Experimental analysis of commercial and low platinum PEM fuel cells for automotive applications : operation under low relative humidity and ageing

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are electrochemical devices that directly convert the chemical energy of hydrogen to electric work resulting a promising technology for automotive power train application, thanks to specific features such as high efficiency and high power to weight ratio. At the same time, the diffusion of this technology is discouraged by its high cost that is mainly due to the platinum necessary to catalyse the electrochemical reactions: a reduction of the Pt content in the catalyst layer at the cathode is essential to achieve competitiveness against ICE and battery-electric vehicles. Several efforts have been dedicated to the understanding of fundamentals problems arising when platinum loading is reduced, such as additional loss of power density and reduced durability; hence, many improvements have been obtained along the years to overcome these issues that prevent PEMFC technology from a wider commercialization. This MSc thesis work aims to provide a complete and comprehensive benchmark for future works studying the behaviour of different commercial membrane electrode assemblies (MEAs) under different operating conditions and evaluating the performance with a deep analysis of the physical phenomena by means of diagnostic tools and mathematical models. The tests have been designed in order to evaluate the effect of low relative humidity and high pressure, as it occurs in automotive operating conditions. Moreover, motivated by the need to understand more about PEMFC with low platinum content, part of the work has been focused on the study of innovative fuel cells, making a comparison with commercial samples and investigating on the main cathode catalyst layer degradation phenomena. In the end, platinum oxides formation and its relationship with the activity of the oxygen reduction reaction are analysed as well as the effect of platinum loading on the oxygen transport resistance via limiting current density measurements.

Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico (acronimo inglese, PEMFC) sono dispositivi elettrochimici che, direttamente, convertono l’energia chimica dell’idrogeno in energia elettrica, rappresentando una tecnologia promettente per applicazioni come la trazione automobilistica grazie a caratteristiche come l’alta efficienza e l’alto rapporto potenza/peso. Allo stesso tempo, la diffusione di questa tecnologia è scoraggiata dall’elevato costo che è principalmente dovuto al platino necessario per catalizzare le reazioni elettrochimiche: una riduzione del contenuto di platino nel catalyst layer (CL) del catodo è essenziale per competere con tecnologie come i motori a combustione interna e le macchine elettriche a batteria. Negli anni sono stati fatti molti sforzi per capire i principali problemi che sorgono con bassi contenuti di platino, come perdite aggiuntive di densità di potenza o ridotta durabilità, che non permettono a questa tecnologia di essere commercializzata su grande scala. Questa tesi si propone di fornire una completa e chiara caratterizzazione dei campioni testati, a beneficio di futuri lavori, studiando il comportamento di diverse membrane commerciali in varie condizioni operative e valutando le prestazioni con un’approfondita analisi dei fenomeni fisici grazie a strumenti di diagnostica e modelli matematici. I test sono stati concepiti per valutare l’effetto della bassa umidità relativa e della pressione come avviene nelle tipiche condizioni operative di un’automobile. Inoltre, per comprendere meglio gli effetti del basso contenuto di platino, parte del lavoro si è focalizzata sullo studio di celle a combustibile innovative, facendo un confronto con i campioni commerciali e indagando sui principali fenomeni di degradazione del CL del catodo. Infine, è presentata una breve analisi sulla formazione di ossidi di platino e sull’effetto del contenuto di platino sulla resistenza al trasporto di ossigeno attraverso misure della corrente limite.