Una prima analisi sperimentale sull'impiego di elettrodi con supporto al palladio in celle a combustibile polimeriche ad alta temperatura (HTPEM-FC)

Research on high temperature polymer fuel cells has always been oriented towards the improvement of the kinetic characteristics of the electrodes. The research in this area aims at optimizing the catalytic loading, managing to increase the produced power with less amount of catalyst. In high temperature polymer fuel cells (HT-PEMFC) based on phosphoric acid doped polybenzimidazole membrane, the reduction of the catalytic loading is of fundamental importance. Despite operating at about 160°C, where the kinetics are faster than in low temperature PEM, the electrode kinetics are sluggish and a higher catalytic loading is required. The reason is the interaction between the phosphoric acid and the Platinum nanoparticles, which results in the poisoning of the catalyst and in the reduction in the active area. Moreover the acid covers the catalyst particles and obstacles the reagents to reach the active sites, blocking them. In this work the idea of using dense palladium electrodes is studied with the aim of limiting the impact of the phosphoric acid on the electrode kinetics. The dense Palladium film separates the catalyst sites and the membrane, avoiding the blocking effect of the acid. By using dense films instead of nanoparticles the degradation phenomena of agglomeration should also be avoided. For this purpose an experimental campaign is carried on different models of electrodes which resulted, as the latest evolution, in the use of dense nanostructured electrodes, in order to obtain a dense film onto which lies a three-dimensional catalytic layer.

La ricerca sulle celle a combustibile si è da sempre orientata verso il miglioramento delle caratteristiche cinetiche degli elettrodi. La ricerca in questo settore ha come scopo quello di ottimizzare il carico catalitico, riuscendo a produrre più potenza con il minor impiego possibile di catalizzatore. Nelle celle a combustibile polimeriche ad alta temperatura (HT-PEMFC) la riduzione del carico catalitico è di fondamentale importanza; nonostante operi a circa il doppio della temperatura di una PEM, gli elettrodi hanno un carico catalitico molto superiore. A neutralizzare il beneficio cinetico dato dalla temperatura è l'interazione tra l'acido della membrana, l'elettrolita, e le nanoparticelle di platino, il catalizzatore. Il contatto tra i due è necessario per il trasporto dei protoni, ma quando l'acido ricopre una particella di catalizzatore rende molto difficile per i reagenti raggiungere i siti attivi, bloccandoli. Infatti i reagenti dovrebbero diffondere attraverso l'acido e raggiungere la superficie del catalizzatore. Essendo il rapporto tra acido e catalizzatore molto penalizzante, si è operato sperimentando, per la prima volta, l'impiego di elettrodi densi di palladio a supporto di particelle di platino. Separando con un film metallico, permeabile all'idrogeno, la membrana e i flussi dei reagenti, i siti attivi non potranno essere bloccati dall'acido. L'ottimizzazione dell'impiego di platino e il nuovo supporto a base di palladio dovrebbero inoltre limitare il fenomeno dell'agglomerazione ed anche ridurre i costi dell'elettrodo. A tale scopo si è operato con una campagna sperimentale su diversi modelli di elettrodi che ha portato, come ultima evoluzione, all'uso di elettrodi densi nanostrutturati, in modo da avere un film denso su cui si estende un catalytic layer tridimensionale.