Preliminary study of a membrane humidifier and water storage for PEMFC application

One of the sectors that faces the most issues in the path to decarbonisation is the automotive one. PEMFC vehicles could be part of the solution if the production of hydrogen is fully decarbonised. The core component of this kind of vehicles is the PEM fuel cell, an electrochemical device that is capable of transforming the chemical energy of a fuel into electrical energy, without combustion and thus any harmful emission. The main issue with fuel cells is cost and durability, and a lot of research is currently being carried out to come up with new materials that could improve performances. However, affordable solutions need to be found. Performance of state-of-the-art fuel cells has been proved to be strongly dependent on humidity conditions at the inlet of the cathode. Hence, humidification is a key aspect to be considered in order to achieve good performances and durability. The most commonly utilised technology for internal humidification is membrane humidifiers, which are based on PFSA polymer membranes that present good transport properties. The purpose of this work is to further develop the humidification system developed within the research group, based on planar membrane humidifier by means of water storage unit made of and adsorbent material. Hence a mathematical model of the adsorbent material has been developed, implemented and validated, and subsequently coupled with the humidifier model. The goal was to define the correct design of the entire humidification system that minimises the dimensions of the humidifier (and hence its cost) while still respecting the humidification requirements for the stack.

Uno dei settori che presenta il maggior numero di problematiche nel cammino verso la decarbonizzazione è quello automobilistico. I veicoli PEMFC potrebbero essere parte della soluzione, a patto che la produzione di idrogeno venga totalmente decarbonizzata. Il componente chiave di questa tipologia di veicoli è la cella a combustibile PEM, un dispositivo elettrochimico in grado di trasformare l’energia chimica contenuta nel combustibile in energia elettrica senza combustione, e quindi senza alcuna emissione dannosa. Le principali problematiche delle celle a combustibile sono il costo e la durabilità, e la ricerca si sta ampiamento focalizzando sul trovare nuovi materiali che potrebbero migliorare le prestazioni. Tuttavia, delle soluzioni reali ed economicamente sostenibili devono essere trovate. Le prestazioni delle celle a combustibile attuali risultano fortemente dipendenti dall’umidità relativa in ingresso al catodo della cella. Quindi l’umidificazione è un aspetto chiave che deve essere considerato per ottenere buone prestazioni e lunga durata. La tecnologia più comunemente utilizzata per umidificazione interna sono gli umidificatori a membrana, basati su membrane polimeriche PFSA che presentano ottime proprietà di trasporto di massa. Lavori di tesi precedenti si sono focalizzati sulle caratteristiche di trasporto di massa, sulla scelta dei materiali e sul dimensionamento dei sopraccitati umidificatori. L’obbiettivo di questo lavoro è di continuare i lavori precedenti aggiungendo un’unità di accumulo fatta di materiale adsorbente. Un modello matematico dell’adsorbente è dunque stato sviluppato, implementato e validato e successivamente accoppiato col modello dell’umidificatore. L’obbiettivo finale era quindi di definire la corretta configurazione dell’intero sistema di umidificazione in modo che si minimizzasse la superficie dell’umidificatore (e quindi il suo costo), rispettando comunque i limiti minimi di umidità precedentemente definiti.