Studio sperimentale del degrado di una cella a combustibile polimerica ad alta temperatura e interpretazione tramite un modello dinamico quasi 2D

Scientific research has recently introduced new technologies in the field of polymer fuel cells, such as the use of membranes based on polybenzimidazole impregnated with phosphoric acid. This new electrolyte allows to increase the fuel cell operating temperature up to 200 ° C. High temperature polymer fuel cells (HT-PEMFC), however, have some disadvantages such as a fast degradation, which is defined as the loss of performance over time. In this work the degradation of an HT-PEMFC operated in different working conditions has been experimentally studied and is here described. The degradation was investigated by means of long test periods during which cell voltage, proton resistance and water concentration of the anode effluent were continuously measured. Other non-destructive in situ measurements such as impedance spectroscopy (EIS), cyclic voltammetry (CV), linear sweep voltammetry (LSV) and polarization curves have been carried out. A dynamic quasi 2D model was then developed to achieve a deeper understanding. It was concluded that the degradation is mainly caused by two phenomena affecting the electrode: the reduction of active area and the corrosion of the carbon support.

La ricerca scientifica nel campo delle celle a combustibile polimeriche negli ultimi anni ha introdotto nuove tecnologie come l’utilizzo di membrane a base di polibenzimidazolo impregnate con acido fosforico. Queste hanno permesso l’innalzamento delle temperature operative fino ai 200°C. Le celle a combustibile polimeriche ad alta temperatura (HT-PEMFC) presentano però alcuni svantaggi come un elevato degrado, cioè la perdita di prestazioni nel tempo. In questo lavoro è stato studiato sperimentalmente il degrado di una HT-PEMFC durante il suo funzionamento in diverse condizioni operative. La sperimentazione è stata svolta effettuando prove di lunga durata durante le quali si sono misurate in continuo la tensione di cella, la sua resistenza protonica e la concentrazione di acqua del refluo anodico. Per meglio comprendere le cause del degrado sono state periodicamente effettuate misure in situ non distruttive quali: spettroscopia di impedenza (EIS), voltammetria ciclica (CV), voltammetria lineare (LSV) e curve di polarizzazione. È stato poi sviluppato un modello dinamico quasi 2D con lo scopo di approfondire la comprensione dei fenomeni osservati. Si è concluso che il degrado è causato principalmente da due fenomeni che interessano l’elettrodo: la riduzione di area attiva e la corrosione del supporto carbonioso dello stesso.