Simulating PEM fuel cell dynamic operation : effect of catalyst oxides on fuel cell temporary loss of performance

This modeling work deals with the coupling of a PEM fuel cell performance model with a degradation model that incorporates the electrochemical reactions related to oxides growth on platinum catalyst and Pt dissolution in order to replicate the dynamic operation of fuel cells and learn more about the effects of Pt oxides on fuel cell performances. The degradation model was updated by introducing stable oxides related to a newly proposed platinum dissolution mechanism, while the performance model, which was able to replicate the steady-state performances, was modified to include dynamic equations and process dynamic inputs. From the coupling of the two physical-based models, the parameters that link the catalyst oxides coverage with the fuel cell performance were fitted to reproduce dynamic tests experimental results. The obtained model offers a better description of cathode potential real conditions, since it can grasp its non-uniform distribution and its changes in real dynamic operations, giving a more accurate reproduction of oxides growth and degradation phenomena. The numerical results show good agreement with experimental data, highlighting the crucial role stable oxides play in the temporary reduction of fuel cell performances. Additionally, a correlation that adjust the relationship between oxides coverage and fuel cell performances based on the degree of fuel cell deterioration is proposed. This correlation offers insights on the change of catalyst nanoparticles structure, and consequent change of the interaction between Pt oxides and catalyst active sites.

Questo lavoro di modellazione si occupa dell'accoppiamento di un modello di performance di una cella a combustibile PEM con un modello di degradazione che incorpora le reazioni elettrochimiche legate alla crescita degli ossidi di platino sul catalizzatore e alla dissoluzione del platino al fine di replicare l'operazione dinamica delle celle a combustibile e apprendere maggiori informazioni sugli effetti degli ossidi di platino sulle prestazioni della cella a combustibile. Il modello di degradazione è stato aggiornato introducendo ossidi stabili correlati a un proposto nuovo meccanismo di dissoluzione del platino, mentre il modello di performance, in grado di replicare le prestazioni allo stato stazionario, è stato modificato per includere equazioni dinamiche e processare input dinamici. Dall'accoppiamento dei due modelli basati sulla fisica, i parametri che collegano la copertura degli ossidi sul catalizzatore con la performance della cella a combustibile sono stati adattati per riprodurre i risultati sperimentali dei test dinamici. Il modello ottenuto offre una migliore descrizione delle reali condizioni di potenziale del catodo, poiché può comprendere la sua distribuzione non uniforme e le sue variazioni in operazioni dinamiche reali, fornendo una riproduzione più accurata dei fenomeni di formazione degli ossidi e degradazione. I risultati numerici mostrano un buon accordo con i dati sperimentali, evidenziando il ruolo cruciale che gli ossidi stabili svolgono nella riduzione temporanea delle prestazioni della cella a combustibile. Inoltre, viene proposta una correlazione che regola la relazione tra la copertura degli ossidi e le prestazioni della cella a combustibile in base al grado di deterioramento della cella a combustibile. Questa correlazione offre spunti sul cambiamento della struttura delle nanoparticelle del catalizzatore e sul conseguente cambiamento dell'interazione tra gli ossidi di platino e i siti attivi del catalizzatore.