Preparation and characterization of electrodes using different types of commercial and advanced ionomer grades

Large-scale diffusion of PEM FC technology in the automotive sector is nowadays hindered by the high costs, mainly related to the use of platinum as catalyst. In order to make this technology competitive, it is necessary to reduce the amount of platinum without decreasing cell performances. In this work, performed at Solvay Specialty Polymers’ R&D division in Bollate (Milan, Italy) we tested different ionomers used as binder in cathode catalyst layer in order to study their effect on FC performances. In fact, CCL represents the main source of losses for a PEMFC, because of the sluggish kinetic of oxygen reduction reaction and the resistance to oxygen diffusion, which causes important voltage losses in the high current density region. The ionomers tested differ for the length of the side chain and for the EW. Moreover, we tested a new type of ionomers characterized by a superior oxygen permeability. After an introduction and a presentation of PEM FC state of the art, in the third chapter is described the process for ionomer and catalyst ink preparation and for MEA assembly. Then, in the fourth chapter, the experimental measurements for MEAs characterization are presented. In particular, we performed polarization curves, EIS measurements for the evaluating of proton transport resistance in the CL and measurements of oxygen transport resistance in the CL applying the limiting current method. Finally, in the fifth and sixth chapter are presented the results obtained for high loading electrode (~0.35 mgPt/cm2) and low loading (~0.16 mgPt/cm2). From this work, emerges that the EW is the most important parameter affecting FC performances; in particular, low EW brings positive effects both at low and high current density. Moreover, for the same EW, SSC ionomers show better performances than LSC ionomers like Nafion. Finally, HOPIs shows a reduced oxygen transport resistance in the CL, in particular at low loading and dry conditions.

La diffusione delle PEM fuel cell nel settore dei trasporti è oggigiorno ostacolato dagli alti costi di questa tecnologia, collegati principalmente all’uso di platino come catalizzatore. Per rendere competitive le fuel cell è quindi necessario ridurre la quantità di platino utilizzata, senza andare però a diminuire le prestazioni della cella. In questo lavoro di tesi, svolto presso il reparto di ricerca e sviluppo di Solvay Specialty Polymers (Bollate, MI), abbiamo studiato come variano le prestazioni della cella al variare delle caratteristiche dello ionomero utilizzato all’interno del catodo. Infatti, il catodo rappresenta la principale fonte di perdita per una PEM FC, a causa della lentezza della reazione di riduzione dell’ossigeno e dell’elevata resistenza al trasporto di ossigeno che avviene nell’elettrodo. Gli ionomeri testati sono caratterizzati da diverse lunghezze della catena laterale e da diversi persi equivalenti. Inoltre, abbiamo testato anche un nuovo tipo di ionomero, caratterizzato da un’elevata permeabilità all’ossigeno. Dopo un capitolo introduttivo e una presentazione dello stato dell’arte delle PEM FC, nel terzo capitolo viene spiegato il processo per la produzione degli ionomeri e dell’elettrodo. Viene inoltre illustrato come realizzare i MEA e come assemblare la cella. Nel quarto capitolo vengono presentate le misure sperimentali con cui abbiamo testato i MEA, ovvero curve di polarizzazione, misure di impedenza per calcolare la resistenza ionica dello ionomero nel catodo e misure di resistenza al trasporto di ossigeno nell’elettrodo attraverso il metodo della corrente limite. Infine, nel quinto e sesto capitolo sono presentati i risultati ottenuti per MEA ad alto e basso loading. Da questo lavoro, risulta come l’EW dello ionomero sia il parametro più importante che influenza le prestazioni della cella. In particolare, tanto più l’EW è basso, tanto più alte sono le prestazioni. A parità di EW, risulta che ionomeri con catena laterale corta portano benefici migliori rispetto a ionomeri con catena laterale corta. Infine, l’utilizzo di ionomeri ad alta permeabilità porta sensibili vantaggi nella zona ad alta densità di corrente, in particolare per elettrodi con basso loading e in condizioni secche.