Experimental and fluid dynamic analysis of waved flow field geometries to improve local performances and degradation of PEM fuel cell

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) are devices capable of converting chemical energy into electrical energy through electrochemical reactions of hydrogen and oxygen. Since water is the only product of the reaction, PEMFCs are a promising technology for the decarbonization of the automotive sector. This thesis work is part of a project developed at the MRT Fuel Cell & Battery Lab, that aim in the optimization of the cathodic flow field geometry, where air is distributed. In the first part of this work, an accelerated stress test (AST) was performed on a segmented hardware to accelerate the degradation mechanisms and evaluate their effect under different operating conditions along the channel length. The results showed how the cathode outlet sections exhibited the lowest performance throughout the whole life cycle, due to the reduced mole fraction of oxygen in air, and thus deliverable to the catalyst layer (CL) in these regions. However, the most significant performance losses from the beginning to the end of life were observed in the inlet regions, and the cause is attributed to their low hydration, leading to increased degradation of the CL and the ionomer. In the second part of this work, waved geometries for the cathodic flow field, designed to mitigate the aforementioned problems, were tested on the zero-gradient hardware. Among these, vertical waves, by physically pushing air into the gas diffusion layer (GDL), ensured the improvement of performance at high currents in the outlet regions, avoiding the steep drop of the polarization curve related to reactant starvation and flooding. Horizontal waves, allowed to improve performance at the inlet sections, by increasing the contact area between the flow field and the GDL and thus decreasing the ohmic losses of the cell. At the same time, a larger rib accumulates more water on its surface, hydrating the membrane in the inlet regions where gases are at a low relative humidity. These effects could mitigate the degradation of these sections witnessed during the AST test. At last, a computational fluid dynamic analysis was performed to deeply understand the effect of the wave features, on the mass transport phenomena inside the GDL.

Le celle a combustibile con membrana polimerica (PEMFC) sono dispositivi capaci di convertire energia chimica in energia elettrica, tramite reazioni elettrochimiche di idrogeno e ossigeno. Poichè l’acqua è l’unico prodotto della reazione, le celle a combustibile sono una tecnologia promettente per la decarbonizzazione del settore automotive. Questa tesi è parte di un progetto sviluppato all’ MRT Fuel Cell & Battery Lab, con l’obiettivo di ottimizzare la geometria dei canali catodici, dove l’aria viene distribuita. Nella prima parte di questo lavoro, un test a stress accelerato (AST) è stato eseguito su una cella segmentata per accelerare i meccanismi di degrado e valutare il loro effetto sotto diverse condizioni operative lungo il canale. I risultati evidenziano come le sezioni di uscita del catodo mostrano le peggiori prestazioni durante tutto il ciclo di vita della cella, a causa di una più bassa frazione molare di ossigeno nell’aria, e di conseguenza allo strato del catalizzatore (CL), in queste zone. Tuttavia, le più grandi perdite di prestazioni tra inizio e fine vita sono state osservate nelle regioni di ingresso, e la causa è la loro bassa idratazione, che porta a un maggiore degrado del CL e dello ionomero. Nella seconda parte del lavoro, geometrie a onde per i canali catodici, create per mitigare i problemi precedentemente descritti, sono state testate sulla cella zero-gradient. Tra queste, le onde verticali, spingendo fisicamente il flusso d’aria nello strato di diffusione dei gas (GDL), migliorano le prestazioni ad alte correnti nelle sezioni di uscita, evitando il calo repentino della curva di polarizzazione legato alla mancanza di reagente. Le onde orizzontali, permettono di migliorare le performance nelle sezioni d’ingresso, aumentando l’area di contatto tra il piatto dei canali e il GDL, diminuendo di conseguenza le perdite ohmiche della cella. Allo stesso tempo, una parte di grafite tra i canali più larga, accumula più acqua sulla sua superficie, idratando la membrana nelle zone d’ingresso dove i gas sono a una più bassa umidità relativa. Questi aspetti potrebbero diminuire il degrado di queste sezioni osservato durante l’AST. Come ultima parte, un’analisi di CFD è stata proposta, per meglio comprendere gli effetti delle onde, sui fenomeni di trasporto di massa nel GDL.