Riassunto analitico
L'evoluzione delle tecnologie dell'idrogeno, in particolare delle celle a combustibile, emerge come una soluzione cruciale nel contesto dell'odierno panorama industriale. Queste tecnologie promettono di svolgere un ruolo decisivo nella transizione verso un futuro più sostenibile ed efficiente dal punto di vista energetico.
L'Unione Europea ha delineato una visione ambiziosa per una società a basse emissioni di carbonio, con l'obiettivo di raggiungere la neutralità climatica entro il 2050 e quindi la decarbonizzazione del settore della mobilità entro il 2050. In questo contesto, il settore energetico gioca un ruolo fondamentale, richiedendo soluzioni innovative e sostenibili per sostituire le fonti energetiche tradizionali con tecnologie che utilizzino l'idrogeno come vettore energetico pulito.
La conversione dell'energia chimica dell'idrogeno in energia elettrica può essere ottenuta con celle a combustibile, in particolare celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica. Questi sistemi svolgono il ruolo di soluzione preferita date le loro caratteristiche convenienti: alta efficienza soprattutto a bassi carichi, alta densità di potenza, bassa temperatura di esercizio (rispetto ad altri sistemi di celle a combustibile), modularità e funzionamento silenzioso.
Per garantire il raggiungimento di queste caratteristiche è necessaria un'ottimizzazione dei dettagli concentrando il processo di progettazione su caratteristiche chiave come il campo di flusso dei canali dei reagenti, il trasferimento di calore delle celle per garantire la temperatura ottimale e la gestione dell'acqua per evitare l'intasamento del catodo e una buona permeabilità ionica.
Un elemento fondamentale nello sviluppo e nell'ottimizzazione di queste tecnologie è l'applicazione della Fluidodinamica Computazionale (CFD), una disciplina che consente l'analisi e l'affinamento del comportamento dei fluidi, dei processi termici e delle reazioni chimiche all'interno dei sistemi a idrogeno.
Questo approccio predittivo e avanzato consente di superare gli ostacoli tecnici e accelerare i progressi verso l'implementazione diffusa delle tecnologie dell'idrogeno, contribuendo in modo significativo alla trasformazione del panorama industriale verso un modello più sostenibile e rispettoso dell'ambiente.
Vale la pena notare che questo approccio porta con sé un alto grado di complessità dovuto all'elevata quantità di dati (spesso sconosciuti) necessari per caratterizzare i dettagli geometrici, fisici e chimici della cella, ecco perché in questo progetto di tesi, accanto alla metodologia di modellazione, sono state condotte campagne sperimentali.
È risaputo che testare le configurazioni hardware e le condizioni di lavoro hanno un'influenza sui risultati dei test. Lo stesso MEA, testato da hardware diverso, mostrerà risultati di prestazioni diversi. Pertanto, lo stesso MEA testato in laboratori diversi può mostrare prestazioni diverse a seconda dell'hardware di test utilizzato e del protocollo di test impiegato. Ecco perché l'hardware di prova utilizzato per la calibrazione è stato sviluppato su richiesta dei produttori di apparecchiature originali (OEM) del settore automobilistico nell'ambito del gruppo di lavoro sull'armonizzazione delle celle a combustibile PEM per l'applicazione automobilistica della "Seconda impresa comune sulle celle a combustibile e l'idrogeno" (FCH2JU).
L'obiettivo principale è quello di testare metodi di simulazione noti dalla letteratura, implementando caratteristiche dettagliate (come la gestione dell'acqua attraverso la membrana) e delineare una metodologia sperimentale su una cella di riferimento. I dati sperimentali devono essere utilizzati per calibrare il modello per ottenere un ambiente predittivo robusto in grado di "testare" diverse architetture e definire l'ottimale.
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Abstract
The evolution of hydrogen technologies, particularly fuel cells, emerges as a crucial solution in the context of today's industrial landscape. These technologies promise to play a decisive role in transitioning towards a more sustainable and energy-efficient future.
The European Union has outlined an ambitious vision for a low-carbon society, with the aim of achieving climate neutrality by 2050 and thus the decarbonization of the mobility sector by year 2050. In this context, the energy sector plays a paramount role, requiring innovative and sustainable solutions to replace traditional energy sources with technologies that utilize hydrogen as a clean energy carrier.
The conversion of hydrogen’s chemical energy to electrical energy can be obtained with fuel cells, especially polymer electrolyte membrane fuel cells. These systems play the role of preferred solution given their convenient features: high efficiency especially at low loads, high power density, low operating temperature (compared to other fuel cell systems), modularity, and quiet operation.
To ensure the achievement of those features a detail optimization is required by focusing the design process on key features such as the flow field of the reagents’ channels, heat transfer of the cells to ensure the optimal temperature and water management to avoid clogging at the cathode and good ionic permeability.
A fundamental element in the development and optimization of these technologies is the application of Computational Fluid Dynamics (CFD), a discipline that allows for the analysis and refinement of fluid behavior, thermal processes, and chemical reactions within hydrogen systems.
This predictive and advanced approach allows for overcoming technical hurdles and accelerating progress towards the widespread implementation of hydrogen technologies, significantly contributing to the transformation of the industrial landscape towards a more sustainable and environmentally respectful model.
It is worth to note that this approach brings with him a high degree of complexity due to the elevate amount of data (often unknown) required to characterize the geometrical, physical, and chemical details of the cell, that’s why in this thesis project, alongside the modelling methodology, experimental campaigns have been carried out.
It is well known that testing hardware configurations and working conditions have an influence on the results of the testing. The same MEA, tested by different hardware, will show different performance results. Therefore, the same MEA tested in different laboratories may show different performance depending on the testing hardware used as well as the test protocol employed. That’s why the testing hardware used for the calibration has been developed under a request from automotive original equipment manufacturers (OEMs) in the frame of the Working Group on harmonization of PEM fuel cells for automotive application of the “Fuel Cells and Hydrogen second Joint Undertaking” (FCH2JU).
The main objective is to test simulation methods known from literature, implementing detailed features (such as water management though the membrane) and outline an experimental methodology on a reference cell. The experimental data must be utilized to calibrate the model to get a robust predictive environment capable of “testing” different architectures and defining the optimum.
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