Studio sperimentale dello stato d'idratazione di una cella a combustibile polimerica a bassa temperatura : sviluppo e validazione di una procedura automatica di recupero delle prestazioni

In the recent years low temperature PEMFC technology improves its performance thanks to the great effort focused on material research, mainly for electrode, catalyst layer and membrane. In parallel also the behaviour inside the single cell has been investigated and relevant control strategies developed, with particular regard to the cell water management, to avoid electrode and ionomer flooding or drying phenomena. The possible solutions mainly applied are based first on material physical and chemical properties (porosity, hydrophobic property, etc) on possible reactant gases conditioning by means of the suitable humidification device and also by control parameter tuning. This work presents the experimental results regarding the dehydration of low temperature PEM Fuel Cell systems, produced by the Swiss company MES SA, during different operation conditions. In the test campaign mid-long duration trials were performed during which stack voltage, stack current, stack power output, proton resistance, stack temperature, hydrogen pressure and ambient conditions were continuously measured. For a better understanding of the power output decay non-destructive techniques were periodically used, as: polarization curves, power curves and Current Interruption Technique (CIT). The results are related to a total test duration of around 1’200 h and to 3’500 h of accelerated simulated dehydration to different dry conditions. At the end of the complete test campaign a special hydration index was defined and afterwards a special automatic procedure was implemented to bring the FC system to the proper electrode and membrane hydration, thus improving the stack performance.

Negli ultimi anni, la ricerca scientifica nel campo delle celle a combustibile polimeriche a bassa temperatura, ha permesso di incrementare le prestazioni dei sistemi grazie al miglioramento del pacchetto elettrochimico nel suo insieme. Parallelamente essa si è concentrata sullo studio del water management, al fine di arginare due fenomeni indesiderati: il flooding e la disidratazione. Le soluzioni maggiormente perseguite prevedono di migliorare le proprietà dei materiali in termini fisici e chimico-fisici (porosità, proprietà idrofobiche, ecc.), di impiegare reagenti precedentemente umidificati o ausiliari esterni per l’umidificazione, in concomitanza con un’accurata caratterizzazione dei parametri di funzionamento del sistema. In questo lavoro è stato studiato sperimentalmente il grado di disidratazione di diversi sistemi PEMFC a bassa temperatura prodotti dalla MES SA, durante il loro esercizio in diverse condizioni operative. La sperimentazione è stata svolta effettuando prove di media-lunga durata, durante le quali si sono misurate in continuo la tensione di stack, la sua resistenza protonica, la potenza erogata, la corrente erogata, la temperatura dello stack, le condizioni ambiente e la pressione dell’idrogeno. Per meglio comprendere le cause della perdita di prestazione, sono state periodicamente effettuate misure non distruttive quali: curve di polarizzazione, curve di potenza, curve di scarica e Current Interruption Techinque (CIT). I risultati sono relativi a circa 1 200 ore di test e circa 3 500 ore di disidratazione accelerata in diverse condizioni operative. Al termine della campagna di prove si è potuto definire un indice di stato e sviluppare una procedura automatica di ripristino delle condizioni d’idratazione più appropriate.