Coupling between a PEM fuel cell model of performance and a semi-empirical catalyst degradation model for analysis of real-world degradation

In last years, Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC), thanks to their high power density, low operating temperature, high energy conversion efficiency and low/zero emissions both on local and global scale, has received a considerable interest as a promising candidate for vehicle and, in particular, heavy-duty application. However, durability represents one of the main issues to be solved to guarantee a deep market penetration of this technology. The U.S. Department of Energy (DoE) has set a long-time target of 8000 h lifetime in passenger cars applications and for buses applications a durability target of 25000 h has been specified. Besides material improvement, the deployment of system-mitigation strategies could allow to slower material degradation and increase PEM stack lifetime. Such an approach could be pursued only if there are effective modelling tools, validated on proper experimental data, able to simulate performance and degradation of PEM cells under different operating conditions. In particular, being the main cost levers, catalyst layers (CLs) are those components of the cell on which degradation studies have been mainly concentrated in recent years. Therefore, the aim of this work is to develop a model framework for projecting performance degradation of PEMFC, involving a physical-based model and a semi-empirical degradation model. Methodology is validated on an experimental database consisting of 1000 h of operation under a real driving cycle test protocol developed within ID-FAST Project.

Le celle a combustibile a membrana polimerica (acronimo inglese PEMFC), grazie alla loro alta efficienza, elevata densità di potenza, bassa temperatura operativa e basse/zero emissioni, rappresentano una valida alternativa ai convenzionali motori a combustione per applicazioni automobilistiche, specie per quanto riguarda il settore heavy-duty. Tuttavia, ad oggi, la breve vita utile rappresenta uno dei principali ostacoli per una rapida commercializzazione di questa tecnologia. In tal senso, il Dipartimento di Energia degli Stati Uniti (acronimo inglese DoE) ha fissato come obiettivo a lungo termine quello di raggiungere una vita utile equivalente pari a 8000 e 25000 ore operative rispettivamente per automobili e bus. Per raggiungere questo traguardo, oltre ad un miglioramento dei materiali, diventa fondamentale sviluppare apposite strategie di mitigazione che possano permettere di rallentare la degradazione ed aumentare quindi la vita utile dello stack. Per fare ciò, si deve però ricorrere a modelli matematici che siano in grado di simulare le prestazioni e la degradazione della cella a combustibile in diverse condizioni operative. In particolare, rappresentando una delle principali voci di costo, i catalyst layers (acronimo inglese CLs) sono i due componenti della cella la cui degradazione è stata studiata in maniera più approfondita negli ultimi anni. Pertanto, lo scopo di questo lavoro è quello di sviluppare uno strumento che sia in grado di prevedere il decadimento delle prestazioni di una PEMFC: esso si compone di un modello di performance e di un modello di degrado basato su correlazioni semi-empiriche. La veridicità di questo approccio è stata verificata sulla base di dati sperimentali ottenuti simulando mille ore di funzionamento nelle condizioni operative di un apposito ciclo di guida reale sviluppato nel corso del progetto ID-FAST.