Experimental analysis of degradation and performance recovery of a locally optimised PEMFC

Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are electrochemical devices which convert the chemical energy held within hydrogen and oxygen directly into Direct Current (DC) electricity, with water as the only by-product. High power den-sity, fast start-up and zero emissions are the relevant advantages characterizing this technology and particularly attractive for transportation, stationary and porta-ble/micro power generation sectors. However, breakthroughs are needed to improve the durability and costs and increase the competitiveness of this technology. In literature is known that during PEMFC operation a gradient of reactants con-centration and water content is established over the MEA, leading to an uneven electrochemical response and may accelerate aging of components. However, detri-mental factors for fuel cell still represent an open issue. Research is directed towards the development of innovative components and improvement of performance recov-ery procedures. This MSc thesis investigates performance degradation on a lab-scale macro-segmented cell through a long-term durability test conducted at nominal load for stationary applications. The employment of a locally optimised component combined with a customised operating strategy determines a 40% reduction of local current variability range. Obtained results from degradation analysis are promising for an extended test duration. The mechanisms responsible for performance decay are thoroughly investigated by means of a dedicated protocol based on cyclic voltammogram measurements in-terpretation. Alternative recovery procedures are properly set and tested to separate and estimate the different contributions involved in performance recovery. The ex-perimental activity ends up with an optimization of the recovery procedure which leads to a reduction of the permanent losses by 70% due to the improved contami-nants removal.

Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico (acronimo inglese, PEMFC) sono dispositivi elettrochimici che convertono l’energia chimica contenuta nell’idrogeno e nell’ossigeno direttamente in corrente continua (acronimo inglese DC), formando acqua come unico prodotto della reazione. Elevata densità di potenza, avviamento rapido e nulle emissioni inquinanti sono i principali vantaggi che caratterizzano questa tecnologia e particolarmente attraenti per il settore automobilistico, per i sistemi stazionari, per la generazione di potenza su piccola scala e per i dispositivi portatili. Tuttavia, passi avanti sono necessari per migliorare la durabilità e i costi e accrescere la competitività della tecnologia. In letteratura è noto che durante l’operazione delle celle a combustibile si instaura un gradiente di concentrazione dei reagenti e del contenuto di acqua sulla MEA, generando una disomogenea risposta elettrochimica che può accelerare la degradazione dei componenti. Inoltre, una completa conoscenza dei fattori deleteri che stanno alla base della degradazione delle pile a combustibile rappresenta ancora una questione aperta. La ricerca punta verso lo sviluppo di componenti innovativi ed il miglioramento delle procedure di recupero delle performance. Questa Tesi si focalizza sulla degradazione delle prestazioni di una cella su scala di laboratorio e macro-segmentata attraverso un lungo test di durata condotto a carico nominale per un sistema stazionario. L’impiego di un elettrodo catodico localmente ottimizzato ed una strategia operativa ad-hoc determina una riduzione del 40% del range di variabilità della corrente locale. I risultati ottenuti dall’analisi di degradazione sono promettenti per un’estensione della durata del test. I meccanismi responsabili di un decadimento delle prestazioni sono approfonditamente esaminati con l’utilizzo di un protocollo dedicato, basato sull’interpretazione delle misure di voltammetria ciclica. Procedure alternative di recupero sono accuratamente identificate e testate con l’obiettivo di separare e calcolare i diversi contributi coinvolti nel recupero delle prestazioni. L’attività sperimentale porta al raggiungimento dell’ottimizzazione della procedura di recupero che ha permesso di ridurre le perdite permanenti del 70% grazie ad una migliore rimozione dei contaminanti.