Particolarmente apprezzata in Europa, la PEMEL si distingue per l'elevata efficienza energetica e la compatibilità con le fonti di energia rinnovabile intermittenti.
L'elettrolizzatore PEM condivide molti materiali e componenti con la cella a combustibile PEM (PEMFC), beneficiando notevolmente dei progressi nel settore delle celle a combustibile. Sviluppata dalla NASA, la tecnologia PEMFC si è evoluta in modo significativo, portando sia l'elettrolizzatore PEM che la cella a combustibile PEM a diventare tecnologie relativamente consolidate. Tuttavia, entrambe devono ancora affrontare numerose sfide.
Il fiorente mercato dell'idrogeno verde sta alimentando la domanda di sistemi di elettrolisi, che a sua volta genera domanda di materiali e componenti per elettrolizzatori. Questo boom rappresenta un'opportunità significativa per i fornitori di materiali e componenti, insieme a diversi operatori del settore, di capitalizzare su questa crescita, innovare e introdurre nuovi prodotti.
Schema semplificato dei componenti di una cella elettrolitica a membrana a scambio protonico (PEMEL). Fonte: IDTechEx
Membrana a scambio protonico (PEM)
La membrana a scambio protonico (PEM) è l'elemento portante dell'elettrolizzatore, situata tra il catodo e l'anodo. Le PEM facilitano il trasferimento di protoni (ioni H+) dall'anodo al catodo. Inoltre, forniscono isolamento elettrico tra gli elettrodi e assicurano che le reazioni di sviluppo di idrogeno e ossigeno avvengano separatamente, consentendo la produzione di idrogeno ad elevata purezza e impedendo la miscelazione dei gas, in particolare di idrogeno e ossigeno.
Le membrane sono realizzate con ionomeri di acido perfluorurato solfonico (PFSA). Nafion, un marchio di Chemours (originariamente sviluppato da DuPont), è il materiale più conosciuto e più utilizzato nelle membrane a scambio protonico (PEMEL) e nelle celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC). Il mercato è dominato da aziende consolidate come Chemours e WL Gore & Associates. Tuttavia, queste aziende continuano a innovare i propri prodotti per ottenere prestazioni migliori.
La principale sfida nel miglioramento delle membrane a scambio protonico (PEM) consiste nel bilanciare prestazioni, sicurezza e durata. Questo perché l'aumento delle prestazioni richiede membrane più sottili per migliorare la conduttività; tuttavia, ciò comporta una maggiore contaminazione incrociata tra idrogeno e ossigeno e un più rapido degrado della membrana. Una strategia di mitigazione comunemente adottata nel settore è l'utilizzo di uno strato di rinforzo, come il politetrafluoroetilene espanso (PTFE), sul quale viene applicato lo ionomero PFSA.
Affrontare le sfide legate al miglioramento delle prestazioni delle membrane con nuovi materiali compositi sarà fondamentale per il progresso della tecnologia. Nonostante queste sfide, le membrane PFSA rimarranno il materiale dominante a causa della mancanza di alternative idonee e facilmente reperibili. Di conseguenza, esiste un mercato significativo per queste membrane nei settori degli elettrolizzatori e delle celle a combustibile.
Catalizzatori a base di metalli del gruppo del platino e membrane rivestite di catalizzatore (CCM)
Il platino (Pt) e l'iridio (Ir) catalizzano rispettivamente le reazioni elettrochimiche di sviluppo di idrogeno e ossigeno che avvengono nell'elettrolizzatore. I materiali di ultima generazione utilizzati sono il platino supportato su nerofumo (Pt/C) per il catodo e il nerofumo (Ir) o l'ossido di iridio (IrOx) per l'anodo.
I catalizzatori vengono combinati con resine ionomeriche PFSA sotto forma di inchiostro, che viene poi applicato sulla membrana, producendo la membrana rivestita di catalizzatore (CCM). La produzione di CCM è un'area di ricerca fondamentale, poiché le prestazioni dell'elettrolizzatore dipendono fortemente dalle sue proprietà. Un aspetto cruciale è lo sviluppo di processi roll-to-roll efficienti e continui per la produzione di CCM, in grado di garantire una produttività costante, una perdita minima di inchiostri catalitici e una produzione su larga scala altamente automatizzata.
L'obiettivo di ricerca più importante è la necessità di ridurre il carico di iridio sugli anodi. Gli attuali carichi di 1-2,5 g/kW negli elettrolizzatori PEM sono problematici, poiché la futura domanda di queste apparecchiature potrebbe esercitare una pressione significativa sull'offerta globale di iridio. Per affrontare questo problema, i produttori di catalizzatori come Heraeus Precious Metals stanno introducendo nuovi prodotti che riducono il carico di iridio. Tra questi, l'ossido di iridio-rutenio (IrRuOx), che sta già iniziando ad essere utilizzato commercialmente. Tuttavia, nel tempo, saranno necessari nuovi catalizzatori a base di iridio supportato (un concetto simile al platino supportato su carbonio) per ridurre la dipendenza dall'offerta di iridio. Pertanto, esistono significative opportunità per sviluppare e commercializzare nuovi prodotti catalitici che offrano prestazioni competitive rispetto agli attuali catalizzatori a base di Ir e IrOx, riducendo al contempo il carico totale di iridio a meno di 1 g/kW.
Strati di diffusione del gas (GDL)
Gli strati di diffusione del gas (GDL), noti anche come strati di trasporto porosi (PTL), sono un altro componente chiave delle celle PEMEL. Questi componenti sono presenti su entrambi i lati degli elettrodi e facilitano il trasferimento dell'acqua alla membrana, la rimozione dei gas di prodotto (H2 e O2) dagli elettrodi e il flusso di elettroni attraverso la cella.
La carta di carbonio, composta da fibre di carbonio, PTFE e nerofumo, viene utilizzata come materiale catodico. L'anodo è costituito da feltro di titanio rivestito con un sottile strato di platino. Il titanio è necessario per la sua resistenza alla corrosione sul lato anodico, mentre il platino fornisce una maggiore conduttività elettrica e ulteriore stabilità. Questi materiali sono destinati a rimanere e verranno utilizzati in tutte le batterie PEMEL.
La carta di carbonio è stata sviluppata grazie agli sforzi dell'industria delle celle a combustibile PEM ed è ormai una tecnologia piuttosto matura. Pertanto, l'attenzione principale dello sviluppo si concentra sul lato anodico per ridurre lo spessore del feltro di titanio, ottimizzare la porosità e diminuire la quantità di platino necessaria. Il carico di platino è particolarmente importante e può essere ridotto utilizzando tecnologie di rivestimento avanzate, come la deposizione fisica da fase vapore (PVD).
Piastre bipolari
Le piastre bipolari fungono da barriera fisica per separare le celle. Ancora più importante, queste piastre conducono gli elettroni dall'anodo di una cella al catodo di un'altra e forniscono anche canali per il flusso di acqua e gas all'interno delle celle. A differenza delle celle a combustibile PEM, che possono utilizzare piastre bipolari in grafite, gli elettrolizzatori PEM utilizzano piastre in titanio, che sono più resistenti alla corrosione. Rivestimenti in oro e platino sono necessari rispettivamente sulle superfici del catodo e dell'anodo per aumentare la resistenza alla corrosione e ridurre la resistenza di contatto elettrico, in modo simile al platino utilizzato nei DOF in titanio.
Ancora una volta, questi componenti beneficiano della produzione di piastre bipolari metalliche altamente sviluppate nel settore delle celle a combustibile PEM. Tra le aziende che offrono tecnologie per la produzione di piastre figurano Dana Inc., Schuler, Elcon Precision e molte altre. Ogni produttore utilizza tecnologie diverse, ognuna con i propri vantaggi e svantaggi. Nonostante l'elevato livello di sviluppo, i produttori possono comunque ottimizzare la produzione riducendo gli sprechi di materiale e velocizzando le linee di produzione.
Il rivestimento delle piastre bipolari è un'area che potrebbe trarre il massimo vantaggio da nuove idee. Ad esempio, tecnologie di rivestimento più avanzate, come il PVD, possono ridurre l'utilizzo di metalli preziosi. Si potrebbero inoltre trovare alternative al titanio per abbassare i costi complessivi di produzione. Ciò richiede la sperimentazione con diverse leghe metalliche e combinazioni di materiali, come l'acciaio inossidabile rivestito di titanio. Quest'ultima è considerata un'opzione promettente, ma necessita ancora di test approfonditi in ambito industriale.
Guarnizioni e materiali di tenuta
Le guarnizioni o le tenute vengono spesso trascurate nella progettazione degli elettrolizzatori, ma questi componenti sono altrettanto vitali. Fungono da elementi di tenuta, creando un'interfaccia tra i diversi componenti, come le piastre bipolari e il separatore. Queste barriere, progettate con precisione, assicurano che gas, acqua e componenti delle celle rimangano contenuti e separati secondo necessità. Le guarnizioni si presentano tipicamente sotto forma di sottili fogli o nastri interposti tra le piastre bipolari.
I materiali per le guarnizioni vengono generalmente scelti in base alla loro bassa permeabilità all'idrogeno, per prevenire perdite, e alla resistenza chimica alle condizioni acide e ossidanti dell'elettrolizzatore. Devono inoltre possedere un'adeguata comprimibilità e proprietà meccaniche per resistere alle forze di compressione. I materiali tipicamente utilizzati includono gomma etilene-propilene-diene monomero (EPDM), gomma fluorurata (FKM), PTFE e silicone.
Le guarnizioni preformate sono il tipo più comune. Vengono stampate a iniezione per adattarsi alla pila di elettrolizzatori. La complessa progettazione delle piastre bipolari richiede una sigillatura meticolosa, pertanto i produttori di guarnizioni spesso collaborano con i fornitori di elettrolizzatori o piastre bipolari. Ciò consente al produttore di depositare le guarnizioni direttamente sui componenti del cliente e di spedirli. Le strategie di innovazione nel settore delle guarnizioni si concentrano sull'ottimizzazione del materiale e del processo produttivo, nonché sull'eliminazione della fase di applicazione, fornendo resine che i clienti possono applicare e polimerizzare autonomamente.
Prospettive di mercato e strategie
Il mercato dei componenti per elettrolizzatori è destinato a una significativa espansione, con IDTechEx che prevede un valore di mercato di ben 31,7 miliardi di dollari entro il 2034. Questa crescita è trainata principalmente dalla rapida evoluzione del settore dell'idrogeno verde. Come dimostra questo articolo, esistono notevoli opportunità per la fornitura di componenti e per l'innovazione all'interno di questo mercato.
Il report di IDTechEx, "Materiali per la produzione di idrogeno verde 2024-2034: tecnologie, attori e previsioni", fornisce informazioni analoghe sui materiali e i componenti utilizzati negli elettrolizzatori ad acqua alcalina (AWE), negli elettrolizzatori a membrana a scambio anionico (AEMEL) e negli elettrolizzatori a ossido solido (SOEC).
Il report offre elenchi completi di fornitori di stack di elettrolizzatori, componenti e materiali, insieme a casi di studio sulle principali innovazioni commerciali del settore. Inoltre, fornisce previsioni di mercato dettagliate a 10 anni, quantificando la domanda di materiali e componenti in tonnellate, metri quadrati (m2) e milioni di dollari all'anno. Consultare il report per approfondimenti sulle tendenze attuali e sulle principali opportunità nel mercato dei componenti per elettrolizzatori ad acqua.
Autore: Chingis Idrissov, analista tecnologico presso IDTechEx
