Riassunto analitico
Al centro di questo elaborato vi è lo sviluppo di un accurato approccio modellistico per la simulazione CFD-3D delle Proton Exchange Membrane Fuel Cell, promettente alternativa ai motori a combustione interna alimentati da combustibili fossili.
Si è prestata particolare attenzione al lato elettrochimico, ricercando una modellazione quanto più realistica possibile del Catalyst Layer e prevedendo, inoltre, la formazione e il trasporto della fase liquida – aspetto di particolare interesse in campo industriale.
Il componente in oggetto, fondamentale per questo tipo di tecnologia, consiste in un sottile strato poroso composto da diverse fasi solide –tra cui particelle di catalizzatore –, la cui superficie ospita le reazioni elettrochimiche: si è dunque studiato un approccio che consentisse lo sviluppo di queste ultime sulla superficie interna del componente in funzione del quantitativo di catalizzatore disperso.
Nella prima parte, l’approccio modellistico sviluppato è stato validato su un semplice caso di canale singolo rettilineo riportato in letteratura: in questa fase ci si è concentrati maggiormente sul garantire che l’approccio fosse accurato e robusto, così da renderlo implementabile su geometrie più complesse.
Una volta superata con successo questa fase si è utilizzato il modello ottenuto per effettuare un’analisi di confronto tra una geometria di canale interdigitato e non, indagandone il suo effetto sulle prestazioni.
In particolare, si è voluto analizzare il beneficio che questa geometria sembra avere sull’incremento della densità di corrente a bassi voltaggi e sul miglioramento dell’efficienza di rimozione del liquido nei mezzi porosi, riducendo così l’insorgenza del fenomeno di flooding.
Infine, si è effettuata una simulazione di un’intera cella con canali a serpentina, i cui dati disponibili in letteratura hanno permesso un’ulteriore validazione: in questo caso è stato possibile apprezzare lo sviluppo di macro-fenomeni non visibili nelle simulazione a singolo canale, come la distribuzione della densità di corrente e della temperatura tra ingresso e uscita della cella.
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