Studio dell'influenza dell'etanolo in sistemi di solventi ternari in inchiostri di catalizzatori per catodi di PEMFC

Currently, one of the most important objectives in the field of research is to find an alternative way of producing energy, while trying to minimize CO2 emissions. For some applications, one of the best alternatives is to use proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). In order to minimize costs of these devices, the study of the best cathode ink composition is a key parameter, especially since the configuration of the ionomer and its interaction with the catalyst particles affects the resistance to mass transport. The aim of this study is to evaluate the properties of the ionomer dispersion, ink and cathode catalyst membrane (CCM) as a function of ethanol (EtOH) concentration in a ternary mixture with water and 1-propanol (1-PA). Characterization of the ionomer dispersion was carried out by means of dynamic light scattering (DLS) and zeta-potential measurements, viscosity and pH. The aim of this first step is to find the composition of the solvent mixture with the greatest amount of EtOH, in order to achieve the highest possible evaporation rate of the solvents, without compromising the performance of the fuel cell, and thus the conformation of the ionomer in the dispersion. The second step is to study the stability of the ink, which is done mainly by means of zeta-potential and pH, because ink gelation has been observed, which means that there is a lack of stability in the composition of the ink. Finally, the CCM was characterized, first studying the morphology by scanning electron microscopy (SEM) to assess the presence of free ionomer, which can be observed by darker areas in the image, and by laser scanning confocal microscopy (LEXT) in order to evaluate its roughness. Finally, the actual performance of the fuel cell was evaluated.

Attualmente, uno degli obiettivi più importanti nel campo della ricerca è trovare un modo alternativo di produrre energia, cercando di ridurre al minimo le emissioni di CO2. Per alcune applicazioni, una delle migliori alternative è l'uso di celle a combustibile a membrana a scambio protonico. Per ridurre al minimo i costi di questi dispositivi, lo studio della migliore composizione dell'inchiostro è un parametro fondamentale, soprattutto perché la configurazione dello ionomero e la sua interazione con le particelle del catalizzatore influenzano la resistenza al trasporto di massa. Lo scopo di questo studio è valutare le proprietà della dispersione ionomerica, dell'inchiostro e della membrana rivestita di catalizzatore (CCM) in funzione della concentrazione di etanolo (EtOH) in una miscela ternaria con acqua e 1-propanolo (1-PA). La caratterizzazione della dispersione ionomerica è stata effettuata mediante misure di dynamic light scattering (DLS) e zeta-potential, viscosità e pH. L'obiettivo di questa prima fase è trovare la composizione della miscela di solventi con la maggiore quantità di EtOH, al fine di ottenere la massima velocità di evaporazione del solvente, senza compromettere le prestazioni della cella a combustibile e quindi la conformazione dello ionomero nella dispersione. Il secondo passo consiste nello studio della stabilità dell'inchiostro, effettuato principalmente mediante misure reologiche e di pH, poiché è stato osservato una gelazione dell’inchiostro, sinonimo di una mancanza di stabilità nella sua composizione. Infine, la CCM è stata caratterizzata, studiando prima la morfologia mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) per valutare la presenza di ionomero libero, che può essere osservato da aree più scure nell'immagine, e tramite microscopia laser a scansione confocale (LEXT) al fine di valutarne la tortuosità. Infine, sono state valutate le prestazioni effettive della cella a combustibile.