Studio della stampa per microestrusione 3D di elettrodi per PEM

Le celle a combustibile rappresentano una valida alternativa per l'indipendenza del sistema energetico dai combustibili fossili, sopratutto in risposta alla doppia pressione dei "cambiamenti climatici" e del "picco del petrolio"; tuttavia i principali problemi che, ad oggi, ne hanno impedito un ingresso nel mercato sono di carattere economico e logistico. Gli elettrodi rappresentano la componente pi๠costosa delle PEM, Il largo impiego del platino nella produzione ਠinfatti un problema ben noto, essendo un metallo molto costoso e difficilmente reperibile e quindi di difficile applicazione per una commercializzazione di massa delle stesse. Inoltre, nonostante gli importanti sviluppi che le tecniche di deposizione degli elettrodi hanno avuto dalla loro nascita, queste non sono ancora in grado di soddisfare una produzione di massa economicamente sostenibile e necessitano di una standardizzazione. La presente tesi propone lo sviluppo di una metodologia per la produzione di elettrodi per le celle a combustibile PEM mediante l'utilizzo di una stampante 3D e della tecnica "Direct Ink Writing" che prevede la fabbricazione mediante la microestrusione continua dell'inchiostro attraverso un ugello (siringa) su un substrato (foglio PTFE) posto sul piano di costruzione della macchina. Partendo dallo sviluppo del prototipo dell'elettrodo, mediante l'utilizzo di un software di modellazione 3D, pari a un cubo (50mm*50mm*0,5mm) ed impostati i parametri della stampante abbiamo potuto eseguire numerosi test. Osservazioni preliminari hanno evidenziato problematiche relative alla fase di essiccamento degli inchiostri che mostravano fenomeni di ritiro con conseguenti presenze di vuoti. Per risolverle tale abbiamo testato diverse metodologie di essiccamento, modificando la temperatura e l'umidità  dell'ambiente, e sono stati provati un set di 5 inchiostri con diverse percentuali di solventi in soluzione per accelerare o rallentare i processi di evaporazione. Nell'ottica di poter valutare non solo la validità  e l'applicabilità  del metodo per la produzione a media/grande scala ma anche la qualità  degli elettrodi prodotti per un loro utilizzo futuro, per ciascuna prova eseguita abbiamo effettuato delle foto in 2 step: Elettrodo appena deposto e elettrodo post-essiccamento. L'analisi delle scale di grigio delle immagini prelevate in laboratorio, tramite utilizzo di un software dedicato "Imagej", ci ha permesso di valutare la risoluzione degli elettrodi e di quantificare la presenza di vuoti sulla superficie. L'elaborazione statistica dei dati ottenuti dalle immagini digitali ci ha permesso di dimostrare che il metodo utilizzato puಠessere adottato efficacemente anche in ottica di una produzione su larga scala, mentre per la qualità  dell'elettrodo, strettamente dipendente dal metodo di essiccamento, abbiamo constatato che essiccare in un ambiente ad umidità  controllata ed utilizzando un inchiostro con una maggiormente diluito ha permesso una produzione di elettrodi con una maggiore uniformità  e risoluzione grafica. I risultati ottenuti rappresentano un importante punto di partenza verso l'ottimizzazione e l'abbattimento dei costi di produzione delle PEMFC, quindi un ulteriore sviluppo di questa tecnica potrebbe permettere l'ingresso nel mercato energetico di questi dispositivi a ridotto impatto ambientale in modo da poter pensare ad un futuro pi๠sostenibile.