Numerical modeling of PEM fuel cell through 3D and 1D approaches : an analysis of geometrical features and relative humidity effects

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. Flow field geometry and relative humidity of reactants play a key role in water management inside PEMFC and performance’s optimization. In this view, the present work presents a 3D CFD analysis of PEMFC performance in different operating conditions and geometrical configuration, and a 1D model analysis in order to develope a methodology to include those effects in 1D configuration.

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.La geometria del campo di flusso e l'umidità relativa dei reagenti giocano un ruolo chiave nella gestione dell'acqua all'interno di PEMFC e nell'ottimizzazione delle prestazioni. In questa prospettiva, il presente lavoro presenta un'analisi CFD 3D delle prestazioni PEMFC in diverse condizioni operative e configurazioni geometriche, e un'analisi dei modelli 1D al fine di sviluppare una metodologia per includere tali effetti nella configurazione 1D.