Metodologia di modellazione e simulazione di celle a combustibile idrogeno per il settore automotive

The widespread implementation of Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) for sustainable power generation necessitates the integration of 3D-CFD simulations and dedicated testing techniques to optimize the interaction between physical and chemical processes within the fuel cells and enhance their overall efficiency. The first section of this thesis provides a comprehensive overview of the key aspects that need to be integrated into multidimensional computational fluid dynamics models, such as multi-phase and multi-physics modeling and the accurate characterization of diffusion layers, membranes, and catalyst layers. In addition, advanced diagnostic techniques are evaluated, and different testing practices are reported. Moving into the second section, a 3D-CFD simulation of a single-channel PEMFC based on existing literature is reported, and the effects of membrane thickness and rib/channel spacing are investigated. For this purpose, a Eulerian multi-phase/multi-physics non-isothermal framework is employed to capture the complex dynamics of both fluid components and solid components within the PEMFC system. Numerical outcomes are validated against measured polarization curves for two membrane thicknesses and two rib/channel spacings, proving that thin membrane configurations and reduced rib/channel spacing lead to an increase in current production, especially under low voltage operation. In the third section, the same modeling approach is applied to an industrial-like PEMFC with a serpentine type gas-distributor. A large scale validation of numerical results is carried out against experimental data from low to high voltage in terms of polarization and power density curves. Moreover, 3D-CFD simulations show that high-current/low-voltage operation directly affects the supply of reactants at the catalyst layer as well as the heat generation. Furthermore, an improved formulation for the exchange current density is proposed, showing an improvement in numerical results compared to the previous formulation. In the last section, the same serpentine type PEMFC is analysed with different membrane thicknesses and conductivities to estimate the impact of ageing on PEMFCs. Ageing processes, such as slow membrane corrosion and degradation of material performance and properties, are known to limit the durability of PEMFC systems, leading to a reduced current density at a given voltage. A validated model from the literature is applied in both 1D and 3D frameworks, allowing to estimate the useful life of the fuel cell, taking into account parameters such as the degradation rate and the crossover rate. The numerical simulations presented in this work are carried out via the commercial code SIMCENTER STAR-CCM+, licensed by Siemens.

La diffusa implementazione delle celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC) per la generazione sostenibile di energia, richiede l'integrazione di simulazioni 3D-CFD e tecniche di test dedicate per ottimizzare l'interazione tra processi fisici e chimici presenti all'interno delle celle a combustibile e migliorarne l'efficienza complessiva. La prima sezione di questa tesi fornisce una panoramica completa degli aspetti chiave che devono essere integrati nei modelli numerici multidimensionali di fluidodinamica, come la modellazione multi-fase e multi-fisica e la caratterizzazione accurata degli strati di diffusione, delle membrane e degli strati catalizzatori. Inoltre, a conclusione della prima sezione, è presentata una dettagliata descrizione di diverse tecniche sperimentali con annesse pratiche di testing. Passando alla seconda sezione, viene riportata una simulazione 3D-CFD di una PEMFC a singolo canale basata sulla letteratura esistente, con lo scopo di inverstigare gli effetti dello spessore della membrana e della distanza tra le nervature ed i canali. A tal fine, viene utilizzato un approccio Euleriano multi-fase/multi-fisico non isotermo per modellare le complesse dinamiche, sia dei componenti fluidi che dei componenti solidi, all'interno del sistema PEMFC. I risultati numerici sono convalidati rispetto alle curve di polarizzazione misurate per due spessori di membrana e due distanze nervature/canali, dimostrando che le configurazioni a membrana sottile e con ridotta distanza nervature/canali portano ad un aumento della produzione di corrente, specialmente in condizioni di bassa tensione. Nella terza sezione, lo stesso approccio di modellazione viene applicato ad una PEMFC di tipo industriale con un distributore di gas a serpentina. La validazione dei risultati numerici viene effettuata su larga scala rispetto ai dati sperimentali, variando da bassa ad alta tensione, in termini di curve di polarizzazione e densità di potenza. Le simulazioni 3D-CFD mostrano che il funzionamento ad alta corrente e bassa tensione influenza direttamente l'approvvigionamento di reagenti nello strato catalizzatore e la generazione di calore. Inoltre, viene proposta una formulazione migliorata per lo scambio di densità di corrente, mostrando un miglioramento nei risultati numerici rispetto alla formulazione precedente. Nell'ultima sezione, la stessa PEMFC di tipo serpentina viene analizzata con diverse spessori di membrana e conducibilità per stimare l'impatto dell'invecchiamento sulle PEMFC. I processi di invecchiamento, come la lenta corrosione della membrana e la degradazione delle prestazioni e delle proprietà del materiale, sono noti per limitare la durata dei sistemi PEMFC, implicando una densità di corrente ridotta per una data tensione. Un modello convalidato tratto dalla letteratura viene applicato sia in un contesto 1D che 3D, consentendo di stimare la vita utile della cella a combustibile, tenendo conto di parametri come il tasso di degradazione ed il tasso di crossover. Le simulazioni numeriche presentate in questo lavoro sono condotte tramite il codice commerciale SIMCENTER STAR-CCM+, con licenza Siemens.