Experimental study of polybenzimidazole based high temperature polymer electrolyte fuel cells

High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (HT-PEMFC) based on acid doped polymers can operate in the temperature range included between 100°C and 200°C with dry reactants. As a consequence, some simplifications are introduced in the operation of the fuel cell: heat recovery is more effective, tolerance to fuel impurities is improved and the reactants humidification system is not necessary. These characteristics ease the use of HT-PEMFC in cogenerative systems where the fuel is produced via a steam reforming process. In the last years research focused on this technology but up to now some unclear points still remain. The present work aims to experimentally study HT-PEMFC fundamental properties contributing to the evaluation of their possible application. The investigation focuses on commercial fuel cells based on a Polybenzimidazole (PBI) electrolyte membrane doped with phosphoric acid. Thanks to the development of innovative and advanced measurement techniques, as in-situ mass transport analysis, Electrochemical Impedance Spectroscopy and Cyclic Voltammetry, a deep analysis of the phenomena that rule both performance and degradation was carried out. The major outcome is represented by the contribution in the understanding of the mechanisms that influence the cathode kinetics, the degradation and the internal water transport.

Le celle a combustibile polimeriche ad alta temperatura (HT-PEMFC) dotate di elettrolita impregnato con acido possono operare a temperature comprese tra i 100°C e i 200°C con reagenti secchi. Per questo motivo, il reale funzionamento di un sistema basato su queste celle a combustibile risulta semplificato: il recupero termico è più efficace, la tolleranza alle impurezze del combustibile è più elevata e l'apparato di umidificazione dei reagenti non è necessario. Queste caratteristiche facilitano l'uso di HT-PEMFC, soprattutto in sistemi cogenerativi dove il combustibile è prodotto tramite un processo di steam reforming. Negli ultimi anni la ricerca si è concentrata su questa tecnologia, ma a tutt'oggi vi sono ancora alcune problematiche irrisolte. Nel presente lavoro si è inteso studiare sperimentalmente le proprietà principali delle HT-PEMFC per contribuire alla valutazione delle loro reali possibilità di impiego. L'indagine si è concentrata su una tipologia commerciale di HT-PEMFC dotata di membrana a base di Polibenzimidazolo impregnata con acido fosforico. Dopo aver messo a punto sistemi di misura innovativi ed avanzati, come misure di trasporto di massa in-situ, Spettroscopia di Impedenza e Voltammetria Ciclica, è stato possibile svolgere una approfondita caratterizzazione dei fenomeni che regolano prestazioni e degradazione di HT-PEMFC con membrana a base di Polibenzimidazolo. Il risultato più significativo consiste nel contributo alla comprensione dei meccanismi che determinano la cinetica di reazione catodica, la degradazione dei componenti e l'influenza del trasporto di acqua.