modelling and experimental analysis of pem fuel cells under dynamic real-world conditions focusing on the design of an air humidifier

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are on the edge of a significant commercialization as an alternative power source for the automotive and heavy-duty sector. However, major barriers for an extensive market penetration of PEMFC vehicles in the next few years are the high cost and durability of PEMFC. In particular, durability issues are related to the loss of electrocatalyst active surface area (ECSA) and ionomer degradation both in catalyst layers (CLs) and membrane. Optimal water management, associated to humidification of the reactants, represents one of the key point in addressing and limiting those ageing mechanisms, Generally, sufficient level of hydration for ionomer material is obtained at system level by feeding humidified air to the stack with the adoption of an external air humidifier. This PhD thesis aimed at investigating and understanding the effect of air humidification on the PEMFC dynamic performance and lifetime, through a combined experimental and modelling methodology. This allowed to identify the best operating range in terms of air humidification for the PEMFC operation, thus to achieve the design and optimization of the air humidifier. Local water and thermal management are highly impacting on the operation of PEM fuel cell stacks, both on its efficiency and lifetime. A dynamic 1+1D PEMFC stack model, calibrated and validated at local level with experimental data from segmented PEMFC hardware, was successfully coupled with a catalyst durability model, based on an innovative semi-empirical model for predicting catalyst degradation. Thanks to the modelling framework and aided by experimental analysis, it was possible to investigate the effect of reactant humidification on PEMFC performance and durability determining proper humidification requirements. Through a wide experimental characterization of humidifier materials, the effect of membrane structural properties, based on commercial perfluorosulfonic acid (PFSA) ionomers, on water transport capabilities of the same was enlightened. With the development of a dynamic humidifier model, the design of air humidifier was achieved and investigated, together with the fabrication of a small-scale prototype of the same. Modelling and experimental analysis was performed to comprehend further the interaction between PEMFC and humidification system and to assess the effectiveness in air humidification, identifying the optimal membrane exchange area. Model simulations of fuel cell system operation allowed to understand how system components are mutually interacting and affecting the water and thermal management, emphasizing their effect on the PEMFC stack lifetime.

Le celle a combustibile a membrana polimerica (PEMFC) sono vicine ad una significativa commercializzazione come fonte di propulsione alternativa per il settore automobilistico e pesante. Tuttavia, le principali barriere per una diffusa penetrazione di veicoli a idrogeno basati su questa tecnologia nel mercato nei prossimi anni sono i costi elevati e la durabilità delle celle a combustibile PEM. In particolare, i problemi di durata sono legati alla perdita di area attiva dell'elettrodo e al degrado dello ionomero sia negli elettrodi che nella membrana. Un'adeguata gestione dell'acqua, associata all'umidificazione dei reagenti, rappresenta uno dei punti chiave per affrontare e limitare questi meccanismi di invecchiamento. Di solito, il giusto grado di umidificazione dello ionomero viene ottenuto a livello di sistema umidificando l'aria in ingresso con l'adozione di un umidificatore d'aria. Il lavoro svolto in questa tesi ha avuto l'obiettivo di indagare e comprendere l'effetto dell'umidificazione dell'aria sulle prestazioni dinamiche e sulla vita utile delle celle a combustibile PEM, attraverso una adeguata combinazione di analisi sperimentale e modellistica. Ciò ha permesso di identificare la migliore finestra operativa in termini di umidificazione dell'aria per il funzionamento ottimale delle celle a combustibile PEM e, di conseguenza, di progettare e ottimizzare l'umidificatore d'aria. La gestione locale dell'acqua e termica ha un forte impatto sul funzionamento dello stack basato su celle a combustibile PEM, sia sulla loro efficienza che sulla vita utile. Un modello dinamico 1+1D dello stack PEMFC, calibrato e validato a livello locale con dati sperimentali ottenuti su un hardware segmentato, è stato accoppiato con un modello di durabilità dell’elettrodo, basato su un innovativo modello semi-empirico per prevedere il degrado del catalizzatore. Grazie allo sviluppo di strumenti modellistici e di dati sperimentali, è stato possibile indagare l'effetto dell'umidificazione dei reagenti sulle prestazioni e sulla durata delle celle a combustibile PEM, determinando i requisiti adeguati di umidificazione. Similmente, attraverso una vasta caratterizzazione sperimentale dei materiali dell'umidificatore, è stato possibile evidenziare l'effetto delle proprietà strutturali della membrane perfluorosolfoniche (PFSA) sulle capacità di trasporto d’acqua. Con lo sviluppo di un modello dinamico di umidificatore, è stato progettato l'umidificatore d'aria, insieme alla realizzazione di un prototipo in scala ridotta dello stesso. L'analisi modellistica e sperimentale è stata effettuata per comprendere ulteriormente l'interazione tra lo stack e il sistema di umidificazione e per valutare l'efficacia dell'umidificazione dell'aria, identificando l'area ottimale di scambio per la membrana impiegata nell’umidificatore. Le simulazioni effettuate con un modello completo di sistema a celle a combustibile hanno permesso di indagare come i componenti del sistema interagiscano tra loro e come influenzino la gestione dell'acqua e termica del sistema stesso, evidenziandone l'effetto sulla vita utile dello stack PEMFC.