Automotive PEMFC degradation under realistic driving cycle conditions : a local analysis and a basis for developing accelerated stress tests

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are electrochemical devices able to directly convert chemical energy into electric energy, through the reaction of hydrogen and oxygen, with water as the only by-product. Hydrogen represents one of the most promising solution for the automotive sector. In particular, PEMFCs are recognised to be the most suitable type of fuel cells in the automotive field and a leading clean energy technology. Cost and durability are the main issues to be overcome in order to reach higher competitiveness on the market. This MSc Thesis develops in the framework of Horizon 2020 European project ID-FAST, that has the final goal of promoting PEMFCs for vehicles, through the development of Accelerated stress test (AST) protocols and associated transfer functions to predict ageing in real world functioning. This work aims to quantify the degrading phenomena induced under real world ageing operation, with specific attention to their local impact. Thus, a Driving Cycle has been performed in order to simulate the real degradation of a PEMFC in a reliable way. The design of the applied Driving cycle is based on real-world fleet data provided by car companies and adapted for single cell functioning. A specific hardware (Segmented cell) allowed to perform local evaluation of the resulting ageing. Dry conditions imposed by the protocol emerged as the main stressor, mostly affecting the inlet of the cell. Among the consequences of that, relevant mechanical degradation and loss of electrochemical activity added further detrimental effects. As second step and basing on the previous test, new AST protocols have been developed and operated on a Zero-Gradient hardware, specifically designed to keep uniform operating conditions. Each of them aimed to reproduce specific operative condition of the previous dynamic load cycling, properly splitted into two different section: Low Power and High Power. An accelerating time factor of x20 has been introduced, the resultant ageing was 5 times lower in cycles with respect to what obtained with the driving cycle, leading to a x4 acceleration estimated with satisfying reproducibility achieved in terms of both kinetic and voltage losses. In addition, a parallel modelling activity is carried out during the entire work, exploiting a one- dimensional Matlab® model developed by the MRT Fuel Cell Lab of Politecnico di Milano. This activity consisted of an initial calibration of the main input parameters - by means of a sensitivity analysis - and proceeded with the reproduction of the real ageing simulated on the tested Membrane Electrode Assembly (MEA), in order to support experimental observations and to achieve a deeper comprehension of the physics behind the processes.

Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico, note con l’acronimo inglese PEMFC, sono dispositivi di conversione elettrochimica in grado di produrre corrente elettrica sfruttando idrogeno e aria, ottenendo come unico sottoprodotto acqua. La produzione di energia elettrica dall’idrogeno rappresenta una delle soluzioni più promettenti per il settore automobilistico. In particolare, le PEMFC sono riconosciute come la tipologia di celle a combustibile più adatta nel campo automobilistico e una tecnologia leader nel settore dell’energia pulita. Costo e durata sono i principali problemi da superare per raggiungere una maggiore competitività sul mercato. Questa tesi si sviluppa nell’ambito del progetto europeo Horizon 2020 ID-FAST, che punta a promuovere le PEMFC per i veicoli attraverso lo sviluppo di protocolli accelerati (AST) e le relative funzioni di trasferimento, in modo da prevederne l’invecchiamento realistico durante il funzionamento. Questo lavoro mira a quantificare i fenomeni di degradazione indotti durante il funzionamento, con attenzione particolare al loro impatto locale. Di conseguenza, è stato eseguito un ciclo di guida (Driving cycle) per simulare il reale degrado di una PEMFC. La sua progettazione si basa sui dati forniti da case automobilistiche e adattati per il funzionamento di una cella singola. Un hardware specifico (Segmented cell) ha permesso di eseguire un’analisi locale dell’invecchiamento risultante. Le condizioni secche imposte dal protocollo sono emerse come il principale fattore di stress - soprattutto in ingresso catodo - causando degradazione meccanica e perdita di attività elettrochimica come maggiori effetti di degrado. In seguito, basandosi sul test precedente, sono stati sviluppati nuovi protocolli AST, testati su un hardware Zero-Gradient, studiato per mantenere uniformi le condizioni di esercizio. Ognuno di essi è stato progettato per riprodurre le condizioni operative del precedente ciclo di carico, suddiviso in due differenti sezioni: Low Power (bassa potenza) e High Power (alta potenza). È stato introdotto un fattore di accelerazione temporale di x20, l’invecchiamento è risultato 5 volte inferiore rispetto al ciclo di guida, portando ad un stima di un’accelerazione di x4 con soddisfacente riproducibilità ottenuta in termini di perdite cinetiche e di tensione. Parallelamente viene svolta un’attività modellistica, sfruttando un modello monodi- mensionale Matlab® sviluppato dal MRT Fuel Cell Lab del Politecnico di Milano. Tale attività si è svolta con una iniziale analisi di sensitività e calibrazione dei principali parametri di input ed è proseguita con la riproduzione dell’invecchiamento reale indotto sulla membrana (MEA) testata, al fine di supportare osservazioni sperimentali e chiarificare i meccanismi di degrado, individuando i principali contributi che spiegano la degradazione.