Riassunto analitico
Il presente lavoro di tesi verte sullo sviluppo di una metodologia di analisi CFD-3D di elettrolizzatori PEM (Proton Exchange Membrane), dispositivi elettrochimici che, alimentati da energia elettrica, consentono la produzione di idrogeno a partire dalla scissione delle molecole di acqua. Nella prima parte sono state esposte le potenzialità dell’idrogeno come vettore energetico sostenibile, le relative criticità di produzione e stoccaggio e le principali tecniche produttive attualmente utilizzate, con specifico focus sul processo di elettrolisi dell'acqua e sulla tecnologia PEM. È stata fornita una descrizione dettagliata delle singole componenti costituenti tali elettrolizzatori, insieme ad uno studio sui principi di funzionamento termodinamici ed elettrochimici. Nella seconda parte ci si è occupati della formulazione teorica sulla quale si basa la modellazione degli elettrolizzatori. In particolare, ci si è concentrati sulla modellazione CFD, illustrando nel dettaglio le equazioni di governo del problema, basate su un approccio multifase (MMP-Mixture Multi-Phase), e i particolari approcci modellistici applicati per componenti complessi, quali la membrana e i catalyst layer. Infine, l'approccio modellistico è stato implementato sul software Star-CCM+ e applicato dapprima su un caso semplice (canale piano), al fine verificare l'attinenza fisica del risultato della simulazione, dopodiché è stato studiato un caso tridimensionale (serpentina tripla). Una volta calibrato il modello, per quest’ultimo caso è stato effettuato uno studio sulla sensitività della mesh, differenziando la discretizzazione del dominio in direzione through-plane (trasversale) e in direzione in-plane (parallela alla membrana), al fine di studiare la relazione tra risultato finale e costo computazionale della simulazione. Identificata la strategia di mesh ottimale, l’approccio generale estratto dall’esito del presente studio è stato poi applicato ad un caso di cella elettrolitica reale, analizzato in letteratura.
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