Fraunhofer ISE dimostra sottili strati di trasporto per elettrolizzatori

Strato microporoso finale su un substrato di fibra di titanio dopo il processo di serigrafia. In un passaggio successivo, i due strati vengono sinterizzati. Lo strato microporoso con una rugosità superficiale ridotta consente un'interfaccia ottimizzata con lo strato del catalizzatore. Di conseguenza, il carico di catalizzatore con iridio può essere ridotto e sono possibili membrane più sottili. © Fraunhofer ISE/Joscha Feuerstein

Una pasta composta da polvere di titanio, solvente e additivi viene applicata al setaccio di stampa. Successivamente, la pasta viene stesa attraverso il setaccio come uno strato sottile microporoso su un substrato di fibra di titanio utilizzando un rullo. © Fraunhofer ISE/Joscha Feuerstein

L'immagine di microscopia a scansione laser mostra la significativa riduzione della rugosità superficiale. © Fraunhofer ISE / The laser scanning microscopy image shows the significant reduction in surface roughness. © Fraunhofer ISE

Per la produzione di idrogeno verde tramite elettrolisi, le membrane a scambio protonico (PEM) sono una delle tecnologie più promettenti. Per ridurre i costi dei materiali e della produzione degli elettrolizzatori PEM, l'Istituto Fraunhofer per i Sistemi Energetici Solari ISE sta sviluppando processi di produzione scalabili. Ora è stato raggiunto per la prima volta il successo nella produzione di strati di trasporto porosi ultrafini in titanio mediante stampa a setosa, riducendo così i costi dei materiali catalitici. Sono stati impiegati impianti industriali scalabili standard. Alla Hannover Messe (31.03.-04.04., Padiglione 13, C41), l'istituto presenterà, oltre ad altre innovazioni, campioni dello strato di trasporto microporoso ottimizzato. 

L'elettrolisi PEM è una tecnologia centrale per la diffusione del mercato dell'idrogeno verde, poiché può essere alimentata con alta densità di corrente e con un'offerta di energia flessibile da fonti rinnovabili. Fondamentali per le sue prestazioni sono, oltre alla membrana rivestita di catalizzatore, gli strati di trasporto porosi (Porous Transport Layers, PTL). «Come 'polmone' della membrana rivestita di catalizzatore, i PTL sono responsabili, tra l'altro, del trasporto di acqua e gas. L'ottimizzazione dei PTL e delle loro proprietà superficiali rappresenta un grande leva per ridurre i costi e aumentare le prestazioni dell'elettrolizzatore PEM», spiega Stefan Bercher, responsabile del progetto presso l'Istituto Fraunhofer ISE.

Per migliorare le proprietà superficiali, vengono applicati strati di titanio microporosi (microporous layers, MPL) tra lo strato PTL e la membrana rivestita di catalizzatore. Grazie alla loro bassa rugosità superficiale, consentono l'uso di strati di catalizzatore con una riduzione significativa della quantità di iridio, migliorando notevolmente l'adesione e l'utilizzo del catalizzatore stesso. Inoltre, semplificano l'impiego di membrane più sottili, riducendo le perdite ohmiche. L'obiettivo del gruppo di ricerca dell'ISE è stato quello di ottimizzare la compatibilità dei MPL a base di titanio con lo strato di catalizzatore da contattare e di realizzarli il più possibile sottili, poiché questi metalli rappresentano uno dei principali fattori di costo negli elettrolizzatori. «All'ISE abbiamo decenni di esperienza nella produzione e caratterizzazione di componenti per l'elettrolisi PEM. Questo know-how lo utilizziamo nell'ingegneria dell'interfaccia per ottimizzare insieme entrambi gli strati, e non più separatamente come in passato», spiega Tom Smolinka, responsabile della divisione di elettrolisi e infrastrutture per l'idrogeno dell'ISE.

Prova di concetto di successo con il processo di stampa a setosa

Per la stampa delle strutture MPL ultrafini, l'ISE si affida al processo di stampa a setosa, con cui l'istituto ha maturato una lunga esperienza nel settore fotovoltaico. Poiché la stampa a setosa permette un controllo preciso dello spessore e della struttura degli strati, il team di progetto vede grandi potenzialità in questa tecnologia.

Nei test, i ricercatori hanno verificato se gli strati di trasporto microporosi rivestiti sui PTL ottenessero risultati migliori rispetto a quelli commercialmente disponibili. Sono stati ottimizzati i singoli passaggi di produzione e i parametri del processo di stampa, dalla preparazione dell'inchiostro con particelle di titanio, alla stampa vera e propria su impianti industriali, fino alla sinterizzazione. Durante le successive analisi delle MPL stampate su un PTL grezzo, sono state misurate in particolare la rugosità superficiale e le prestazioni. «Siamo riusciti a stampare strati molto sottili, di circa 20 µm di spessore, e a ridurre la rugosità superficiale del 46%. Ciò migliora il contatto con lo strato di catalizzatore, nel quale si riduce ulteriormente il carico di metallo prezioso come l'iridio», spiega Stefan Bercher. Questo rappresenta un passo fondamentale per raggiungere gli obiettivi europei di risparmio di materiali e diffusione sul mercato, nonostante le risorse limitate. Ora il team di ricerca cerca partner industriali per ulteriori ottimizzazioni e adattamenti dello strato microporoso alle specifiche esigenze di trasporto poroso.

Altre innovazioni dell'ISE alla Hannover Messe:

Presso lo stand dell'ISE, nell'ambito della mostra «Hydrogen+ Fuel Cells Europe», saranno visibili altre innovazioni:

Oltre alla produzione di PTL e MPL, l'ISE sta sviluppando ulteriori processi su misura per la produzione di unità membrana-elettrodo (MEA) per elettrolizzatori e celle a combustibile, dal laboratorio al livello industriale. I ricercatori possiedono una vasta esperienza nello sviluppo di processi e inchiostri per la stampa a setosa e a spruzzo. Al loro stand mostreranno diversi design di MEA con un ridotto contenuto di metalli preziosi, realizzati con materiali commerciali.

La mostra 3D «Infrastruttura dell'idrogeno» rappresenta un'infrastruttura di idrogeno tipica, locale e autosufficiente, con produzione, distribuzione e stoccaggio regionali, ma anche con punti di connessione a infrastrutture nazionali e internazionali. Essa illustra le competenze complessive dell'ISE lungo tutta la catena del valore dell'idrogeno.

Conferenze dell'ISE alla Hannover Messe

31 marzo, 15:00-15:20, Forum pubblico, Padiglione 13: Prof. Dr. Christopher Hebling: “Dalle barriere ai ponti: sfide e soluzioni del mercato globale dell'idrogeno”

1 aprile, 11:00-12:30, Forum tecnico, Padiglione 13: Presentazioni «Hydrogen at Fraunhofer»

Sessione 1: Produzione di idrogeno «Prestazioni elettrochimiche e produzione»: Stefan Bercher: «Ottimizzazione dell'interfaccia tra elettrodo e PTL per aumentare le prestazioni elettrochimiche nelle celle di elettrolisi a acqua PEM»