La maggiore durata unita a un'elevata densità di potenza riduce il costo totale di proprietà.
Lo sviluppo della tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno ha rappresentato un grande passo avanti verso un futuro energetico più pulito e decarbonizzato. Per garantire che le celle a combustibile rimangano una soluzione energetica valida, la loro elevata densità di potenza deve essere combinata con una durata a lungo termine, al fine di ridurne il costo totale di possesso.
Per oltre 15 anni, Donaldson ha collaborato con aziende leader a livello globale nel settore per commercializzare membrane a scambio protonico rinforzate con politetrafluoroetilene espanso (ePTFE) altamente ingegnerizzato. Questo lavoro ha portato alla realizzazione di membrane sottili, efficienti e durevoli, che offrono una bassa resistenza per una densità di corrente ottimale.
Abbiamo una profonda conoscenza di come le proprietà dell'ePTFE, quali spessore, modulo elastico, carico di rottura e anisotropia, influenzino la durabilità a lungo termine delle pile di celle a combustibile. Tale competenza ci consente di offrire prodotti in ePTFE ottimizzati per le membrane PEM composite rinforzate con ePTFE negli stack di celle a combustibile, un’alternativa migliorata alle membrane PEM non rinforzate delle celle a combustibile.
Come funziona una cella a combustibile
Figura 1: Cella a combustibile generica
Lo schema in figura 1 mostra una cella a combustibile generica. L'idrogeno e l'aria entrano separatamente nell'anodo e nel catodo e si diffondono nello strato catalitico (elettrodo), dove ha luogo una reazione elettrochimica che genera corrente. Uno strato poroso (strato di diffusione del gas) viene solitamente posizionato tra l'elettrodo e il canale di flusso per distribuire uniformemente i reagenti.
L'equazione sopra riportata mostra le reazioni elettrochimiche di base per le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC). Durante il funzionamento della cella a combustibile, l'anodo facilita la conversione del combustibile (come l'idrogeno) in elettroni e protoni. Il protone generato attraversa lo strato di ionomero della membrana, mentre gli elettroni sono costretti a fluire attraverso un circuito esterno. Infine, protoni, elettroni e ossigeno reagiscono al catodo per formare acqua.
Membrana rivestita di catalizzatore (CCM)
Figura 2: Schema di un CCM
La membrana rivestita di catalizzatore (CCM) è un componente cruciale di una PEMFC. Una CCM è composta da un anodo, un catodo e uno strato di ionomero della membrana elettrolitica polimerica (ad esempio, acido perfluorosolfonico), che funge da elettrolita. L’anodo e il catodo sono costituiti da adeguati strati catalitici e sono legati a strati alla membrana a scambio protonico (PEM). Le reazioni elettrochimiche che avvengono durante il funzionamento della cella a combustibile si svolgono nel CCM.
Membrana elettrolitica polimerica (PEM)
Figura 3: Schema di un PEM
Le funzioni principali della membrana a scambio protonico (PEM) nelle celle a combustibile sono la separazione dei gas anodici e catodici, il trasporto dei protoni, l’isolamento degli elettroni e il supporto meccanico agli strati anodici e catodici.
Perché il rinforzo PEM è importante
Durante il funzionamento della cella a combustibile, la membrana a scambio protonico (PEM) si gonfia assorbendo acqua in presenza di elevata umidità relativa e si restringe perdendo acqua in presenza di bassa umidità relativa. Questo ciclo ripetuto di rigonfiamento/restringimento provoca un elevato stress meccanico nella PEM e il conseguente cedimento strutturale.
Figura 4: Struttura portante in ePTFE per MEA
La durata e la longevità della membrana PEM possono essere notevolmente migliorate grazie al rinforzo in ePTFE. Durante il ciclo di rigonfiamento/ restringimento, l'elevata resistenza meccanica e l'inerzia chimica dell'ePTFE creano una "forza di tenuta" in grado di controbilanciare la forza di rigonfiamento/ restringimento generata. Pertanto, le membrane rinforzate in ePTFE mostrano una resistenza meccanica significativamente migliore rispetto alle membrane dense (non rinforzate).
In realtà, gli obiettivi di durabilità del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (US DOE), pari a 8.000 ore per i veicoli leggeri e 30.000 ore per i veicoli pesanti, non possono essere raggiunti senza una membrana PEM ingegnerizzata con rinforzo in ePTFE.
Inoltre, membrane in ePTFE più sottili e altamente efficienti possono fornire questo rinforzo cruciale, contribuendo al contempo a mantenere un'elevata densità di corrente, il che consente di utilizzare un minor numero di celle in una pila, riducendo il peso complessivo. Tutto questo senza compromettere la resistenza, le prestazioni o la generazione di energia.
L'applicazione deve determinare la struttura specifica dell'ePTFE
La maggior parte delle membrane a scambio protonico deve essere progettata con precisione per ogni applicazione specifica. Ad esempio, i requisiti per la cella a combustibile stazionaria sono molto diversi da quelli per i veicoli leggeri e pesanti. Pertanto, l'accesso a una vasta gamma di strutture in ePTFE utilizzate come rinforzo per la membrana PEM consente agli OEM di specificare sia il tipo di rinforzo in ePTFE richiesto sia la composizione chimica per ottimizzare le prestazioni delle celle a combustibile.
Per soddisfare la vasta gamma di esigenze degli OEM, Donaldson ha sviluppato diverse generazioni di membrane per svariate applicazioni. La nostra gamma di prodotti offre soluzioni di progettazione ingegneristica per ciascuna di queste applicazioni uniche, come illustrato di seguito.
La membrana giusta fa la differenza
Decenni di ricerca e sviluppo hanno consentito l'evoluzione dell'ampio portafoglio di membrane brevettate Donaldson Tetratex™ in ePTFE, continuando a soddisfare i severi requisiti prestazionli del settore e supportando contemporaneamente le richieste degli OEM di ridurre le dimensioni della pila. Tetratex è prodotto e distribuito esclusivamente da Donaldson, con particolare attenzione all'alta qualità della produzione e al servizio clienti, al fine di garantire una fornitura costante e consegne puntuali.
Grazie all'offerta di più opzioni tecnologiche per le membrane delle celle a combustibile a idrogene in ePTFE per soddisfare una vasta gamma di specifiche e applicazioni, Donaldson fornisce agli OEM e ai fornitori di Livello 1/Livello 2:
- Membrane sottili che supportano i requisiti necessari per un'elevata densità di corrente, senza sacrificare la durata meccanica della pila
- Dimensioni e peso della pila ridotti
- Eccezionale durata meccanica e alta resistenza per una lunga durata
- Prestazioni costanti e affidabili
- Possibilità di specificare la membrana ePTFE indipendentemente dal rivestimento, consentendo agli OEM di scegliere la soluzione ottimale membrana/rivestimento, anziché una soluzione preimpostata (non ottimizzata)
