Trasporto d'acqua nei gas diffusion layer di celle a combustibile polimeriche : caratterizzazione di diffusione e permeazione

Water transport phenomena in Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFC) are a very important subject as they have a relevant impact on fuel cells performance. In order to achieve a proper management of water fluxes, a significant role is played by the Gas Diffusion Layer at cathode, which has to perform several functions: it permits diffusion of reactants and products and, in addition, has to prevent both cathode electrolyte flooding and membrane dehydration. Water transport from cathode to distributor flow field occurs via diffusive and permeative mechanisms: they turned out to be not fully explained and are currently subject of experimental and theoretical-modeling research. In scientific literature, the investigation of these phenomena is mainly carried out by “ex situ” characterizations at room temperature. To deepen the knowledge of these phenomena, an experimental system was designed and built at Fuel Cell Laboratory of Politecnico di Milano: this system is able to characterize both diffusive and permeative transport phenomena in GDLs at typical PEFC working temperatures and under a wide range of pressure difference across the GDL. Within this thesis work, two types of GDL have been tested during an extended experimental campaign: diffusive (single-phase) and permeative (two-phase) transport features have been investigated quantifying water flux through the porous media. It was also developed an interpretative model to describe diffusion in both types of GDL, which allowed to obtain results coherent to literature. The experimental campaign permitted to evaluate the triggering pressure for liquid water transport, to quantify water permeation through the GDL and to highlight hysteresis phenomena. Finally a simplified interpretative model was proposed: it was based on the Leverett function approach to estimate water saturation in the GDL at working conditions.

I fenomeni di trasporto di acqua all’interno delle celle a combustibile ad elettrolita polimerico (PEFC) sono una tematica di grande interesse ed hanno un impatto rilevante sulle loro prestazioni. Ai fini di garantire una corretta gestione dei flussi di acqua, un ruolo importante è svolto dal gas diffusion layer catodico, il quale ricopre molteplici funzioni: esso permette la diffusione di reagenti e prodotti ed inoltre deve prevenire sia l’allagamento dell’elettrodo catodico che la deidratazione della membrana elettrolitica. Il trasporto di acqua dal catodo verso il distributore avviene attraverso meccanismi di tipo diffusivo e permeativo: essi risultano non del tutto caratterizzati e sono attualmente oggetto di indagini sia sperimentali che teorico-modellistiche. In letteratura, l’investigazione di questi fenomeni avviene principalmente attraverso caratterizzazioni “ex situ” a temperatura ambiente. Per approfondire questi fenomeni è stato quindi progettato e realizzato, nell’ambito di questa tesi di laurea svolta presso il Laboratorio Fuel Cell del Politecnico di Milano, un impianto sperimentale in grado di caratterizzare i fenomeni di trasporto diffusivo e permeativo all’interno del gas diffusion layer in condizioni rappresentative del reale funzionamento delle PEFC e sotto un ampio campo di differenze di pressione imposte a cavallo del GDL. Nell’ambito di questo lavoro sono stati caratterizzati, attraverso un’estesa campagna sperimentale, due tipi di GDL: sono state indagate le caratteristiche di trasporto diffusivo (monofase) e permeativo (bifase) quantificando il flusso d’acqua attraverso il setto poroso. E’ stato inoltre sviluppato un modello interpretativo in grado di descrivere la diffusione in entrambi i tipi di GDL il quale ha consentito di ottenere risultati coerenti con la letteratura. La campagna sperimentale ha permesso di valutare la pressione di innesco del trasporto di acqua liquida, di quantificare la permeazione di acqua attraverso il GDL e di evidenziare fenomeni di isteresi. E’ stato infine proposto un modello semplificato interpretativo che utilizza un approccio basato sulle curve di Leverett per quantificare la saturazione all’interno del gas diffusion layer nelle condizioni di funzionamento.