Caratterizzazione elettrochimica e test di stress accelerato del GDE per l’ottimizzazione della formulazione dell’inchiostro catalitico della reazione di riduzione dell’ossigeno di una PEMFC = Electrochemical characterization and accelerated stress testing of the GDE for the optimization of the catalytic ink formulation for the oxygen reduction reaction of a PEMFC

Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC) a bassa temperatura sono una tecnologia avanzata per la produzione di energia elettrica, attraverso la reazione chimica tra idrogeno e ossigeno con l'acqua come unico sottoprodotto. Questa tecnologia è particolarmente interessante per la transizione energetica: l’efficienza nella conversione dell'energia chimica dell'idrogeno in elettricità è relativamente alta, e il processo di produzione di energia avviene senza la generazione di inquinanti atmosferici se viene impiegato idrogeno verde. Inoltre la flessibilità d'uso le rende adatte a diversi settori e contribuisce a ridurre la dipendenza da combustibili fossili. In particolare risultano una promettente soluzione per de-carbonizzare il settore dei trasporti pesanti. Il costo elevato dei catalizzatori a base platino, necessari alle temperature operative, spinge verso l’ottimizzazione del carico di Pt tenendo presente che nei due elettrodi non è uniforme: la reazione di riduzione dell'O2 (Oxigen Reduction Reaction - ORR) al catodo è cineticamente più lenta rispetto all'ossidazione dell'H2 all'anodo, quindi cineticamente controllante rispetto all’intero processo. In questo lavoro di tesi sperimentale l’obiettivo è l’ottimizzazione della formulazione dell’inchiostro catalitico per la ORR lato catodo di una PEMFC, agendo sul catalizzatore, sullo ionomero e sul solvente, studiandone l’attività̀ e la stabilità tramite test di stress accelerato (AST). Sono state formulate nove diverse combinazioni derivanti dall’impiego di due catalizzatori, uno a base di platino (Pt) su carbone grafitico e uno PtCo su carbone dopato con eteroatomo, combinati entrambi al solvente acqua e isopropanolo (IPA), solvente più comunemente usato per la tecnica di deposizione usata spray coating. Solo il catalizzatore a base Pt è stato abbinato al glicole etilenico (EG), solvente applicabile a tecniche di deposizione di più facile scalabilità industriale. Ognuna di queste tre combinazioni catalizzatore-solvente è stata combinata con tre diversi ionomeri: Nafion, D98 e D79. Queste nove formulazioni ottenute sono state depositate con spray coating su Gas Diffusion Electrode (GDE) per essere testate in semicella. Sono state valutate ECSA, attività̀ specifica e massica da voltammetria ciclica (CV), potentiostatic staircase, spettroscopia di impedenza e test di stress accelerato (AST). Il catalizzatore a base Pt su carbone grafitico porta le formulazioni ad avere ECSA e attività̀ specifiche e massiche maggiori, con anche una migliore stabilità rispetto alle formulazioni con il catalizzatore PtCo, che presenta un andamento non lineare ma con un picco di attività a 5000 cicli di AST. Dall’analisi di Tafel risulta che il catalizzatore PtCo non solo ha cinetica di reazione più lenta ma è anche meno stabile. Nel confronto tra ionomeri emerge la superiorità̀ di influenza sulle prestazioni del D98, in particolare in combinazione col catalizzatore a base Pt. Il confronto tra i solventi dimostra come l’EG sia un solvente valido per lo scale-up del processo, ma anche che i risultati degli AST siano compromessi dalla tecnica di deposizione inadatta alla viscosità̀ del solvente.