Preliminary modelling of hydrogen PEMFC system for automotive applications focusing on air loop

Fuel cell systems represent a clean and efficient alternative to traditional ICEs for automotive application and an intensive research is under development by academia and manufacturers to make this technology competitive in the incoming years. Many issues still affect the spread of this technology, which can be summarised into degradation and cost issues. The overcome of these criticisms depends on understanding, predicting and controlling the behaviour of the fuel cell systems under fast transients of operating and load conditions. Many lumped parameters-based models of FC systems are currently available. They are based on semi-empirical relations which model fuel cell performance dependence on operating parameters. Very few system-level models extend their analysis to a deeper understanding of species transport within the component during operation. The aim of this work is to develop an innovative physical-based PEM fuel cell model to incorporate within the PEM system for automotive application, which allows to investigate the main transport mechanisms occurring inside the cell. Cathode and anode kinetics, gas species transport through the cathode GDL, mass transport through anode and cathode channels and water transport through the membrane are the main phenomena investigated. A physical, dynamic, 1D+1D, non-isothermal model has been implemented in Matlab-SIMULINK environment, to capture the transient behaviour of the cell. Air management, water management and thermal management system components are developed from semi-empirical components model. A comparison of two control approaches is reported, which aims to assess whether keeping stack Pressure constant or variable is the best alternative in terms of water management and overall efficiency, when the system replicates a NEDC cycle.

I sistemi a celle a combustibile rappresentano un'alternativa pulita ed efficiente ai tradizionali motori a combustione interna per applicazioni automobilistiche. Un'intensa attività di ricerca è in fase di sviluppo da parte di università e produttori per rendere questa tecnologia competitiva negli anni a venire. Molte criticità incidono ancora sulla diffusione di questa tecnologia, che può essere riassunta in termini di degradazione e costo. Il superamento di questi problemi dipende dalla comprensione, dalla previsione e dal controllo del comportamento del sistema quando quest’ultimo è sottoposto a transitori di carico molto rapidi, tipico di applicazioni automotive. Al momento sono disponibili in Letteratura molti modelli a parametri concentrati di sistemi cella a combustibile. Si basano su relazioni semi-empiriche della cella che modellano la dipendenza dalle prestazioni del componente sui parametri operativi. Pochissimi modelli a livello di sistema estendono la loro analisi a una più profonda comprensione del trasporto delle singole specie all'interno della cella durante il funzionamento. Lo scopo di questo lavoro è quello di sviluppare un modello di cella a combustibile PEM basato sulla fisica da incorporare all'interno del sistema PEM per applicazioni automobilistiche. Esso consente di indagare i principali meccanismi di trasporto che si verificano durante un tipico funzionamento automotive. Cinetica catodica e anodica, trasporto di specie gassose attraverso il catodo GDL, trasporto di massa attraverso canali anodi e catodici e trasporto dell'acqua attraverso la membrana sono i principali fenomeni investigati. Un modello fisico, dinamico, 1D + 1D, non isotermico è stato implementato nell'ambiente Matlab-SIMULINK, per comprendere il comportamento transitorio. I componenti del sistema di compressione e umidificazione dell’aria e raffreddamento dello Stack sono stati sviluppati partendo da modelli semi-empirici dei singoli componenti. Viene infine presentato un confronto tra due approcci di controllo, che mira a valutare quale, tra un controllo sulla Pressione a un valore costante o una variazione lineare della stessa con la potenza, è la migliore alternativa in termini di controllo del livello di umidificazione in membrana e di efficienza a livello di sistema, quando questo replica un ciclo NEDC.