Experimental investigation of flow field geometry for hydrogen PEM fuel cell by means of an innovative protocol for the analysis of local performance

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are one of the most promising technologies for decarbonizing the transportation sector. A cell consists of several components, including bipolar plates for reagent flow and electrical contact, a porous medium (GDL) for homogeneous reagent distribution, and a polymer membrane coated with a catalyst (CCM). The operating conditions and electric current production vary across the cell area. This Master thesis focuses on developing an experimental methodology to study the local performance of a PEM cell using small-sized samples. Based on an existing model with parallel channels flow field, the corresponding operating conditions for different cell regions were derived for two heavy-duty driving regimes: low power (LP) for moderate conditions and high power (HP) for more intense conditions. The inlet side of the cell, facing the air, is characterized by low humidity and a high oxygen fraction, while the outlet side has higher humidity and a lower oxygen quantity. A power trend was determined from the model as a percentage of the channel length. LP exhibited a maximum in the region corresponding to 50% of the length, while HP had its peak near 30%. In both cases, the air outlet region showed a significant performance deterioration. The developed protocol was then applied in an experimental campaign to study the effect of flow field geometry on local performance. It was demonstrated that a higher ratio between rib width and channel width (R/C) improves electrical conductivity due to better component contact but hinders oxygen transport. The best performance was observed for an R/C ratio of 0.7. Flow fields with deeper channels have lower gas velocities, effectively retaining more water in the cell but reducing oxygen diffusion. Therefore, it is advantageous to use deeper channels in the air inlet zone, where the reagents have low humidity, while shallow channels yield better performance in the outlet region with low oxygen fraction.

Le celle a combustibile a membrana polimerica (acronimo inglese PEMFC) sono una delle tecnologie più promettenti per la decarbonizzazione del settore dei trasporti. Una cella è composta da un assieme di: piatti bipolari per il flusso dei reagenti e il contatto elettrico, un mezzo poroso (GDL) per una distribuzione omogenea dei reagenti, una membrana polimerica cosparsa con un catalizzatore (CCM). Le condizioni operative e la produzione di corrente elettrica variano lungo l'area di una cella a combustibile. Questa Tesi di laurea magistrale tratta lo sviluppo di una metodologia sperimentale per lo studio delle performance locali di una cella PEM usando campioni di dimensioni ridotte: a partire da un modello preesistente, con flow field a canali paralleli, sono state derivate le condizioni operative corrispondenti a diverse regioni della cella per due regimi di guida per mezzi heavy-duty: low power (LP) per regimi moderati ed high power (HP) più intensi. L'ingresso nella cella lato aria è caratterizzato da bassa umidità dei reagenti a una alta frazione di ossigeno, l'uscita invece da maggiori umidità e da una minore quantità di ossigeno. Dal modello si è delineato un andamento di potenza in funzione della lunghezza in percentuale dei canali. Per LP è presente un massimo nella regione corrispondente al 50% della lunghezza, per HP il massimo si trova in prossimità del 30%. In entrambi i casi la regione di uscita dell'aria presenta un forte peggioramento delle performance. Il protocollo sviluppato è stato adottato in una campagna sperimentale per studiare l’effetto della geometria del flow field sulle performance locali. Si è dunque dimostrato che un maggiore rapporto tra la larghezza del rib e quella del canale (R/C) permette una migliore conducibilità elettrica per via di migliorato contatto fra componenti, ma viene sfavorito il trasporto di ossigeno. Le migliori prestazioni sono state riscontrate per un R/C di 0.7. Flow field con canali più profondi presentano minore velocità dei gas, di conseguenza trattengono maggiormente l’acqua nella cella ma diminuiscono la diffusione di ossigeno, pertanto, è vantaggioso utilizzare canali più profondi nella zona di inlet dell'aria, dove i reagenti hanno bassa umidità mentre nell’outlet, dove la frazione di ossigeno è bassa, si ottengono migliori performance con canali poco profondi.