Performance optimization of single polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell for robust system

Fuel cells are considered the keystone to combating greenhouse gas emissions and climate neutrality in different applications, including the automotive industry, aviation, and power generation. Among all different types of fuel cells, polymer electrolyte membrane fuel cells are considered attractive due to their viability, low start-up time, and power density; however, their limitations are caused by performance due to complex water management systems and their impact on fuel cell irreversibilities, which further limit the performance under different operating conditions. Polymer electrolyte membrane fuel cells performance is dependent on main three mechanism intensely affected by the operating conditions i.e. reaction kinetics, resistance of cell, and mass transport mechanisms, each is affected by the water inside the cell produced by electrochemical reaction and provided along with reactants, in different ways, activation of catalyst needs to be wet to able to active, but excessive water content can make water layers on catalyst nanoparticle active sites which resists the reactant to reach active sites, on other hand resistance of cell and mass transport losses are also dependant on water, as Nafion being hydrophilic nature, conducts H+ ion in wet environment only, but again, increased amount of water causes flooding in the cell which blocks the gas channels and causes mass transport losses, hence proper management of water is essential to operation of the PEM fuel cell, to achieve a proper balance of water transport within the PEM fuel cell is needed for the optimum and robust system. This work conducts a parametric study considering four (04) operational parameters, i.e., fuel cell temperature, reactants inlet relative humidity, stoichiometry, and operating pressure, along with a water management model that predicts the fuel cell water saturation behaviour coupled with experimental data to visualize the mechanisms affected by water presence with the help of Nyquist plots and by analysing how these parameters affect performance and the trade-offs among them. The results from this work found the optimal operating conditions and their importance to fuel cell performance.

Le celle a combustibile sono considerate la chiave di volta per combattere le emissioni di gas serra e la neutralità climatica in diverse applicazioni, tra cui l'industria automobilistica, l'aviazione e la produzione di energia. Tra tutti i diversi tipi di celle a combustibile, le celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica sono considerate interessanti per la loro vitalità, il basso tempo di avviamento e la densità di potenza; Tuttavia, i loro limiti sono causati dalle prestazioni dovute a complessi sistemi di gestione dell'acqua e dal loro impatto sull'irreversibilità delle celle a combustibile, che limitano ulteriormente le prestazioni in diverse condizioni operative. Le prestazioni delle celle a combustibile con membrana elettrolitica polimerica dipendono dai tre principali meccanismi intensamente influenzati dalle condizioni operative, ovvero la cinetica di reazione, la resistenza della cella e i meccanismi di trasporto di massa, ciascuno è influenzato dall'acqua all'interno della cella prodotta dalla reazione elettrochimica e fornita insieme ai reagenti, in modi diversi, l'attivazione del catalizzatore deve essere bagnata per essere in grado di attivarsi, ma un contenuto eccessivo di acqua può creare strati d'acqua sui siti attivi delle nanoparticelle del catalizzatore che resiste al reagente per raggiungere i siti attivi, d'altra parte la resistenza delle perdite di trasporto cellulare e di massa dipendono anche dall'acqua, poiché Nafion essendo di natura idrofila, conduce lo ione H+ solo in ambiente umido, ma ancora una volta, l'aumento della quantità di acqua provoca l'allagamento nella cella che blocca i canali del gas e provoca perdite di trasporto di massa, quindi una corretta gestione dell'acqua è essenziale per il funzionamento della cella a combustibile PEM, per raggiungere un corretto equilibrio del trasporto dell'acqua all'interno della cella a combustibile PEM è necessario per un sistema ottimale e robusto. Questo lavoro conduce uno studio parametrico considerando quattro (04) parametri operativi, ovvero la temperatura della cella a combustibile, l'umidità relativa in ingresso dei reagenti, la stechiometria e la pressione di esercizio, insieme a un modello di gestione dell'acqua che prevede il comportamento di saturazione dell'acqua della cella a combustibile accoppiato con dati sperimentali per visualizzare i meccanismi influenzati dalla presenza di acqua con l'aiuto dei grafici di Nyquist e analizzando come questi parametri influenzano le prestazioni e i compromessi tra di essi. I risultati di questo lavoro hanno rilevato le condizioni operative ottimali e la loro importanza per le prestazioni delle celle a combustibile.