The objective of this study is to shed more light on the electrochemical interface of HTPEM fuel cell. More specifically, to understand and improve the electrochemical interface of both the anodic and cathodic electrode in HTPEM fuel cells, as well as optimize the catalyst layer structure for operation under various challenging conditions. For that reason the effect of the PA amount in the catalyst layer and the effect of the catalyst’s substrate on the fuel cell’s performance were investigated. Initially the poisoning effect of PA on the anodic electrode was investigated. The PA amount was altered in the anodic catalyst layer and its effect on the ECSA and the anode’s performance were evaluated. It was observed that the reversible performance loss of the anodic electrode was a function of the PA amount in the catalyst layer. More specifically, under low PA loading (<3 gPA/gPt) on the anodic electrode, < 10% of the Pt active surface is electrochemically active under fuel cell operating conditions. This was attributed to the blockage of the Pt surface by pyrophosphoric acid or poly-phosphates, H2 reduced polyphosphoric acid species and the shrinkage of the interface due to the displacement of the H3PO4 by the adsorbed H2 species. High PA loadings reduced the poisoning effect of these reduced PA species ( >3 gPA/gPt). It was found that the controlled and increased PA content within the catalytic layer can result even up to the tenfold decrease in the Pt loading when the anode operates under H2 rich conditions. In order to increase the fuel cell performance and increase the three phase boundary, a newly synthesized electrocatalyst was evaluated, and compared to the commercial 30wt%Pt/C. The new catalyst is based on pyridine functionalized carbon nanotubes ,30wt%Pt/oxMWCNT-Py. Pyridine groups are known to interact with PA and thus it is expected to increase the TPB and lower the Pt loading. CL employing the new catalyst were formulated and tested at the anodes. It was found that the presence of pyridine groups homogeneously distributed PA in the catalyst layer, resulting in high ECSA values, 40m2/gPt. As a result the MEA employing 30wt% Pt oxMWCNT-Py showed the same performance as the 30%Pt/C (having 1.3mgPt/cm2), for Pt loading loadings as low as 0.2mgPt/cm2. The performance of the anodic electrode was also found to be largely depended on the PA amount imbedded in the CL, when low Pt loading were used. The latter was an effect of the shrinkage of the ECSA as a result of the formation of PA poisoning species, as also mentioned in the previous paragraph. Since 30wt% Pt/oxMWCNT-Py exhibited very promising results and high ECSA values, its performance under harsh synthetic reformate gas was also evaluated. The synthetic reformate gas that was used comprised of 50.7kPa of H2, 2 kPa of CO and 33.5kPa of H2O balanced with Ar. It was found that the 30wt%Pt/oxMWCNT-Py electrocatalyst are ideal candidates for operation under those harsh reformates conditions, as they exhibited smaller voltage losses and higher stability under these conditions. The interaction of pyridine groups with phosphoric acid not only promotes its uniform distribution on the CL but also stabilizes the EI under high partial pressure of water. Additionally, the use of pyridine functionalized MWCNT based electrocatalyst gives the opportunity of lowering the Pt loading in the electrodes without sacrificing the overall cell’s performance under reformate conditions. The observed voltage loss under synthetic reformate gas rich in CO and steam was found to be a multi-step process and a function of the hydrophobicity of catalyst substrate, the PA loading in the CL as well as the water and CO molar fraction in the reformate gas. In order to optimize the cathodic catalyst layer, CL were formulated using the newly synthesized electrocatalyst (30wt%Pt/oxMWCNT-Py) and compared to the commercial 30wt%Pt/C. A full parametric analysis with respect to catalyst type, PA loading and Pt loading was conducted. It was found that the presence of pyridine groups homogeneously distributes PA in the catalyst layer minimizing the blockage of the pores of the catalyst layer and increase the three phase boundary. As a result the MEA employing 30wt% Pt oxMWCNT-Py showed the same performance as the 30%Pt/C for half the Pt loading. Despite the hard operating conditions the Pt particles attached to the ox.MWCNT-Py substrate exhibit the same stability as the commercial catalyst and the pyridine groups were found to be stable, at least for short term operation at the cathodic and anodic electrode. Also optimization of the ECSA evaluation procedure at the cathodic electrode, using CO as a probe molecule, without damaging the Pt distribution was found. It is clear that the use of this newly synthesized electrocatalyts 30wt%Pt/oxMWCNT-Py , at both electrodes, has major advantages as it increase the catalyst utilization and there is no need to use a polymer-binder inside the catalytic layer. Thus avoiding problems of inhomogeneous binder distribution and/or electronic insulation of catalyst nanoparticles. Using 30wt%Pt/oxMWCNT-Py electrocatalyst opens the possibility of significant reduction of the amount of Pt on both electrodes, under various operation conditions, without sacrificing the performance and stability of the fuel cell. / Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής έγινε σύνθεση ενός νέου βελτιωμένου ηλεκτροκαταλύτη Pt για χρήση σε κελιά καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης υψηλών θερμοκρασιών (HTPEM), με σκοπό την αύξηση της ηλεκτροχημικά ενεργού επιφάνειας τόσο του ανοδικού όσο του καθοδικού ηλεκτροδίου. Ο καταλύτης αυτός αποτελείται από 30 % κ.β. Pt σε φορέα τροποποιημένους πολυ-φλοιϊκούς νανοσωλήνες άνθρακα (MWCNT). Οι νανοσωλήνες άνθρακα τροποποιήθηκαν σταδιακά, σε ένα πρώτο βήμα με ομάδες οξυγόνου (ox.MWCNT) και στη συνέχεια με ομάδες πυριδίνης (ox.MWCNT-Py) που προσαρτήθηκαν μέσω ομοιοπολικών δεσμών στο εξωτερικό τοίχωμά τους, ώστε να επιτευχθεί ομοιόμορφη κατανομή τους στο καταλυτικό στρώμα. Επειδή οι ομάδες πυριδίνης (Py) δεσμεύουν το φωσφορικό οξύ, το οποίο χρησιμοποιείται ως ιοντικός αγωγός, δημιουργείται ένας ιοντικά αγώγιμος δρόμος κατά μήκος του καταλυτικού στρώματος, με συνακόλουθη αύξηση της ηλεκτροχημικά ενεργού επιφάνειας, η οποία επέτρεψε τη σημαντική μείωση της ποσότητας Pt στα ηλεκτρόδια, χωρίς μείωση της απόδοσης και σταθερότητας του κελιού καυσίμου. Πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης για αύξηση της απόδοσης του ηλεκτροκαταλύτη Pt είναι το ότι αποφεύγεται η χρήση ενός ιονομερούς στο εσωτερικό του καταλυτικού στρώματος και τα προβλήματα που σχετίζονται με την ανομοιογενή κατανομή του. Εξετάστηκαν επίσης η επίδραση στην απόδοση του ανοδικού ηλεκτροδίου της παρουσίας CO και υψηλής μερικής πίεσης υδρατμού στην τροφοδοσία της ανόδου, στη περίπτωση χρήσης αερίου αναμόρφωσης ως καυσίμου. Για διερεύνηση του μηχανισμού ανάπτυξης υπέρτασης (ενεργειακής απώλειας σε όρους δυναμικού) στη περίπτωση αυτή και βελτιστοποίηση της λειτουργίας του κελιού καυσίμου, παρασκευάστηκαν ηλεκτρόδια με χρήση τριών διαφορετικών καταλυτών Pt, συγκεκριμένα των καταλυτών 30% κ.β. Pt/C, 30% κ.β. /oxMWCNT και 30wt%Pt/oxMWCNT-Py. Τα ηλεκτρόδια αυτά διέφεραν επίσης όσον αφορά στη ποσότητα καταλύτη ανά μονάδα επιφάνειας ηλεκτροδίου και στη ποσότητα φωσφορικού οξέος (PA) στο καταλυτικό στρώμα ανά μονάδα μάζας Pt (0.5 gPA/gPt και 2 gPA/gPt). Η ανάπτυξη υπέρτασης στις αναφερθείσες συνθήκες λειτουργίας αποδόθηκε σε ένα μηχανισμό πολλών σταδίων, ο οποίος βασίζεται στη μείωση της ηλεκτροχημικά ενεργού επιφάνειας λόγω της εκτόπισης του φωσφορικού οξέος από την ηλεκτροχημική διεπιφάνεια. Παρότι το φωσφορικό οξύ αποτελεί ιδανικό αγωγό ιόντων για τα κελιά καυσίμου υψηλών θερμοκρασιών τύπου PEM, παρουσιάζει διάφορους περιορισμούς, όπως το φαινόμενο δηλητηρίασης του ανοδικού ηλεκτροδίου εξαιτίας του, το οποίο επίσης μελετήθηκε στη διατριβή αυτή. Διαπιστώθηκε ότι η αναστρέψιμη απώλεια της απόδοσης του ανοδικού ηλεκτροδίου ήταν συνάρτηση της ποσότητας του H3PO4 στο καταλυτικό στρώμα.

Σύνθετα που ενσωματώνουν σιδηροηλεκτρικά και πιεζοηλεκτρικά νανοσωματίδια, ομοιογενώς διεσπαρμένα μέσα σε μήτρα άμορφου πολυμερούς, αντιπροσωπεύουν μια νέα κατηγορία υλικών. Τα νανοδιηλεκτρικά σύνθετα ανήκουν σε ένα νέο τύπο υλικών που παρασκευάζονται για βελτιωμένες επιδόσεις, σαν διηλεκτρικά και ηλεκτρικοί μονωτές. Ορισμένα κεραμικά υλικά μπορούν να επιλεγούν και να αναμιχθούν με πολυμερή για να επιτευχθεί συνέργια μεταξύ της υψηλής διηλεκτρικής αντοχής των πολυμερών και της υψηλή διηλεκτρικής σταθεράς των κεραμικών. Τα εν λόγω συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλές εφαρμογές, όπως σε ολοκληρωμένους πυκνωτές αποσύζευξης, ακουστικούς αισθητήρες εκπομπής, επιταχυνσιόμετρα γωνιακής επιτάχυνσης και ελεγκτές ρεύματος διαρροής, καθώς και σε στρατιωτικούς εξοπλισμούς και εφαρμογές στις μεταφορές. Έχει διαπιστωθεί πως τα νανοσύνθετα παρουσιάζουν βελτιωμένες ιδιότητες, αλλά όχι πλήρως κατανοητές, συγκριτικά με τα μικροσύνθετα. Επιπλέον, μελέτες δείχνουν ενδιαφέρουσες συμπεριφορές, όταν πρόκειται για πολύ χαμηλές περιεκτικότητες σε νανοσωματίδια. Στην παρούσα μελέτη, νανοσύνθετα εποξειδικής ρητίνης και κεραμικών νανοσωματιδίων BaSrTiO3 (μεικτό οξείδιο τιτανικού στροντίου βαρίου, BST) (<100 nm), παρασκευάστηκαν με διαδικασία ανάμειξης σε ένα ευρύ φάσμα συγκεντρώσεων, με σκοπό να μελετηθεί η επίδραση της πολύ χαμηλής (ή πολύ υψηλής) περιεκτικότητας στα χαρακτηριστικά του συστήματος. Οι διηλεκτρικές ιδιότητες και τα φαινόμενα χαλάρωσης μελετήθηκαν με τη βοήθεια της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας (BDS) στο εύρος θερμοκρασιών από 30 oC έως 160 oC και συχνοτήτων 10-1 Hz έως 107 Hz. Ο μορφολογικός χαρακτηρισμός έγινε μέσω της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) και διαπιστώθηκε πως η νανοδιασπορά των εγκλεισμάτων είναι επιτυχής. Ο δομικός χαρακτηρισμός, των δοκιμίων αλλά και των σωματιδίων BaSrTiO3, έγινε μέσω περίθλασης ακτίνων-Χ (XRD) και διαπιστώθηκε πως τα φάσματα έρχονται σε συμφωνία με τη σχετική βιβλιογραφία. Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας καταγράφονται τρεις διηλεκτρικές χαλαρώσεις, που αποδίδονται με φθίνουσα σειρά των χρόνων χαλάρωσης, στη διεπιφανειακή πόλωση, την μετάπτωση από την υαλώδη στην ελαστομερική φάση της μήτρας (α-χαλάρωση) και σε επαναδιευθετήσεις πολικών πλευρικών ομάδων της κύριας πολυμερικής αλυσίδας (β-χαλάρωση). Η εξέταση της επίδρασης της περιεκτικότητας σε νανοεγκλέισματα, στη διηλεκτρική απόκριση των σύνθετων αποκαλύπτει μη-αναμενόμενες συμπεριφορές, σε χαμηλές (αλλά και υψηλές) περιεκτικότητες. Πιο συγκεκριμένα στις χαμηλές περιεκτικότητες εμφανίζονται φαινόμενα ακινητοποίησης των μακροαλυσίδων και επακόλουθα των διπόλων, με αποτέλεσμα τη μείωση της διαπερατότητας και την αύξηση της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης του συστήματος. Αντίστοιχα σε υψηλές περιεκτικότητες υπάρχει εκ νέου αύξηση της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης, λόγω περιορισμένης κινητικότητας των διπόλων. Συμπερασματικά, θεωρείται πως υπάρχουν τρεις ‘’ζώνες περιεκτικοτήτων’’ που προσδίδουν διαφορετικά χαρακτηριστικά στη διηλεκτρική συμπεριφορά του συστήματος, μέσω της ρύθμισης των αλληλεπιδράσεων ρητίνης-εγκλεισμάτων. / Ceramic–polymer composites incorporating ferroelectric and piezoelectric crystal nanoparticles, homogeneously dispersed within an amorphous polymer matrix represent a novel class of materials. Nanodielectric composites belong to a new type of engineering materials suitable for improved performance as dielectrics and electrical insulators. Certain ceramic materials can be selected to be blended with polymers providing synergy between the high breakdown strength of polymers and the high permittivity of ceramic materials. These type of material systems can be used in plenty applications such as integrated decoupling capacitors, acoustic emission sensors, angular acceleration accelerometers, smart skins and leakage current controllers, as well as in military equipment and transport applications. It has been found that nanocomposites exhibit enhanced properties, yet not fully understandable, comparably to microcomposites. Furthermore, literature demonstrates some interesting dielectric behaviors when filler’s concentration comes to very low nanoparticle loadings. In the present study, nanocomposites of epoxy resin and ceramic BaSrTiO3 (Barium-Strontium Titanate, BST) nanoparticles (<100 nm), were prepared with a mixing procedure in a wide range of nanofiller concentrations, aiming to investigate the impact of very low (or very high) loadings on the system’s properties. The dielectric properties and the related relaxation phenomena were studied by means of Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) in the temperature range from 30 oC to 160 oC and frequency range from 10-1 Hz to 107 Hz. Scanning electron microscopy (SEM) was employed in order to examine the morphology of the produced specimens. The dispersion of nanoinclusions can be considered as satisfactory. Structural characterization of the systems as well as of the BaSrTiO3 nanopowder was examined via x-ray diffraction (XRD). Obtained results are in accordance with literature. Three dielectric relaxation processes were detected form the analysis of the dielectric spectra. They are attributed, with descending order of relaxation time, to interfacial polarization, glass to rubber transition of the polymer matrix (α-relaxation), and re-arrangement of polar side groups of the main macromolecular chain (β-relaxation). The influence of the nanoparticles content upon the dielectric response of the composites, reveal unexpected behaviours at low and high filler loading. In particular, effects of immobilization/entanglement of macromolecular chains and subsequently of dipoles, resulting to a decrease of the permittivity values and enhancement of the glass to rubber transition temperature of the systems, were ascertained. At the opposite edge, at high filler loading, an increase of glass to rubber transition temperature was also found, due to the limited mobility of the chains and dipoles. Concluding, the existence of three “zones of filler content” is assumed, providing different characteristics in the dielectric response of the systems, because of the tunable polymer-inclusion interactions.

Οι κυψέλες καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές διατάξεις οι οποίες επιτρέπουν την απευθείας μετατροπή της ελεύθερης χημικής ενέργειας ενός καυσίμου σε ηλεκτρική. Οι κυψέλες καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης (ΡΕΜ) αποτελούν μία υποσχόμενη τεχνολογία που βρίσκεται κοντά στο στάδιο της εμπορευματοποίησης. Το κυριότερο καύσιμο που χρησιμοποιείται στις κυψέλες καυσίμου είναι το υδρογόνο, το οποίο παράγεται συνήθως από αναμόρφωση υδρογονανθράκων ή αλκοολών. Το μονοξείδιο του άνθρακα που παράγεται επίσης κατά την διαδικασία της αναμόρφωσης αποτελεί ένα σημαντικό άλυτο πρόβλημα στις κυψέλες ΡΕΜ, καθώς η ρόφησή του στην άνοδο της κυψέλης προκαλεί την υποβάθμιση της λειτουργίας της. Το φαινόμενο της ηλεκτροχημικής ενίσχυσης συνίσταται στην μη-φαρανταϊκή τροποποίηση της ενεργότητας ενός καταλύτη που βρίσκεται σε επαφή με έναν στερεό ηλεκτρολύτη, ως αποτέλεσμα της μετακίνησης προωθητικών ειδών από τον ηλεκτρολύτη προς την καταλυτική διεπιφάνεια μετάλλου/αερίου, που προκαλείται από την επιβολή ρεύματος ή δυναμικού μεταξύ του καταλύτη και ενός ηλεκτροδίου αναφοράς. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η ηλεκτροχημική ενίσχυση της οξείδωσης μίγματος αναμόρφωσης μεθανόλης από ανόδους πλατίνας και χρυσού μίας κυψέλης ΡΕΜ. Αποδείχθηκε πως η ηλεκτροχημική ενίσχυση επηρεάζεται σημαντικά από το διαχεόμενο διαμέσου της πολυμερικής μεμβράνης οξυγόνο, όπως επίσης και από τις συνθήκες λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου. Επίσης μελετήθηκε η ηλεκτρική απόδοση ανόδων πλατίνας και χρυσού παρουσία CO. Προσδιορίστηκαν οι τιμές της ενθαλπίας ρόφησης του CO στα ηλεκτρόδια πλατίνας και χρυσού, καθώς και οι τιμές της ενέργειας ενεργοποίησης της απομάκρυνσης του CO από το κάθε ηλεκτρόδιο. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στο φαινόμενο της πολλαπλότητας μονίμων καταστάσεων κατά την λειτουργία κυψελών ΡΕΜ. Παρατηρήθηκε εξασθένηση του φαινομένου με την αύξηση της θερμοκρασίας, σε συμφωνία με τις προβλέψεις του μοντέλου γ. / Fuel cells are electrochemical devices which convert chemical energy of a fuel directly to electricity. Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells are close to commercialization. The most common fuel used is hydrogen, which is usually produced via hydrocarbons or alcohol reforming. However, during this process, carbon monoxide is formed as well, adsorbs strongly on the anode of the cell and thus impairs significantly its performance. The electrochemical promotion effect is a phenomenon where application of constant current or potential between a catalyst supported on a solid electrolyte and a reference electrode, leads to non-Faradaic changes in catalytic activity. In this thesis, it was studied the electrochemical promotion of oxidation of a methanol reformate mixture on platinum and gold anodes of a PEM fuel cell. It was found that electrochemical promotion is influenced by oxygen crossover through the polymer membrane and also by the cell operating conditions. Moreover, the electrical efficiency of platinum and gold anodes in presence of CO was studied and the values of the heat of CO adsorption on each anode and the activation energies of CO removal were estimated. Finally, the effect of temperature on the phenomenon of steady-state multiplicities was studied. It was found that increasing the temperature, the phenomenon of multiplicities is suppressed in agreement with the gama model.

Τα κελιά καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές διατάξεις που μετατρέπουν με συνεχή τρόπο τη χημική ενέργεια ενός καυσίμου και ενός οξειδωτικού σε ηλεκτρική με ταυτόχρονη παραγωγή νερού. Μια πολύ σημαντική κατηγορία κελιών είναι είναι τα κελιά καυσίμου πολυμερικής μεβράνης.Λειτουργία σε θερμοκρασίες πάνω από 100ºC έχει διάφορα πλεονεκτήματα.Ένας ιδανικός πολυμερικός ηλεκτρολύτης θα πρέπει να είναι ανθεκτικός, να έχει καλές μηχανικές ιδιότητες, υψηλή θερμική και οξειδωτική σταθερότητα και υψηλή ιοντική αγωγιμότητα, η οποία εξαρτάται από την ικανότητά του να εμποτίζεται με κάποιο μέσο όπως ένα ισχυρό οξύ, π.χ. το φωσφορικό οξύ. Το πρώτο μέρος της παρούσας διατριβής αφορά τη σύνθεση αρωματικών πολυαιθέρων που φέρουν πολικές ομάδες πυριδίνης στη κύρια αλυσίδα, μαζί με πλευρικές σουλφονομάδες με στόχο τη δημιουργία μιας μεμβράνης που θα είναι ικανή να απορροφά φωσφορικό οξύ αλλά και νερό.Το οξύ θα διασφαλίσει υψηλές τιμές ιοντικής αγωγιμότητας ενώ η παρουσία νερού θα αυξήσει την ιοντική αγωγιμότητα.Επιπλέον παρασκευάστηκαν σύνθετες μεμβράνες, με την εισαγωγή ανόργανων εγκλεισμάτων(τροποποιημένος με όξινες σουλφονικές ομάδες μοντμοριλλονίτης (SO3-MMT) στην υδρόφοβη πολυμερική μήτρα του TPS®. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκαν θερμικά διασυνδεδεμένοι πολυμερικοί ηλεκτρολύτες. Συντέθηκαν 3 νέα μονομερή και συμπολυμερή με πλευρικές ομάδες στυρολίου στη κύρια αλυσίδα.Η θερμική κατεργασία των συμπολυμερών σε υψηλή θερμοκρασία οδήγησε σε διασύνδεση της δομής χωρίς τη χρήση θερμικών εκκινητών. Ακολούθησε πλήρης χαρακτηρισμός των ιδιοτήτων όλων των νέων δομών. Τέλος, έλαβε χώρα εφαρμογή και μελέτη της απόδοσης σε μοναδιαία κυψελίδα καυσίμου. / Fuel cells are devices that convert the chemical energy of a fuel and an oxidant to electrical with simultaneous production of water. Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) represents an important class of fuel cells.Operating above 150ºC has many advantages. The ideal polymer electrolyte should exhibit long term durability, good mechanical properties, high thermal/chemical and oxidative stability and high ionic conductivity which depends on the ability to be doped with a strong acid. In the first part of this thesis aromatic copolymers bearing in the main chain basic pyridine groups combined with side chain acidic sulfonate groups were synthesized, making them capable of absorbing phosphoric acid and water. The phosphoric acid will ensure high proton conductivities while presence of water will further improve the performance of the cell. Furthermore composite membranes were prepared by adding inorganic fillers( functionalized montmorrilonite with sulfonic groups, SO3-MMT)in TPS® polymer matrix. In the second part of this thesis thermal cross- linked polymer electrolytes were developed for their use in high temperature PEMFC.Three new monomers and a series of copolymers in high temperature led to crosslinking without using thermal initiators.These properties of all the new structures were fully characterized with conventional techniques. thermal cross-linked copolymers were .chosen for the membrane electrode assembly (MEA) preparation for a preliminary study of the performance of the cell in high temperatures.

Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε ένα μοντέλο βασιζόμενο σε πρώτες αρχές με σκοπό την περιγραφή και την πρόβλεψη της πρωτονιακής αγωγιμότητας των πλήρως ενυδατωμένων μεμβρανών Nafion (το κυριότερο υλικό που χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης στις κυψέλες καυσίμου τύπου PEM) και των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών αυτής, όπως τη γραμμική εξάρτηση από το πάχος της μεμβράνης, το δυναμικό του κελιού και τη μερική πίεση του υδρογόνου. Το μοντέλο εστιάζει στη μετανάστευση των πρωτονίων που είναι συνδεδεμένα στις σουλφονομάδες και χρησιμοποιεί την κατανομή φορτίου Poisson-Boltzmann γύρω από κάθε πρωτόνιο, σε συνδυασμό με την εξίσωση Gamow, που δίνει την πιθανότητα να συμβεί το φαινόμενο σήραγγος σε παραβολικό φράγμα δυναμικού. Προτείνεται ότι το μήκος που διανύεται κατά την πραγματοποίηση του φαινομένου σήραγγος ισούται με το μήκος κύματος του πρωτονίου και ότι κάθε πρωτόνιο περιβάλλεται από το νέφος Debye-Hückel. Το μοντέλο, που δεν εμπεριέχει προσαρμόσιμες παραμέτρους, λύνεται αναλυτικά και οι προβλέψεις του είναι σε ημιποσοτική συμφωνία με το πείραμα. Στις προβλέψεις αυτές συμπεριλαμβάνεται η τάξη μεγέθους της αγωγιμότητας, η γραμμική εξάρτηση της αγωγιμότητας με το πάχος της μεμβράνης, η εκθετική εξάρτηση από το δυναμικό και η ισχυρή εξάρτηση με τη μερική πίεση του υδρογόνου. Μελετήθηκε η κινητική, οι ταλαντώσεις και η ηλεκτροχημική ενίσχυση της οξείδωσης του CO σε καταλυτικό υμένιο Pt εναποτεθειμένο σε YSZ, χρησιμοποιώντας ως βάση την απόλυτη κλίμακα του ηλεκτροδίου του οξυγόνου. Βρέθηκε ότι η ηλεκτροχημική ενίσχυση είναι μικρή (ρ<3, Λ~300) όταν οι τιμές του δυναμικού του καταλύτη, UWR, είναι ανάμεσα σε 0.2 και 0.4 V και πολύ σημαντική (ρ~9, Λ~1500) όταν το UWR υπερβαίνει την τιμή 0.4 V. Η απότομη αλλαγή που παρατηρείται κατά την μετάβαση στην έντονη ηλεκτροχημική ενίσχυση συνοδεύεται και από απότομη αλλαγή στην κινητική της αντίδρασης και στο δυναμικό του καταλύτη. Μέσω της σύγκρισης των πειραματικών αποτελεσμάτων του κεφαλαίου και ανεξάρτητων μετρήσεων του έργου εξόδου μεταβάλλοντας το δυναμικό του καταλύτη για το ίδιο σύστημα, βρέθηκε ότι η μετάβαση οφείλεται στην έντονη μετανάστευση προωθητικών ειδών, Ο2-, από τη YSZ στην επιφάνεια του καταλύτη και την συνεπαγόμενη δημιουργία μιας πυκνής αποτελεσματικής διπλοστιβάδας στη διεπιφάνεια του καταλύτη με τα αέρια αντιδρώντα. Τέλος εξετάστηκε μια τροποποιημένη κυψέλη καυσίμου τύπου PEM η οποία λειτουργεί σε συνθήκες δηλητηρίασης από CO κατά την τριοδική λειτουργία. Στο τριοδικό κελί καυσίμου τύπου PEM εκτός της ανόδου και της καθόδου εισάγεται ένα τρίτο ηλεκτρόδιο το οποίο δημιουργεί ένα επιπλέον βοηθητικό κύκλωμα το οποίο λειτουργεί με ηλεκτρολυτικά ρεύματα και επιτρέπει τη λειτουργία της κυψέλης σε δυναμικά μεταξύ της ανόδου και της καθόδου ανέφικτα κατά τη συμβατική λειτουργία. Βρέθηκε ότι είναι δυνατό να ενισχυθεί η συνολική θερμοδυναμική ενεργειακή απόδοση όταν χρησιμοποιείται ως καύσιμο μίγμα αναμόρφωσης μεθανόλης που αντιστοιχεί σε συνθήκες έντονης δηλητηρίασης από CO. / In the present work a first principles model was developed to describe and predict the protonic conductivity of fully hydrated Nafion membranes and its peculiar non-linear dependence on membrane thickness, potential and PH2. The model focuses on the surface migration of protons between adjacent sulfonate groups and utilizes the Poisson-Boltzmann charge distribution around each proton combined with the basic Gamow equation of quantum mechanics for proton tunneling, for parabolic potential barrier. It was shown that the proton tunneling distance equals the proton wavelength and that each proton surrounded by its Debye-Hückel cloud behaves as a leaking nanobattery. The model, which contains no adjustable parameters, is solved analytically and its predictions are in semiquantitative agreement with experiment, including the magnitude of the conductivity, its linear increase with membrane thickness, its exponential increase with potential and its strong dependence on partial pressure of hydrogen. Moreover it was investigated the kinetics, rate oscillations and electrochemical promotion of CO oxidation on Pt deposited on YSZ using a standard oxygen reference electrode. It was found that electropromotion is small (ρ<3) when the catalyst potential UWR, is between 0.2 and 0.4V and very pronounced (ρ~9, Λ~1500) when UWR exceeds 0.4V. This sharp transition in the electropromotion behavior is accompanied by an abrupt change in reaction kinetics and in catalyst potential. It was shown via comparison with independent catalyst potential–catalyst work function measurements that the transition corresponds to the onset of extensive O2- spillover from YSZ onto the catalyst surface, and concomitant establishment of an effective double layer at the catalyst-gas interface, which is the cause of the highly active electropromoted state Furthermore it was studied a modified PEM fuel cell running in CO poisoning conditions by the triode operation. In addition to the anode and cathode, the triode PEM fuel cell introduces a third electrode together with an auxiliary circuit which is run in the electrolytic mode and permits fuel cell operation under previously inaccessible anode-cathode potential differences. It was found that it is possible to enhance the overall thermodynamic efficiency when it is used a methanol reformate mixture as a fuel, which corresponds to intense CO poisoning conditions.