Riassunto analitico
La presente tesi si propone di ottimizzare il processo di produzione degli elettrodi mediante tecnologia di stampa 3D a inkjet, applicando la metodologia del Design of Experiment (DoE). L'obiettivo principale è di migliorare l'efficienza delle celle a membrana polimerica (PEM) e garantire la scalabilità della produzione. La ricerca si è concentrata inizialmente sulla formulazione di un inchiostro conduttivo a base di grafite al fine di verificare la compatibilità con il dispositivo di stampa. Tutti gli inchiostri testati sono stati depositati preliminarmente su supporti in polietilene. L'ottimizzazione dei parametri di stampa è stata effettuata mediante l'approccio sistematico del DoE, che ha facilitato l'identificazione delle condizioni operative ideali per ottenere stampe caratterizzate da elevata uniformità e omogeneità. Sono stati studiati vari parametri, tra cui lo spessore degli elettrodi, la quantità effettiva di materiale grafitico depositato e l'uniformità della stampa. Per l’analisi di quest’ultimo aspetto sono state impiegate tecniche di elaborazione delle immagini attraverso il software Matlab, consentendo una valutazione precisa e dettagliata delle caratteristiche fisiche degli elettrodi prodotti.
Una volta definita la configurazione ottimale, l’inchiostro è stato depositato direttamente su membrane di Nafion per la realizzazione del MEA (Membrane Electrode Assembly). Le celle PEM realizzate sono state sottoposte a una prova di polarizzazione, con l'intento di confrontare i risultati ottenuti con quelli di celle realizzate mediante metodi tradizionali. In conclusione, la ricerca evidenzia l'importanza dell'approccio sistematico del Design of Experiments (DoE) nell’ottimizzazione della produzione degli elettrodi. I risultati ottenuti dimostrano che la stampa 3D a inkjet può offrire prospettive promettenti, contribuendo a una produzione sostenibile nel settore delle energie rinnovabili, con una significativa riduzione dei tempi di produzione e dei costi.
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Abstract
This thesis proposes to optimise the electrode production process using inkjet 3D printing technology, applying the Design of Experiment (DoE) methodology. The main objective is to improve the efficiency of polymer membrane cells (PEM) and ensure production scalability. The research initially focused on the formulation of a graphite-based conductive ink in order to verify compatibility with the printing device. All inks tested were preliminarily deposited on polyethylene substrates. Optimisation of the printing parameters was carried out through the systematic DoE approach, which facilitated the identification of ideal operating conditions to achieve prints characterised by high uniformity and homogeneity. Various parameters were investigated, including electrode thickness, the actual amount of graphitic material deposited and print uniformity. Image-processing techniques using Matlab software were used to analyse this last aspect, enabling a precise and detailed evaluation of the physical characteristics of the electrodes produced.
Once the optimum configuration was defined, the ink was deposited directly onto Nafion membranes for the realisation of the MEA (Membrane Electrode Assembly). The realised PEM cells were subjected to a polarisation test, with the intention of comparing the results obtained with those of cells made using traditional methods. In conclusion, the research highlights the importance of the systematic Design of Experiments (DoE) approach in optimising electrode production. The results show that inkjet 3D printing can offer promising prospects, contributing to sustainable production in the renewable energy sector, with a significant reduction in production time and costs.
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