PEM Electrolyzer Materials - Niche Market with Large Opportunities

L'idrogeno verde è sempre più riconosciuto come materia prima industriale pulita e come vettore energetico del futuro. Il cuore della produzione di idrogeno verde è l'elettrolizzatore ad acqua. Storicamente, l'elettrolizzatore ad acqua alcalina (AWE) ha dominato il mercato grazie alla sua maturità e al suo sviluppo. Tuttavia, negli ultimi due decenni, l'elettrolizzatore a membrana a scambio protonico (PEMEL) ha registrato un rapido progresso, entrando rapidamente nelle applicazioni commerciali. Particolarmente diffuso in Europa, il PEMEL si distingue per l'elevata efficienza energetica e la compatibilità con le fonti di energia rinnovabili intermittenti.

 

L'elettrolizzatore PEM condivide molti materiali e componenti con la cella a combustibile PEM (PEMFC), traendo grande vantaggio dai progressi nel settore delle celle a combustibile. Avviata dalla NASA, la tecnologia PEMFC si è evoluta in modo significativo, portando sia la PEMEL che la PEMFC a diventare tecnologie relativamente consolidate. Tuttavia, devono ancora affrontare numerose sfide.

 

Il fiorente mercato dell'idrogeno verde sta spingendo la domanda di sistemi elettrolizzatori, generando a sua volta una domanda di materiali e componenti per elettrolizzatori. Questa impennata rappresenta una grande opportunità per i fornitori di materiali e componenti, insieme a vari operatori del settore, per sfruttare questa crescita, innovare e introdurre nuovi prodotti. Questo articolo di ricerca approfondisce i materiali e i componenti critici dell'elettrolizzatore PEM, evidenziando i problemi e le opportunità principali di questo settore in evoluzione. Per ulteriori approfondimenti su questo argomento, si rimanda al rapporto IDTechEx "Materiali per la produzione di idrogeno verde 2024-2034: tecnologie, attori, previsioni".

 

 

 

La membrana a scambio protonico (PEM) è la spina dorsale dell'elettrolizzatore, situata tra il catodo e l'anodo. Le PEM facilitano il trasferimento di protoni (ioni H⁺ ) dall'anodo al catodo. Forniscono inoltre l'isolamento elettrico tra gli elettrodi e assicurano che le reazioni di evoluzione dell'idrogeno e dell'ossigeno avvengano separatamente, ottenendo così una produzione di idrogeno di elevata purezza ed evitando di mescolare i gas, in particolare l'idrogeno con l'ossigeno.

 

Le membrane sono costituite da ionomeri di acidi solfonici perfluorurati (PFSA). Il Nafion, un marchio di Chemours (originariamente sviluppato da DuPont), è il materiale storico e più noto utilizzato nelle PEMEL e nelle PEMFC. Il mercato è dominato da operatori affermati come Chemours e W. L. Gore & Associates. Tuttavia, queste aziende stanno ancora cercando di innovare i loro prodotti per ottenere prestazioni migliori.

 

Il problema principale del miglioramento delle PEM è il compromesso tra prestazioni, sicurezza e durata. Infatti, l'aumento delle prestazioni richiede membrane più sottili per aumentare la conduttività; tuttavia, ciò provoca un maggiore crossover di idrogeno in ossigeno e un più rapido degrado della membrana. Una tattica comunemente esplorata nel settore è l'uso di uno strato di rinforzo, come il politetrafluoroetilene espanso (PTFE), su cui viene poi rivestito lo ionomero PFSA.

 

Affrontare i compromessi di miglioramento utilizzando nuovi materiali compositi per le membrane sarà fondamentale per far progredire la tecnologia. Nonostante i problemi, le membrane PFSA continueranno a essere il materiale principale a causa della mancanza di alternative adeguate e pronte per il mercato. Esiste quindi un mercato significativo per le membrane nei settori degli elettrolizzatori e delle celle a combustibile.

 

 

Il platino (Pt) e l'iridio (Ir) catalizzano le reazioni elettrochimiche di evoluzione dell'idrogeno e dell'ossigeno che avvengono rispettivamente nell'elettrolizzatore. I materiali all'avanguardia utilizzati sono il platino supportato su nerofumo (Pt/C) per il catodo e il nero iridio (Ir) o l'ossido di iridio (IrO_x ) per l'anodo.

 

I catalizzatori sono combinati con resine ionomeriche PFSA sotto forma di inchiostro, che viene poi rivestito sulla membrana, producendo la membrana rivestita di catalizzatore (CCM). La produzione di CCM è un filone di ricerca fondamentale, poiché le prestazioni dell'elettrolizzatore dipendono in larga misura dalle sue proprietà. Un punto chiave è lo sviluppo di processi roll-to-roll efficienti e continui per la produzione di CCM, in grado di garantire prestazioni costanti, perdite minime di inchiostri catalitici e una produzione su larga scala altamente automatizzata.

 

L'obiettivo di ricerca più importante è la necessità di ridurre il carico di iridio agli anodi. Gli attuali carichi di 1 - 2,5 g/kW degli elettrolizzatori PEM sono problematici, poiché la futura domanda di elettrolizzatori PEM potrebbe mettere a dura prova l'offerta globale di iridio. Per risolvere questo problema, i produttori di catalizzatori come Heraeus Precious Metals stanno introducendo sul mercato nuovi prodotti che riducono il carico di iridio. Tra questi vi è l'ossido di iridio-rutenio (IrRuO_x ), che sta già iniziando a essere utilizzato a livello commerciale. Tuttavia, per ridurre la dipendenza dalla fornitura di iridio, saranno necessari nuovi catalizzatori a base di iridio supportato (concetto simile a quello del platino supportato sul carbonio). Esistono quindi notevoli opportunità di sviluppare e introdurre sul mercato nuovi catalizzatori che forniscano prestazioni competitive rispetto agli attuali Ir e IrO_x , riducendo al contempo il carico complessivo di iridio a meno di 1 g/kW.

 

 

Gli strati di diffusione dei gas (GDL), noti anche come strati di trasporto porosi (PTL), sono un altro componente chiave delle celle PEMEL. Questi componenti sono presenti su entrambi i lati degli elettrodi e facilitano il trasferimento dell'acqua alla membrana, la rimozione dei gas prodotti (H₂ e O₂ ) dagli elettrodi e il flusso di elettroni attraverso la cella.

Come materiale catodico viene utilizzata carta di carbonio, composta da fibre di carbonio, PTFE e nerofumo. Il lato anodico si basa sull'uso di feltro di titanio, rivestito da un sottile strato di platino. Il titanio è necessario per la sua resistenza alla corrosione sul lato anodico, mentre il platino fornisce una maggiore conducibilità elettrica e una maggiore stabilità. Questi materiali sono destinati a rimanere e faranno parte di tutti gli stack PEMEL.

 

La carta carbone è stata sviluppata grazie agli sforzi dell'industria delle celle a combustibile PEM ed è già abbastanza matura. Pertanto, lo sviluppo si concentra principalmente sul lato anodico per ridurre lo spessore del feltro di titanio, ottimizzare la porosità e ridurre la quantità di platino necessaria. Il carico di platino è particolarmente importante e può essere ridotto utilizzando tecnologie di rivestimento avanzate, come la deposizione fisica da vapore (PVD).

 

 

Le piastre bipolari fungono da barriera fisica per separare le cellule. Ma soprattutto, queste piastre conducono gli elettroni dall'anodo di una cella al catodo di un'altra, oltre a fornire canali per il flusso di acqua e gas nelle celle. A differenza delle celle a combustibile PEM, in cui è possibile utilizzare piastre bipolari in grafite, gli elettrolizzatori PEM si affidano a piastre in titanio perché più resistenti alla corrosione. I rivestimenti in oro e platino sono necessari rispettivamente sui lati rivolti verso il catodo e verso l'anodo, per una maggiore resistenza alla corrosione e una bassa resistenza al contatto elettrico, simile al platino utilizzato nelle GDL in titanio.

 

Ancora una volta, questi componenti beneficiano della produzione di piastre bipolari metalliche altamente sviluppate dall'industria delle celle a combustibile PEM. Tra le aziende che forniscono tecnologie di produzione di piastre vi sono Dana Inc, Schuler, Elcon Precision e molte altre. Tutti i produttori utilizzano tecnologie diverse, ognuna con i propri pro e contro. Nonostante l'elevato livello di sviluppo, i produttori possono ancora ottimizzare la produzione riducendo gli sprechi di materiale e velocizzando le linee di produzione.

 

Il rivestimento delle piastre bipolari è un settore che potrebbe trarre i maggiori benefici da nuovi concetti. Ad esempio, tecnologie di rivestimento più avanzate, come la PVD, possono ridurre l'uso di metalli preziosi. Si potrebbero anche trovare alternative al titanio per ridurre il costo totale di produzione. Ciò richiede la sperimentazione di varie leghe metalliche e combinazioni di materiali, come l'acciaio inossidabile rivestito di titanio. Quest'ultimo è considerato un'opzione promettente, ma necessita ancora di test approfonditi in ambito commerciale.

 

 

Le guarnizioni o le tenute sono in genere trascurate quando si progettano le pile di elettrolizzatori, ma questi componenti sono altrettanto vitali. Servono come elementi di tenuta, creando un'interfaccia tra diversi componenti, come le piastre bipolari e il separatore. Queste barriere di precisione assicurano che i gas, l'acqua e i componenti della cella rimangano contenuti e separati come necessario. Le guarnizioni sono generalmente costituite da fogli o nastri sottili, inseriti tra le piastre bipolari.

 

I materiali delle guarnizioni sono tipicamente scelti per garantire una bassa permeabilità all'idrogeno gassoso per evitare perdite e una resistenza chimica alle condizioni acide e ossidanti dell'elettrolizzatore. Inoltre, devono avere un'adeguata comprimibilità e proprietà meccaniche per resistere alle forze di compressione. I materiali tipicamente utilizzati sono gomma etilene propilene diene monomero (EPDM), gomma fluorurata (FKM), PTFE e silicone.

 

Le guarnizioni preformate sono il tipo più comune. Sono stampate a iniezione per adattarsi alla pila dell'elettrolizzatore. I design complessi delle piastre bipolari richiedono una sigillatura accurata, quindi i produttori di guarnizioni di solito collaborano con i fornitori di elettrolizzatori o piastre bipolari. In questo modo, il produttore può depositare le guarnizioni direttamente sui componenti del cliente e spedirle a quest'ultimo. Le strategie di innovazione delle guarnizioni si concentrano sull'ottimizzazione del materiale e del processo di produzione, oltre a bypassare la fase di esecuzione fornendo resine che i clienti possono depositare e polimerizzare da soli.

 

 

Il mercato dei componenti per elettrolizzatori è pronto per un'espansione significativa: le proiezioni di IDTechEx stimano che il valore del mercato raggiungerà l'impressionante cifra di 31,7 miliardi di dollari entro il 2034. Questa crescita è guidata principalmente dalla rapida evoluzione del settore dell'idrogeno verde. Come si evince da questo articolo, esistono ampie opportunità per la fornitura di componenti e l'innovazione in questo mercato.

 

Il rapporto "Materiali per la produzione di idrogeno verde 2024-2034: tecnologie, attori, previsioni" di IDTechEx fornisce anche approfondimenti simili sui materiali e i componenti utilizzati negli elettrolizzatori ad acqua alcalina (AWE), a membrana a scambio anionico (AEMEL) e ad ossido solido (SOEC). Sono disponibili elenchi completi di fornitori di stack, componenti e materiali per elettrolizzatori, con casi di studio sulle principali innovazioni commerciali del settore. Inoltre, il rapporto fornisce previsioni di mercato granulari a 10 anni, quantificando la domanda di materiali e componenti in tonnellate, metri quadrati (m² ) e milioni di dollari all'anno. Per una visione più approfondita delle tendenze attuali e delle principali opportunità nel mercato dei componenti per elettrolizzatori d'acqua, si rimanda al rapporto.

 

Per saperne di più su questo rapporto, comprese le pagine campione scaricabili, visitate il sito www.IDTechEx.com/GreenHydrogen.