Sviluppo di un gemello digitale per sistemi a celle a combustibile mediante modellazione ibrida fisica e data-driven

The thesis focuses on the development of a Digital Twin for Proton Exchange Membrane (PEM) Fuel Cell systems, combining physics-based modelling with reduced-order approaches. The work aims to construct a scalable, multi-domain model capable of reproducing both steady-state and transient behaviour of the fuel cell system and its interaction with a hybrid Fuel Cell–Battery powertrain. Particular attention is devoted to water and reactant management, including cathode recirculation, water recovery, internal humidification and anode purge strategies. Dedicated control strategies are introduced to regulate reactant humidification and maintain suitable operating conditions for membrane hydration and fuel cell performance. The resulting model is finally integrated at vehicle level to analyse the interaction between fuel cell dynamics, battery support and energy management under representative driving conditions.

La tesi si concentra sullo sviluppo di un Gemello Digitale per sistemi a celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEM), combinando la modellazione basata sulla fisica con approcci a ordine ridotto. Il lavoro mira a costruire un modello scalabile e multidominio, capace di riprodurre sia il comportamento stazionario sia quello transitorio del sistema fuel cell e la sua interazione con un powertrain ibrido Fuel Cell–Batteria. Particolare attenzione è dedicata alla gestione dell’acqua e dei reagenti, includendo il ricircolo catodico, il recupero dell’acqua, l’umidificazione interna e le strategie di purge anodico. Vengono introdotte specifiche strategie di controllo per regolare l’umidificazione dei reagenti e mantenere condizioni operative adeguate per l’idratazione della membrana e le prestazioni della fuel cell. Il modello risultante viene infine integrato a livello di sistema veicolo per analizzare l’interazione tra la dinamica della fuel cell, il supporto della batteria e la gestione energetica in condizioni di guida rappresentative.