PEMFC: Composizione Dettagliata e Metodi di Test delle Prestazioni delle Celle Singole

Composizione e Principio di Funzionamento delle Celle Singole

Una Cella a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC) è un tipo di cella a combustibile che utilizza una membrana a scambio protonico come elettrolita. La cella singola è l’unità fondamentale che compone il stack di celle a combustibile. Ecco i principali componenti e principi di funzionamento di una singola cella a combustibile con membrana a scambio protonico:

Componenti:

Piastra bipolare, Membrana a scambio protonico, Strato di diffusione del gas, Catalizzatore

Principio di Funzionamento:

Le molecole di idrogeno si decompondono in protoni (H⁺) ed elettroni (e⁻) sotto l’azione del catalizzatore dell’anodo. Gli elettroni (e⁻) fluiscono attraverso un circuito esterno, generando una corrente elettrica, mentre i protoni (H⁺) passano attraverso la membrana a scambio protonico dall’anodo al catodo. Al catodo, le molecole di ossigeno si combinano con protoni ed elettroni per produrre acqua.

Metodi di Test delle Prestazioni per le Celle Singole

Nelle celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC), ci sono molti metodi per valutare le prestazioni di catalizzatori, elettrodi, membrane a scambio protonico e piastre bipolari, come la voltammetria ciclica (CV), l’elettrodo a disco rotante (RDE), l’elettrodo a disco rotante ad anello (RRDE) e la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS). Questi metodi sono comunemente utilizzati per valutare le prestazioni degli elettrocatalizzatori e di altri materiali per elettrodi.

Tuttavia, la valutazione delle prestazioni dei singoli componenti (come i catalizzatori o le membrane a scambio protonico) può fornire solo informazioni parziali su quel componente e non può riflettere direttamente le prestazioni complessive della cella a combustibile. Pertanto, è necessario combinare i componenti sopra menzionati in una singola cella e condurre test di prestazione in condizioni fisse (come temperatura, pressione e flussi di gas) per determinare l’impatto di questi componenti sulle prestazioni complessive della cella. Generalmente, quando si eseguono test di prestazione dell’assemblaggio membrana-elettrodo (MEA), l’area dell’elettrodo può essere ridotta a 0,5~5 cm². Questa gamma di dimensioni è abbastanza piccola per test rapidi ed efficienti, ma abbastanza grande da riflettere le effettive prestazioni dell’MEA.

Reazioni Elettrochimiche e Potenziali degli Elettrodi

Il funzionamento interno di una cella a combustibile si basa sui processi di ossidoriduzione delle reazioni elettrochimiche. Testare la corrente di reazione e il potenziale degli elettrodi è il modo più diretto ed efficace per caratterizzare le reazioni elettrochimiche. Basandosi sui potenziali standard degli elettrodi per le reazioni redox, un maggiore sovrapotenziale indica un aumento della tensione aggiuntiva richiesta per la reazione, che solitamente significa una maggiore resistenza. Per la cella, un aumento del sovrapotenziale si manifesta come una diminuzione della differenza di potenziale, nota come processo di polarizzazione.

La grandezza della corrente di reazione riflette la velocità con cui procede la reazione elettrochimica. Generalmente, maggiore è la corrente, più veloce è la reazione; tuttavia, correnti eccessivamente alte possono portare a surriscaldamento dell’elettrodo o invecchiamento accelerato.

Tipicamente, si è interessati alle caratteristiche di output e alla potenza della cella, e i parametri effettivi esaminati includono la tensione della cella, la densità di corrente e la densità di potenza. Le prestazioni di una cella a combustibile con membrana a scambio protonico vengono solitamente valutate utilizzando la curva di densità di corrente-tensione della cella (curva I-V) e la curva di densità di corrente-densità di potenza (curva I-P). Queste curve forniscono informazioni dettagliate sulla cella in diverse condizioni operative. Ad esempio, la curva I-V mostra la tensione operativa della cella a diverse densità di corrente, mentre la curva I-P mostra la potenza di output a diverse densità di corrente.

Analisi dei Parametri di Prestazione della Cella

Il potenziale teorico a circuito aperto di una Cella a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC) è di 1,229V, ma la tensione a circuito aperto (OCV) reale di solito non raggiunge questo valore ideale, variando tipicamente da 0,900V a 1,000V. Questa discrepanza è dovuta a vari fattori come il passaggio di idrogeno o ossigeno, la contaminazione della membrana e l’avvelenamento degli elettrodi. Piccole quantità di idrogeno o ossigeno possono permeare attraverso la membrana a scambio protonico fino all’elettrodo opposto, creando un potenziale misto e abbassando l’OCV della cella. Inoltre, gas impuri (come il monossido di carbonio) possono causare l’avvelenamento degli elettrodi, influenzando ulteriormente le prestazioni della cella.

Misurando l’OCV della cella, si può valutare preliminarmente lo stato della membrana a scambio protonico e dell’elettrodo della membrana. Tuttavia, l’OCV è solo un indicatore dello stato generale della cella e deve essere considerato insieme ad altri fattori influenti. Per valutare in modo completo le prestazioni di una Cella a combustibile con membrana a scambio protonico, è necessario considerare anche le tre principali perdite di tensione durante il processo di scarica: polarizzazione di attivazione, polarizzazione ohmica e polarizzazione di trasporto di massa.

Fenomeno della polarizzazione e suoi effetti

Polarizzazione di Attivazione: Cause e Metodi di Ottimizzazione

La polarizzazione di attivazione, nota anche come polarizzazione elettrochimica, si riferisce alla perdita di tensione in una Cella a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC) causata dalle limitazioni di velocità del processo di trasferimento di carica durante le reazioni elettrochimiche agli elettrodi. Questo processo di polarizzazione è particolarmente pronunciato a basse densità di corrente. In tali casi, la tensione della cella diminuisce rapidamente con l’aumento della corrente di reazione. Ad esempio, la tensione scende dal potenziale teorico a circuito aperto di 1,229V a circa 0,8V, anche se il valore specifico può variare a seconda dei diversi sistemi e condizioni.

Durante il funzionamento della cella, diversi metodi possono ottimizzare le condizioni operative per accelerare la cinetica delle reazioni agli elettrodi, riducendo così il sovrapotenziale associato alla polarizzazione di attivazione. Questi metodi includono:

Aumento della Temperatura di Reazione: L’aumento della temperatura di reazione può accelerare la velocità della reazione elettrochimica, riducendo così la polarizzazione di attivazione.

Aumento della Concentrazione (o Pressione) dei Reagenti: Migliorare la concentrazione di fornitura dei reagenti può accelerare la velocità di reazione e ridurre la perdita di tensione.

Utilizzo di Elettrocatalizzatori ad Alte Prestazioni: Catalizzatori efficienti possono abbassare l’energia di attivazione della reazione, rendendo le reazioni agli elettrodi più rapide ed efficaci.

Aumento della Zona di Reazione a Tre Fasi dell’Elettrodo della Membrana: Espandere l’area di contatto tra le fasi gassosa, liquida e solida aiuta i reagenti a raggiungere più efficacemente la superficie del catalizzatore, migliorando l’efficienza della reazione.

Utilizzando questi metodi, il grado di polarizzazione di attivazione può essere significativamente migliorato, migliorando così le prestazioni complessive della cella a combustibile.

Nei test della cella, l’analisi della regione di polarizzazione di attivazione della curva di prestazione della cella (curva I-V) può valutare le prestazioni del catalizzatore e della zona di reazione a tre fasi dell’elettrodo della membrana. Le variazioni di tensione nella regione a bassa densità di corrente possono riflettere l’efficienza dell’elettrocatalizzatore e la qualità del design dell’elettrodo. Tale analisi può ottimizzare efficacemente il design e le condizioni operative della PEMFC, migliorando le prestazioni e l’efficienza della cella.

L’Influenza della Polarizzazione Ohmica e Soluzioni

La polarizzazione ohmica si riferisce alla caduta di tensione causata dalla resistenza incontrata durante il processo di trasporto degli ioni e degli elettroni all’interno di una batteria, riflessa principalmente nella parte centrale della curva di polarizzazione della batteria. Tra queste, la resistenza della membrana è il componente principale della resistenza ohmica. Le membrane Nafion richiedono un certo livello di umidità per condurre correttamente i protoni, e cambiamenti di temperatura e umidità possono portare a differenze significative nella conduttività protonica. Per le membrane Nafion-117, la conduttività a temperature elevate e alta umidità (82°C, 100% umidità) è 400 volte superiore rispetto a basse temperature e bassa umidità (24°C, 10% umidità).

Ottimizzare la conduttività protonica delle membrane a scambio protonico, nonché la conduttività e la resistenza di contatto dei vari componenti conduttivi all’interno della batteria, può aiutare a migliorare il processo di polarizzazione ohmica della batteria e a migliorare le sue prestazioni effettive. Negli ultimi anni, sono stati sviluppati molti nuovi tipi di membrane conduttrici di protoni, come le membrane polimeriche contenenti acido fosforico (PAE) e altre membrane ibride organico-inorganiche, che possono fornire prestazioni migliori rispetto al Nafion in determinate condizioni.

Nei moderni sistemi di Cella a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC), la gestione dell’umidità è una delle questioni chiave. L’utilizzo di tecnologie come umidificatori a gas o umidificatori a membrana per mantenere un’adeguata umidità della membrana è una direzione di ricerca importante. Nel frattempo, le celle a combustibile ad alta temperatura (HT-PEMFC) utilizzano membrane conduttrici di protoni dopate con acido fosforico, che possono operare a temperature superiori ai 100°C, contribuendo a semplificare i sistemi di gestione dell’acqua e del calore.

Attraverso l’applicazione di questi nuovi materiali e tecnologie, si prevede che le prestazioni e la stabilità delle PEMFC possano essere ulteriormente migliorate, promuovendo così il loro uso diffuso in varie applicazioni.

L’Influenza della Polarizzazione del Trasporto di Massa e Misure di Miglioramento

La polarizzazione del trasporto di massa, nota anche come polarizzazione di concentrazione, si verifica nella parte finale della curva di polarizzazione della batteria. Le reazioni elettrocatalitiche avvengono all’interno dell’elettrodo della membrana, dove i reagenti devono raggiungere la superficie del catalizzatore per partecipare alle reazioni, e i prodotti devono essere espulsi da questa posizione. Quando la velocità di reazione è sufficientemente alta, l’acqua prodotta non può essere espulsa in tempo, e i gas reagenti non possono raggiungere agevolmente la superficie dell’elettrodo, causando una rapida diminuzione della concentrazione dei reagenti vicino alla superficie dell’elettrodo, portando a una riduzione della tensione della batteria.

Durante il funzionamento della batteria, regolare il flusso e la pressione dei gas reagenti può ritardare il processo di polarizzazione del trasporto di massa. Durante i test della batteria, la regione di polarizzazione di concentrazione della curva di prestazione della batteria può essere utilizzata anche per valutare la gestione dell’acqua della batteria. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno sviluppato varie tecniche avanzate di gestione dell’acqua, come i design ottimizzati dei canali di flusso del gas, l’uso di combinazioni di materiali idrofili/idrofobici e la tecnologia dei microcanali. Queste tecniche migliorano efficacemente la gestione dell’acqua e riducono l’impatto della polarizzazione del trasporto di massa.

Inoltre, migliorare la struttura dello strato di catalizzatore, come la distribuzione nanoscala del catalizzatore, migliorare la struttura porosa dello strato di catalizzatore e ottimizzare il design dell’assemblaggio membrana-elettrodo (MEA), inclusi lo strato di catalizzatore, lo strato di diffusione del gas (GDL) e le piastre bipolari, può migliorare significativamente l’efficienza del trasporto dei reagenti, riducendo ulteriormente la polarizzazione del trasporto di massa e migliorando le prestazioni complessive della batteria.

Con l’applicazione di queste nuove tecnologie e metodi di ottimizzazione, si prevede che le prestazioni e la stabilità delle PEMFC possano essere ulteriormente migliorate, promuovendo così il loro uso diffuso in varie applicazioni.