A 1D dynamic model of PEMFC and hydrogen pumping to assess perfomance losses induced by platinum oxide kinetics

This work focuses on the upgrade of a 1D model for proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), making it able to describe the dynamic evolution of the different physical and chemical quantities involved. The aim is to reproduce the dynamic behavior of a PEMFC and to accurately represent the formation and evolution of platinum oxides, one of the main degradation mechanisms of catalysts. To this end, specific equations have been introduced to describe the formation of two types of platinum oxides (PtOH and PtO) and their impact on the electrochemical activity. This modeling has also been extended to the case of a PEMFC operating in hydrogen pumping, a recent experimental technique useful to isolate the oxygen transport resistance, avoiding the formation of water as a byproduct of chemical reactions. This work represents a step towards more realistic and computationally sustainable simulations of the dynamic behavior of PEMFCs, and represents a starting point for potential applications in the automotive and durability optimization fields. The results show that the updated model is able to estimate the variation of the different fundamental descriptive quantities of PEMFCs both in time and space, by providing an estimate of the oxide growth and reduction phenomena and their impact on the overall performance over the whole extent of the catalyst layer. The numerical results show an acceptable agreement with the experimental data, both in standard and degradation conditions. Future studies may also include other mechanisms able to influence the performance of PEMFCs and whose inclusion in a 1D model is currently difficult to implement.

Questo lavoro si concentra sull'aggiornamento di un modello 1D per le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC), rendendolo in grado di descrivere l'evoluzione dinamica delle diverse grandezze fisiche e chimiche coinvolte. L'obiettivo è riprodurre il comportamento dinamico di una PEMFC e rappresentare accuratamente la formazione e l'evoluzione degli ossidi di platino, uno dei principali meccanismi di degradazione dei catalizzatori. A tal fine, sono state introdotte equazioni specifiche per descrivere la formazione di due tipi di ossidi di platino (PtOH e PtO) e il loro impatto sull'attività elettrochimica. Questa modellazione è stata estesa anche al caso di una PEMFC operante in pompaggio di idrogeno, una recente tecnica sperimentale utile per isolare la resistenza al trasporto di ossigeno, evitando la formazione di acqua come sottoprodotto delle reazioni chimiche. Questo lavoro rappresenta un passo avanti verso simulazioni più realistiche e computazionalmente sostenibili del comportamento dinamico delle PEMFC, e costituisce un punto di partenza per potenziali applicazioni nel settore automobilistico e nell'ottimizzazione della durata. I risultati mostrano che il modello aggiornato è in grado di stimare la variazione delle diverse grandezze descrittive fondamentali delle PEMFC sia nel tempo che nello spazio, fornendo una stima dei fenomeni di crescita e riduzione dell'ossido e del loro impatto sulle prestazioni complessive su tutta l'estensione dello strato catalitico. I risultati numerici mostrano un accordo soddisfacente con i dati sperimentali, sia in condizioni standard che di degrado. Studi futuri potranno includere anche altri meccanismi in grado di influenzare le prestazioni delle PEMFC e la cui inclusione in un modello 1D è attualmente difficile da implementare.