Nelle Application Notes precedenti è stato dimostrato che le celle a combustibile sono promettenti fonti di energia in quanto offrono una soluzione altamente efficiente ed ecologica per l'energia alternativa. Negli ultimi anni sono state condotte ricerche approfondite per fornire una migliore comprensione dei fattori che influenzano le prestazioni di una cella a combustibile.

In questa Application Note verrà dimostrato l'uso della spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) per la caratterizzazione del carburante PEM. Si dimostrerà che l'EIS è un potente strumento diagnostico per la determinazione dei seguenti fattori che possono influenzare le prestazioni di una cella a combustibile PEM:

• Composizione e struttura dell'elettrodo
• Caratteristiche della membrana
• Parametri operativi quali temperatura della cella, umidificazione, composizione del gas e pressione

Il principale vantaggio di EIS come strumento diagnostico è la sua capacità di risolvere nel dominio della frequenza i contributi individuali dei vari fattori che determinano le perdite di potenza complessive delle celle a combustibile PEM:

• Cinetico
• Ohmico
• Trasporto di massa

Gli esperimenti sono stati condotti sulla stazione di prova delle celle a combustibile presso il gruppo di elettrochimica del Dipartimento di Chimica della North Eastern University di Boston, negli Stati Uniti.

Gli esperimenti sono stati condotti utilizzando un AUTOLAB PGSTAT302N controllato dal software NOVA. L'EIS le misurazioni sono state eseguite utilizzando il modulo FRA32 controllato dal software NOVA. Come carico è stata utilizzata l'unità booster di corrente da 10 A.

La cella a combustibile utilizzata per gli esperimenti era una singola cella con una superficie geometrica di 5 cm² comprendente una membrana elettrolitica polimerica Nafion. Gli elettrodi erano costituiti da uno strato di catalizzatore a film sottile. Gli elettrodi sono stati alimentati con idrogeno puro o idrogeno con piccola quantità di CO all'anodo e con idrogeno (per misure di riferimento), aria o ossigeno al catodo.

Gli esperimenti EIS sono stati condotti sotto controllo potenziostatico. Per la cella con idrogeno al catodo, gli esperimenti EIS sono stati condotti a OCP (0,0 V). Per gli esperimenti con aria e ossigeno, gli esperimenti sono stati eseguiti al potenziale applicato di 0,8 V, 0,6 V e 0,4 V. È stata utilizzata una gamma di frequenza di 10 kHz – 0,01 Hz. L'ampiezza della perturbazione AC è stata impostata a 10 mV.

Nella Figura 1 i risultati dell'esperimento EIS con H₂ al catodo vengono confrontati con quelli di O₂ e aria al catodo.

Quando solo idrogeno è sia sul lato anodo che sul lato catodico dell'elettrodo, non vi è alcuna reazione di riduzione che ha luogo al catodo e si misurano le perdite ohmiche attraverso la membrana. Quando l'idrogeno viene sostituito dall'ossigeno al catodo, si verifica la riduzione dell'ossigeno al catodo. È quindi possibile misurare la resistenza al trasferimento di carica della reazione di riduzione. Quando l'ossigeno viene sostituito dall'aria al catodo, si può vedere l'effetto del trasporto di massa. L'ossigeno deve diffondersi attraverso l'azoto presente nell'aria per raggiungere la superficie del catodo, questo si traduce in un aumento della resistenza alla polarizzazione dovuto alla resistenza alla diffusione come si vede in Figura 1.

Nella figura 2 si può vedere l'effetto dell'avvelenamento del catalizzatore da parte di CO. Con l'introduzione di CO nell'aria lato anodo aumenta la resistenza al trasferimento di carica per l'ossidazione dell'idrogeno a causa dell'avvelenamento del catalizzatore.

Con l'introduzione di CO nell'aria lato anodo aumenta la resistenza al trasferimento di carica per l'ossidazione dell'idrogeno a causa dell'avvelenamento del catalizzatore.

1. M. Ciureanu, R. Roberto, J. Phys. Chimica. B, 2001, 105, 3531-3539