La modellazione multifisica delle celle a combustibile

Le celle a combustibile trasformano l’energia chimica direttamente in energia elettrica mediante una reazione elettrochimica, un processo più efficiente in confronto ai tradizionali dispositivi per la produzione di energia elettrica. Il Politecnico di Danimarca sta sviluppando delle SOFC formate da sottili strati di materiali ceramici avanzati (e per alcuni tipi, anche materiali metallici).

Il lavoro di ricerca e sviluppo effettuato spazia da indagini fondamentali relative ai materiali e alle loro proprietà strutturali fino alla fabbricazione di celle complete. Il progetto Marie Curie finanziato dall’UE CFDSOFC (Multi-scale computational fluid dynamics modelling and optimisation of the state-of-the-art solid oxide fuel cells) mirava a studiare nel dettaglio le loro prestazioni elettrochimiche. Gli sforzi del ricercatore sono stati incanalati verso le questioni tecniche che la commercializzazione di questa tecnologia si trova ad affrontare.

Per ottenere una migliore comprensione del funzionamento delle SOFC sulla base di una descrizione dettagliata della loro geometria è stato formulato un modello 3D. Le reazioni elettrochimiche e i fenomeni di trasporto sono stati descritti usando i cosiddetti “termini di sorgente” nelle equazioni applicabili per calore, massa, quantità di moto, trasporto di ioni ed elettroni.

Applicando delle adeguate condizioni limite, queste equazioni di conservazione sono state risolte con un software multifisico. Specificamente, per risolvere le equazioni in 3D è stato usato il software di modellazione COMSOL Multiphysics, utilizzando la fluidodinamica computazionale per il trasferimento di calore e i moduli elettrochimici.

Il modello CFDSOFC è stato convalidato in rapporto a misurazioni sperimentali delle proprietà microstrutturali che sono importanti per la durata delle celle. La fase successiva è stata quella di ricavare dei parametri per i casi di riferimento scelti e di ottenere la progettazione ottimale per le SOFC.

L’Università Tecnica della Danimarca ha una lunga tradizione di strette collaborazioni con istituti di ricerca in tutto il mondo. Dopo il completamento del progetto CFDSOFC, una volta che il ricercatore Marie Curie avrà fatto ritorno all’università di Bolu in Turchia, ci si aspetta che la cooperazione continui in futuri programmi di ricerca.