Elettrolisi Alcalina dell'acqua: elettrodi

L'elettrolisi dell'acqua per la produzione di idrogeno è un processo che avviene agli elettrodi (anodo e catodo) di una cella elettrochimica. Quando una corrente elettrica attraversa gli elettrodi, si avvia il processo di elettrolisi, che scinde l'acqua in idrogeno al catodo e ossigeno all'anodo. Quando l'energia proviene da fonti rinnovabili, l'idrogeno è definito “verde”.

Per saperne di più sullo sviluppo di elettrodi ad alte prestazioni per l'elettrolisi alcalina dell'acqua finalizzata alla produzione di idrogeno verde, abbiamo parlato con la dott.ssa Chiara di Bari, PhD, Product Manager di elettrodi per l'elettrolisi alcalina dell'acqua presso De Nora.
Nel suo ruolo, Chiara supervisiona il processo di sviluppo degli elettrodi e funge da punto di contatto tra R&S e i clienti.

Lo sviluppo di elettrodi ad alte prestazioni per l'elettrolisi dell'acqua significa ridurre al minimo il sovrapotenziale di reazione e innescare la reazione a un potenziale elettrochimico il più vicino possibile a ΔE° = -1,23 V.
Come illustrato nella figura a seguire, questo valore è raramente raggiunto in condizioni sperimentali perché dobbiamo tenere conto del sovrapotenziale del processo (perdite ohmiche, trasporto di massa, resistenza elettrica per la produzione di ossigeno e idrogeno), che si aggiunge alla tensione minima teorica della cella necessaria per innescare l'elettrolisi dell'acqua

Ciò si ottiene mediante l'uso di coatings elettrocatalitici. L’elettrodo standard utilizzato su scala di laboratorio (100 cm²) è composto da un substrato metallico rivestito con uno strato elettrocatalitico. Il substrato metallico, tipicamente nichel, funge da conduttore di elettroni, mentre il coating elettrocatalitico favorisce l'evoluzione dell'idrogeno al catodo e dell'ossigeno all'anodo nella cella elettrochimica.
Questi rivestimenti consistono in miscele accuratamente formulate di metalli di transizione e terre rare, sviluppate nei nostri laboratori di ricerca e sviluppo. Poi vengono applicate sui substrati di nichel per migliorare l'efficienza della produzione elettrochimica di idrogeno e ossigeno.

Gli elettrodi vengono sottoposti a una serie di test che valutano il comportamento del coating in diverse condizioni di usura, replicando le operazioni degli impianti industriali. La prima analisi per valutare le prestazioni dell’elettrodo è il SEP (potenziale di singolo elettrodo), che misura il potenziale elettrochimico dell’elettrodo appena sviluppato.

Inoltre, i test di vita accelerata valutano la robustezza e la durata degli elettrodi.

Ogni anno, i centri R&D di De Nora eseguono circa 2 milioni di ore di test sugli elettrodi su 300 celle, che operano 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Questi test di vita accelerata possono simulare da 5 a 10 anni di prestazioni sul campo in pochi mesi di funzionamento, consentendo di prevedere con eccezionale precisione la durata e l’efficienza degli elettrodi. I nostri centri sono dotati di celle pilota in grado di replicare l'elettrolisi dell'acqua in condizioni reali. Potenziali di singolo elettrodo (SEP) e test di vita accelerata consentono di simulare diverse configurazioni operative, ad esempio l'accoppiamento dell'impianto a fonti rinnovabili o il collegamento alla rete.

Inoltre, i nostri laboratori R&D sono interconnessi a livello globale. I test vengono registrati automaticamente e valutati nel Global Database, un potente archivio dinamico. Questa risorsa, integrata con l'intelligenza artificiale e modelli di machine learning, costituisce la base delle nostre analisi avanzate.

Gli anodi e/o i catodi di nuova concezione vengono testati anche in una cella elettrochimica pilota a configurazione zero gap, allestita per valutare le prestazioni BOL (beginning of life) e la stabilità nel tempo in condizioni di funzionamento continuo o intermittente. Le condizioni operative rispecchiano gli standard industriali: soluzione di KOH (30% p/p), temperatura ~90 °C, densità di corrente in funzione delle diverse applicazioni. Verificando questi parametri, possiamo valutare in che modo i componenti (anodo, catodo e diaframma) influenzano le prestazioni complessive della cella e identificare le migliori configurazioni degli elettrodi per le diverse applicazioni.

Altri test durano migliaia di ore e valutano la robustezza della cella nel corso di periodi prolungati. Si tratta solitamente di test di vita accelerati, in grado di prevedere la robustezza e la durata per un periodo di 8 anni.

Poiché l'energia rinnovabile è intrinsecamente variabile, l'elettrolizzatore opera solo in modo intermittente. Di conseguenza, sia l'anodo che il catodo devono sostenere questo funzionamento intermittente, il che impone condizioni particolarmente stressanti per gli elettrodi. È quindi essenziale formulare coating in grado di resistere alle variazioni di carico e ai frequenti avviamenti e arresti, in un'ampia gamma di configurazioni, potenziali e condizioni operative.

In alternativa, per prevenire il degrado del coating si applica una piccola corrente elettrica esterna all'elettrolizzatore. Questo metodo garantisce che gli elettrodi rimangano entro intervalli di potenziale stabili ed è applicabile solo agli stack alcalini atmosferici.