Development of a hydrogen fuel cell performance degradation predictive model for road transport applications

Abstract

[ES] En el marco de la actual transición energética hacia la descarbonización del sector de la movilidad, este estudio se centra en el desarrollo de un modelo predictivo de la degradación de la pila de hidrogeno PEM. Sus propiedades la convierten en una potencial alternativa a gran escala frente a los sistemas de propulsión eléctrica basados exclusivamente en baterías, cubriendo algunas de las carencias que éstos presentan frente a los sistemas de combustión tradicionales. Sin embargo, uno de los principales retos a los que se enfrenta es la durabilidad. A través de este estudio, se crea inicialmente un modelo que imita el comportamiento electroquímico de la PEMFC, el cual ha sido calibrado y validado con referencias experimentales para ser sensible a cambios en las condiciones de operación. Posteriormente, se realiza una revisión bibliográfica para identificar las diferentes tendencias que promueven la degradación del catalizador y de la membrana en función de cada uno de los principales estados de operación en los que trabajan estas pilas. Dentro de estas tendencias, se identifican tres indicadores fiables de la degradación del catalizador y la membrana que se utilizarán para relacionar la degradación global y la específica: la superficie electroquímicamente activa, la resistencia óhmica y la corriente de cruce de hidrógeno. En un siguiente paso, las tendencias de degradación encontradas en la literatura se incorporan al modelo PEMFC para transformarlo en un modelo capaz de predecir el origen de la degradación en función de la aplicación a la que sirve y a través de los indicadores de membrana y catalizador introducidos. Tras analizar los resultados obtenidos, aplicados al sector del transporte pesado por carretera, se realizan una serie de recomendaciones a la industria con el objetivo de mejorar la vida útil de la PEMFC. Entre estas recomendaciones, se proponen medidas específicas para fabricar PEMFC más duraderas y para reducir los estados dinámicos que generan la mayor parte de la degradación, ambas enfocadas a alargar la durabilidad de la membrana y el catalizador, y, por tanto, de la pila de hidrógeno.

[EN] Within the framework of the current energy transition towards the decarbonisation of the mobility sector, this study is focused on the development of a hydrogen PEM fuel cell predictive degradation model. Its properties make it a potential large-scale alternative to battery-exclusive electric powertrains, covering some of the shortcomings that these have compared to traditional combustion systems. However, one of the main challenges it faces is durability. Through this study, a model that mimics the electrochemical behaviour of the PEMFC is initially created, which has been calibrated and validated with experimental references to be sensitive to changes in operating conditions. Subsequently, a literature review is carried out to identify the different trends that promote catalyst and membrane degradation as a function of each of the main operating states in which these cells work. Within this trends, three reliable catalyst and membrane degradation indicators are identified and will be used to link overall and specific degradation: the electrochemically active surface area, the ohmic resistance and the hydrogen crossover current. In a next step, the degradation trends found in the literature are incorporated into the PEMFC model to transform it into a model capable of predicting the origin of the degradation depending on the application it serves and through the introduced membrane and catalyst indicators. After analysing the results obtained, applied to the heavy road transport sector, a series of recommendations are made to the industry with the aim of improving the PEMFC lifespan. Among these recommendations, specific measures are proposed to manufacture more durable PEMFCs and to reduce the dynamic states which generate the major part of the performance decay, both focused on extending the durability of the membrane and the catalyst, and thus, of the hydrogen cell.

[CAT] En el marc de l'actual transició energètica cap a la descarbonització del sector de la mobilitat, aquest estudi se centra en el desenvolupament d'un model predictiu de la degradació de la pila d'hidrogen PEM. Les se ues propietats la converteixen en una potencial alternativa a gran escala enfront dels sistemes de propulsió elèctrica basats exclusivament en bateries, cobrint algunes de les mancances que aquests presenten enfront dels sistemes de combustió tradicionals. No obstant això, un dels principals reptes als quals s'enfronta és la durabilitat. A través d'aquest estudi, es crea inicialment un model que imita el comportament electroquímic de la PEMFC, el qual ha sigut calibrat i validat amb referències experimenta ls per a ser sensible a canvis en les condicions d'operació. Posteriorment, es realitza una revisió bibliogràfica per a identificar les diferents tendències que promouen la degradació del catalitzador i de la membrana en funció de cadascun dels principals estats d'operació en els quals treballen aquestes piles. Dins d'aquestes tendències, s'identifiquen tres indicadors fiables de la degradació del catalitzador i la membrana que s'utilitzaran per a relacionar la degradació global i l'específica: la superfíci e electroquímicament activa, la resistència òhmica i el corrent d'encreuament d'hidrogen. En un següent pas, les tendències de degradació trobades en la literatura s'incorporen al model PEMFC per a transformarlo en un model capaç de predir l'origen de la degradació en funció de l'aplicació a la qual serveix i a través dels indicadors de membrana i catalitzador introduïts. Després d'analitzar els resultats obtinguts, aplicats al sector del transport pesat per carretera, es realitzen una sèrie de recomanaci ons a la indústria amb l'objectiu de millorar la vida útil de la aquestes recomanacions, es proposen mesures específiques per a fabricar PEMFC. Entre PEMFC més duradores i per a reduir els estats dinàmics que generen la major part de la degradació, totes dues enfocades a allargar la durabilitat de la membrana i el catalitzador, i, per tant, de la pila d'hidrogen.