Study and development of a durable and high performance non carbon support for PEM fuel cell application

Durability of the catalyst support in PEM fuel cell technology is nowadays one of the two barriers to overcome for the full commercialisation of this technology. The other barrier is catalyst cost. In fact, despite the high performances achieved by state of the art membrane electrode assembly (MEA), the degradation of the performances is still crucial. Commercial solution have been found that implies the use of strategies that will increase the complexity of the system. For this reason, the employment of a durable material that would boost the durability of the device, is still the preferential strategy. Material research have been investigating different alternatives, achieving extremely high durability. However, commonly this improvement comes at the price of either surface area of the catalyst or performance. For this reason, in this work a highly durable, with high surface area support have been developed. By the combination of a strong material, Titanium nitride, a structure that promotes the creation of high porosity, nanostructured thin film, and a deposition technique that allows the formation of high surface area, pulsed laser deposition, a TiN NSTF has been developed. To be able to use this material as support for a catalyst the morphology have been characterised by SEM, nitrogen and mercury porosimetry. Then, to assure a proper electrical conductivity of the support the crystallinity and nitrogen content of the material have been investigated by the use of X-Ray diffractometry and Raman spectroscopy. Once the support properties have been established the proper deposition of platinum catalyst on this structured support have been investigated. At last, the newly developed cathode have been tested for its application in rotating disk electrode and MEA setups. Three different strategies have been investigated, ionomer free catalyst layer, ultra-low platinum loading and high durability support. Then an EoL characterisation of the effect of the accelerated stress test on the support have been performed.

La durata del supporto del catalizzatore nella tecnologia delle celle a combustibile PEM è oggi una delle due barriere da superare per la piena commercializzazione di questa tecnologia. L'altra barriera è il costo del catalizzatore. Infatti, nonostante le elevate prestazioni ottenute dalla membrane electrode assembly (MEA) allo stato dell’arte, la degradazione delle prestazioni è ancora cruciale. Sono state trovate soluzioni commerciali che implicano l'uso di strategie che aumentano però la complessità del sistema. Per questo motivo, l'impiego di un materiale durevole che aumenterebbe la durata del dispositivo, è ancora la strategia preferenziale. La ricerca sui materiali ha mostrato diverse alternative, ottenendo una durata estremamente elevata. Tuttavia, comunemente questo miglioramento arriva al prezzo di entrambe l’area superficiale del catalizzatore e delle prestazioni. Per questo motivo, in questo lavoro è stato sviluppato un support altamente resistente, con un elevata area superficiale. Con la combinazione di un materiale forte, nitruro di titanio, una struttura che promuove la creazione di alta porosità, film sottile nanostrutturato (NSTF: nanostructured thin film) ed una tecnica di deposizione che consente la formazione di un'elevata superficie, deposizione laser pulsata, è stato sviluppato un TiN NSTF. Per poter utilizzare questo materiale come supporto per un catalizzatore la morfologia è stata caratterizzata da SEM, porosimetria al mercurio ed azoto. Quindi, per assicurare una corretta conducibilità elettrica del supporto, la cristallinità e il contenuto di azoto del materiale sono stati studiati mediante l'uso della diffrattometria a raggi X e della spettroscopia Raman. Una volta stabilite le proprietà di supporto, è stata studiata la corretta deposizione del catalizzatore di platino su questo supporto strutturato. Infine, il catodo di con il nuovo supporto è stato testato elettrochimicamente in un setup a tre elettrodi (RRDE) e nella configurazione MEA. Sono state studiate tre diverse strategie: catalyst layer privo di ionomero, basso carico di platino e supporto ad alta durabilità. Successivamente è stata eseguita una caratterizzazione fine vita dell'effetto della prova di stress accelerata sul supporto.