Contenuto:

1. Che cos’è una membrana PEM/SPE?
2. Come funziona una membrana PEM?
3. Vantaggi della tecnologia PEM
4. Da cosa è costituito un assemblaggio membrana-elettrodi?
5. Quali catalizzatori vengono utilizzati?
6. Quale tipo di acqua può essere utilizzato?
7. PEM ed elettrolisi convenzionale: qual è la differenza?
8. PEM e SPE sono la stessa cosa?
9. Come scegliere un generatore di acqua idrogenata con membrana PEM?
10. Conclusione

Che cos’è una membrana PEM/SPE e perché è importante nei generatori di acqua idrogenata?

I moderni generatori di acqua idrogenata utilizzano comunemente la tecnologia PEM/SPE. Questa consente di produrre idrogeno molecolare, separarlo dall’ossigeno e ridurre la probabilità che i sottoprodotti dell’elettrolisi entrino nell’acqua destinata al consumo.

La presenza di una membrana a scambio protonico è considerata una delle caratteristiche principali di un moderno generatore di acqua idrogenata. Tuttavia, le prestazioni del dispositivo dipendono non solo dalla membrana stessa, ma anche dalla progettazione dell’elettrolizzatore, dalla qualità degli elettrodi e dei catalizzatori, dalla tenuta della cella e dalla modalità di funzionamento.

Che cos’è una membrana PEM/SPE?

PEM significa Proton Exchange Membrane — membrana a scambio protonico. È uno speciale materiale polimerico in grado di condurre protoni H⁺, bloccando al contempo il passaggio diretto degli elettroni e limitando il passaggio dei gas.

SPE significa Solid Polymer Electrolyte — elettrolita polimerico solido. Questo termine sottolinea che il trasporto degli ioni avviene all’interno di un materiale polimerico solido e non dipende esclusivamente dai sali disciolti nell’acqua.

In un generatore di acqua idrogenata, la membrana PEM/SPE svolge diverse funzioni:

• trasporta i protoni dall’anodo al catodo;
• separa i compartimenti anodico e catodico;
• limita la miscelazione di idrogeno e ossigeno;
• blocca il passaggio diretto degli elettroni attraverso la membrana;
• consente all’elettrolizzatore di funzionare con acqua a bassa mineralizzazione.

Come funziona una membrana PEM?

Le reazioni elettrochimiche avvengono sulle superfici degli elettrodi e dei catalizzatori situati sui lati opposti della membrana.

Reazione all’anodo

All’anodo, le molecole d’acqua vengono ossidate formando ossigeno, protoni ed elettroni:

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻

L’ossigeno rimane nel compartimento anodico e viene espulso dall’elettrolizzatore. I protoni attraversano la membrana PEM, mentre gli elettroni raggiungono il catodo attraverso il circuito elettrico esterno.

Trasporto dei protoni

La membrana PEM conduce i protoni H⁺ dall’anodo al catodo. Gli elettroni non possono attraversare direttamente la membrana e devono quindi passare attraverso il circuito esterno.

Reazione al catodo

Al catodo, i protoni ricevono elettroni e formano idrogeno molecolare:

2H⁺ + 2e⁻ → H₂

L’idrogeno molecolare H₂ così prodotto entra nell’acqua destinata al consumo e vi si dissolve.

Vantaggi della tecnologia PEM

Separazione dell’idrogeno e dell’ossigeno

L’ossigeno viene prodotto all’anodo, mentre l’idrogeno molecolare viene prodotto al catodo. La membrana PEM separa queste zone e riduce la miscelazione dei gas.

Nei generatori di acqua idrogenata, l’idrogeno viene diretto nell’acqua destinata al consumo, mentre l’ossigeno e gli altri gas prodotti all’anodo vengono espulsi separatamente.

Elevata purezza dell’idrogeno

Quando l’assemblaggio membrana-elettrodi è progettato correttamente, la tecnologia PEM consente di produrre idrogeno ad elevata purezza. La membrana agisce come barriera tra le due zone di reazione e limita il passaggio dei gas da un lato all’altro dell’elettrolizzatore.

Riduzione del rischio che i sottoprodotti entrino nell’acqua

Durante l’elettrolisi diretta, i sali e le impurità presenti nell’acqua possono partecipare alle reazioni elettrochimiche. Ad esempio, in determinate condizioni, la presenza di cloruri può portare alla formazione di composti del cloro.

In un elettrolizzatore PEM correttamente progettato, il compartimento anodico è separato dall’acqua destinata al consumo. Ciò riduce notevolmente la probabilità che i prodotti anodici dell’elettrolisi entrino nell’acqua idrogenata.

Tuttavia, la presenza di una membrana PEM non significa che la qualità dell’acqua possa essere completamente ignorata. È sempre necessario seguire le raccomandazioni del produttore del dispositivo specifico.

Possibilità di ottenere elevate concentrazioni di idrogeno

La produzione separata dei gas, catalizzatori di alta qualità e una progettazione ottimizzata dell’elettrolizzatore consentono di ottenere elevate concentrazioni di idrogeno molecolare disciolto.

Tuttavia, la sola indicazione “PEM/SPE” non garantisce una specifica concentrazione di idrogeno. La concentrazione ottenuta dipende dalla potenza dell’elettrolizzatore, dalla superficie degli elettrodi, dalla durata del ciclo, dal volume d’acqua, dalla temperatura, dalla pressione e dalla qualità complessiva del dispositivo.

Da cosa è costituito un assemblaggio membrana-elettrodi?

La membrana PEM fa parte di una struttura più complessa chiamata assemblaggio membrana-elettrodi, o MEA — Membrane Electrode Assembly.

In forma semplificata, un MEA è costituito da diversi strati:

• collettore di corrente o piastra di supporto;
• strato poroso dell’elettrodo;
• catalizzatore anodico;
• membrana PEM;
• catalizzatore catodico;
• strato catodico poroso;
• secondo collettore di corrente.

Le membrane sono generalmente realizzate con speciali polimeri a scambio ionico. Tra i più noti vi sono i materiali fluoropolimerici contenenti gruppi funzionali dell’acido solfonico.

Quando vengono idratati, questi materiali formano un ambiente che consente il trasporto dei protoni. Allo stesso tempo, la struttura polimerica impedisce il passaggio diretto degli elettroni e limita il passaggio dei gas.

Uno dei materiali commerciali più noti è Nafion™. Sono disponibili anche membrane di altri produttori basate su un principio di funzionamento simile.

La qualità dell’intero generatore dipende da molto più della sola marca della membrana. Sono importanti anche la corretta compressione degli strati, la tenuta, l’applicazione uniforme dei catalizzatori e la qualità complessiva dell’assemblaggio della cella elettrolitica.

Quali catalizzatori vengono utilizzati?

Sulle superfici degli elettrodi vengono utilizzati catalizzatori a base di metalli nobili e dei loro composti per accelerare le reazioni elettrochimiche.

• Al catodo, viene comunemente utilizzato il platino per accelerare la formazione di idrogeno molecolare.
• All’anodo, possono essere utilizzati ossido di iridio o altri catalizzatori stabili per la reazione di evoluzione dell’ossigeno.

Il catalizzatore viene applicato in uno strato sottile sulla superficie dell’elettrodo oppure incorporato direttamente nell’assemblaggio membrana-elettrodi. Ciò aumenta l’area attiva della reazione e riduce le perdite di energia.

Quale tipo di acqua può essere utilizzato?

Gli elettrolizzatori semplici privi di un elettrolita polimerico solido dipendono spesso dalla conducibilità elettrica dell’acqua. L’acqua distillata e l’acqua ottenuta mediante osmosi inversa contengono pochissimi ioni disciolti, pertanto l’elettrolisi convenzionale può avvenire con difficoltà.

In un sistema PEM, il trasporto dei protoni è assicurato dall’elettrolita polimerico solido. Ciò consente alla tecnologia di funzionare con acqua a bassa mineralizzazione, compresa l’acqua purificata e l’acqua ottenuta mediante osmosi inversa.

PEM ed elettrolisi convenzionale: qual è la differenza?

PEM e SPE sono la stessa cosa?

Questi termini descrivono aspetti diversi della stessa tecnologia.

• PEM sottolinea la funzione del materiale come membrana a scambio protonico.
• SPE sottolinea che la membrana agisce come elettrolita polimerico solido.

Per questo motivo, la denominazione combinata PEM/SPE viene utilizzata frequentemente nelle descrizioni dei generatori di acqua idrogenata.

Come scegliere un generatore di acqua idrogenata con membrana PEM?

Non è possibile determinare in modo affidabile il tipo di elettrolizzatore installato in un dispositivo basandosi esclusivamente sul suo aspetto esterno. Quando si sceglie un generatore, è opportuno considerare diversi fattori:

• Il produttore dichiara esplicitamente l’utilizzo della tecnologia PEM/SPE.
• L’ossigeno e i gas anodici vengono espulsi attraverso un canale separato.
• I materiali degli elettrodi e dei catalizzatori sono specificati.
• Il dispositivo può funzionare con acqua purificata secondo le istruzioni del produttore.
• La concentrazione di idrogeno è stata confermata da misurazioni indipendenti.
• Sono specificati la durata del ciclo di prova e il volume d’acqua.
• Sono fornite le specifiche tecniche e le istruzioni per l’uso.

Le dichiarazioni relative a concentrazioni estremamente elevate di idrogeno devono essere considerate con cautela se il produttore non specifica il metodo di misurazione, la durata del ciclo e il volume d’acqua utilizzato per il test.

Conclusione

La membrana PEM/SPE è uno dei componenti fondamentali di un moderno generatore di acqua idrogenata. Trasporta i protoni tra gli elettrodi, separa i compartimenti anodico e catodico e consente di produrre idrogeno molecolare separatamente dall’ossigeno.

Grazie a questa tecnologia, i generatori di acqua idrogenata possono funzionare con acqua a bassa mineralizzazione, ridurre la probabilità che i prodotti anodici entrino nell’acqua destinata al consumo e raggiungere elevate concentrazioni di H₂ disciolto.

Quando si sceglie un dispositivo, è importante considerare non solo la presenza della denominazione PEM/SPE, ma anche la qualità dell’intera cella elettrolitica, i materiali utilizzati, i risultati di misurazioni indipendenti e le raccomandazioni del produttore.