Development of a hydrogen PEM fuel cell stack and system physics-based dynamic model in SIMSCAPE environment for automotive

A 1+1D PEMFC real-time model has been developed and implemented in a SIMSCAPE environment, designed to bridge the modelling gap between fast simplified 1D models and more computationally intensive higher order configurations. The model is defined combining a through-the-membrane description, defining the physical and electrochemical phenomena inside the stack including oxide coverage and saturation dynamics, as well as the along-the channel formulation and BoP components. The model’s parameters were calibrated on experimental data, gathered from a differential cell hardware. Its performances were also compared to a preexisting higher order model, displaying great comparability considering polarization curves, local quantities and model’s dynamics. The results depict great precision in different operating conditions considering diverse cathode’s feeds as well as high and low humidity. The model’s run time is much faster than actual simulation time, reducing it by 90%, even when considering a finer discretization of channel volumes; thus, making it a promising tool for on-board applications, rapid sensitivity analyses, and system optimization. The model is also validated on experimental data referred to a state-of-the-art segmented cell, showing good simulation results both in polarization curves under low and high-power operating conditions and a dynamic heavy-duty cycle operation. Lastly, the system’s performances are investigated looking at engineering metrics such as auxiliaries’ consumption, cooling system operations and efficiencies. Furthermore, a sensitivity analysis is proposed to portray the model’s ability to quantify the effect of adopting different control logics. The cathode’s pressure increase boosts the cell’s efficiency from 57.0% to 58.3% but lower the system’s one from 48.5% to 44.7%. While adopting a lower linear temperature control compared to a reference set point of 80°C, allows better membrane hydration and better degradation mitigation but lowers the system’s efficiency from 48.5% to 46.5%.

Il lavoro presenta lo sviluppo di un modello 1+1D di una cella a combustibile a membrana polimerica (PEMFC in inglese) nell’ambiente informatico SIMSCAPE con l’obbiettivo di colmare il presente gap di ricerca tra modelli 1D veloci ma semplificati e configurazioni dettagliate ma con alti costi computazionali. Il modello è stato definito combinando la descrizione attraverso la membrane, dettagliando i fenomeni fisici ed elettrochimici all’interno della cella che includo anche le dinamiche di saturazione e stratificazione degli ossidi al platino, così come l’estensione lungo i canali e i componenti del sistema. I parametri del modello sono stati calibrati considerando dati sperimentali derivati da una cella differenziale. Le performance del modello sono state comparate con quelle di un preesistente modello fisico completo di maggior dettaglio, dimostrando grande comparabilità confrontando curve di polarizzazioni, quantità locali e dinamiche dei due modelli. I risultati mostrano ottima precisione in diverse condizioni operative considerando sia un’alimentazione ad aria che ad ossigeno al catodo così come in condizione di alta o bassa umidità. La velocità di simulazione del modello è ben più rapida che il tempo reale di simulazione, diminuendolo del 90%, dei profili di carico considerati, anche quando si sono esaminati configurazioni con multipli canali; questo dimostra come il modello sia un ottimo mezzo per applicazioni on-board, rapide analisi di sensibilità e ottimizzazione di sistema. Il modello è stato validato su dati sperimentali derivati da una cella segmentata, esibendo buoni risultati in simulazioni considerando cicli operativi tipici dei mezzi pesanti e confrontando curve di polarizzazione ad alta e bassa potenza. Infine, le prestazioni legate al sistema sono indagate analizzando valori ingegneristici come il consumo degli ausiliari, l’efficacia del sistema di raffreddamento e le efficienze. Inoltre, un’analisi di sensitività è proposta per descrivere l’abilità del modello di rappresentare gli effetti di adottare diverse logiche di controllo. L’aumento della pressione al catodo aumenta l’efficienza della cella dal 57.0% al 58.3% ma decresce quella di sistema da 48.5% a 44.7%. Invece adottare un controllo di temperatura lineare con la potenza rispetto ed inferiore rispetto al caso base di temperature costante a 80°C, permette un migliore idratazione della membrana e quindi migliore mitigazione del degrado ma diminuisce l’efficienza di sistema dal 48.5% al 46.5%.