con Università Parthenope Prof.ssa Giuseppina Roviello e Università Federico II Prof. Oreste Tarallo, i quali hanno contribuito allo sviluppo dei polimeri e delle membrane sviluppate nel corso delle attività sperimentali.
In collaborazione con:
Documenti
De Gregorio, E.; Roviello, G.; Naticchioni, V.; Cigolotti, V.; Pozio, A.; Hein, L.A.; De Luca, C.; Ferone, C.; Rinaldi, A.; Tarallo, O. Electrospun Polybenzimidazole Membranes: Fabrication and Fine-Tuning Through Physical and Statistical Approaches. Polymers 2025, 17, 1594. https://doi.org/10.3390/polym17121594
Emmanuel De Gregorio, Tommaso Cogliano, Giuseppina Roviello, Valentina Naticchioni, Claudio Ferone, Giulia Monteleone, Oreste Tarallo; Adsorption of Phosphoric Acid on Electrospun PBI Membranes: A Thermodynamic and Kinetic Insight. ACS Appl. Energy Mater. 26 January 2026; 9 (2): 938–952. https://doi.org/10.1021/acsaem.5c03104
Gregorio, E.D.; De Luca, C.; Occhicone, A.; Ferone, C.; Naticchioni, V.; Tarallo, O.; Roviello, G. Defect-Aware Transport Descriptors for Electrospun PBI Membranes: A Resource-Efficient Structural Screening Approach for Clean-Technology Applications. Clean Technol. 2026, 8, 143. https://doi.org/10.3390/cleantechnol8050143
