Una svolta per l’energia a idrogeno: celle a combustibile efficienti a bassa temperatura

Un nuovo tipo di cella a combustibile a base di ossidi, sviluppato da scienziati dell’Università di Kyushu, ha raggiunto un’efficienza senza precedenti a una temperatura di appena 300°C. Questo studio apre la strada a un futuro dell’energia all’idrogeno più accessibile, sostenibile e diffusa.

In un momento storico in cui il mondo cerca soluzioni per ridurre le emissioni di carbonio e soddisfare la crescente domanda energetica, l’idrogeno si conferma uno dei vettori energetici più promettenti. Tra le tecnologie emergenti, le celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC) hanno attirato grande attenzione per la loro efficienza e durata. Tuttavia, il loro funzionamento ad alte temperature ne ha finora limitato la diffusione. Oggi, una ricerca pubblicata su Nature Materials ribalta questo scenario.

Il problema delle alte temperature

Le SOFC tradizionali necessitano di temperature comprese tra 700°C e 800°C per garantire un’efficace conduzione ionica. Questi valori elevati comportano l’uso di materiali resistenti al calore, elevati costi di produzione e complessità ingegneristiche che ostacolano l’applicazione su larga scala, soprattutto in ambito domestico o commerciale.

Il team guidato dal professor Yoshihiro Yamazaki dell’Università di Kyushu ha però dimostrato che è possibile raggiungere una conduzione protonica efficiente a soli 300°C, grazie a nuovi materiali basati su ossidi di bario arricchiti con scandio.

Come funziona una SOFC e perché l’elettrolita è fondamentale

Le celle a combustibile a ossidi solidi generano elettricità attraverso una reazione elettrochimica tra un combustibile (tipicamente idrogeno) e un ossidante. Al centro della cella si trova l’elettrolita ceramico, responsabile del trasporto degli ioni (in questo caso, protoni) tra anodo e catodo.

Il problema è che la maggior parte degli elettroliti ceramici riesce a condurre protoni in modo efficiente solo a temperature molto elevate. Questo limita l’efficienza dei sistemi in condizioni più contenute, rendendoli costosi e ingombranti.

La scoperta: un nuovo canale protonico nello scandio-drogato

Il gruppo giapponese ha superato questo ostacolo utilizzando due materiali: BaSnO₃ (stannato di bario) e BaTiO₃ (titanato di bario), arricchiti con elevate quantità di scandio. Questo elemento ha permesso di creare una rete cristallina unica, dove gli ioni idrogeno si muovono rapidamente anche a basse temperature.

Le simulazioni al computer e le analisi strutturali hanno rivelato che gli atomi di scandio si legano con gli atomi di ossigeno circostanti formando un canale stabile – descritto come una vera e propria “autostrada protonica” – che consente una mobilità ionica eccezionale senza intasamenti del reticolo.

Questa configurazione ha permesso di ottenere una conduttività protonica di 0.01 S/cm a 300°C, un risultato che prima richiedeva almeno il doppio della temperatura.

I vantaggi: celle a combustibile più economiche e versatili

La possibilità di utilizzare celle SOFC a temperature intermedie rappresenta un vero cambio di paradigma. I benefici sono molteplici:

• Riduzione dei costi dei materiali: non è più necessario impiegare ceramiche ultra-resistenti al calore.
• Sistemi più compatti e sicuri: ideali per applicazioni domestiche, veicoli elettrici o dispositivi mobili.
• Minori perdite di energia: grazie alla diminuzione della dispersione termica.
• Ampliamento delle applicazioni: possibilità di usare SOFC in ambienti dove prima era impraticabile.

Un’innovazione utile anche oltre le celle a combustibile

Secondo il professor Yamazaki, le implicazioni della scoperta vanno ben oltre le celle SOFC. Il nuovo materiale potrebbe essere utilizzato anche per:

• Elettrolizzatori a bassa temperatura, per la produzione efficiente di idrogeno da fonti rinnovabili.
• Pompe a idrogeno per applicazioni industriali e di stoccaggio.
• Reattori catalitici per la trasformazione della CO₂ in combustibili o composti utili.

Queste applicazioni sono fondamentali nel contesto della decarbonizzazione globale e della transizione verso un’economia dell’idrogeno.

Il futuro dell’idrogeno è più vicino

Con questa scoperta, si compie un passo decisivo verso la diffusione su larga scala delle tecnologie a idrogeno. Eliminare l’obbligo delle alte temperature significa rendere l’idrogeno competitivo anche per le piccole e medie imprese, per i trasporti leggeri, e per l’uso domestico.

In definitiva, questo studio dimostra che la ricerca sui materiali può sbloccare potenzialità enormi in settori chiave dell’energia del futuro. Mentre il mondo si muove verso l’obiettivo delle emissioni nette zero, scoperte come questa dimostrano che l’innovazione è ancora una volta l’arma più potente contro la crisi climatica. La transizione energetica passa anche da qui: un cristallo, una temperatura più bassa, e un mondo più pulito.