DMFC: local performance investigation for optimized durability

Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is a promising technology for power generation and vehicular applications, thanks absence of liquid electrolyte, low temperature operation, fast start-up and high power density. Direct methanol fuel cells (DMFC) represent a further development of PEMFC, particularly interesting for portable electronics and small vehicular applications due to the employment of a high energy density liquid fuel, quick recharging and low operating temperature. However, DMFC technology’s widespread commercialization is still hindered by strong performance degradation. In literature, locally resolved measurements and post-mortem analysis reveal a strong heterogeneous components fading, particularly at cathode outlet region. Inhomogeneous operating conditions can play a crucial role in enhancing localized early aging of cell components in critical regions and have to be thoroughly understood and properly mitigated to improve devices’ lifetime. A locally resolved experimental methodology has been appositely developed, combining novel RHE setup together with a macro-Segmented fuel cell hardware, permitting to spatially map electrodes potential, current density and impedance. Also, previously developed modelling platform has been properly improved to describe local performance and water distribution effects. Investigation of local performance and degradation revealed that water distribution and heterogeneously cycling cathode potential have a strong influence on active layers’ current density redistribution over time and local degradation. A novel cathode electrode, based on highly graphitized carbon support, has been selected demonstrating an increased stability under flooded conditions, leading to homogeneous material degradation. Being local performance fading still unevenly driven by local operating limitations, locally improved formulation of cathode catalyst layer component have been developed aided by modelling simulations. The improvements demonstrated strong reduction of degradation rates, leading to homogeneous operation and fading, revealed through electrochemical and TEM and XPS analyses. The methodology, filed in a PCT patent, have been then demonstrated on a commercial-meaningful device, permitting to validate the approach and its important results.

Le celle a combustibile a elettrolita polimerico (PEMFC) costituiscono una tecnologia altamente promettente per generazione di potenza stazionaria e applicazioni veicolari, grazie a caratteristiche favorevoli tra le quali l’assenza di un elettrolita liquido, rapidi transitori di accensione e spegnimento anche in condizioni estreme e l’elevata densità di potenza. Al loro interno, le celle a combustibile a metanolo diretto (DMFC) rappresentano un particolare sviluppo, particolarmente attraenti per l’alimentazione portatile di dispositivi elettronici e piccoli veicoli, grazie all’utilizzo di un combustibile liquido dalla elevata densità energetica e semplicità del rifornimento. Purtroppo, la tecnologia DMFC è ancora limitata da importanti difetti, primo tra tutti la rapida degradazione delle prestazioni. In letteratura, investigazioni con risoluzione locale ed analisi post-mortem hanno evidenziato una forte eterogeneità nell’invecchiamento dei componenti, particolarmente severa nella regione di uscita del catodo. Condizioni operative non omogenee giocano un ruolo determinante nella degradazione prematura di componenti nelle aree critiche, richiedendo dettagliata comprensione e opportuna mitigazione al fine di estendere la vita utile. Una metodologia sperimentale di analisi locale è stata appositamente sviluppata e validata, combinando un innovativo sistema di elettrodi di riferimento con una cella macro-segmentata, permettendo di misurare localmente il potenziale degli elettrodi insieme a distribuzione di corrente ed impedenza elettrochimica durante l’operazione. L’investigazione sperimentale ha evidenziato come la distribuzione di acqua e dinamiche non omogenee del potenziale all’elettrodo catodico abbiano una forte influenza nel determinare ridistribuzione di corrente durante l’operazione e degradazione eterogenea. Un più stabile materiale per l’elettrodo catodico è stato selezionato, dimostrando una migliorata stabilità in condizioni di allagamento, portando ad una degradazione omogenea del materiale. Al fine di adattarsi localmente alle eterogenee condizioni operative (quali deidratazione ed allagamento), supportate da analisi modellistiche, una ridistribuzione locale delle proprietà dell’elettrodo è stata sviluppata e realizzata. Una forte riduzione della degradazione, portando a una omogenea operazione ed invecchiamento dei componenti, è stata dimostrata tramite analisi elettrochimiche e post-mortem (quali TEM e XPS). La metodologia, depositata in un brevetto PCT, è stata dimostrata su scala commerciale, validando l’approccio ed i suoi importanti risultati.