Il movimento per le energie pulite richiede elettrolizzatori PEM per generare idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua, una tecnologia che ha riscosso un grande successo sul mercato. Questi sofisticati elettrodomestici da cucina svolgono funzioni di scissione dell'acqua per produrre idrogeno e ossigeno gassosi. Grazie alla loro elevata efficienza, compattezza e precisione operativa, questi dispositivi si affermano come componenti fondamentali dei sistemi di energia rinnovabile, garantendo una produzione efficiente di idrogeno verde.
Quali meccanismi danno vita a questi dispositivi futuristici? Il processo produttivo di queste macchine inizia con la preparazione delle materie prime, per poi giungere all'assemblaggio finale dei loro sistemi.
Preparazione materie prime
Acciaio inossidabile 316L: nitrurazione per una maggiore durata.
La produzione dei reattori elettrochimici inizia con l'acciaio inossidabile 316L, che funge da materiale di base grazie alla sua resistenza alla corrosione e alle sue elevate proprietà meccaniche. Ma non finisce qui. Le lamiere vengono sottoposte a un trattamento termico di nitrurazione, che prevede la diffusione superficiale di azoto per migliorarne la resistenza all'usura e la tenacità superficiale.
Gradi di titanio: ruolo nella stabilità elettrochimica
La scelta tra titanio di grado 1 e di grado 2 dipende dalle loro proprietà di leggerezza e dalla loro elevata resistenza alla corrosione elettrolitica. Il titanio di grado 1, quasi puro, oltre alla sua malleabilità, è adatto alle operazioni elettrochimiche, mentre il grado 2 offre la migliore combinazione di lavorabilità e resistenza alla trazione.
Il processo di produzione del nucleo dell'elettrolizzatore PEM all'interno del suo quadro
La precisione inizia già durante il processo di taglio, che determina le dimensioni del materiale.
I materiali vengono tagliati con precisione seguendo i disegni CAD. Anche il più piccolo errore di misurazione in questa fase può amplificarsi e causare problemi di prestazioni lungo tutto il processo produttivo.
Processo di stampaggio: plasmare il futuro
La pressa a stampo all'interno del sistema di pressatura fonde i materiali in lastre finite e pezzi personalizzati. Il processo di produzione utilizza utensili da taglio simili a quelli per biscotti, sebbene lavorino con componenti in acciaio e titanio.
Pulizia delle superfici: prepararsi alla perfezione
Grazie a procedure di pulizia complete, vengono eliminati residui simili a capelli, oli e altri materiali estranei, creando le condizioni ottimali per le fasi successive.
Trattamento superficiale al plasma: miglioramento delle proprietà dei materiali
Su superfici pulite viene applicato un metodo al plasma. Attraverso questo processo, una modifica microscopica avanzata del materiale aumenta l'energia superficiale, migliorando l'adesione del rivestimento e potenziando la funzionalità elettrochimica.
Assemblaggio finale dell'elettrolizzatore
L'intero assemblaggio avviene secondo una procedura precisa in cui i componenti fabbricati e trattati creano un pacco elettrolitico completo e integrato, collegando gli anelli MEA alle piastre del telaio e alle guarnizioni.
Produzione di assemblaggi di elettrodi a membrana (MEA)
L'elettrolizzatore PEM funziona tramite il processo di separazione dell'acqua che avviene all'interno della membrana MEA. È costruito con precisione chirurgica.
Costruzione del catodo
Membrana PEM con catalizzatore al platino
La membrana a scambio protonico (PEM) al catodo riceve uno strato protettivo seguito dall'applicazione di una sospensione di catalizzatore a base di platino.
Rivestimento e polimerizzazione con impasto
Dopo un rivestimento preciso con la sospensione mediante attrezzature appropriate, la soluzione si asciuga creando un supporto permanente per il catalizzatore.
Costruzione dell'anodo
Membrana di base e sospensione di catalizzatore
Il tutto sotto forma di sospensione catalitica su una membrana di base, utilizzando composti di iridio o rutenio per la costruzione.
Rivestimento, asciugatura e solidificazione
Dopo aver rivestito e asciugato l'anodo, il processo di polimerizzazione ne preserva la durabilità e distribuisce uniformemente il catalizzatore su tutto lo strato.
Il processo di integrazione del catodo con l'anodo produce una piattaforma MEA unificata.
Il passaggio finale? Un singolo foglio MEA emerge dalla pressatura a caldo degli strati di catodo e anodo in un unico pezzo attraverso il processo CCM (Catalyst-Coated Membrane).
Formazione dello strato GDL tramite metallurgia delle polveri
Polveri metalliche utilizzate
L'ingegneria seleziona il rame insieme all'acciaio inossidabile e alle particelle ultrafini di molibdeno per la loro eccellente conduttività combinata con proprietà di resistenza.
Miscelazione e compattazione
Le polveri vengono miscelate con precisione e successivamente compattate per ottenere densità e forme specifiche.
Sinterizzazione in feltro
Un processo di sinterizzazione ad alte temperature combina le particelle per creare il feltro metallico poroso, che si sviluppa nello strato di diffusione del gas (GDL).
Componenti strutturali della cella a combustibile PEM
Le celle a combustibile PEM sono costituite dalle seguenti parti principali:
Piastra catodica
La sostanza mantiene la forma del materiale consentendo al contempo agli elettroni di attraversare la sua struttura.
Piastra anodica
L'elettrodo funge da terminale negativo per guidare il processo di ossidazione dell'idrogeno.
Telaio
La struttura fornisce supporto a tutti i componenti, gestendone al contempo la disposizione geometrica.
Cella MEA
La sezione centrale contiene la reazione elettrochimica.
Guarnizioni
I dispositivi perimetrali garantiscono sia il contenimento del gas sia un'adeguata regolazione della pressione del sistema.
Ti poroso GD
Gli elettrodi ricevono una distribuzione bilanciata del gas, mentre il trasporto di acqua e gas avviene agevolmente.
BOP – Sistemi ausiliari dell'impianto
Nessun elettrolizzatore PEM funziona da solo. L'elettrolizzatore PEM richiede numerosi sistemi operativi, che costituiscono il Balance of Plant (BOP).
Sistema di alimentazione
L'impianto elettrico comprende sensori di tensione e corrente continua, moduli di potenza e controllori che regolano il flusso di energia verso l'elettrolizzatore.
Circuito dell'acqua deionizzata
L'acqua deve essere pura. Tutti i componenti del sistema includono deionizzatori e separatori di ossigeno, nonché pompe di circolazione e valvole per mantenere condizioni di flusso pulite e regolate.
Sistema di produzione e essiccazione dell'idrogeno
Prima di procedere con le operazioni di essiccazione, l'idrogeno prodotto viene separato mediante appositi dispositivi. La combinazione di valvole, flussimetri e dispositivi di essiccazione permette di ottenere idrogeno secco e non contaminato come prodotto finale.
Unità di raffreddamento e asciugatura
I sistemi PEM generano calore. Gli scambiatori di calore a piastre, insieme alle pompe e ai termostati, operano in un circuito di raffreddamento per fornire la temperatura ottimale durante i sottoprocessi di essiccazione, che si avvalgono anche di componenti per ridurre il contenuto di umidità.
Conclusione
Il processo di produzione degli elettrolizzatori PEM richiede una precisa integrazione di conoscenze scientifiche, competenze ingegneristiche e padronanza della tecnologia dei materiali. La fabbricazione degli elettrolizzatori PEM prevede la selezione di metalli appropriati per la preparazione degli MEA (Membrane Electrode Assembly) e l'assemblaggio degli elettrolizzatori con l'integrazione del sistema BOP (Blowout Operating Policy) in un processo produttivo complesso. Il risultato? Un futuro sostenibile dipende dall'idrogeno pulito come fonte di energia vitale.