Riassunto analitico
La presente tesi si concentra sulla validazione sperimentale di un modello CFD-3D per una cella a combustibile a membrana a scambio protonico PEMFC modello H-500, prodotta dalla Horizon Fuel Cell Technologies. L'obiettivo principale è stato sviluppare un modello numerico avanzato che descrivesse accuratamente i fenomeni fisici e chimici che avvengono all'interno della cella, confrontando i risultati delle simulazioni con dati sperimentali ottenuti da test realizzati presso il CNR-STEMS.\\
Le PEMFC rappresentano una tecnologia promettente per la produzione di energia pulita, grazie alla loro elevata efficienza e basse emissioni. Tuttavia, per ottimizzarne le prestazioni e garantire un’affidabilità operativa a lungo termine, è necessario comprendere in dettaglio i processi complessi che avvengono al loro interno, come il trasporto di specie chimiche, il trasferimento di calore e il comportamento elettrochimico. In questo contesto, i modelli CFD si dimostrano strumenti indispensabili per analizzare e prevedere il comportamento delle celle.
Il lavoro è iniziato con una revisione della letteratura per identificare le principali sfide nella modellazione CFD delle PEMFC e i parametri critici da considerare. Successivamente, è stato sviluppato un modello tridimensionale utilizzando il software CFD Star-CCM+, applicando equazioni di conservazione di massa, quantità di moto, energia e specie chimiche, accoppiate con le equazioni elettrochimiche per descrivere le reazioni anodiche e catodiche. Sono stati inclusi fenomeni come la diffusione e la migrazione ionica attraverso la membrana, il trasporto di acqua all'interno della MEA e l'effetto della transizione di fase.\\
Per la validazione, sono stati progettati e realizzati esperimenti sulla PEMFC H-500 in condizioni operative controllate. I test hanno riguardato la caratterizzazione delle curve di polarizzazione e l'analisi mediante tecnica di spettroscopia ad impedenza. I dati sperimentali sono stati raccolti utilizzando sensori ad alta precisione e sistemi di acquisizione avanzati, garantendo un elevato livello di affidabilità.\\
I risultati delle simulazioni CFD sono stati confrontati con i dati sperimentali per verificare l'accuratezza del modello. Il confronto ha mostrato una buona concordanza per quanto riguarda le curve di polarizzazione soprattutto nella zona di bassa densità di corrente, evidenziando la capacità del modello di catturare i fenomeni principali come perdite ohmiche e perdite per attivazione. Il lavoro si conclude con una discussione sui limiti della PEMFC H-500 e sulle possibili strategie per un suo ulteriormente miglioramento. Viene evidenziata l'importanza di integrare tecniche di validazione più complesse in grado di ampliare le condizioni operative analizzate, includendo diversi valori di umidificazione, di pressione di alimentazione e transitori dinamici. Infine, vengono proposte applicazioni future del modello, sia per l'ottimizzazione progettuale delle PEMFC sia per la simulazione di stack completi. In sintesi, questa tesi fornisce un contributo alla comprensione e modellazione delle PEMFC, dimostrando il valore dei modelli CFD come strumento di supporto alla progettazione e allo sviluppo di sistemi a celle a combustibile più efficienti e sostenibili, evidenziando l'importanza della validazione sperimentale per garantire la loro accuratezza.
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