Panoramica della produzione di idrogeno PEM mediante elettrolisi dell'acqua II

Panoramica della produzione di idrogeno PEM mediante elettrolisi dell'acqua II

Componenti dello stack Electrolzer

I componenti utilizzati in Elettrolisi PEM sono fondamentali per uno stack con buone prestazioni e durata. I componenti chiave includono piastre bipolari, collettori di corrente e gruppi di elettrodi a membrana (MEA). Le piastre bipolari hanno il compito di distribuire uniformemente l'acqua attraverso i collettori di corrente (o mezzi di diffusione) all'interno della cella. Le caratteristiche delle piastre bipolari sono impegnative per qualsiasi classe di materiali a causa della presenza di ossigeno, ambiente acido e sovratensione elevata. La progettazione e la selezione dei materiali delle piastre bipolari nel PEMWE sono questioni critiche per scienziati e ingegneri.

Le principali funzioni delle piastre bipolari in PEMWE sono le seguenti:
1. Condurre gli elettroni per completare il circuito e collegare le singole celle in serie per formare un pacco batteria
2. Fornire un percorso di flusso per distribuire uniformemente l'acqua sul collettore di corrente (o mezzo di diffusione)
3. Separare ossigeno e idrogeno
4. Fornire una struttura per supportare gli elettrodi a membrana per la batteria
5. Fornire la conduzione del calore per gestire la temperatura dell'elettrolizzatore

Per svolgere queste importanti funzioni, il materiale della piastra bipolare deve avere proprietà speciali, come elevata conduttività elettrica e termica, bassa permeabilità ai gas, elevata resistenza meccanica e resistenza alla corrosione.

Attualmente, nelle piastre bipolari vengono utilizzati diversi materiali, tra cui titanio, grafite e acciaio inossidabile rivestito. Tuttavia, la grafite non garantisce prestazioni elevate nel PEMWE a causa della sua elevata velocità di corrosione e della bassa resistenza meccanica. Il titanio ha proprietà eccellenti ma forma uno strato di ossido passivo che ne riduce la resistenza di contatto e la conduttività termica. Questo fenomeno può ridurre le prestazioni dello stack nel tempo. Sono state studiate anche piastre bipolari in titanio rivestite in oro, con buoni risultati in termini di stabilità. Tuttavia, questo processo aumenta il costo dei componenti. L'acciaio inossidabile rivestito è un'alternativa più economica al titanio, ma piccoli difetti nel rivestimento espongono il metallo alla corrosione. La corrosione del metallo porta alla distruzione del rivestimento, che aumenta la resistenza ohmica. Inoltre, gli ioni metallici disciolti si diffondono nella membrana PEM e riducono la conduttività ionica, con conseguente aumento della degradazione della membrana.

Le piastre bipolari e gli strati di diffusione sono i componenti più costosi di un PEMWE. Lo strato di diffusione ha la funzione di trasferire gli elettroni dallo strato catalitico alle piastre bipolari e di rimuovere i gas (idrogeno e ossigeno) dallo strato catalitico. Porosità e conduttività sono quindi parametri importanti per lo strato di diffusione. La dimensione e la struttura dei pori sono fattori critici perché i gas devono essere scaricati dalla cella e l'acqua viene mantenuta vicino allo strato catalitico. Una struttura impropria dei pori può aumentare la tensione della cella fino a 100 mV a 2 A cm−2.