In riferimento al link citato:
Lo strato di trasporto poroso (PTL) adiacente agli strati di catalizzatore del complesso MEA (Membrane Electrolytic Assembly) della Membrana Elettrolitica polimerica PEM-WE è un componente di vitale importanza per la distribuzione di corrente elettrica e del trasporto di massa della membrana PEM di ogni elettrolizzatore industriale per la produzione di Idrogeno Verde da energie rinnovabili (eolico e fotovoltaico).
L'influenza della microstruttura porosa di detto strato di trasporto PTL è rilevante sulle prestazioni ottimali della Membrana PEM-WE.
Sono stati esaminati e caratterizzati due diversi tipi di detto strato di trasporto poroso relativamente alla distribuzione e diametro medio dei pori costituenti detti due tipi di strato microporoso di trasporto.
Le misure di porosità tramite microscopio elettronico ed intrusione di Mercurio e l'analisi micro-tomografica
a raggi X hanno consentito di individuare due strutture limite principali:
una struttura detta SP-PTL a piccoli pori (Small) ed una struttura detta LP-PTL a grandi pori (Large), dove quest'ultima è critica perchè presenta ampie variazioni nelle dimensioni dei pori ed una notevole variabiolità della porosità complessiva.
Misure elettrochimiche di polarizzazione I/V e di impedenza mediante spettroscopia elettrochimica mostrano che lo strato micro-poroso a piccoli pori SP-PTL dà prestazioni di trasporto di massa e di densità di corrente nettamente superiori rispetto alla struttura LP-PTL a grandi pori alquanto disuniformi.
La resistenza ohmica di contatto dello strato poroso anodico e lo strato di catalizzatore gioca un ruolo fondamentale sulle prestazioni ed efficienza del complesso MEA della membrana PEM-WE.
Lo strato poroso PTL è piazzato a sandwich tra lo strato del catalizzatore e le piastre bipolari metalliche di entrambi gli elettrodi ed ha un effetto notevole sulle prestazioni complessive della Membrana PEM-WE.
Detto strato influenza notevolmente i fenomeni di conduzione elettrica e di trasporto di calore e corrente nel complesso MEA, come anche influenza il trasporto di massa delle fasi liquida e gassosa ed il loro flusso nei canali della cella elettrolitica.
Inoltre lo strato PTL funge da supporto meccanico alla Membrana PEM ed agli elettrodi nel caso di celle a pressione differenziata ed è costituito materialmente da polvere di Titanio sinterizzata, feltro di Titanio o fogli estrusi di schiuma di Titanio.
Detti materiali devono avere proprietà morfologiche di porosità, di diametri dei pori, di dimensioni delle particelle e fibre costituenti, di tortuosità dei pori, spessore e permeabilità ottimali necessarie per influenzare positivamente le prestazioni della cella elettrolitica.
Le varie proprietà micro-strutturali dello strato PTL sono rappresentate dalla porosità, dalle dimensioni dei pori, dalla permeabilità, dallo spessore dello strato, dai fenomeni di trasporto delle fasi gas/liquido attraverso i pori, dalla tortuosità, dalla distribuzione dimensionale dei pori, fattori che rivestono una importanza fondamentale sulle prestazioni del complesso MEA della membrana PEM-WE, come dimostrano le curve specifiche di polarizzazione e la spettroscopia dell'impedenza elettrochimica.
Per lo studio delle proprietà dello strato di trasporto poroso sono stati preparati campioni di materiale sia con piccolo diametro dei pori (16 micron) e sia con grande diametro dei pori (60 micron).
La cella elettrolitica utilizzata per la misura delle proprietà dello strato di trasporto poroso è costituita da un complesso MEA (Membrane Electrolytic Assembly) fornito dalla ITM Power UK e consiste in una membrana Nafion 115 e da due elettrodi di cui l'anodo è composto da un film di catalizzatore IrO2/RuO2 di 3 mg/cm2 di carico superficiale ed il catodo è composto da un film di Nero di Pt di 0,6 mg/cm2.
L'area attiva della singola cella è di 9 cm2.
Le piastre elettrodiche metalliche sia all'anodo che al catodo sono costituite da Titanio puro di 3 mm di spessore.
E' stato utilizzato un singolo canale di flusso a serpentina costituito da 9 percorsi paralleli di larghezza e profondità di 1,36 mm e 3,0 mm rispettivamente sia per l'anodo che per il catodo.
Le caratteristiche dei due tipi di PTL poroso da 16 e da 60 micron di diametro medio dei pori sono precisate nella tabella 1 dello studio linkato.
L'acqua deionizzata di circolazione alle portate desiderate è mossa da una pompa peristaltica ed è alimentata sia all'anodo che al catodo a pressione ambiente e ad una temperatura di 80°C.
La morfologia superficiale dello strato di trasporto poroso è stata determinata con microscopio elettronico.
La distribuzione e la dimensione dei pori, ed il volume totale dei pori sono stati determinati mediante porosimetria ad intrusione di Mercurio.
La porosità rotale, la tortuosità del percorso tra i pori, e la distribuzione del diametro dei pori sono state determinate mediante tomografia micro-computerizzata ai raggi X.
La segmentazione dei pori, l'immagine ed il volume tridimensionale sono stati ricostruiti con un software particolare denominato AVIZO.
La caratterizzazione elettrochimica della cella è stata realizzata mediante misura della polarizzazione a valori di densità di corrente con scansione di 0,1 A/sec e nell'intervallo tra 0 e 3 A/cm2.
L'impedenza è stata misurata a diverse densità di corrente tra 0,1 e 3,0 A/cm2.
Le immagini tridimensionali realizzate confermano l'ottima regolarità della struttura micro-porosa a piccoli pori SP-PTL, mentre i pori nettamente più grandi della struttura LP-PTL sono dominati da notevoli irregolarità nella loro forma e delle particelle più grandi componenti.
Questa distribuzione relativa allo strato poroso LP-PTL con pori e particelle irregolarmente più grandi (ca. 60 micron di diametro medio) risulta essere di porosità complessiva notevolmente più irregolare rispetto alla porosità degli strati micro-porosi adiacenti costituiti degli elettro-catalizzatori anodico e catodico usati per realizzare le reazioni elettrolitiche di scissione dell'acqua.
Ciò comporta per conseguenza per lo strato LP-PTL un contatto non uniforme e insufficiente con lo strato dei catalizzatori, con aumento delle resistenza di flusso e ohmica tra lo strato LP-PTL e i catalizzatori e successivamente le piastre metalliche elettrodiche finali, il tutto con un risultato complessivamente negativo per eccesso di resistenza nel confronto tra lo strato poroso grosso LP-PTL da 60 micron rispetto allo strato SP-PTL più fine da 16 micron.
Lo strato poroso piccolo SP-PTL mostra anche un volume complessivo dei pori più alto (1,70 cm3/gr) rispetto alla struttura più grossa LP-PTL (0,58 cm3/gr), e questo fatto gioca più favorevolmente sulla capacità migliorata del trasporto di massa fluida.
Le curve di polarizzazione alla temperatura di 80°C ed a pressione ambiente dimostrano migliori prestazioni della struttura SP-PTL a piccoli pori rispetto alla struttura LP-PTL a grandi pori, sopratutto ai valori più elevati di densità di corrente dell'ordine uguale o superiore a 3 A/cm2, con rendimenti energetici superiori per la struttura con piccoli fori più regolari e più uniformemente distribuiti nello strato poroso di trasporto.
Le misure di impedenza a diversi valori di densità di corrente invece non rivelano differenze apprezzabili tra i due tipi di strutture a piccoli e a grandi pori.
Si notano peraltro differenze nei valori di tortuosità dei percorsi micro-porosi, dove la struttura a piccoli pori regolari risulta più favorevole al trasporto delle masse fluide attraverso lo strato poroso.
Si conclude che la micro-struttura a piccoli pori ha una superiore regolarità e uniformità nella distribuzione e dimensione dei pori rispetto alla struttura a grandi pori, che risulta affetta da una maggiore irregolarità e variabilità nella dimensione dei pori e nella loro distribuzione nello strato poroso di trasporto.
Le curve di polarizzazione dimostrano una significativa differenza di resistenza ohmica di ca. 200 mV, con valori nettamente inferiori e favorevoli per lo strato a piccoli pori rispetto a quello a grandi pori, in particolare ai valori di densità di corrente uguali o superiori a 3 A/cm2.
Anche la resistenza ohmica nel contatto tra gli strati dei catalizzatori e quelli adiacenti micro-porosi PTL risulta nettamente inferiore e più favorevole, relativamente alla efficienza globale del sistema a Membrana PEM-WE, per la struttura di trasporto porosa a piccoli pori da 16 micron rispetto e quella più scadente a grandi pori da 60 micron.
Misure elettrochimiche di polarizzazione I/V e di impedenza mediante spettroscopia elettrochimica mostrano che lo strato micro-poroso a piccoli pori SP-PTL dà prestazioni di trasporto di massa e di densità di corrente nettamente superiori rispetto alla struttura LP-PTL a grandi pori alquanto disuniformi.
La resistenza ohmica di contatto dello strato poroso anodico e lo strato di catalizzatore gioca un ruolo fondamentale sulle prestazioni ed efficienza del complesso MEA della membrana PEM-WE.
Lo strato poroso PTL è piazzato a sandwich tra lo strato del catalizzatore e le piastre bipolari metalliche di entrambi gli elettrodi ed ha un effetto notevole sulle prestazioni complessive della Membrana PEM-WE.
Detto strato influenza notevolmente i fenomeni di conduzione elettrica e di trasporto di calore e corrente nel complesso MEA, come anche influenza il trasporto di massa delle fasi liquida e gassosa ed il loro flusso nei canali della cella elettrolitica.
Inoltre lo strato PTL funge da supporto meccanico alla Membrana PEM ed agli elettrodi nel caso di celle a pressione differenziata ed è costituito materialmente da polvere di Titanio sinterizzata, feltro di Titanio o fogli estrusi di schiuma di Titanio.
Detti materiali devono avere proprietà morfologiche di porosità, di diametri dei pori, di dimensioni delle particelle e fibre costituenti, di tortuosità dei pori, spessore e permeabilità ottimali necessarie per influenzare positivamente le prestazioni della cella elettrolitica.
Le varie proprietà micro-strutturali dello strato PTL sono rappresentate dalla porosità, dalle dimensioni dei pori, dalla permeabilità, dallo spessore dello strato, dai fenomeni di trasporto delle fasi gas/liquido attraverso i pori, dalla tortuosità, dalla distribuzione dimensionale dei pori, fattori che rivestono una importanza fondamentale sulle prestazioni del complesso MEA della membrana PEM-WE, come dimostrano le curve specifiche di polarizzazione e la spettroscopia dell'impedenza elettrochimica.
Per lo studio delle proprietà dello strato di trasporto poroso sono stati preparati campioni di materiale sia con piccolo diametro dei pori (16 micron) e sia con grande diametro dei pori (60 micron).
La cella elettrolitica utilizzata per la misura delle proprietà dello strato di trasporto poroso è costituita da un complesso MEA (Membrane Electrolytic Assembly) fornito dalla ITM Power UK e consiste in una membrana Nafion 115 e da due elettrodi di cui l'anodo è composto da un film di catalizzatore IrO2/RuO2 di 3 mg/cm2 di carico superficiale ed il catodo è composto da un film di Nero di Pt di 0,6 mg/cm2.
L'area attiva della singola cella è di 9 cm2.
Le piastre elettrodiche metalliche sia all'anodo che al catodo sono costituite da Titanio puro di 3 mm di spessore.
E' stato utilizzato un singolo canale di flusso a serpentina costituito da 9 percorsi paralleli di larghezza e profondità di 1,36 mm e 3,0 mm rispettivamente sia per l'anodo che per il catodo.
Le caratteristiche dei due tipi di PTL poroso da 16 e da 60 micron di diametro medio dei pori sono precisate nella tabella 1 dello studio linkato.
L'acqua deionizzata di circolazione alle portate desiderate è mossa da una pompa peristaltica ed è alimentata sia all'anodo che al catodo a pressione ambiente e ad una temperatura di 80°C.
La morfologia superficiale dello strato di trasporto poroso è stata determinata con microscopio elettronico.
La distribuzione e la dimensione dei pori, ed il volume totale dei pori sono stati determinati mediante porosimetria ad intrusione di Mercurio.
La porosità rotale, la tortuosità del percorso tra i pori, e la distribuzione del diametro dei pori sono state determinate mediante tomografia micro-computerizzata ai raggi X.
La segmentazione dei pori, l'immagine ed il volume tridimensionale sono stati ricostruiti con un software particolare denominato AVIZO.
La caratterizzazione elettrochimica della cella è stata realizzata mediante misura della polarizzazione a valori di densità di corrente con scansione di 0,1 A/sec e nell'intervallo tra 0 e 3 A/cm2.
L'impedenza è stata misurata a diverse densità di corrente tra 0,1 e 3,0 A/cm2.
Le immagini tridimensionali realizzate confermano l'ottima regolarità della struttura micro-porosa a piccoli pori SP-PTL, mentre i pori nettamente più grandi della struttura LP-PTL sono dominati da notevoli irregolarità nella loro forma e delle particelle più grandi componenti.
Questa distribuzione relativa allo strato poroso LP-PTL con pori e particelle irregolarmente più grandi (ca. 60 micron di diametro medio) risulta essere di porosità complessiva notevolmente più irregolare rispetto alla porosità degli strati micro-porosi adiacenti costituiti degli elettro-catalizzatori anodico e catodico usati per realizzare le reazioni elettrolitiche di scissione dell'acqua.
Ciò comporta per conseguenza per lo strato LP-PTL un contatto non uniforme e insufficiente con lo strato dei catalizzatori, con aumento delle resistenza di flusso e ohmica tra lo strato LP-PTL e i catalizzatori e successivamente le piastre metalliche elettrodiche finali, il tutto con un risultato complessivamente negativo per eccesso di resistenza nel confronto tra lo strato poroso grosso LP-PTL da 60 micron rispetto allo strato SP-PTL più fine da 16 micron.
Lo strato poroso piccolo SP-PTL mostra anche un volume complessivo dei pori più alto (1,70 cm3/gr) rispetto alla struttura più grossa LP-PTL (0,58 cm3/gr), e questo fatto gioca più favorevolmente sulla capacità migliorata del trasporto di massa fluida.
Le curve di polarizzazione alla temperatura di 80°C ed a pressione ambiente dimostrano migliori prestazioni della struttura SP-PTL a piccoli pori rispetto alla struttura LP-PTL a grandi pori, sopratutto ai valori più elevati di densità di corrente dell'ordine uguale o superiore a 3 A/cm2, con rendimenti energetici superiori per la struttura con piccoli fori più regolari e più uniformemente distribuiti nello strato poroso di trasporto.
Le misure di impedenza a diversi valori di densità di corrente invece non rivelano differenze apprezzabili tra i due tipi di strutture a piccoli e a grandi pori.
Si notano peraltro differenze nei valori di tortuosità dei percorsi micro-porosi, dove la struttura a piccoli pori regolari risulta più favorevole al trasporto delle masse fluide attraverso lo strato poroso.
Si conclude che la micro-struttura a piccoli pori ha una superiore regolarità e uniformità nella distribuzione e dimensione dei pori rispetto alla struttura a grandi pori, che risulta affetta da una maggiore irregolarità e variabilità nella dimensione dei pori e nella loro distribuzione nello strato poroso di trasporto.
Le curve di polarizzazione dimostrano una significativa differenza di resistenza ohmica di ca. 200 mV, con valori nettamente inferiori e favorevoli per lo strato a piccoli pori rispetto a quello a grandi pori, in particolare ai valori di densità di corrente uguali o superiori a 3 A/cm2.
Anche la resistenza ohmica nel contatto tra gli strati dei catalizzatori e quelli adiacenti micro-porosi PTL risulta nettamente inferiore e più favorevole, relativamente alla efficienza globale del sistema a Membrana PEM-WE, per la struttura di trasporto porosa a piccoli pori da 16 micron rispetto e quella più scadente a grandi pori da 60 micron.
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