Polymer electrolyte fuel cells occupy a key position in implementing the hydrogen economy on a global scale. However, assessments of cost, availability and sustainability of materials currently used to manufacture state-of-the-art fuel cell stacks have given cause for concern. Platinum and platinum-group metals are prohibitively expensive and of low abundance. The benchmark ion-conductive polymer Nafion^TM and related perfluorosulfonic acid-based polymers are difficult to synthesize and environmentally persistent to extreme degrees. Graphitic and carbon composite bipolar plates are unsuitable for mass production and have low recycling potential. In the compiled works, alternative materials were evaluated both for the acidic and alkaline variations of polymer electrolyte fuel cells. Electrochemical characterization was carried out in single cell tests with a focus on finding the limitations in terms of ohmic, charge transfer and transport resistances in the cell, through polarization and impedance measurements.

Carbon coated stainless steel bipolar plates were tested operando in a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) under realistic conditions based on the New European Drive Cycle. Observed trace metal contamination of the MEA was linked to metal dissolution from coating defects caused by manufacturing (Paper I). A theoretical understanding of observed metal dissolution was confirmed experimentally and a concept for preventing metal dissolution was developed for PEMFC bipolar plates (Paper II). The developed concept was extended to uncoated stainless steel bipolar plates and tested successfully for three stainless steel types in operando PEMFC (Paper III)

Anion exchange polymers based on poly(arylene piperidinium) (PAP) were tested as both membranes and ionomers in a comparative study with a commercial reference material, showing higher performance and the significance of ionomer-carbon support interactions (Paper IV). PAP-based ionomers with varying ion exchange capacities were studied to optimize electrodes in anion exchange membrane fuel cells (AEMFC). A combination of high ion exchange capacity ionomer on both cathode and anode was best performing, linked to small water transport resistance in cathode and increased kinetic contribution of the anode HOR (Paper V). The effects of modifying the catalyst layer through the introduction of crosslinked PAP particles were studied in operando AEMFCs. A positive impact on charge transfer and diffusion resistances in electrodes containing particles could be observed. (Paper VI).

Silver nanoparticles were used as catalyst material in the cathode of previously optimized membrane electrode assemblies in AEMFC. The results showed promising performance compared to platinum electrodes based on monetary and sustainability considerations, but also challenges regarding catalyst stability and detrimental silver-ionomer interactions. (Paper VII).

Bränsleceller med polymerelektrolyt har en avgörande roll för implementering av vätgasekonomin globalt. Faktorer som kostnad, tillgänglighet och miljöpåverkan av material som för närvarande används i moderna bränsleceller är dock ett bekymmer. Platina och platinagruppmetaller är dyra och sällsynt förekommande. Den dominerande jonledande polymeren NafionTM och liknande perfluorsulfonsyra-baserade polymerer är krävande att syntetisera och svårnedbrytbara i naturen. Bipolära plattor av grafit och kolkomposit är olämpliga för massproduktion och har låg återvinningspotential. I avhandlingens sammanställda arbeten utvärderades alternativa material både för de sura (PEMFC) och de alkaliska (AEMFC) varianterna av polymerelektrolytbränsleceller. Elektrokemisk karakterisering med polarisations- och impedansmätningar genomfördes i enkelceller för att studera begränsningarna vad gäller laddningsöverföring samt ohmska och transportrelaterade förluster i cellen.

Kolbelagda bipolära plattor av rostfritt stål undersöktes in operando i en PEMFC under realistiska förhållanden baserade på en standardiserad europeisk driftcykel. Spår av metalljoner i cellkomponenterna observerades efter test och kopplades till metallupplösning från defekter orsakade vid tillverkningen (Paper I). Upplösningen visade sig bero på potentialgradienter som uppstod vid förändringar i gassammansättningen och kunde undvikas med bättre reglerade flöden (Paper II). Tre typer av rostfritt stål utan kolbeläggning jämfördes i operando PEMFC med belagda bipolära plattor Inte i något av fallen påvisades någon metalljonupplösning(Paper III).

Anjonbytarpolymerer baserade på poly(arylenpiperidinium) (PAP) undersöktes både som membran och jonomer. I en jämförande studie med ett kommersiellt Aemion-material visade PAP högre prestanda. Vidare visade studien att interaktionen mellan jonomer och bärarkol hade betydelse för prestandan (Paper IV). PAP-baserade jonomerer med varierande jonbyteskapacitet studerades för att optimera elektroder i AEMFC. En kombination med jonomer med hög jonbyteskapacitet på både katod och anod var bäst, och kopplad till litet vattentransportmotstånd i katoden och ökat kinetiskt bidrag från anodreaktionen (Paper V). Effekterna av att modifiera katalysatorskiktet genom införandet av tvärbundna PAP-partiklar studerades i operando AEMFCs. En positiv inverkan på laddningsöverföring och diffusionsmotstånd i elektroder som innehåller partiklar kunde observeras. (Paper VI). 

Slutligen användes silvernanopartiklar som katodkatalysator i AEMFC med elektroder optimerade med PAP. Resultaten visade lovande prestanda jämfört med platinaelektroder, utifrån kostnads- och hållbarhetsaspekter, men också utmaningar gällande katalysatorns stabilitet och interaktionen mellan silver och jonomer. (Paper VII).

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.