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.