Axisymmetric drop shape analysis : development of an in-house setup and application to fuel cell materials

Nowadays great attention is paid on the electric generation from renewable energy to reduce emission and to alleviate global dependence on hydrocarbons. One of the candidates is the Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), a technology that enables to produce electric energy with a high efficiency and friendly emission throughout a redox reaction between oxygen and hydrogen. A crucial component of a PEMFC is the ionomer membrane, which must be designed to achieve: high proton conductivity coupled to electrical insulation, low permeability to hydrogen and oxygen; chemical, mechanical and thermal stability. Generally Nafion was used, but in the last year many studies are conduced to replace this with other more efficient materials such as graphene membranes. Graphene, composed by one or more atomic carbon monolayers that can be arranged in different shapes, has acquired great importance thanks to his high conductivity. The original scope of thesis should have been to test different sulfonated graphene oxide membranes (SGO-X) seen as future proton conductor for proton exchange membrane fuel cells. Membranes were produced by the Department of Chemistry, Materials and Chemical Engineering “Giulio Natta”. Characterization of membranes comes from a wettability analysis of these by evaluating the static contact angle on “as placed” drops, with the ADSA technique. At first measurements had to be conducted in the Thermo-fluid Dynamics Laboratory at the Department of Energy, but due to the lockdown imposed by the COVID19 pandemy it was necessary to create a new in-house setup and to validate the measurements obtained by it. The thesis structure is as follows: a brief description of contact angle history and application is made in the first chapter. Progressively, in the second chapter, a sensitivity analysis of the used software is described together with the description of the “in-house” setup and its optimization. The third chapter describes the creation of some samples from everyday materials to test the setup, together with their contact angle calculation and the measurements for validation, done by re-testing some fuel cell surfaces (namely fluorurated gas diffusion layers) for which previous measurements (performed in the Thermo-fluid Dynamics Laboratory) were available. The fourth chapter concerns the characterization of the wetting behavior of the GO membranes. A pure GO and seven different sulfuric acid-to-GO molar ratios membranes were examined with aim to delineate the best sulfonation ratio that enables to achieve a successful trade-off between composition and functional properties.

Al giorno d'oggi grande attenzione viene data alla generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili per ridurre le emissioni e alleviare la dipendenza globale dai combustibili comuni. Un valido candidato è la cella a combustibile a scambio protonico (PEMFC), una tecnologia che consente di produrre energia elettrica con un'elevata efficienza e zero emissioni attraverso una reazione di ossidoriduzione tra ossigeno e idrogeno. Componente cruciale di una PEMFC è la membrana ionomerica, che deve essere progettata per ottenere: elevata conducibilità protonica associata a isolamento elettrico, bassa permeabilità all'idrogeno e all'ossigeno, stabilità chimica, meccanica e termica. Generalmente viene utilizzato Nafion, ma nell'ultimo anno sono stati condotti molti studi per sostituirlo con altri materiali più efficienti come le membrane di grafene. Il grafene, composto da uno o più strati di carbonio atomico che possono essere disposti in diverse forme, ha acquisito grande importanza per la sua elevata conducibilità. L’obiettivo principale della tesi è di testare diverse membrane di ossido di grafene solfonato (SGO-X) viste come futuri conduttori di protoni per celle a combustibile a scambio protonico. Le membrane sono state prodotte dal Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta”. La caratterizzazione delle membrane deriva da un'analisi di bagnabilità di queste, che consiste nella valutazione dell'angolo di contatto statico su gocce d’acqua “gentilmente” deposte con la tecnica ADSA. In un primo momento le misurazioni avrebbero dovuto essere condotte nel Laboratorio di Termo-fluidodinamica bifase presso il Dipartimento di Energia, ma a causa del blocco imposto dalla pandemia COVID19 è stato necessario creare un setup sperimentale a casa e validare le misurazioni da esso ottenute. Per quanto riguarda la struttura della tesi, nel primo capitolo viene fornita una breve descrizione della storia e dell'applicazione dell'angolo di contatto. Progressivamente, nel secondo capitolo, viene descritta l’analisi di sensitività del software utilizzato unitamente alla descrizione del setup “in casa” e della sua ottimizzazione. Il terzo capitolo descrive la creazione di alcuni campioni da materiali di uso quotidiano per testare il setup, insieme al calcolo del loro angolo di contatto e alle misurazioni per la validazione, fatto ri-testando alcune superfici per celle a combustibile (specificamente gas diffusion layer fluorurati) per le quali misurazioni precedenti eseguite nel Laboratorio di Termo-fluidodinamica erano disponibili. Il quarto capitolo riguarda la caratterizzazione delle membrane GO. Sono state esaminate un GO puro e sette diversi rapporti molari acido solforico/GO allo scopo di delineare il miglior rapporto di solfonazione che consente di ottenere un compromesso vincente tra composizione e proprietà funzionali.