LINEA DI ATTIVITÀ
LA 3.9
Descrizione risultati raggiunti LA
Progettazione e realizzazione di uno stack circolare composto da tre celle con area attiva totale di 75 cm2.
Lo stack è stato realizzato con l’obiettivo di verificare le prestazioni elettrochimiche dei componenti sviluppati nelle LA 3.7 e 3.8 durante la fase di scale up. Il processo di scale-up è essenziale per passare dalla produzione in laboratorio o su piccola scala alla produzione industriale di idrogeno. Questo processo comporta numerose sfide tecniche e ingegneristiche, poiché richiede l’ottimizzazione di vari parametri per mantenere l’efficienza, la durabilità e la sicurezza operativa su larga scala.
Il design delle celle è stato ottimizzato per assicurare una distribuzione uniforme dei reagenti sulla superficie degli elettrodi al fine di garantire una distribuzione della corrente prodotto o applicata.
Le scelte progettuali inoltre permetteranno di evitare la formazione di hot spot durante i test elettrochimici e ridurre così la degradazione dei componenti come membrane e catalizzatori.
Al fine di ridurre i costi di produzione è stato deciso di utilizzare delle reti in titani realizzate con una struttura tridimensionale tale da permettere ai reagenti di venire a contatto con i siti di reazione in maniera opportuna e ridurre le perdite di pressione.
Distribuzione Uniforme della Corrente, perché con l’aumento delle dimensioni della cella diventa più complesso garantire una distribuzione uniforme della corrente.
Per lo stack sono stati scelti materiali come l’ertalyte, l’acciao inox 316 L e titanio al fine di ridurre i costi di produzione e ridurre la degradazione nel tempo del dispositivo. L’Ertalyte è un materiale plastico ad alte prestazioni. La sua composizione principale è il polietilentereftalato (PET), un tipo di polimero che offre eccellenti proprietà meccaniche, chimiche e termiche.
Un altro importante obiettivo è stato quello di minimizzare la resistenza elettrica e l’efficienza energetica dello stack attraverso ottimizzazione del design. Lo spessore e le tolleranze di lavorazione sono stati definiti con lo scopo di ottenere un perfetto accoppiamento tra i vari componenti durante la fase di assemblaggio.
Tutti materiali sono sati scelti per offrire una maggiore resistenza alla corrosione e una lunga vita utile al dispositivo finale. Progettazione e realizzazione di uno stack circolare composto da tre celle con area attiva totale di 75 cm2.
Tutti materiali sono sati scelti per offrire una maggiore resistenza alla corrosione e una lunga vita utile al dispositivo finale.
Risultati attesi nel POA
L’attività di ricerca tratta lo sviluppo elettrolizzatori di tipo rigenerativo cioè, delle celle elettrochimiche che possiedono la duplice funzione di poter essere utilizzate sia per la produzione di idrogeno (modalità elettrolisi) e sia per la produzione di corrente elettrica (modalità celle a combustibile).
Tali dispositivi potranno sostituire le batterie utilizzate come sistema di accumulo a bassa densità energetica, per sviluppare un sistema di accumulo in energia chimica (idrogeno) altamente reversibile e con alta densità energetica.
Lo stoccaggio dell’eccesso di energia rinnovabile, largamente disponibile in alcuni periodi, in idrogeno ottenuto tramite processo di elettrolisi può quindi rappresentare il processo chiave per risolvere le problematiche legate all’accumulo di energia da rinnovabili. L’idrogeno potrà essere stoccato in modo da produrre nuovamente energia nei momenti di maggior domanda, come risorsa di backup in fase di emergenza o come combustibile nel settore trasporti. L’attività di ricerca tratta lo sviluppo elettrolizzatori di tipo rigenerativo cioè, delle celle elettrochimiche che possiedono la duplice funzione di poter essere utilizzate sia per la produzione di idrogeno (modalità elettrolisi) e sia per la produzione di corrente elettrica (modalità celle a combustibile).
Lo stoccaggio dell’eccesso di energia rinnovabile, largamente disponibile in alcuni periodi, in idrogeno ottenuto tramite processo di elettrolisi può quindi rappresentare il processo chiave per risolvere le problematiche legate all’accumulo di energia da rinnovabili. L’idrogeno potrà essere stoccato in modo da produrre nuovamente energia nei momenti di maggior domanda, come risorsa di backup in fase di emergenza o come combustibile nel settore trasporti.
REFERENTE/I
Nicola Briguglio – CNR
Deliverable consegnati con questo LA
D3.14 – Rapporto tecnico: “Validazione del prototipo realizzato in modalità rigenerativa con area attiva almeno di 25 cm2 e costituito da 3 celle”
Livello di innovazione
In letteratura non sono presenti molti studi sulla realizzazione di stack reversibili PEM. Uno dei principali lavori presenti in letteratura che trattano il design di uno stack rigenerativo è “kW-grade unitized regenerative fuel cell stack design for high round-trip efficiencies”. Rispetto al design descritto in questo lavoro scientifico le principali differenze sono:
I canali della cella (flow field);
Design della cella;
Scelta dei materiali per il GDL
Nel lavoro di letteratura sono stati dei canali disegnati per gestire i liquidi bifase presenti nella cella. Tali canali presentano delle microporosità che offrono dei benefici ma sono costosi da realizzare e complessi. Nel lavoro proposto qui è stato scelto di impiegare delle reti di titanio platinizzate per simulare i tradizionali canali. Questo approccio è già stato impiegato per gli elettrolizzatori PEM e può essere adattato per le celle reversibili accoppiandolo con un opportuno strato poroso (GDL). Il vantaggio principale di questa soluzione è la facilità di realizzazione e i costi realizzativi.
Il design di cella scelto per la realizzazione dello stack del progetto è circolare mentre quello presente in letteratura è quadrato. Il vantaggio del design circolare è quello di avere una più uniforme distribuzione della pressione durante la fase di esercizio del dispositivo. Lo svantaggio è quello che è necessario realizzare tutto la componentistica di forma circolare. Questo potrebbe aumentare i costi di realizzazione di qualche componente.
Un’altra importante differente rispetto alla letteratura è la scelta della struttura e del tipo di materiale impiegato per realizzare lo strato poroso. In letteratura è stato impiegato il Sigarcet 29 BC, un materiale a base carboniosa che ha una struttura fragile ed è soggetto a fenomeni di degradazione veloci in certe condizioni operative (i.e alte tensioni e correnti). Per lo stack proposto è stato scelto un materiale composto da fibre di titanio con una porosità del 60%. Questo materiale accoppiato con la rete di titanio dovrebbe permettere di ottenere un giusto compromesso per il funzionamento della cella reversibile. In letteratura non sono presenti molti studi sulla realizzazione di stack reversibili PEM. Uno dei principali lavori presenti in letteratura che trattano il design di uno stack rigenerativo è “kW-grade unitized regenerative fuel cell stack design for high round-trip efficiencies”. Rispetto al design descritto in questo lavoro scientifico le principali differenze sono:
Un’altra importante differente rispetto alla letteratura è la scelta della struttura e del tipo di materiale impiegato per realizzare lo strato poroso. In letteratura è stato impiegato il Sigarcet 29 BC, un materiale a base carboniosa che ha una struttura fragile ed è soggetto a fenomeni di degradazione veloci in certe condizioni operative (i.e alte tensioni e correnti). Per lo stack proposto è stato scelto un materiale composto da fibre di titanio con una porosità del 60%. Questo materiale accoppiato con la rete di titanio dovrebbe permettere di ottenere un giusto compromesso per il funzionamento della cella reversibile.
Disseminazione
Pubblicizzazione del progetto durante il workshop organizzato insieme a Sicindustria “Produzione di idrogeno verde da elettrolisi” presso il CNR ITAE nel mese di luglio 2023.
