Fuel cells convert energy stored in hydrogen into electricity. As a zero-emission technology, they represent a sustainable alternative to conventional combustion engines, particularly for heavy-duty vehicles. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are used in vehicles and typically operate up to 80 °C. To facilitate the cooling of PEMFCs, slightly rising the operating temperature to the range of 80-120 °C, defined as intermediate temperature (IT), would be desirable.

The aim of the thesis is to electrochemically analyze the impact of IT operation on commercially available PEMFC materials. Results show that increasing the temperature has multiple effects on the cell. Increased ionic conductivity, faster reaction kinetics and reduced mass transport resistance are counteracted by a negative shift of the equilibrium potential, enhanced corrosion of the carbon support, and reduced gas barrier properties. Additionally, if the humidity and the cell pressure are constant, the partial pressure of oxygen is reduced at higher temperature, which limits the cell performance. Finally, a higher temperature leads to faster degradation. The ultimate failure is attributed to the formation of pinholes in the membrane, but the polymer conductivity and the catalyst's electrochemical surface area are also negatively affected. 

Despite a scarcity of comparable data above 80 °C, the main obstacle for IT-PEMFCs is apparently the lack of stable materials. Current state-of-the-art polymers for PEMFCs are based on perfluorosulfonic acid (PFSA), whose sustainability has recently been questioned. Alternatively, fluorine-free hydrocarbon-based polymers investigated here show comparable results up to 100°C, but cannot tolerate operation at 120 °C. More research is needed to further develop sustainable materials and to allow continuous operation of PEMFCs in the intermediate temperature range. 

Bränsleceller omvandlar energin lagrad i vätgas till elektricitet. Som nollemissionsteknik utgör de ett hållbarare alternativ till konventionella förbränningsmotorer. Vätgasens höga energiinnehåll gör dem särskilt lovande för tunga fordon. I fordon används vanligtvis protonledande membranbränsleceller (PEMFC) med en driftstemperatur runt 80 °C. För att underlätta kylningen av PEMFC, vore det önskvärt att kunna använda den vid en något förhöjd temperatur, från 80 till 120 °C, definierad som en mellantemperatur (IT). 

Syftet med avhandlingen är att elektrokemiskt analysera inverkan av IT-drift på kommersiellt tillgängliga PEMFC-material. Resultaten visar att en ökning av temperaturen har flera effekter på cellen: ökad jonledningsförmåga, snabbare reaktionskinetik och minskad masstransportmotstånd motverkas av en negativ förskjutning av jämviktspotentialen, ökad korrosion av katalysatorns bärarkol och försämrade gasbarriäregenskaper hos membranet. Dessutom, om fuktigheten och celltrycket är konstanta, minskar syrepartialtrycket vid högre temperatur, vilket begränsar cellens prestanda. I förlängningen orsakar den förhöjda temperaturen en snabbare nedbrytning av PEMFC som slutligen havererar genom att hål bildas i membranet. Även polymerelektrolytens ledningsförmåga och katalysatorns aktiva yta minskar vid långvarig drift.

Det saknas jämförbara data över 80 °C, men uppenbart är det största hindret för IT-PEMFC bristen på stabila material. Nuvarande polymerelektrolyter för PEMFC är baserade på perfluorsulfonsyra (PFSA), vars miljövänlighet nyligen har ifrågasatts. Alternativa fluorfria kolvätebaserade polymerer som undersökts här visar jämförbara resultat upp till 100 °C, men tolererar inte drift vid 120 °C. Mer forskning behövs för att utveckla hållbara material för att möjliggöra kontinuerlig drift av PEMFC i mellantemperaturintervallet.

Efficient operation and durability of polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) depend strongly on thermodynamic conditions and materials selection. This thesis investigates water transport, gas permeability and corrosion of carbon catalyst support under realistic operating conditions in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs).

Experiments were conducted using real-time humidity sensors, mass spectrometry, and electrochemical methods, supported with numerical modelling in COMSOL Multiphysics.

Interest in PEMFCs which operate at low temperatures (LT, <80 °C) has shifted towards intermediate temperatures (IT, 80-120 °C) for the possibility of reducing size of cooling systems. Although water accumulation was minimized at IT, increased pressure led to the opposite effect, however with performance limitations attributed to reduced oxygen partial pressure (Paper I). Hydrogen crossover was found to increase with temperature, pressure and RH, and a convective component was observed under asymmetric pressure conditions (Paper IV and V).

In AEMFCs, asymmetric inlet humidification and dynamic gas flows were effective in managing hydration. Material properties such as ionomer water uptake and GDL hydrophobicity had a minor impact on water transport but considerably affected peak power output (Paper II and III). AEMs exhibited lower gas crossover than PEMs under all conditions, particularly the reinforced second-generation membranes (Paper V).

Carbon corrosion in PEMFCs was shown to accelerate significantly with both temperature and humidity, becoming the dominant reaction above 1.1 V and almost constant at the most extreme conditions tested (120 °C and 70 % RH, Paper VI).

These findings provide new insights into optimization strategies and limitations for PEFC systems, highlighting the importance of thermodynamic control and robust materials in achieving long-term, high-performance operation.

Effektiv drift och lång livslängd hos polymerelektrolytbränsleceller (PEFC) beror starkt på termodynamiska förhållanden och materialval. Denna avhandling undersöker vattentransport, gaspermeabilitet och korrosion av kolbaserat katalysstöd under realistiska driftsförhållanden i protonutbytande membranbränsleceller (PEMFC) och anjonutbytande membranbränsleceller (AEMFC).

Experimenten genomfördes med realtidsmätning av luftfuktighet, masspektrometri och elektrokemiska metoder, kompletterade med numerisk modellering i COMSOL Multiphysics.

Intresset för PEMFC som arbetar vid låga temperaturer (LT, <80 °C) har skiftat mot intermediära temperaturer (IT, 80–120 °C) för att minska kylsystemens storlek. Även om vattenackumulering minskades vid IT, ledde ökat tryck till motsatt effekt, med prestandabegränsningar kopplade till reducerat syrgastryck (Paper I). Vätgas-crossover ökade med temperatur, tryck och relativ luftfuktighet, och en konvektiv komponent observerades under asymmetriska tryckförhållanden (Paper IV och V).

I AEMFC visade asymmetrisk fuktmatning och dynamiska gasflöden effektiv hydrering. Materialfaktorer som vattenupptag i ionomerer och GDL:s hydrofobicitet hade liten inverkan på vattentransport men påverkade maximal effekt betydligt (Paper II och III). AEM uppvisade lägre gas-crossover än PEM-membran under alla testade förhållanden, särskilt de förstärkta membranen av andra generationen (Paper V).

Kolkorrosion i PEMFC accelererade kraftigt med både temperatur och fuktighet och blev den dominerande reaktionen över 1,1 V, och nästan konstant under de mest extrema testade förhållandena (120 °C och 70 % RH, Paper VI).

Dessa resultat ger nya insikter i optimeringsstrategier och begränsningar för PEFC-system, och understryker vikten av termodynamisk kontroll och robusta material för att uppnå långvarig och högpresterande drift.