Interaction between short-side-chain ionomers and ptco alloy catalyst in fuel cell electrode

Automotive sector electrification is a fundamental step to reach carbon neutrality. In this context, zero-emission hydrogen electric vehicles represent a promising solution. Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), the heart of hydrogen electric vehicles, relies on expensive Pt based electrocatalyst. The resultant high cost limits the wide-spread commercialization of this technology. To solve this problem, current research focuses on the cathode side, where a high Pt loading is required due to the sluggish kinetics of oxygen reduction reaction. Optimizing the precursor ink formulation of the cathode catalyst layer (CCL) is one possible pathway to reduce the cost of this technology. CCL precursor ink is a complex system constituted by different materials: supported catalyst, ionomer, and solvent. By understanding how the ink formulation affects its properties, is possible to engineer inks to form specific CL microstructures rather than rely on time-consuming empirical observations. This work attempts to understand how the use of short-side-chain ionomers in the cathode precursor ink, rather than the more commonly used Nafion, affects the catalyst layer morphology and finally the performances of the PEMFC. With the use of thermogravimetric analysis, the adsorption behavior in the cathode precursor ink of the different ionomers on the catalyst is investigated. Due to the different chemical structure of the short-side-chain ionomers, a significantly different ionomer-catalyst interaction is observed. With the introduction of Aquivion ionomers, cracks and ionomer patches are observed in the final catalyst layer structure due the inhomogeneous ionomer distribution. Finally, the higher water retention of the SSC ionomers coupled with the formation of cracks in the electrode cause flooding problems, with the Aquivion cells showing poor electrochemical performances in the high current density region.

L'elettrificazione del settore automobilistico rappresenta un passo fondamentale per raggiungere la neutralità di carbonio. In questo contesto, i veicoli elettrici a idrogeno a zero emissioni rappresentano una soluzione promettente. La cella a combustibile a membrana a elettrolita polimerico (PEMFC), cuore dei veicoli elettrici ad idrogeno, si basa su un costoso elettrocatalizzatore a base di platino. Il conseguente elevato costo limita la commercializzazione su larga scala di questa tecnologia. Per risolvere questo problema, la ricerca attuale si concentra sul lato del catodo, dove è richiesta un carico elevato di platino a causa della lenta cinetica della reazione di riduzione dell'ossigeno. Ottimizzare la formulazione dell'inchiostro precursore dello strato di catalizzatore del catodo (CCL) è una possibile soluzione per ridurre il costo di questa tecnologia. L'inchiostro precursore del catodo è un sistema complesso costituito da diversi materiali: catalizzatore supportato, ionomero e solvente. Comprendendo come la formulazione dell'inchiostro influenzi le proprietà del CCL, è possibile progettare inchiostri per formare specifiche microstrutture piuttosto che fare affidamento su osservazioni empiriche. Questo lavoro cerca di comprendere come l'uso di ionomeri a catena laterale corta nell'inchiostro precursore del catodo, piuttosto che il comunemente utilizzato Nafion, influenzi la morfologia dello strato di catalizzatore del catodo e, infine, le prestazioni della PEMFC. Con l'uso dell'analisi termogravimetrica, viene indagato il comportamento di adsorbimento nell'inchiostro precursore del catodo dei diversi ionomeri sul catalizzatore. A causa della diversa struttura chimica degli ionomeri a catena laterale corta, si osserva un'interazione ionomero catalizzatore significativamente diversa. Con l'introduzione degli ionomeri Aquivion, sono osservate crepe e agglomerati di ionomero nella struttura finale dello strato catalizzatore a causa della distribuzione non omogenea dell'ionomero. Infine, la maggiore ritenzione d'acqua degli ionomeri a catena laterale corta combinata con la formazione di crepe nell'elettrodo causa problemi di allagamento, con le celle Aquivion che mostrano scarse prestazioni elettrochimiche nella regione ad alta densità di corrente.