Computing coupling coefficient effects in a proton exchange membrane fuel cell using non-equilibrium thermodynamics

This thesis work presents a computational procedure to model a proton exchange membrane fuel cell using non equilibrium thermodynamics principles, to obtain simultaneous profiles for temperature, chemical species molar concentration, electrical potential and sensible heat. In the first part was recreated the apparatus by Kjelstrup and Rosjorde, increasing the range of computable current densities and including the possibility to change the temperature at the boundaries. Afterwards some variation were applied to apply the model to innovative fuel cell design or study working condition with different relative humidity. Lastly was performed a parametric analysis modulating the value of the coupling coefficient, in order to highlight their influence on the calculated profiles, focusing on the thermal ones.

Questa tesi presenta una procedura computazionale che modellizza una cella a combustibile a membrana di scambio protonico utilizzando i principi della termodinamica di non equilibrio, al fine di ottenere profili simultanei per temperatura, concentrazione delle specie chimiche, potenziale elettrico e calore sensibile. Nella prima parte del lavoro è stato ricreato l'apparato di Kjelstrup e Rosjorde, ampliando il range delle correnti computabili e includendo la possibilità di variare le condizioni al contorno di temperatura. Successivamente sono state apportate modifiche per poter applicare il modello a design innovativi di fuel cell o studiare situazioni con diverso grado di idratazione. Infine è stata svolta un analisi parametrica modulando il valore dei coefficienti di accoppiamento per evidenziare i loro effetti sui profili calcolati, in particolare quelli termici.