Studio sperimentale della degradazione accelerata dei gas diffusion layers tramite termografia

Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFC) are a promising technology for electric energy production but less components durability limited their commercial availability. One of most critical components is represented by Gas Diffusion Layer (GDL), a porous media made by carbon fibers. It is primarily involved in the diffusion reagents process. Actually the main topics of PEFC studies are focused on degradation phenomena and all related mechanisms. This studies are limited by high costs and long time periods required for each test. For these reasons an experimental system was designed and built: it is able to characterize the GDL by their thermal diffusivity. This property, in multi-components system, is only related to thermal and physical properties of their constituents. It was used infrared thermography, a less time methodology able to avoid physical alterations of samples. During an extended experimental campaign two types of GDL, commonly used on PEFC, were characterized in this way. Moreover it was developed an interpretative model able to quantify their real composition. Afterwards, accelerated degradation processes were implemented and used on GDL. The purpose is to reach an aging of them in less time as normally required. After this step the samples were studied with the same methodology in order to understand if system is able to detect degradation effects. It proves to be able to quantify the degradation for two components system, but not for three components ones. In this case it is possible to have a qualitative study by the definition of upper and lower degradation bounds. For the study of binary degradation process it is unable to identify a single solution because a free degree was added in the model. Nevertheless it was demonstrated that PTFE has an important role in degradation mechanism: it is able to protect carbon fibers from aging solutions. These results were subsequently validated by using a further experimental system able to characterized the property of mass diffusivity. Contact angles were investigated too. These three types of measurements confirm that specimens, under the same accelerated aging process, degraded in different ways.

Le celle a combustibile ad elettrolita polimerico (PEFC) sono una tecnologia promettente per la produzione di energia elettrica ma la limitata durata dei componenti rappresenta una barriera alla loro commercializzazione. Uno degli elementi più critici è il Gas Diffusion Layer (GDL), un setto poroso costituito da fibre di carbonio responsabile della diffusione dei reagenti. Lo studio dei processi di degradazione è un importante argomento di ricerca; tuttavia l’analisi di questi fenomeni è assai dispendiosa sia a livello economico che per i lunghi periodi di test richiesti. Per approfondire questi fenomeni è stato progettato e realizzato, nell’ambito del presente lavoro, un impianto sperimentale in grado di caratterizzare i GDL sulla base della loro proprietà di diffusività termica, caratteristica legata esclusivamente al contributo dei singoli costituenti per sistemi multicomponente. A tal fine è stata impiegata la tecnica termografica, metodologia d’indagine rapida che non comporta l’alterazione del materiale in esame. Sono stati caratterizzati, attraverso un’estesa campagna sperimentale, due tipologie di GDL comunemente impiegati nelle PEFC ed è stato inoltre sviluppato un modello interpretativo in grado di quantificarne l’esatta composizione. In seguito sono state progettate e realizzate prove di degradazione accelerata dei GDL con l’obbiettivo di riprodurre in tempi brevi il normale degrado ed è stata svolta una seconda campagna sperimentale finalizzata allo studio di questa tipologia di fenomeni. Nel caso di sistemi bicomponente è possibile quantificare il degrado con questa tecnica, mentre è risultata insufficiente per sistemi tricomponente. È possibile definire dei limiti superiori ed inferiori di degrado, ma non è altresì evidenziabile una soluzione univoca frutto del degrado combinato. Tuttavia è stato dimostrato il ruolo protettivo svolto dal PTFE nei confronti delle fibre di carbonio. Infine attraverso la valutazione della diffusività di massa e degli angoli di contatto sono stati validati i diversi effetti frutto della degradazione.