Durability improvement of Direct Methanol Fuel Cells through local catalyst layers optimization

Direct methanol fuel cells (DMFC) represent a promising technology for micro power generation and portable devices, thanks to the low temperature operation, high power density and use of a liquid fuel; however, some detrimental factors affect technology competitiveness limiting cell performance and durability. Literature studies showed that cell performance is heterogeneous due to local differences in the operating conditions, such as reactants concentration and temperature. Consequently, degradation mechanisms develop with a heterogeneous extent, limiting cell durability. In order to obtain an overall lifetime increase, a homogeneous operating condition needs to be reached, as to override the limiting effects given by the most disfavoured regions: therefore, an optimisation of cell components is necessary. At first, the local investigation of a novel cathode catalyst layer component, developed in former activities, has been carried out using a custom macro-segmented cell measurement system. The employment of such novel component determined a more stable cell but more heterogeneous operation, making the new electrode suitable for further local optimisations. The experimental activity confirmed that a key factor determining performance heterogeneity is local water distribution. The combined use of numerical simulations and experimental tests led to the development of a locally optimised cathode electrode: the modifications, focused on local catalyst layer properties, determined sensible improvements in durability of the sample. The experimental campaign demonstrated a more homogeneous performance during degradation tests, resulting in an overall reduction of degradation rates: temporary and permanent phenomena lowered by about 20% and 70% respectively, confirming the validity of such optimisation technique and the possibility to obtain wide durability improvements.

Le celle a combustibile a metanolo diretto (DMFC) rappresentano una tecnologia promettente per la generazione di potenza su piccola scala e per dispositivi portatili, grazie alla ridotta temperatura operativa, l'alta densità energetica e l'utilizzo di un combustibile liquido; tuttavia, alcuni svantaggi limitano la competitività della tecnologia riducendo le prestazioni della cella e la sua vita utile. Studi di letteratura hanno dimostrato che le prestazioni delle DMFC sono eterogenee a causa di differenze locali nelle condizioni operative, come la concentrazione di reagenti e la temperatura. Di conseguenza, i meccanismi di degradazione si sviluppano in modo eterogeneo, limitando la vita utile della cella. Per ottenere un incremento della vita utile, è necessario ottenere condizioni operative per lo più omogenee, in modo tale da annullare gli effetti limitanti dovuti alle zone più sfavorite. A tal proposito, è necessaria un'ottimizzazione dei componenti della cella. In primo luogo, l’analisi locale di un innovativo elettrodo catodico, sviluppato in attività precedenti, è stata eseguita mediante un sistema di misura ad-hoc basato su una struttura macro-segmentata. L'utilizzo di un innovativo componente ha determinato un'operazione più stabile ma più eterogenea, rendendo il nuovo elettrodo adatto ad ottimizzazioni locali. L’attività sperimentale ha confermato che un elemento fondamentale che determina eterogeneità delle prestazioni risulta essere la distribuzione locale di acqua. L'utilizzo combinato di simulazioni numeriche e attività sperimentali ha portato allo sviluppo di un elettrodo catodico ottimizzato localmente le modifiche, incentrate sulle proprietà locali del catalizzatore, hanno determinato notevoli miglioramenti in termini di durabilità. Test sperimentali hanno mostrato una prestazione più omogenea durante la fase di degradazione, determinando la riduzione dei tassi di degradazione globale: i fenomeni temporanei e permanenti si sono ridotti di circa il 20% e il 70% rispettivamente, confermando la validità di tali tecniche di ottimizzazione e la possibilità di ottenere notevoli miglioramenti.