Water transport in membranes for PEM fuel-cell humidifier : experimental characterisation and modelling

A combined-approach model is developed to integrate the description of water transport through steady state permeation and dynamic sorption within perfluoro sulfonic acid (PFSA) membranes and to identify individual resistance contributions for mass transfer. The model accounts for both membrane interfacial resistance and ionomer relaxation, as well as membrane diffusivity. In parallel, a broad experimental campaign is conducted on a batch of low equivalent weight (EW) membranes, varying both in thickness and EW, in an investigation that combines data both from a steady state permeation and from a dynamic vapour sorption (DVS) apparatus. The developed model and the experimental data are then used to validate new correlations for mass transfer properties in low EW PFSA membranes that describe coherently both water vapour permeation and sorption. Finally, the developed model has been implemented in a preliminary model for describing permeation in a full scale cross flow membrane humidifier in actual operation to find conditions that maximise water recovery from a wet stream.

In questo lavoro si è usato un approccio combinato per sviluppare un modello che integri la descrizione del trasporto di acqua all’interno di membrane a base di acido solfonico perfluorato (PFSA) sia per la permeazione in regime stazionario che per l’adsorbimento in regime variabile e che identifichi i diversi contributi resistivi al trasporto di massa. Il modello include sia la resistenza interfacciale di membrane che il rilassamento dello ionomero, come anche la diffusione all’interno della membrana. Parallelamente è stata condotta un’ampia campagna sperimentale su membrane a basso peso equivalente (EW), aventi differente spessore ed EW, in un’analisi che ha raccolto dati sia tramite un apparato per la permeazione stazionaria che da uno per l’adsorbimento dinamico. Il modello sviluppato e i dati sperimentali sono poi stati usati per validare nuove correlazioni per i coefficienti di scambio di massa all’interno di membrane PFSA a basso EW che potessero descrivere il trasporto d’acqua coerentemente sia per la permeazione che per l’adsorbimento. Infine, il modello sviluppato è stato implementato in un differente modello preliminare che descriva la permeazione in un umidificatore a membrana a grandezza naturale, con disposizione controcorrente in condizioni operative reali per identificare le condizioni che massimizzino il recupero d’acqua da un flusso umido.