CFD analysis of parallel channel PEM Fuel Cell

This thesis presents a comprehensive 3D, multi-physics Computational Fluid Dynamics (CFD) methodology to analyse the impact of geometric and operational parameters on parallel-channel Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs). The numerical model, developed using the openFuelCell2 library within the OpenFOAM framework, was validated against experimental data from a "zero gradient" test cell hardware developed at Politecnico di Milano. The study focused on diagnosing complex, interdependent transport phenomena. A geometric analysis found that increasing the cathode rib-to-channel (R/C) ratio from 0.42 (Baseline) to 1.00 (Variant 1) caused a severe performance collapse at high current densities. This was identified as a coupled failure mechanism: the wider rib induced GDL flooding, which led to critical oxygen starvation, ultimately causing membrane dehydration and ohmic losses by halting local water production. An investigation of operating conditions successfully differentiated dominant loss mechanisms: dry conditions (PolaD) were limited by severe ohmic losses from membrane dehydration (with lambda values between 3 and 4), while low-pressure conditions (PolaH) were limited by reduced oxygen partial pressures affecting kinetics and mass transport. Finally, a critical ionic conductivity sensitivity analysis revealed that the base numerical model systematically overestimates internal ohmic resistance. This inaccuracy was localized to an overestimation of membrane resistance under dry conditions (PolaD) and an overestimation of anode catalyst layer (ACL) resistance under hydrated conditions (PolaP, PolaH). The work demonstrates the CFD model's utility as a diagnostic tool for identifying both physical failure modes and systematic limitations within the model's own assumptions.

Questa tesi presenta una metodologia completa di Fluidodinamica Computazionale (CFD) 3D e multifisica per analizzare l'impatto dei parametri geometrici e operativi sulle celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) a canali paralleli. Il modello numerico, sviluppato utilizzando la libreria openFuelCell2 nel framework OpenFOAM, è stato validato rispetto ai dati sperimentali di una cella di prova hardware "a gradiente nullo" sviluppata presso il Politecnico di Milano. Lo studio si è concentrato sulla diagnosi di fenomeni di trasporto complessi e interdipendenti. Un'analisi geometrica ha rilevato che l'aumento del rapporto rib-to-channel (R/C) catodico da 0.42 (Baseline) a 1.00 (Variant 1) ha causato un grave collasso delle prestazioni ad alte densità di corrente. Questo è stato identificato come un meccanismo di guasto accoppiato: il rib più largo ha indotto l'allagamento (flooding) del GDL, che ha portato a una critica mancanza di ossigeno (oxygen starvation), causando infine la disidratazione della membrana e perdite ohmiche a causa dell'interruzione della produzione locale di acqua. Un'indagine sulle condizioni operative ha differenziato con successo i meccanismi di perdita dominanti: le condizioni a secco (PolaD) sono risultate limitate da severe perdite ohmiche dovute alla disidratazione della membrana (con valori di lambda tra 3 e 4), mentre le condizioni a bassa pressione (PolaH) sono risultate limitate dalla ridotta pressione parziale dell'ossigeno, con impatti sulla cinetica e sul trasporto di massa. Infine, un'analisi critica di sensibilità sulla conduttività ionica ha rivelato che il modello numerico di base sovrastima sistematicamente la resistenza ohmica interna. Questa imprecisione è stata localizzata in una sovrastima della resistenza della membrana in condizioni di secco (PolaD) e in una sovrastima della resistenza dello strato catalitico anodico (ACL) in condizioni idratate (PolaP, PolaH). Il lavoro dimostra l'utilità del modello CFD come strumento diagnostico per identificare sia le modalità di guasto fisico sia le limitazioni sistematiche all'interno delle assunzioni del modello stesso.