Rigenerativi, Sperimentale

LINEA DI ATTIVITÀ

LA3.5, LA3.6, LA3.7, LA3.8, LA3.9

Strumento/i principale utilizzato per IEMAP

  • Stazione di prova per test su elettrolizzatori PEM.
  • Stazione di prova per celle a combustile PEM.
  • Autolab per misure di spettroscopie di impedenza a basse correnti.
  • Biologic per misure di spettroscopia di impedenza per alte correnti.
  • Strumento di deposizione automatica di catalizzatori.

Tipo di misure che sono possibili da realizzare in questo laboratorio, con questo strumento/i

  • Misure di densità di corrente.
  • Misure di portata di O2 e H2.
  • Misure Galvanostatiche e potenziostatiche.
  • Misure di spettroscopie di impedenza a basse correnti (fino ±20 A).
  • Misure di spettroscopia di impedenza per alte correnti (fino ±200 A).

Applicazione

  • Celle per Elettrolizzatori di tipo PEM.
  • Celle per combustibile di tipo PEM.

Descrizione risultati raggiunti SAL2

La presente l’attività di ricerca ha avuto come oggetto lo scale up dei MEA realizzati nella precedente linea di attività (3.7) al fine di verificare le perdite in termini prestazioni ed evidenziare eventuali criticità.

A tale scopo sono stati realizzati due MEA con la migliore formulazione chimica selezionata nella LA 3.7. Lo scale-up è consistito nel passare da un MEA con area attiva da 8 cm2 ad uno con area attiva da 25 cm2. Inoltre, sono state confrontate la tecnica di deposizione manuale con quella automatica. La tecnica di deposizione automatica è stata eseguita tramite il dispositivo SONO-TEK, spruzzando direttamente i catalizzatori sulla membrana (CCM). La stessa procedura è stata eseguita con la tecnica di deposizione manuale. La preparazione dei catalizzatori è stata la stessa per entrambe le tecniche di deposizione adottate ma è stato necessario diluire maggiormente l’inchiostro nel caso della deposizione automatica per rendere l’inchiostro adatto a tale tecnica.

L’analisi delle prestazioni tra i due MEA ha evidenziato che il MEA realizzato con tecnica di deposizione manuale ha prestazioni migliore e ha permesso di raggiungere gli obiettivi progettuali (75% EL mode) con un’efficienza del 78% ad una corrente di 1 A/cm2 in modalità elettrolisi. Anche in modalità cella a combustibile il MEA realizzato manualmente ha raggiunto gli obiettivi progettuali (50% @ 0.2A/cm2) facendo registrare un’efficienza del 58% @ 0.2 A/cm2.

Il MEA realizzato tramite deposizione automatica non ha permesso di raggiungere gli obiettivi progettuali e le cause di questa anomalia non sono note e saranno necessarie ulteriori indagine per capire le problematiche.

Il confronto tra il MEA da 8 cm2 e 25 cm2 ha evidenziato un abbassamento delle prestazioni nella fase di scale up sia in modalità cella a combustibile che elettrolisi. La maggiore resistenza in serie del MEA a larga area sembra essere la causa principale di tale differenza di prestazione soprattutto in modalità elettrolisi. In modalità cella a combustibile sono stati evidenziati dei problemi diffusivi a maggiori correnti di lavoro probabilmente legati ad una distribuzione dei reagenti meno uniforme sui siti catalitici e all’allagamento del comparto catodico.

I risultati raggiunti e le informazioni acquisite saranno elaborate per poterle caricare sulla piattaforma IEMAP in modo da implementare il database realizzato. La collaborazione con gli sviluppatori sarà intensificata in futuro per migliorare la fruizione dei dati prodotti all’interno del sito.

REFERENTE/I

Nicola Briguglio – CNR ITAE

Via Santa Lucia sopra Contesse, 5

FIGURE CON RELATIVE DIDASCALIE ESAUSTIVE

Figura 1

Didascalia

Prestazioni elettrochimiche della cella reversibile in modalità cella a combustibile PEM: confronto di prestazioni durante la fase di scule-up.

Figura 2

Didascalia

Confronto di prestazioni elettrochimiche nella fase di scale up da 8 a 25 cm2 con tecnica di deposizione manuale.

Deliverable consegnati al SAL2

D3.13.

Livello di innovazione

I migliori risultati registrati con il MEA realizzati sono stati confrontati con alcuni dati di letteratura ottenuti in condizioni simili (aree attive confrontabili). Seunghoe Choe et al. [1] ha usato Pt/IrO2 come catalizzatore ORR e fibre di Ti con un diametro medio di 20 µm come PTL; i catalizzatori sono stati spruzzati direttamente sul PTL in questo caso e il rapporto Pt/IrO2 era di 0,33:1.

Yagya N. Regmi et al. [2] hanno utilizzato Ir-black/Pt-black come OOR e Ti come PTL (struttura non riportata). Il catalizzatore è stato spruzzato su membrana (CCM) come in questo lavoro e il rapporto del catalizzatore selezionato per il confronto è stato di 5,6:1 (prestazioni migliori tra la configurazione della costante di gas (GC) studiata).

Per quanto riguarda la configurazione nella modalità EL il confronto con la letteratura dei risultati ottenuti in questo lavoro mostra delle prestazioni superiori. In dettaglio, è stata raggiunta una densità di corrente di 1 A/cm2 ad un valore di tensione di 1,68 V contro 1,8 V e 1,82 V dei dati di letteratura.

In modalità FC, la performance registrata da Seunghoe Choe et al. [1] sono nettamente i peggiori rispetto a quelli ottenuti in questo lavoro mentre quelli presentanti da Yagya N. Regmi et al. [2] sono simili, specialmente ad alta densità di corrente.

La principale differenza tra questo lavoro e Seunghoe Choe et al. [1] è la tecnica di deposizione del catalizzatore. In questo lavoro è stato adottato un approccio CCM mentre in letteratura il catalizzatore è stato spruzzato su PTL (CCS). Quest’ultimo approccio può aumentare la resistenza di contatto tra catalizzatore e membrana riducendo le prestazioni della cella.

[1] S. Choe, B. S. Lee, and J. H. Jang, “Effects of diffusion layer (DL) and ORR catalyst (MORR) on the performance of MORR/IrO2/DL electrodes for PEM-type unitized regenerative fuel cells,” Journal of Electrochemical Science and Technology, vol. 8, no. 1, pp. 7–14, Mar. 2017, doi: 10.5229/JECST.2017.8.1.7.

[2] Y. N. Regmi et al., “A low temperature unitized regenerative fuel cell realizing 60% round trip efficiency and 10 000 cycles of durability for energy storage applications,” Energy Environ Sci, vol. 13, no. 7, pp. 2096–2105, Jul. 2020, doi: 10.1039/c9ee03626a.

Disseminazione

LA 3.8. Presentazione poster workshop Internazionale IEEE “Metrology for the SEA” 3-5 ottobre 2022 (Milazzo).