Modelling and analysis in 1D and 3D of dehydration and flooding phenomena in PEMFC with simulation of impedance spectra

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) represents a promising technology that has received a great attention in the last two decades, both in the automotive and micro-cogeneration sector. Indeed, they presents a lot of advantages, such as high efficiency and power density, low emissions, low operating temperature (< 100 °C), fast start-up, modularity. Nevertheless, it presents some important issues and water management is one of the most critical, since water transport through the cell has a significant impact on performance and durability. Besides experimental activities, numerical modelling has become over years an important tool to investigate multiphase transport processes within PEMFC, occurring at various spatial and temporal scales. In this view, the present work presents the development of a multiphase model into 1D and 3D configuration, to investigate the problems of flooding and membrane hydration, including the effect of real geometrical elements, even through the additional tool of impedance spectra.

Le celle a combustibile a membrana polimerica (acronimo inglese PEMFC) rappresentano una tecnologia promettente che ha ricevuto negli ultimi due decenni una grande attenzione, sia nel settore dell'automotive che della micro-cogenerazione. Infatti, presentano una serie di vantaggi, quali alta efficienza, densità di potenza elevata, basse emissioni, bassa temperatura operativa (< 100 °C), avviamento rapido, modularità. Ciò nonostante, questa teconologia presenta delle criticità importanti e la gestione dell'acqua rappresenta una delle più importanti, poichè il trasporto d'acqua all'interno della cella ha un impatto significativo sulle prestazioni della cella e sulla durabilità dei suoi componenti. Accanto all'indagine sperimetale, la modellazione numerica è diventata negli anni uno strumento rilevante per investigare i fenomeni fisici che avvengono all'interno della cella a differenti scale spaziali e temporali. All'interno di questa ottica, il presente lavoro intende presentare lo sviluppo di un modello multifase in una configurazione 1D e 3D, per analizzare i problemi generati dall'idratazione della membrana e dall'allagamento dei mezzi porosi, anche attraverso l'aiuto fornito dagli spettri di impedenza e la presenza di elementi geometrici reali.