Investigation on low and high temperature fuel cell components and their evaluation in short stack configuration

Research activities on solid oxide (SOFC) or polymer electrolyte membrane (PEMFC) fuel cells are currently focused on performance and lifetime enhancement as well as costs reduction. These aspects are relevant to make such systems more attractive for the market, both for stationary and automotive applications. From this point of view, an increase of temperature (from 80°C to 110-120°C) appears necessary for PEMFC technology (high temperature PEMFC, or HTPEMFC). This would allow more resistance to CO contaminants in the fuel, better thermal and water management and a better efficiency for co-generation. On the contrary, SOFC technology is moving towards intermediate temperature (IT-SOFC); this would allow cost reduction while developing planar cells, due to less critical construction processes and an increase of stability. These ways to enhance the fuel cells applications are well studied for single cell but the scale-up process to significant power production devices needs specific investigations. Moreover, different technologies need different field test procedures, tailored on the specific application sectors. In this Ph.D. thesis, fuel cell devices exploiting either solid oxide or polymer electrolyte technologies, were tested for specific applications. In particular, 1kW fuel cell stacks were tested in order to verify the possibility of fuel cell use in small size applications. Nowadays, HT-PEMFC devices are creating lot of interest for FC technology development. Anyway, despite a deep knowledge of material properties, the assessment of the new materials at stack level have undergone only few studies. In this research activity this aspect was investigated. Moreover, IT-SOFC technology is considered valuable for stationary applications and distributed energy production, using cheap fuels and a highly efficient electrochemical process. Nevertheless, for residential energy consumption, the studied SOFC device can be considered not as a downscaled device for laboratory study, but as the base to develop a complete system. This Ph.D. thesis involves considerations for both stationary and automotive applications, by analysing fuel cells stack with a size large enough to be considered a proof-of-concept. In other words, the size appears sufficient to investigate main phenomena visible in larger stack oriented to real world applications. The whole activity can be divided in two lines: 1) tests of HT-PEMFC short stacks that were carried out to evaluate their performance in typical automotive working conditions (current, temperature, humidification, pressure) and to establish an optimal operating point. 2) tests of IT-SOFC stacks in natural gas, in order to evaluate performance decay and its response to detrimental effects due to thermal and redox cycles that can appear in "out of laboratory" usage. Diagnostic analysis such as current interrupt method and electrochemical impedance spectroscopy completed the study by supplying information about the optimization of stack assembling procedure. The whole experimental activities were carried out in laboratory, to accurately control the process variables; nevertheless, the recorded performances are anyway meaningful with respect to real world applications, once defined tailored working conditions by a good compromise between performances and costs.

La ricerca sulle celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) ed a membrana ad elettrolita polimerico è attualmente indirizzata al miglioramento delle performance e della loro vita utile, così come alla riduzione dei costi. Tali aspetti sono importanti per rendere questi dispositivi più interessanti per il mercato, sia nelle applicazioni stazionarie che automotive. Da questo punto di vista, per la tecnologia PEMFC sembra necessario un incremento della temperatura (da 80°C a 110-120°C, high temperature PEMFC o HT-PEMFC). Ciò porterebbe ad una migliore resistenza alle impurezze di CO nel fuel, un migliore thermal and water management ed una migliore efficienza per la co-generazione. Al contrario, la tecnologia SOFC va verso temperature intermedie (IT-SOFC); ciò permetterebbe una riduzione dei costi nello sviluppo di celle planari, grazie a processi di fabbricazione meno onerosi ed ad un incremento della stabilità. Questi modi di estendere l'applicazione sono ben studiati per celle singole, ma il processo di scale-up verso dispositivi di potenza necessita di ulteriori specifici approfondimenti. Inoltre, tecnologie differenti necessitano di procedure di test differenti, adattate a specifici settori applicativi. In questa tesi di Dottorato, sono stati testati dispositivi a celle a combustibile basati su tecnologia ad ossidi solidi od ad elettrolita polimerico per applicazioni specifiche. In particolare, sono stati studiati stack di fuel cells di potenza nominale pari ad 1kW, per verificare la possibilità dell'utilizzo di fuel cell per applicazioni di piccola taglia. Attualmente, i dispositivi basati su HT-PEMFC stanno suscitando interesse per lo sviluppo delle celle a combustibile. Nonostante una profonda conoscenza delle proprietà dei materiali, la valutazione degli stessi a livello di stack è stata oggetto di un piccolo numero di studi. In questa attività di ricerca è stato approfondito proprio questo aspetto. La tecnologia IT-SOFC è considerata adatta per applicazioni stazionarie e per la produzione di energia distribuita, poiché può usare combustibile poco costoso in processi elettrochimici ad elevata efficienza. Inoltre, per applicazioni relative ad utenze residenziali, i dispositivi studiati possono essere considerati come la base per lo sviluppo di un sistema turn-key e non come la versione downscaled per studi da laboratorio. Questa tesi di Dottorato include considerazioni per applicazioni sia stazionarie che automotive, analizzando stack di fuel cells di potenza sufficiente per essere considerati come proof-of-concept. In altre parole, la potenza è sufficiente per studiare i principali fenomeni che appaiono in stack di dimensioni superiori orientate ad applicazioni pratiche. L'intera attività può essere suddivisa in due parti: 1) test di short stack HT-PEMFC per la valutazione delle performance in condizioni tipiche del settore automovtive (corrente, temperatura, umidificazione, pressione) e per individuare il punto di lavoro ottimale; 2) test di stack IT-SOFC in gas naturale per valutare la perdita di prestazioni per fenomeni legati a cicli redox che possono avvenire durante l'uso reale. Tecniche di diagnosi, come il metodo di interruzione di corrente e la spettrocopia d'impedenza hanno completato lo studio fornendo informazioni circa l'ottimizzazione dell'assemblaggio degli stack. La sperimentazione è stata interamente condotta in laboratorio, per controllare in maniera accurata le variabili di processo; nonostante ciò, le prestazioni ottenute sono comunque utili per applicazioni concrete, una volta che siano state definite condizioni di lavoro appropriate come compromesso tra prestazioni e costi.