Studio su elettrolisi PEM: compressibilità, perdite e materiali di riferimento.

In terms of sustainability and environmental impact, Proton Exchange Membrane Water Electrolysis (PEMWE) is considered one of the technologies that will contribute to the efficient and versatile production of green hydrogen from renewable energy sources. Within a PEM cell, optimal distribution of clamping pressure is crucial to ensure high cell performance. In fact, the optimal connection between all cell components is one of the most important design criteria. In addition, hydrogen compression, aimed at efficient storage, is a fundamental part of the green hydrogen supply chain. High-pressure water electrolysis can alleviate this issue by ensuring the production of already compressed gas within the electrolyzer itself, thereby eliminating the need for an external hydrogen compressor and reducing costs. This study investigated the effects of clamping pressure on electrical contact resistance, sealing, and final performance of a PEM cell with an active area of 25 cm2 by varying the thicknesses of cell components. Various assemblies were developed, allowing the achievement of a minimum electrical contact resistance of 216.40 mΩ∙cm2 and a maximum current density of 2.552 A∙cm-2 (at 2.20 V) by applying a clamping pressure of 3.9 MPa at an operating temperature of 80°C and atmospheric pressure. Furthermore, it was demonstrated that working at a differential pressure of 30 bar (on the cathodic side), achieving acceptable leakage rates (lower than 10-3 mbar∙l∙s-1), and avoiding potential structural membrane failures is not an easy task. The assembled cells exhibited evident mass transport issues and performance degradation over time. These phenomena were studied and investigated using polarization curves (V-I analysis) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). This work demonstrated how the clamping pressure, in relation to the thickness and compressibility of materials, is a highly influential parameter directly affecting the electrochemical performance and sealing of the electrolyzer. Additionally, the development of a testing protocol aimed at evaluating fluid sealing aspects and cell component thickness from the outset was proven to be extremely important.

In termini di sostenibilità e impatto ambientale, l’elettrolisi dell’acqua a membrana a scambio protonico (Proton Exchange Membrane Water Electrolysis, PEMWE) è considerata una delle tecnologie che contribuiranno alla produzione efficiente e versatile di idrogeno verde a partire da fonti energetiche rinnovabili. All’interno di una cella PEM, la distribuzione ottimale della pressione di bloccaggio è fondamentale per garantire alte prestazioni di cella. Infatti, la connessione ottimale tra tutti gli elementi della cella è uno dei criteri di progettazione più importanti. Oltre a questo, la compressione dell’idrogeno, volta ad uno stoccaggio efficiente, è una parte fondamentale della catena di approvvigionamento dell'idrogeno verde. L'elettrolisi dell'acqua ad alta pressione può alleviare questo problema garantendo la produzione di un gas già compresso all'interno dell'elettrolizzatore stesso, eliminando così la necessità di un compressore di idrogeno esterno con conseguente abbattimento dei costi. In questo studio sono stati studiati gli effetti della pressione di bloccaggio sulla resistenza di contatto elettrico, sulla tenuta e sulle performance finali di una cella PEM avente area attiva di 25 cm2, variando gli spessori dei componenti di cella. Si sono messi a punto diversi assemblaggi tramite i quali è stato possibile raggiungere una resistenza di contatto elettrico minima di 216,40 mΩ∙cm2 e una densità di corrente massima di 2,552 A∙cm-2 (a 2,20 V) applicando una pressione di bloccaggio di 3,9 MPa, ad una temperatura operativa di 80°C a pressione atmosferica. Per di più è stato dimostrato che lavorare a pressione differenziale di 30 bar (lato catodico), ottenendo tassi di perdita accettabili (inferiori a 10-3 mbar∙l∙s-1) ed evitando, al contempo, possibili cedimenti strutturali della membrana, non è un compito facile. Le celle assemblate mostravano evidenti problemi di trasporto di massa e di calo di performance nel tempo. Questi fenomeni sono stati studiati e indagati mediante l’analisi di curve di polarizzazione (V-I) e l’impiego della spettroscopia elettrochimica ad impedenza (EIS). Questo lavoro ha permesso di dimostrare quanto la pressione di bloccaggio di cella, in relazione allo spessore e alla compressibilità dei materiali, sia un parametro molto importante in grado di influenzare direttamente le performance elettrochimiche e la tenuta dell’elettrolizzatore. Inoltre, si è provato quanto la messa a punto di un protocollo di test volto a valutare sin dal principio gli aspetti relativi alla tenuta dei fluidi e allo spessore dei componenti di cella sia estremamente importante.