Elastomeri: un'alternativa all'acciaio inossidabile Batterie PEM

La mobilità a emissioni zero diventa ogni giorno più probabile grazie alla rapida crescita della tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno (PEMFC). 

Essendo uno dei più efficienti dispositivi di conversione dell'energia, le celle a combustibile PEM convertono l'ossigeno dell'aria e l'idrogeno in energia pulita, lasciando l'acqua come unico sottoprodotto. La loro bassa temperatura di funzionamento e l'eccellente affidabilità le rendono particolarmente adatte a un'ampia applicazione come fonti di energia per il mercato dei veicoli commerciali.

Come funzionano le celle a combustibile a idrogeno?

Le celle a combustibile a idrogeno, collegate parallelamente in "pile", generano elettricità attraverso una serie di reazioni chimiche che portano alla formazione di acqua. All'anodo, l'idrogeno cede i suoi elettroni, producendo ioni H+. Gli elettroni separati viaggiano poi attraverso un circuito esterno verso il catodo sotto forma di corrente, che viene utilizzata per alimentare un sistema di trazione elettrica. Nel catodo, l'ossigeno reagisce con gli ioni H+ e gli elettroni in entrata per formare idrossili OH-, che reagiscono ulteriormente con gli ioni H+ e gli elettroni per produrre acqua.

Anche se il principio di funzionamento sembra semplice, le PEMFC sono sistemi molto delicati i cui componenti devono essere scelti con cura. Il catalizzatore utilizzato agli elettrodi è basato sul costoso platino, il che rende facile avvelenare la cella con particelle estranee che potrebbero provenire dal combustibile o dai componenti della pila.

Crescono i requisiti dei materiali delle celle a combustibile a idrogeno: durata, purezza, peso.

L'avvelenamento del catalizzatore o della membrana può provocare un drastico calo delle prestazioni della cella a combustibile, riducendone notevolmente la durata. La durata della cella influisce direttamente sul suo costo, quindi la selezione dei materiali giusti per i componenti della cella è molto importante per aumentare l'affidabilità del sistema.

Problemi di purezza dei materiali metallici

L'acciaio inossidabile è un materiale adatto per le attrezzature strutturali delle celle a combustibile, come tubazioni, bombole di gas o valvole. Grazie alla sua tenacità e duttilità, l'uso dell'acciaio inossidabile è ampiamente preferito nelle parti delle celle a combustibile come le tubazioni e i serbatoi ad alta pressione, dove si verifica il contatto con l'idrogeno ad alta purezza e ad alta pressione.

Nonostante le sue numerose qualità, l'acciaio inossidabile a contatto prolungato con l'idrogeno subisce importanti modifiche strutturali che hanno un impatto negativo sul sistema di celle a combustibile, per non parlare del peso e del costo elevati. Alcune delle principali preoccupazioni legate all'uso dei metalli nelle PEMFC sono fenomeni come l'infragilimento da idrogeno e la corrosione.

L'infragilimento da idrogeno si verifica quando l'idrogeno penetra e si diffonde nei metalli. Di conseguenza, questi diventano fragili. Questo fenomeno è dovuto al fatto che la molecola di idrogeno a contatto con i metalli si divide in due atomi e penetra nel materiale allo stato atomico, provocando un effetto dannoso. L'entità dell'infragilimento dipende dalla quantità di idrogeno assorbito e dalla microstruttura del materiale. 

L'infragilimento da idrogeno può verificarsi in tutte le situazioni in cui l'idrogeno è a diretto contatto con parti metalliche, come il serbatoio dell'idrogeno e l'anello anodico della cella a combustibile.

Problemi di durata dei materiali metallici

Un altro fenomeno che minaccia la durata delle parti metalliche è la loro suscettibilità alla corrosione, soprattutto quando il metallo non è rivestito. I metalli possono dissolversi nell'ambiente acido e umido delle celle a combustibile PEM, rilasciando ioni che possono avvelenare il gruppo elettrodo-membrana, causando una diminuzione della potenza della cella a combustibile.

Elastomeri: la soluzione per le celle a combustibile a idrogeno

Per i tubi e le guarnizioni dei sistemi di celle a combustibile, gli elastomeri sono la soluzione ideale. L'elevato grado di flessibilità e la leggerezza li rendono perfetti per i tubi di forma complicata che devono essere inseriti sotto il cofano dei veicoli a celle a combustibile.

L'infragilimento da idrogeno non si verifica negli elastomeri, poiché nei polimeri l'idrogeno viene assorbito come molecola biatomica. L'effetto dell'idrogeno sugli elastomeri si basa sulla permeabilità, sulla diffusività e sulla solubilità dell'idrogeno in essi. Questi parametri variano a seconda della famiglia di elastomeri e degli ingredienti scelti. Ad esempio, la permeabilità della gomma siliconica è molto più elevata di quella dei fluoroelastomeri a base di fluorocarburi.
 

La ricetta di compoundazione ha anche un impatto sulla purezza del materiale e sugli ioni che possono lisciviare da esso. Ad esempio, è necessario valutare i valori di lisciviazione accettabili di elementi quali alogeni (F, Cl, Br, I), metalli alcalini (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) e metalli alcalino-terrosi (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra).

In Venair, i composti per i tubi delle celle a combustibile sono personalizzati per soddisfare le caratteristiche desiderate e controllare la quantità di sostanze lisciviate, mantenendo una bassa permeabilità all'idrogeno.

FONTI

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2014.00002/full

https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-hydrogen-embrittlement

https://www.technology.matthey.com/article/57/4/259-271/