Celle a combustibile DMFC di taglia commerciale : analisi locale della degradazione con tecniche di misura avanzate

DMFCs (Direct Methanol Fuel Cells) are electrochemical devices that convert methanol chemical energy directly into electrical energy. Thanks to the use of a liquid fuel with a high energy density, they are a promising technology especially in the field of powering portable electronic devices and small vehicle applications [1]. Several scientific studies have focused on this technology highlighting the problems related to the heterogeneity of operation of the cell because of its intrinsic functioning, showing different operating conditions in the device. Furthermore, this technology shows high degradation rates which reduce its useful life. The two different problems are combined with each other and the degradation rates develop heterogeneously due to the heterogeneous functioning of the cell. The present work therefore focuses on the study of heterogeneous degradation in a DMFC. Initially a study of the degradation mechanisms afflicting the device is conducted; a thorough research in the literature of the main phenomena affecting the cell is therefore made. Subsequently, an experimental study comparing the results on the reduction of degradation rates obtained on a commercial size cell (180 cm^2) is carried out compared to a typical lab-size cell (25 cm^2), applying a diversification strategy of the cathodic catalytic load distribution combined with an optimization of the air flow fed to the cathode; this strategy, proposed in works previously developed in the MRT Fuel Cell Lab, aims to reduce the heterogeneous behaviour of the device and thus promote a uniform aging of the components. Results of degradation rates on commercial sized cells show a reduction in the permanent degradation rate of about 64% (compared to a MEA with a uniform cathodic catalytic load and constant air flow) in a 600 h degradation test, results consistent with those obtained in a lab-size MEA [2]; the overall degradation, instead, undergoes to a 51% reduction in the first 100 h of the test. Although the results obtained are very interesting, non-uniform degradation emerges within the cell, with relatively higher degradation rates in the areas corresponding to the cathode flow output. Therefore, an analysis focused on the region that shows particular operating criticalities is carried out, with the aid of a system of local measurements with reference electrodes, applied for the first time in a commercial-sized DMFC, with the aim of understanding the mechanisms that are established in these regions. The new measurement system shows that the problem concerns the particular anode inlet-cathode outlet combination and there is also a noticeable reduction in the anodic potential of the analyzed area, which is not compatible with a correct operation with methanol oxidation. After careful research in the literature, a functioning scheme of the analyzed region is proposed, which foresees the establishment of two operating regimes (galvanic and electrolytic), subsequently simplified and reproduced with a simplified physical model. The results obtained from the simulation with model, qualitatively reproduce the experimental data, confirming that the proposed operating scheme is compatible with the real operation of the identified critical region.

Le DMFC (Direct Methanol Fuel Cells) sono dispositivi elettrochimici che convertono l’energia chimica del metanolo direttamente in energia elettrica. Grazie all’utilizzo di un combustibile liquido, con elevata densità di energia, sono una tecnologia promettente soprattutto nell’ambito dell’alimentazione di dispositivi elettronici portatili e piccole applicazioni veicolari [1]. Diversi studi scientifici si sono concentrati su questa tecnologia evidenziando delle problematiche relative all’eterogeneità di funzionamento della cella a causa del suo funzionamento intrinseco, mostrando diverse condizioni operative nel dispositivo. Inoltre questa tecnologia mostra dei tassi di degradazione elevati che ne riducono la vita utile. Le due diverse problematiche sono combinate fra loro, dal momento che, a causa del funzionamento eterogeneo della cella, anche i tassi di degradazione si sviluppano in maniera eterogenea. Il presente lavoro si concentra quindi sullo studio della degradazione eterogenea in una DMFC. Inizialmente è condotto uno studio dei meccanismi di degradazione che affliggono il dispositivo; è quindi fatta una ricerca approfondita in letteratura dei principali fenomeni che interessano la cella. Successivamente è condotto uno studio sperimentale di comparazione dei risultati sulla riduzione dei tassi di degradazione ottenuti su una cella di dimensioni commerciali (180 cm^2) rispetto ad una cella con dimensioni standard da laboratorio (25 cm^2), applicando una strategia di diversificazione della distribuzione del carico catalitico catodico combinata ad una ottimizzazione della portata di aria alimentata al catodo; tale strategia, proposta in lavori precedentemente sviluppati nell’MRT Fuel Cell Lab, ha l’obiettivo di ridurre il comportamento eterogeneo del dispositivo e quindi promuovere un invecchiamento uniforme dei componenti. I risultati relativi ai tassi di degradazione sulla cella di taglia commerciali mostrano una riduzione del tasso di degradazione permanente di circa il 64 % (rispetto ad una MEA con carico catalitico catodico uniforme e flusso d’aria costante) in una prova di degradazione da 600 h, risultati coerenti con quelli ottenuti in una MEA di dimensioni da ricerca [2]; la degradazione complessiva, invece subisce una riduzione del 51 % nelle prime 100 h del test. Nonostante i risultati ottenuti siano molto interessanti, emerge una degradazione non uniforme all’interno della cella, con dei tassi di degradazione relativamente più alti nelle zone corrispondenti all’uscita del flusso catodico. Viene, quindi, condotta un’analisi focalizzata sulla regione che mostra particolari criticità di funzionamento, con l’ausilio di un sistema di misure locali con elettrodi di riferimento, applicato per la prima volta in una DMFC di taglia commerciale, con lo scopo di comprendere i meccanismi che si instaurano in tali regioni. Il nuovo sistema di misure evidenzia che il problema riguarda la particolare combinazione anodo inlet- catodo outlet e si nota inoltre una riduzione consistente del potenziale anodico relativo alla zona analizzata, non compatibile con un corretto funzionamento con ossidazione di metanolo. Dopo un’attenta ricerca in letteratura si propone uno schema di funzionamento della regione analizzata, che prevede l’istaurarsi di due regimi di funzionamento (galvanico ed elettrolitico) , successivamente semplificato e riprodotto con un modello fisico semplificato. I risultati ottenuti dalla simulazione con modello, riproducono qualitativamente i dati sperimentali, confermando che lo schema di funzionamento proposto è compatibile con il reale funzionamento della regione critica individuata.