Development and scale-up of advanced flow field geometries for PEM fuel cells under real-world operating conditions

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) have gained increasing relevance in the automotive sector over the last decades, representing a promising alternative power source, particularly for heavy-duty applications. To enable widespread commercialization and achieve significant market penetration, several challenges must be overcome, including performance enhancement, improved durability and cost reduction. Significant advancements have been made in the design of the catalyst coated membrane (CCM) in reducing platinum loading and mitigating degradation phenomena. However, further development is still required in the design of bipolar plates to enhance durability, optimize stack operating conditions, and improve overall performance. Both metallic and graphite-based bipolar plates are widely used commercially, this work focuses on graphite-compound plates which ensure higher durability and meet the stringent requirements of heavy-duty applications. Among the various flow field configurations proposed in the literature, straight-parallel channels provide high performance and low pressure drop, necessary to reduce compressor consumption. This configuration has been selected in this work for advanced characterization and the development of innovative geometries. The operating conditions within a PEMFC stack significantly impact performance and durability, these conditions can vary locally in terms of relative humidity, oxygen concentration, pressure and temperature. Understanding the influence of flow field geometry on local operating conditions is therefore crucial for enhancing performance and mitigating degradation. This PhD thesis evaluates various flow field geometries in small-scale configuration, enabling the independent assessment of the impact of each geometric parameter on performance. An innovative methodology is introduced to reproduce local operating conditions occurring in different regions of a PEMFC stack, these conditions are replicated in small-scale zero-gradient configuration to reproduce flow field behavior across the stack. This methodology is applied to investigate innovative flow field geometries specifically designed to enhance the performance of specific stack regions. The methodology is validated using a 5-segment hardware, which enables the assessment of local operating conditions and the comparison with results from the zero-gradient configuration. A CFD model is developed to investigate in detail the fluid dynamics of the innovative geometries and the electrochemical phenomena occurring within the 5-segment hardware. Furthermore, this hardware is employed to evaluate CCM durability under heavy-duty operating conditions, comparing the degradation of a commercial CCM and a low-platinum non-commercial material. The thesis also includes the development of a full-scale flow field, which is experimentally characterized using a 10-segment hardware specifically designed to assess the local performance of full-scale samples representative of real-world stack applications. This PhD thesis presents a valuable small-scale methodology for optimizing flow field design, introduces innovative flow field geometries and develops full-scale flow field plates for high-performance and durable PEMFC systems.

Le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) hanno acquisito una crescente rilevanza nel settore automobilistico negli ultimi decenni, rappresentando una promettente fonte di energia alternativa, in particolare per applicazioni heavy-duty. Per consentire una diffusione commerciale su larga scala e raggiungere una significativa penetrazione nel mercato, è necessario superare diverse sfide, tra cui il miglioramento delle prestazioni, l’aumento della durabilità e la riduzione dei costi. Sono stati compiuti notevoli progressi nella progettazione del catalyst coated membrane (CCM) in termini di riduzione del carico di platino e mitigazione dei fenomeni di degradazione. Tuttavia, è ancora necessario un ulteriore sviluppo nella progettazione dei piatti bipolari per aumentare la durabilità, ottimizzare le condizioni operative dello stack e migliorare le prestazioni complessive. Sia I piatti bipolari metallici che quelli a base di grafite sono ampiamente utilizzati a livello commerciale; questo lavoro si concentra sui piatti a base di grafite, che garantiscono una maggiore durabilità e soddisfano i rigorosi requisiti delle applicazioni heavy-duty. Tra le varie configurazioni di flow field proposte in letteratura, i canali diritti paralleli forniscono alte prestazioni e una bassa caduta di pressione, necessaria per ridurre il consumo del compressore. Questa configurazione è stata selezionata in questo lavoro per la caratterizzazione avanzata e lo sviluppo di geometrie innovative. Le condizioni operative all’interno di uno stack PEMFC influenzano in modo significativo le prestazioni e la durabilità, tali condizioni possono variare localmente in termini di umidità relativa, concentrazione di ossigeno, pressione e temperatura. Comprendere l’influenza della geometria del flow field sulle condizioni operative locali è quindi fondamentale per migliorare le prestazioni e mitigare la degradazione. Questa tesi di dottorato valuta diverse geometrie di flow field in scala ridotta, consentendo la valutazione indipendente dell’impatto di ciascun parametro geometrico sulle prestazioni. Viene introdotta una metodologia innovativa per riprodurre le condizioni operative locali che si verificano in diverse regioni di uno stack PEMFC, tali condizioni sono replicate in configurazione zero-gradient in scala ridotta per riprodurre il comportamento del flow field lungo lo stack. Questa metodologia viene applicata per indagare geometrie di flow field innovative specificamente progettate per migliorare le prestazioni di specifiche regioni dello stack. La metodologia è validata utilizzando un hardware a 5 segmenti, che consente la valutazione delle condizioni operative locali e il confronto con i risultati ottenuti nella configurazione zero-gradient. È stato sviluppato un modello CFD per indagare in dettaglio la fluidodinamica delle geometrie innovative e i fenomeni elettrochimici che si verificano all’interno dell’hardware a 5 segmenti. Inoltre, questo hardware è impiegato per valutare la durabilità del CCM in condizioni operative heavy-duty, confrontando la degradazione di un CCM commerciale con quella di un materiale non commerciale a basso contenuto di platino. La tesi include anche lo sviluppo di un flow field in scala reale, caratterizzato sperimentalmente utilizzando un hardware a 10 segmenti specificamente progettato per valutare le prestazioni locali di campioni in scala reale rappresentativi di applicazioni reali di stack. Questa tesi di dottorato presenta una affidabile metodologia in configurazione in scale ridotta per l’ottimizzazione della progettazione del flow field, introduce geometrie di flow field innovative e sviluppa flow field in scala reale per sistemi PEMFC con alte prestazioni e durabilità.