Ottimizzazione del progetto di un elettrolizzatore industriale con membrana PEM-WE con massima uniformità di distribuzione del calore, masse bifasiche e cariche ioniche con operatività ad alta pressione, temperatura e densità di corrente.

https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.10.008


Nello studio di cui al link succitato si descrive dettagliatamente lo "stato dell'arte" relativo al progetto e costruzione di un elettrolizzatore PEM (Proton Exchange Membrane) industriale ottimizzato sotto ogni aspetto tecnico chimico-fisico, produttivo ed economico includente le specie chimiche bifasiche, la distribuzione del calore di reazione ed il trasporto delle cariche ioniche nel comparto anionico e nell'assieme dei componenti MEA (Membrane Electrochemical Assembly) della membrana PEM..

Si calcola e dimensiona accuratamente dal punto di vista ingegneristico e matematico il modello di un elettrolizzatore PEM operante su scala industriale, ad elevate pressione e temperatura e con alta densità di corrente, tenuto conto anche dello strato complementare dell'elettro-catalizzatore specifico interfacciato alla membrana PEM.

La densità di corrente assunta nei calcoli del progetto è di 5 A/cm2, specificando le perdite ohmiche minimizzate connesse con la cinetica della reazione anodica, della resistenza della membrana PEM stessa e con le resistenze ohmiche degli strati complementari dei componenti anionici a contatto con la membrana.

Operando ad una pressione catodica di 100 bar e alla elevata densità di corrente di 5 A/cm2 si calcola che le componenti di flusso delle masse gassose e liquide, di calore e di cariche ioniche variano relativamente poco nei valori medi entro la cella elettrolitica, mentre possono variare notevolmente nella distribuzione fisica localizzata dei loro valori medi, generando condizioni di esercizio variabili localmente con forte impatto ed influenza sulle rese globali e sulla vita media dei componenti assemblati MEA insieme ed a contatto con la membrana PEM.
In particolare una inadeguata distribuzione delle masse gassose e liquide in gioco e della temperatura nella cella elettrolitica gioca negativamente sulla efficienza globale della cella e sulla sua vita media nel tempo.

L'incremento notevole della densità di corrente nella cella elettrolitica è un fattore determinante per la riduzione dei costi di investimento e per l'incremento della produzione di Idrogeno dell'elettrolizzatore. L'interesse è di aumentare ulteriormente la densità di corrente oltre i 5 A/cm2 fino a 10 A/cm2, come risulta essere in corso nella costruzione di elettrolizzatori PEM ad esempio il GINEX ELX o il PROTON ONSIDE Inc. o EVII Fuel Cell A/S con il controllo ottimizzato dei flussi di massa, calore e cariche ioniche descritti nel link PDF.

Determinante è il controllo dei flussi nelle parti e strati complementari a contatto con la membrana PEM del complesso elettrodico detto MEA, per esempio il controllo dello strato CL e MPL(elettro-catalizzatori), dello strato PTL (Porous Transport Layer), delle piastre elettrodiche bipolari BPP a base di Titanio e Niobio.

Determinante è il controllo della costanza di temperatura, di pressione, della concentraziobne dell'acqua di reazione e delle carche ioniche generatrici di Ossigeno e Idrogeno del sistema e cella elettrolitica.

Il  modello e progetto sviluppato in questo importante studio per la realizzazione di un efficiente e nuovo elettrolizzatore PEM industriale consente di utilizzare il fondamentale parametro della densità di corrente con accuratezza fino a 10 A/cm2 e di predire le resistenze ohmiche ottimizzate degli strati componenti a contatto con la membrana PEM, che sono di importanza basilare per governare i fenomeni di trasporto di massa, di cariche ioniche, della cinetica di reazione, della temperatura e pressione di esercizio, realizzando il massimo della ottimizzazione possibile.