La prestazione delle celle a combustibile è nota per non essere omogeneamente distribuita su tutta la superficie attiva del dispositivo stesso, bensì di presentare una distribuzione della densità di corrente localmente eterogenea; tale distribuzione tende inoltre a variare durante l’operazione, generalmente tendendo a rimpicciolire il dominio di maggiore operatività della cella, estremizzando di conseguenza le disuniformità operative. Il fenomeno determina una operatività sempre differente da zona a zona nel corso della vita utile del dispositivo, portando ad un invecchiamento non omogeneo dei suoi componenti: la zona maggiormente sollecitata della cella a combustibile, che tenderà ad invecchiare precocemente, potrebbe risultare limitante nei confronti della vita utile dell’intero dispositivo. La distribuzione della densità di corrente locale sulla superficie attiva della cella è determinata dall'interazione di una molteplicità di fattori influenzanti la prestazione quali geometria dei distributori, pressione parziale dei reagenti e dei prodotti e loro cross-over, quantità di acqua e conseguente stato di idratazione dei componenti, temperatura locale, che determinano dunque locali disuniformità nelle condizioni operative. Nonostante queste disuniformità sulle condizioni di operazione locale, i componenti normalmente impiegati in tali dispositivi sono realizzati con proprietà omogenee, ottimizzate sull'intera area operativa della cella, risultando dunque nell'operazione non ottimale di buona parte di tale superficie attiva. Il funzionamento in condizioni non ottimizzate locali, può determinare una accelerazione dei fenomeni di invecchiamento, determinando prestazioni inferiori, una minore stabilità e una non ottimale durata del dispositivo. L’invenzione in oggetto applicata porta a fornire una cella a combustibile con un gradiente nelle proprietà di uno o più suoi componenti, ad esempio è fornito un profilo parabolico nello spessore dell’elettrodo catalitico, con l’obiettivo di favorire le zone di ingresso e uscita dell’aria, operanti in condizioni non ottimali, a discapito della quantità di catalizzatore caricato nelle zone centrali della cella, operanti già in condizioni favorite, per non incrementare il carico catalitico complessivo. La distribuzione della densità di corrente è regolabile sulla superficie attiva della cella inoltre tramite l’ottimizzazione delle condizioni operative: l’incremento della densità di corrente prodotta nella zona di ingresso della cella ottenuto con l’aumento del carico catalitico locale, determina un accresciuto consumo di ossigeno localizzato in tale zona. Questo consegue in una diminuzione di prestazione della zona di uscita dell’aria, a questo punto operante mediamente con un reagente più povero di ossigeno e più carico di acqua del caso con componente tradizionale. La possibilità di incrementare leggermente la stechiometria catodica (agendo sulla portata di aria reagente) permette di regolare quanto la zona di uscita della cella possa contribuire alla produzione di corrente complessiva incrementando sensibilmente la sua prestazione locale. Al contrario, l’accresciuto carico catalitico e di ionomero nella zona di ingresso, che consegue in una maggior produzione di corrente locale e quindi di acqua (favorendo il meccanismo di auto-idratazione), infatti, permette che l’incremento di portata di aria non determini una perdita di prestazione locale dovuta all'incremento dell’effetto deidratante dell’aria stessa.
Locally engineered PEM cells components with optimized operation for improved durability
A. Casalegno;C. Rabissi;
2017-01-01
Abstract
La prestazione delle celle a combustibile è nota per non essere omogeneamente distribuita su tutta la superficie attiva del dispositivo stesso, bensì di presentare una distribuzione della densità di corrente localmente eterogenea; tale distribuzione tende inoltre a variare durante l’operazione, generalmente tendendo a rimpicciolire il dominio di maggiore operatività della cella, estremizzando di conseguenza le disuniformità operative. Il fenomeno determina una operatività sempre differente da zona a zona nel corso della vita utile del dispositivo, portando ad un invecchiamento non omogeneo dei suoi componenti: la zona maggiormente sollecitata della cella a combustibile, che tenderà ad invecchiare precocemente, potrebbe risultare limitante nei confronti della vita utile dell’intero dispositivo. La distribuzione della densità di corrente locale sulla superficie attiva della cella è determinata dall'interazione di una molteplicità di fattori influenzanti la prestazione quali geometria dei distributori, pressione parziale dei reagenti e dei prodotti e loro cross-over, quantità di acqua e conseguente stato di idratazione dei componenti, temperatura locale, che determinano dunque locali disuniformità nelle condizioni operative. Nonostante queste disuniformità sulle condizioni di operazione locale, i componenti normalmente impiegati in tali dispositivi sono realizzati con proprietà omogenee, ottimizzate sull'intera area operativa della cella, risultando dunque nell'operazione non ottimale di buona parte di tale superficie attiva. Il funzionamento in condizioni non ottimizzate locali, può determinare una accelerazione dei fenomeni di invecchiamento, determinando prestazioni inferiori, una minore stabilità e una non ottimale durata del dispositivo. L’invenzione in oggetto applicata porta a fornire una cella a combustibile con un gradiente nelle proprietà di uno o più suoi componenti, ad esempio è fornito un profilo parabolico nello spessore dell’elettrodo catalitico, con l’obiettivo di favorire le zone di ingresso e uscita dell’aria, operanti in condizioni non ottimali, a discapito della quantità di catalizzatore caricato nelle zone centrali della cella, operanti già in condizioni favorite, per non incrementare il carico catalitico complessivo. La distribuzione della densità di corrente è regolabile sulla superficie attiva della cella inoltre tramite l’ottimizzazione delle condizioni operative: l’incremento della densità di corrente prodotta nella zona di ingresso della cella ottenuto con l’aumento del carico catalitico locale, determina un accresciuto consumo di ossigeno localizzato in tale zona. Questo consegue in una diminuzione di prestazione della zona di uscita dell’aria, a questo punto operante mediamente con un reagente più povero di ossigeno e più carico di acqua del caso con componente tradizionale. La possibilità di incrementare leggermente la stechiometria catodica (agendo sulla portata di aria reagente) permette di regolare quanto la zona di uscita della cella possa contribuire alla produzione di corrente complessiva incrementando sensibilmente la sua prestazione locale. Al contrario, l’accresciuto carico catalitico e di ionomero nella zona di ingresso, che consegue in una maggior produzione di corrente locale e quindi di acqua (favorendo il meccanismo di auto-idratazione), infatti, permette che l’incremento di portata di aria non determini una perdita di prestazione locale dovuta all'incremento dell’effetto deidratante dell’aria stessa.I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
