Obiettivo 3: Celle a Combustibile
REFERENTE/I
Maria Luisa Grilli – ENEA
marialuisa.grilli@enea.it
Attività
Questo studio analizza lo sviluppo e la caratterizzazione di rivestimenti PVD e CVD su substrati metallici per piatti bipolari (bipolar plate, BP).
I BP rivestono un ruolo centrale nelle celle a combustibile a scambio protonico (PEMFC) dando supporto strutturale, facilitando la separazione dei gas combustibili e aiutando la dispersione del calore e la rimozione dell’acqua prodotta. Tradizionalmente, i BP, sono prodotti in grafite grazie alla sua eccellente stabilità chimica, resistenza alla corrosione ed elevata conducibilità termica ed elettrica, ma sono fragili e costosi.
Lo scopo dell’attività è lo sviluppo di rivestimenti per BP metallici capaci di proteggere il substrato dalla corrosione nell’ambiente delle PEMFC e al tempo stesso preservarne la conducibilità elettrica.
Sono stati depositati vari tipi di rivestimenti: carbonio amorfo, grafite, nitruro di cromo e lega palladio-argento. Le tecniche utilizzate sono: Pulsed Electron deposition (PED), Chemical Vapor Deposition (PE-CVD) e RF Magnetron Sputtering.
I rivestimenti sono stati caratterizzati mediante microscopia elettronica a scansione (FE-SEM+EDS), Raman, diffrazione dei raggi X (XRD), profilometria, prove meccaniche, misure potenziodinamiche, test di corrosione e misure di resistenza di contatto interfacciale (ICR).
Figura 1
Principali tecniche di deposizione di rivestimenti a base di carbonio su piatti bipolari metallici per celle PEMFC, con materiali di substrato, tipologie di coating e relativi vantaggi in termini di resistenza alla corrosione, conducibilità e durabilità.
Risultati
Per favorire l’adesione dei film di carbonio ottenuti via RF sputtering e PED è stato necessario utilizzare un interlayer metallico (W, Ti, Cr, Si, Al, Co, Pd-Ag) depositato via RF sputtering.
Tra i rivestimenti analizzati (carbonio, (con o senza interlayer), grafite, CrN e Pd-Ag), i film di Pd-Ag sono risultati la soluzione più promettente. L’ottimizzazione dei parametri di processo ha evidenziato che i film Pd-Ag depositati ad alta potenza RF (200-250 W) presentano una struttura densa e compatta, distribuzione omogenea e morfologia dipendente dal substrato, come mostrato dalle analisi EDS e FE-SEM.
La caratterizzazione elettrochimica, mediante curve potenziodinamiche e misure ICR pre- e post-corrosione, ha dimostrato una riduzione della resistenza di contatto rispetto ai substrati nudi, con prestazioni ottimali sul titanio. Film Pd-Ag di 66 nm depositati ad alta potenza RF hanno mostrato la massima resistenza alla corrosione; a pari spessore, l’AISI 316L ha evidenziato i migliori valori di potenziale e corrente di corrosione.
Rivestimenti di CrN e carbonio si sono invece delaminati durante i test preliminari di corrosione per la scarsa adesione, pur mostrando inizialmente valori di ICR inferiori ai substrati nudi.
Figura 2
Curve potenziodinamiche dei film Pd-Ag su acciaio e titanio: in alto curve pre-test accelerato di corrosione (AST), in basso curve post-test AST.
In Tabella, valori di potenziale di corrosione (Ecorr) e di corrente di densità di corrente corrosione (Jcorr) pre- e post test accelerato di corrosione (AST).
Team di ricerca
Il team di ricerca è coordinato da Maria Luisa Grilli, Ricercatrice Senior. Del gruppo di ricerca fanno parte i seguenti ricercatori:
Miryam Gulino – PhD Università La Sapienza
Danilo Zola – ENEA
Nicola Lisi – ENEA
Claudio Larosa – ENEA
Anna Sytchkova – ENEA
Francesco Bozza – ENEA
Emanuele Serra – ENEA
Miryam Gulino è dottoranda dell’Università La Sapienza di Roma, con progetto di dottorato focalizzato in pieno sugli argomenti della linea di attività LA 3.1.2 .
I test di corrosione dei rivestimenti Pd-Ag sono stati condotti presso MONOLITHOS Catalysts and Recycling Ltd, con sede ad Atene (Grecia), durante il soggiorno estero (1 mese) di Miryam Gulino.
In collaborazione con
Università La Sapienza, MONOLITHOS Catalysts and Recycling Ltd (Grecia)
Documenti
ØTowards the Green Deal: ENEA activities in the field of decarbonisation and hydrogen production, Maria Luisa Grilli and Umberto Pasqual Laverdura, invited talk, 6th INTERNATIONAL CONFERENCE ON EMERGING TECHNOLOGIES IN MATERIALS ENGINEERING, 9-10 November 2023, Bucharest, Romania.
ØPVD and PECVD carbon based and nitride coatings for metallic bipolar plates, Miryam Gulino, Claudio Larosa, Nicola Lisi, Francesco Bozza, Valentina Naticchioni, Danilo Zola, Anna Sytchkova, Alfonso Pozio, Marta Feroci, Maria Luisa Grilli, EFCH2 Book of Proceedings, 2025 (poster).
ØThe Physicochemical Characteristics of Carbon-based Coatings Obtained Through Radiofrequency Sputtering and PECVD, Claudio Larosa, Nicola Lisi, Anna Sytchkova, Mauro Falconieri, Umberto Pasqual Laverdura, Alfonso Pozio and Maria Luisa Grilli, EMERGEMAT-7TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EMERGING TECHNOLOGIES IN MATERIALS ENGINEERING 30-31 October 2024, Bucharest, Romania (online poster + book of abstract) .
ØPVD carbon and nitride coatings for application in metallic bipolar plates, Miryam Gulino, Danilo Zola, Emanuele Serra, Marta Feroci and Maria Luisa Grilli, IV NATIONAL CONFERENCE OF THE CHEMISTRY FOR TECHNOLOGIES DIVISION SCI-DCT 2026, 16-19 June 2026, Rome, Italy (flash oral + poster).
ØRF Magnetron Sputtered Nanometric Pd-Ag Coatings for Corrosion Protection of Titanium and Stainless Steel Bipolar Plates in PEM Fuel Cells, Miryam Gulino, Danilo Zola, Eirini Zagoraiou, Emanuele Serra, Marta Feroci, Anastasia Maria Moschovi, Iakovos Yakoumis and Maria Luisa Grilli, NanoInnovation 2026, Rome 14-18 September (poster).
