Un progetto franco-svizzero saggia rivestimenti anticorrosione per ridurre costi e materiali critici degli elettrolizzatori PEM per un H2 pulito

La riduzione del costo dell’idrogeno verde non passa soltanto da più energia rinnovabile o da elettrolizzatori più grandi. Passa anche da materiali meno costosi, rivestimenti più stabili e componenti capaci di resistere per anni in ambienti chimici estremi. È questo il terreno del progetto PROTIS, iniziativa franco-svizzera dedicata ai rivestimenti protettivi in subossido di titanio per componenti degli elettrolizzatori a membrana polimerica. Il progetto coinvolge l’Institut de la Corrosion di Brest, il LEMTA dell’Università della Lorena e l’EMPA, i Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali.

Il punto di partenza è industriale prima ancora che scientifico. Secondo il materiale diffuso da EMPA, oltre il 90 per cento dell’idrogeno oggi prodotto deriva ancora da fonti fossili, soprattutto gas naturale. La via elettrolitica alimentata da elettricità rinnovabile resta più sostenibile, ma è indicata come circa due volte più costosa rispetto alla produzione convenzionale. In questo divario si colloca una delle questioni più concrete della sostenibilità energetica: rendere competitiva una tecnologia senza ridurne affidabilità, durata e compatibilità con l’uso industriale.

Il quadro corretto, però, non è quello di una ricerca svizzera con partner accessori. La scheda dell’Agence Nationale de la Recherche identifica PROTIS come progetto coordinato da Michel Prestat dell’Institut de la Corrosion. LEMTA lo presenta come un progetto nato dall’appello PRCI, i Projets de recherche collaborative internationale, fra Francia e Svizzera, finanziato dall’ANR e dal Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica. La durata indicata è di 42 mesi, dal 2023 al 2026, con un finanziamento complessivo di 828 mila euro, di cui 271 mila destinati al LEMTA. Questa architettura istituzionale cambia la lettura dell’innovazionre: al centro non c’è un singolo laboratorio, ma una filiera di competenze complementari.

Una governance franco-svizzera per ridurre il CAPEX

PROTIS lavora su un ostacolo preciso alla diffusione degli elettrolizzatori PEM, cioè la dipendenza da componenti in titanio e da rivestimenti basati su metalli nobili. Gli elettrolizzatori a membrana a scambio protonico, o PEMWE, sono efficienti e adatti a seguire le fluttuazioni dell’elettricità prodotta da eolico e fotovoltaico. Proprio questa caratteristica li rende interessanti per un sistema energetico con una quota crescente di rinnovabili intermittenti. Il problema è che l’ambiente interno, soprattutto sul lato anodico, combina acidità, potenziale elevato e condizioni ossidanti: un contesto nel quale molti metalli si degradano rapidamente.

Lo stato dell’arte impiega spesso porous transport layer e altri componenti in titanio, protetti da rivestimenti di platino o altri metalli nobili. Questa scelta garantisce resistenza e conducibilità, ma pesa sul costo capitale dello stack. La scheda ANR del progetto descrive l’obiettivo in modo netto: sostituire i costosi PTL in titanio con acciaio inox 316L, più economico, proteggendolo però con sottili rivestimenti di subossido di titanio. L’innovazione non consiste quindi nel solo cambio di materiale, ma nella possibilità di mantenere prestazioni e durabilità riducendo il costo dei componenti.

La ripartizione delle competenze aiuta a comprendere il disegno del progetto. L’Institut de la Corrosion porta il proprio know-how su corrosione, ambienti aggressivi e valutazione della degradazione dei materiali. EMPA contribuisce con la scienza dei materiali e con lo sviluppo dei rivestimenti. LEMTA, attraverso il gruppo dedicato a idrogeno e sistemi elettrochimici, interviene nella caratterizzazione in operando per valutare come le proprietà microstrutturali influenzino prestazioni e durata degli elettrolizzatori a membrana polimerica. È una divisione dei ruoli che rende PROTIS più simile a una piattaforma di trasferimento tecnologico che a un singolo esperimento di laboratorio.

Subossidi di titanio e acciaio inox contro la corrosione

La corrosione è il nodo fisico attorno al quale ruota il progetto. Nei PEMWE l’acciaio non protetto non è un’alternativa realistica, perché l’ambiente interno può dissolverlo e contaminare l’acqua ultra-pura che alimenta il dispositivo. Anche piccole quantità di metalli disciolti possono degradare la membrana rivestita di catalizzatore, aumentare le resistenze di contatto o compromettere la stabilità dello stack. Per questo la sostituzione del titanio richiede un rivestimento capace di funzionare come barriera, senza diventare un ostacolo elettrico.

“Nel nucleo dell’elettrolizzatore, l’acciaio si dissolve semplicemente come lo zucchero in una tazza di tè”,

osserva Konstantin Egorov, ricercatore dell’EMPA.

La soluzione studiata da PROTIS riguarda i subossidi di titanio, composti poveri di ossigeno che combinano stabilità chimica e buona conducibilità elettrica. Nella formulazione descritta da EMPA, il ricercatore Konstantin Egorov lavora su una forma di ossido di titanio altamente cristallina e carente di ossigeno, in grado di offrire resistenza alla corrosione e trasporto di carica. Nella formulazione ANR, questi materiali sono indicati come TinO2n-1, subossidi di titanio substechiometrici idonei a proteggere componenti metallici in elettrolizzatori PEM, in particolare PTL e bipolar plate.

Il passaggio all’acciaio inox è rilevante anche per la progettazione meccanica. L’acciaio è meno costoso del titanio e più semplice da lavorare, condizione che può consentire geometrie più avanzate per la distribuzione dell’acqua e l’evacuazione dei gas. La riduzione del costo non è quindi soltanto una questione di materia prima: riguarda la fabbricabilità, la libertà progettuale e la possibilità di integrare componenti più complessi negli stack industriali.

“Oltre a essere più convenienti, i componenti in acciaio sono molto più facili da produrre, il che consente agli ingegneri di creare progetti più avanzati che migliorano le prestazioni della cella”,

spiega Egorov.

PVD e ALD affrontano due livelli diversi di protezione

Una delle parti più interessanti del progetto riguarda il confronto fra due tecniche di deposizione. La physical vapor deposition, o PVD, è già diffusa nell’industria e viene utilizzata per proteggere la superficie più esterna del componente, quella direttamente esposta alle condizioni acide della membrana rivestita di catalizzatore. EMPA ha comunicato di avere sviluppato con successo un metodo per rivestire con ossido di titanio il bipolar plate, componente che ha già superato test di corrosione e verifiche in un elettrolizzatore funzionante.

Il secondo approccio è l’atomic layer deposition, o ALD. La scheda ANR le attribuisce un compito diverso: coprire in modo conforme l’intera superficie interna dei porous transport layer, comprese le pareti dei pori. La distinzione è decisiva. La PVD può offrire una protezione interfaciale sulle zone più esposte, mentre l’ALD punta a una protezione integrale anche all’interno di strutture porose. Se dimostrata su PTL in acciaio inox, questa copertura potrebbe affrontare uno dei problemi più complessi della sostituzione del titanio: impedire la corrosione senza chiudere i pori attraverso cui devono passare acqua e gas.

“Siamo riusciti a sviluppare un metodo per rivestire con successo con ossido di titanio il primo componente dell’elettrolizzatore PEMWE, il cosiddetto bipolar plate”,

afferma ancora Konstantin Egorov.

“Per noi è importante sviluppare qualcosa che l’industria possa effettivamente utilizzare”.

Il trasferimento dal bipolar plate al porous transport layer è però più delicato. Una superficie piana o relativamente accessibile può essere rivestita e controllata con metodi già maturi; una struttura porosa richiede invece uniformità in profondità. La protezione deve essere continua, perché una zona scoperta diventa un punto di corrosione. Al tempo stesso, il rivestimento non deve ostruire i canali, altrimenti la funzione elettrochimica del PTL viene compromessa. Qui emerge il valore della cooperazione fra materiali, corrosione e diagnostica in operando.

“Rivestire materiali porosi pone molte sfide”,

osserva Egorov.

“I pori devono essere rivestiti in modo uniforme, affinché il materiale sottostante non si corroda, ma allo stesso tempo non devono essere ostruiti”.

Dai test accelerati alla durata richiesta dall’industria

Il programma di lavoro descritto dall’ANR mostra una progressione dal controllo microstrutturale alla prova in condizioni operative. I rivestimenti vengono studiati con microscopia elettronica ad alta risoluzione e tecniche di analisi come spettroscopia Raman, diffrazione a raggi X, spettroscopia fotoelettronica e analisi composizionali. L’obiettivo è correlare copertura, nanostruttura, porosità e spessore con le proprietà protettive in ambienti che simulano il lato anodico dei PEMWE.

I test di corrosione ex situ sono previsti in soluzioni diluite di acido solforico contenenti anioni fluoruro, una scelta pensata per riprodurre condizioni rappresentative dell’ambiente anodico. Successivamente, i PTL rivestiti con proprietà promettenti vengono inseriti in prove in operando, così da valutare l’impatto del rivestimento su prestazioni e durabilità dell’elettrolisi. La scheda ANR cita anche prove accelerate di invecchiamento fino a due mesi, da confrontare con una vita operativa industriale attesa superiore a 50 mila ore per sistemi PEMWE.

Questo passaggio è rilevante per le imprese perché separa l’innovazione materiale dalla semplice prestazione iniziale. Un rivestimento può apparire efficace nelle prime misure, ma fallire quando viene esposto a cicli prolungati, differenze di potenziale, gas, acidità e sollecitazioni termiche. La valutazione post-mortem dopo lo smontaggio dell’elettrolizzatore serve proprio a verificare se la nanostruttura resta stabile, se i prodotti di corrosione rimangono intrappolati o se elementi metallici provenienti dall’acciaio inox contaminano la membrana.

In questa prospettiva, il ruolo del LEMTA non è marginale. Le caratterizzazioni in operando consentono di collegare la microstruttura del rivestimento al comportamento reale della cella. La competenza EMPA nella preparazione dei materiali e quella dell’Institut de la Corrosion nella valutazione dei meccanismi corrosivi vengono quindi completate da una diagnostica che guarda alla performance elettrochimica durante il funzionamento. Il risultato atteso non è soltanto un materiale più resistente, ma una comprensione più robusta del rapporto fra processo di deposizione, struttura del coating e prestazione industriale.

Un tassello europeo nella filiera dell’idrogeno verde

PROTIS non risolve da solo l’economia dell’idrogeno verde, ma interviene su un punto molto concreto della catena del valore. Se i PTL e i bipolar plate in acciaio inox protetto potranno sostituire componenti in titanio senza perdita di durata, gli stack PEMWE potrebbero ridurre parte del loro CAPEX e avvicinarsi a una produzione più competitiva. Il beneficio sarebbe particolarmente rilevante in un mercato in cui l’elettrolisi deve competere con processi maturi e ancora economicamente vantaggiosi basati su fonti fossili.

La vicenda è anche un esempio di innovazione distribuita. La Francia contribuisce con il coordinamento scientifico dell’Institut de la Corrosion e con le competenze elettrochimiche del LEMTA; la Svizzera porta l’esperienza EMPA nella scienza dei materiali e nello sviluppo di rivestimenti industrializzabili. La collaborazione nasce da uno schema bilaterale ANR-FNS, non da una cornice genericamente europea: è un dettaglio importante perché mostra come la ricerca applicata sull’idrogeno proceda spesso attraverso reti transfrontaliere mirate, costruite attorno a problemi tecnici specifici.

Per il settore, la lezione è chiara. La competitività dell’idrogeno verde dipenderà da grandi infrastrutture, disponibilità di energia rinnovabile e politiche industriali, ma anche da componenti apparentemente invisibili. Rivestire un poro senza chiuderlo, proteggere l’acciaio senza ridurne la conducibilità, sostituire metalli costosi senza introdurre nuove fragilità: sono passaggi minuti, ma decisivi. In questi dettagli si misura la distanza fra una tecnologia promettente e una filiera capace di produrre su scala.

Il progetto arriverà alla conclusione prevista nel 2026. Dopo quella fase, secondo EMPA, i ricercatori puntano a coinvolgere partner industriali per avvicinare la tecnologia alla commercializzazione. La prudenza resta necessaria: il percorso dalla prova di laboratorio allo stack vendibile è lungo e richiede validazioni su durata, costo, ripetibilità e integrazione produttiva. Ma PROTIS indica una direzione concreta: rendere l’elettrolisi PEM meno dipendente da materiali costosi, più compatibile con processi industriali e più vicina agli obiettivi della sostenibilità energetica.

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