A combined experimental and modelling approach for the improved characterization of high temperature PEM fuel cells

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells are electrochemical devices that, via combination of hydrogen and oxygen, form water as a product and induce a charge flow that carries a technologically relevant electrical power. Polymer fuel cells have become attractive for research in the last decade as energy conversion systems in the automotive industry, because of high power density, fast start-up, and low emissions. Also small scale stationary cogeneration systems have been demonstrated and installed, thanks to the potentially high efficiency in addition to the above mentioned advantages. Because of the imminent commercialization of fuel cell vehicles, research is directed toward the mitigation of few issues that still hinder competitiveness of this technology with internal combustion engines. Among them, the most relevant issue is the durability of components, in particular the electrodes and specifically the cathode. In the present work durability of high temperature polymer fuel cells is investigated with an original approach that couples models and experiments. Ex situ and in situ experiments, which focus on oxygen transport phenomena in the porous backing and catalyst layers, lead to the development and validation of an advanced physical model on polarization curves and electrochemical impedance spectra recorded in a wide range of operating conditions. The validated model is later applied to the interpretation of experimental results recorded in a long term durability test. Simulations indicate that heterogeneity of ageing is responsible for approximately 30% of the degradation rate observed in the experiment.

Le celle a combustibile polimeriche sono dispositivi elettrochimici che, combinando il combustibile idrogeno con il comburente ossigeno, formano come prodotto della reazione acqua e contemporaneamente inducono un flusso di cariche elettriche che hanno una potenza elettrica di interesse tecnologico. Questa tecnologia ha attirato l’attenzione della ricerca negli ultimi anni per la conversione diretta dell’energia nel campo automobilistico, grazie all’elevata densità di potenza, allla veloce risposta a improvvise variazioni di carico e alle basse emissioni. Anche nel campo della cogenerazione stazionaria esistono applicazioni per sistemi di piccola taglia, grazie alla potenzialmente elevata efficienza elettrica di conversione in aggiunta ai vantaggi precedetemente discussi. A causa dell’imminente commercializzazione di veicoli ibridi a celle a combustibile, la ricerca si è indirizzata verso la soluzione di alcune problematiche che limitano la competitività di questa tecnologia in confronto con la tecnologia convenzionale dei motori a combustione interna. Tra queste problematiche, la più rilevante è la vita utile dei componenti, in particolare degli elettrodi e specificatamente il catodo. Nella presente tesi di dottorato, il processo di degrado di celle a combustibile polimeriche ad alta temperatura è investigato per mezzo di un innovativo approccio che combina esperimenti e modelli teorici. Esperimenti ex situ e in situ, con particolare attenzione a fenomeni di trasporto di ossigeno nei mezzi porosi e nello strato catalitico, hanno condotto allo sviluppo e validazione di un modello fisico su curve di polarizzazione e spettri di impendenza elettrochimica eseguiti in un vasto intervallo di condizioni operative. Il modello validato viene quindi utilizzato per l’interpretazione dei risultati di un test sperimentale di degrado condotto a lungo termine. Le simulazioni indicano che approssimativamente il 30% della degradazione osservata è dovuta ad eterogeneità locali nel processo di degradazione.