Dynamic multiphase PEMFC model for the simulation of single passenger vehicle power system

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) represents a promising technology that has received great attention in the last two decades, both in the automotive and micro-cogeneration sectors. Indeed, they present 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 and heat management are some of the most critical since they 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 following work presents the development of a dynamic multiphase model into 1D and 1D+1D configurations. The latter is integrated in an automotive system model which allows to assess its performance accounting for all the main transport phenomena occurring inside the cell. In particular, the system is simulated over a range of operating conditions to evaluate their influence on vehicle performance and to propose a different operating strategy that results in higher system efficiency.

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 quali la gestione dell’acqua e del calore che impattano significativamente 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 dinamico, multifase, non isotermico in una configurazione 1D e 1D+1D. Quest’ultimo è integrato in un modello di veicolo che permette di valutare le performance dello stesso tenendo in considerazione tutti i principali fenomeni di trasporto caratteristici della cella. In particolare, il sistema è simulato in diverse condizioni operative al fine di proporre una nuova strategia operativa che possa garantire un aumento di efficienza del veicolo.