Design of a small-scale planar membrane humidifier for PEMFC application: experimental study and modelling analysis

One of the sector that faces the most difficulties in the energy transition is the automotive one. PEMFC vehicles could potentially be part of the solutions to sustainable mobility if hydrogen production is decarbonized. The core component of this type of vehicle is the PEM fuel cell, an electrochemical device capable of producing electricity without any harmful emission. The main problems of this kind of device are cost and durability. While research focuses on the development of new constituent materials to overcome these issues, still affordable solutions need to be found. Performance of state of art fuel cell has been proved to be strongly dependent on humidity condition of the inlet flow gases, with dry condition that are detrimental for durability as they mechanically stress components of the fuel cell. Humidification is a solution to this problem, and specifically membrane humidifiers seem the most viable option for automotive applications due to their compactness. The core of this device is membrane, usually made of PFSA polymer, adopted for its high transport performances. Lot of research is devoted in understanding the water transport in this kind of materials. A previous thesis work focused specifically on this topic, modelling the steady state transport of water as well as the dynamic behavior these materials show when adsorbing or desorbing water. The following thesis work upgrade the already developed models with the asymmetry of the last two phenomena cited and expand the experimental investigation already developed. A broad experimental campaign has the aim of identifying the best possible materials commercially available for humidification and identify a possible design for a humidifier. The campaign also included the manufacturing and testing of additional test components to understand the influence of gas flow on transport of water in the device. Then, a first design of the humidifier has been identified. The second part of the experimental campaign has been devoted to the analysis of real operating condition of the humidifier. The performance requirements has been investigated with test on a PEMFC working in a set of operative conditions identified from the driving cycle protocol of the European project ID fast. Finally, the chosen design has been tested comparing its performance to the requirements previously identified.

Uno dei settori che incontra più difficoltà nella transizione energetica è quello automobilistico. I veicoli PEMFC potrebbero potenzialmente far parte delle soluzioni per la mobilità sostenibile qualora la produzione di idrogeno fosse completamente decarbonizzata. Il componente principale di questa tipologia di veicoli è la cella a combustibile PEM, un dispositivo elettrochimico in grado di produrre elettricità senza alcuna emissione nociva. I problemi principali di questo tipo di dispositivo sono il costo e la durata. Mentre la ricerca si concentra su materiali innovativi da impiegare all’interno delle PEMFC per superare questi problemi, soluzioni reali e sostenibili economicamente devono ancora essere trovate. È stato dimostrato che le prestazioni delle celle a combustibile dipendono fortemente dalle condizioni di umidità dei gas in ingresso, con condizioni a umidità bassa che risultano dannose per la vita utile del dispositivo poiché sollecitano meccanicamente i componenti costituenti della cella a combustibile. L'umidificazione è una soluzione a questo problema e, in particolare, gli umidificatori a membrana sembrano l'opzione più praticabile per le applicazioni automobilistiche grazie alla loro compattezza. La membrana costituisce il componente più importante dell’umidificatore, solitamente realizzata di un polimero PFSA, adottato per le sue elevate prestazioni di trasporto. Molte ricerche sono dedicate alla comprensione del trasporto per acqua in questo tipo di materiali. Un precedente lavoro di tesi si è concentrato specificamente su questo argomento modellando il trasporto di acqua in stato stazionario e il comportamento dinamico che questi materiali mostrano durante l'adsorbimento o il desorbimento dell'acqua. Il seguente lavoro di tesi aggiorna i modelli già sviluppati con l'asimmetria degli ultimi due fenomeni citati ed amplia l'indagine sperimentale già sviluppata. Un'ampia campagna sperimentale ha l'obiettivo di identificare i migliori materiali disponibili in commercio per l'umidificazione e individuare un possibile design per un umidificatore reale. La campagna include anche la produzione e test di prototipi di componenti per comprendere l'influenza della geometria di questi ultimi sul trasporto d'acqua. Quindi è stato individuato un primo design di umidificatore. La seconda parte della campagna sperimentale è stata dedicata all'analisi delle reali condizioni di funzionamento dell'umidificatore. I requisiti prestazionali sono stati studiati con test su un PEMFC funzionante in un insieme di condizioni operative individuate dal protocollo del ciclo di guida del progetto europeo ID fast. Infine, il design scelto è stato messo alla prova confrontandone le prestazioni con i requisiti precedentemente individuati.