Strati a diffusione di gas: Perché i feltri in fibra sono la scelta preferita

Gli strati di diffusione dei gas (GDL) sono elementi critici nelle celle a combustibile e negli elettrolizzatori. Consentono un trasporto efficiente di gas, elettroni e liquidi tra i canali di flusso e il catalizzatore. I feltri in fibra sono l'opzione preferita perché rappresentano la combinazione ideale di conduttività, porosità e flessibilità.

Cosa sono gli strati di diffusione dei gas?

Glistrati di diffusione del gas sono materiali porosi posti tra lo strato di catalizzatore e il campo di flusso nei dispositivi elettrochimici. La loro funzione principale è quella di consentire un'erogazione uniforme dei gas reagenti alla superficie del catalizzatore, consentendo al contempo un'efficiente evacuazione dei gas prodotti. Nelle celle a combustibile, i GDL gestiscono il trasporto di idrogeno e ossigeno per massimizzare le reazioni elettrochimiche e minimizzare le perdite di concentrazione. Negli elettrolizzatori, aiutano ad evacuare efficacemente i gas di idrogeno e ossigeno generati sugli elettrodi.

Oltre al trasporto dei gas, i GDL forniscono anche un supporto meccanico per lo strato di catalizzatore e sono coinvolti nella gestione dell'acqua. La distribuzione uniforme dell'acqua evita l'allagamento o l'essiccazione del catalizzatore, due fenomeni che possono ridurre notevolmente le prestazioni. Anche la conducibilità elettrica è una funzione importante, in quanto i GDL conducono gli elettroni tra il catalizzatore e i circuiti esterni. Con queste esigenze, la scelta del materiale dei GDL è essenziale per l'efficienza e la durata del dispositivo a lungo termine.

Fig. 1 Illustrazione schematica della cella dell'elettrolizzatore a gap zero [1].

Cosa sono i feltri in fibra?

Ifeltri di fibre sono tappeti non tessuti che si formano aggrovigliando le fibre in una rete altamente porosa. Sono tipicamente costituiti da carbonio, che si caratterizza per la sua conducibilità elettrica e stabilità chimica. Le fibre di un feltro sono orientate in modo casuale, formando una struttura tridimensionale che offre percorsi interconnessi a gas e liquidi. La struttura differisce da quella dei tessuti o delle carte di carbonio e conferisce una maggiore porosità e flessibilità, mantenendo inalterata la resistenza meccanica.

Il processo di produzione dei feltri in fibra lega le fibre attraverso il riscaldamento, la pressione o i trattamenti con la resina per creare tappeti con spessore, densità e permeabilità personalizzati. I feltri di carbonio sono particolarmente adatti agli ambienti elettrochimici perché sono inerti, resistenti alle alte temperature e alla corrosione.

Perché i feltri in fibra sono ideali per gli strati di diffusione dei gas?

I feltri in fibra offrono un equilibrio di proprietà che li rende estremamente adatti all'uso come GDL. Una delle proprietà più importanti è l'elevata permeabilità ai gas e la porosità, che consente ai gas reagenti di essere distribuiti uniformemente nello strato catalitico, mentre i gas prodotti possono essere espulsi efficacemente. Ciò consente di ridurre al minimo la polarizzazione della concentrazione e di ottenere un'elevata efficienza elettrochimica.

Un altro vantaggio fondamentale è l'eccellente conduttività elettrica. I feltri in fibra di carbonio offrono percorsi a bassa resistenza per gli elettroni, facilitando la raccolta e la distribuzione efficiente della corrente sulla superficie del catalizzatore. Anche la stabilità chimica è importante: i feltri in fibra sono resistenti alla corrosione e alla degradazione in ambienti acidi o alcalini aggressivi, comuni nelle celle a combustibile e negli elettrolizzatori.

Anche la flessibilità meccanica è un fattore importante. I feltri composti da fibre possono essere compressi per essere a stretto contatto con il catalizzatore e il campo di flusso senza incrinarsi o degradare l'integrità strutturale. La comprimibilità consente di compensare l'espansione termica e le sollecitazioni meccaniche durante il funzionamento per garantire prestazioni a lungo termine.

Nelle celle a combustibile, gestiscono l'acqua. Distribuiscono l'acqua in modo uniforme, prevengono l'allagamento e garantiscono un'idratazione ottimale del catalizzatore. Negli elettrolizzatori, garantiscono il rapido rilascio di bolle di idrogeno e ossigeno con un accumulo minimo di bolle, rendendo possibile un'elevata efficienza ad alte densità di corrente.

Dove utilizzare i feltri in fibra per gli strati di diffusione del gas?

I feltri in fibra trovano il maggiore impiego nelle celle a combustibile e negli elettrolizzatori ad acqua, dove la gestione dell'acqua e il trasporto del gas sono fondamentali. Nelle celle a combustibile PEM, i feltri in fibra sono impiegati come GDL per il trasporto uniforme di idrogeno e ossigeno allo strato catalizzatore e per la libera uscita dell'acqua. Negli elettrolizzatori alcalini o PEM, i feltri in fibra sono impiegati per rilasciare efficacemente le bolle di idrogeno e ossigeno dalle superfici degli elettrodi, al fine di facilitare il funzionamento ad alta densità di corrente. Inoltre, i feltri in fibra sono applicati nelle celle a combustibile rigenerative unificate, nelle batterie a flusso redox e in altri reattori elettrochimici in cui la distribuzione uniforme di gas e liquidi e la stabilità chimica e meccanica sono essenziali per ottenere prestazioni elevate.

Elenco dei materiali del feltro in fibra

I feltri in fibra di titanio, nichel e acciaio inossidabile offrono ciascuno vantaggi distinti per gli strati di diffusione del gas. Il feltro di titanio è apprezzato negli elettrolizzatori PEM e nelle celle a combustibile per l'elevata porosità, la forza e l'eccellente resistenza agli ambienti acidi. Grazie alle dimensioni e alla porosità personalizzabili, garantisce prestazioni stabili e un rilascio efficiente del gas anche ad alte densità di corrente. Il feltro di nichel, noto per la sua conduttività e resistenza alla corrosione alcalina, è ampiamente utilizzato sul lato catodico degli elettrolizzatori alcalini e in alcune celle a combustibile per favorire la generazione di idrogeno. Il feltro in acciaio inox, sebbene meno resistente alla corrosione, combina durata, resistenza all'usura e costo inferiore, rendendolo una scelta pratica per gli elettrolizzatori di grandi dimensioni e le batterie di flusso in cui la resistenza meccanica è fondamentale.

Conclusioni

Gli strati di diffusione del gas contribuiscono in modo significativo alle prestazioni e alla durata delle celle a combustibile e degli elettrolizzatori. Tra i materiali proposti, i feltri in fibra si distinguono per l'elevata porosità, la conducibilità elettrica, la stabilità chimica e la flessibilità meccanica. Per ulteriori materiali avanzati, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Riferimenti:

[1] Samu AA, Szenti I, Kukovecz Á, Endrődi B, Janáky C. Screening sistematico degli strati di diffusione del gas per l'elettrolisi_{della CO2} ad alte prestazioni. Commun Chem. 2023 Feb 24;6(1):41. doi: 10.1038/s42004-023-00836-2. PMID: 36828885; PMCID: PMC9958001.