Studio sperimentale delle eterogeneità della degradazione nelle DMFC tramite cella a combustibile macro-segmentata

A severe performance degradation is one of the main technological issues hindering direct methanol fuel cell (DMFC) development and commercialization. Few studies available in the scientific literature have highlighted that DMFC technology shows strong local performance heterogeneity during operation and degradation. However, the origins of the magnitude of such phenomena and their influence on the heterogeneous components fading mechanisms are not completely understood. Hence, this work aims to provide a detailed investigation on the mechanisms determining the non-homogeneous performance in DMFCs, in order to be able to correlate them to the heterogeneous performance degradation. The locally-resolved experimental investigation has been based on the use of an innovative macro-segmented fuel cell structure, specifically developed for the study of local degradation mechanisms in the frame of a former work conducted within the MRT Fuel Cell Lab. Thus, an innovative experimental methodology dedicated to the study of local phenomena has been developed, performing a detailed characterization of steady-state operation heterogeneities of a DMFC. It permitted to identify how water management at the cathode electrode and its corresponding state of hydration, as well as its local potential, play a key role in determining local performance differences. It was also noted that a configuration with reactants fed in counter-flow configuration allows a more homogeneous reactants distribution over the cell active surface, permitting also a better management of methanol crossover phenomenon, determining a more uniform operating condition. Specific local degradation tests showed that the performance heterogeneity level increase during the operation due to a not-uniform management of both temporary degradation mechanisms, particularly hindering the performance at cathode inlet area, and the permanent ones, due to a heterogeneous decrease in catalytic active surface area, together with a loss of polymer content of both the porous layers and the electrode itself. Based on what the conclusions of the experimental study, it was finally proposed a preliminary local optimization of components in order to limit the performance heterogeneities.

L’elevata degradazione delle prestazioni nelle celle a combustibile a metanolo diretto (DMFC) è una delle maggiori problematiche che ostacola la commercializzazione di questa tecnologia. Alcuni studi presenti in letteratura scientifica hanno evidenziato che le DMFC presentano delle forti eterogeneità del funzionamento locale. Tuttavia non è noto nel dettaglio da cosa esse dipendano e quale sia la loro influenza sulla degradazione. Il presente lavoro intende dunque fornire una panoramica dettagliata sui fenomeni che causano l’eterogeneità dell’operazione nelle DMFC, per poterli correlare alla degradazione delle prestazioni. Per le indagini sperimentali si è ricorso all’utilizzo di una innovativa cella a combustibile con struttura macro-segmentata, realizzata appositamente per lo studio dei meccanismi di degradazione locali in un precedente lavoro condotto all’interno dell’MRT Fuel Cell Lab. È stata messa a punto una metodologia sperimentale innovativa dedicata allo studio dei fenomeni locali, caratterizzando dettagliatamente le eterogeneità del funzionamento stazionario di una DMFC. Grazie ad essa è stato individuato che un fondamentale ruolo è giocato dalla gestione dell’acqua presente all’elettrodo catodico ed il suo conseguente stato di idratazione, insieme al suo potenziale locale. È stato inoltre osservato che una configurazione con reagenti alimentati in controcorrente permette una miglior gestione del fenomeno del crossover di metanolo e offre quindi una condizione di funzionamento più omogenea. Appositi test di degradazione locali hanno evidenziato che le eterogeneità dell’operazione aumenta durante il corso della vita utile della cella a causa sia di una differente gestione della degradazione temporanea, accentuata nella zona di inlet catodico, sia di quella permanente, come il calo eterogeneo di superficie attiva del catalizzatore e la perdita di polimero all’interno dei setti porosi e dell’elettrodo stesso. Sulla base di quanto emerso dalle campagne sperimentali condotte, è stata proposta infine una preliminare ottimizzazione locale dei componenti volte a limitare le eterogeneità.