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SVILUPPO DI UN MODELLO PER LA SIMULAZIONE DELLO STATO TERMICO DI UNA CELLA A COMBUSTIBILE PEM PER APPLICAZIONI AUTOMOBILISTICHE

Il progetto di ricerca prevede la caratterizzazione di un modello a parametri concentrati di un sistema a celle PEM che tenga conto del trasporto dei reagenti e prodotti sia in fase gassosa che liquida, al fine di una corretta rappresentazione dei bilanci di massa e termodinamici. Tale valutazione permetterà la simulazione dello stato termico dello stack PEM per un’opportuna definizione di strategie di controllo e diagnosi.A tal fine, il comportamento dello stack PEM sarà simulato per mezzo di una cella equivalente, a sua volta suddivisa nei volumi caratteristici: canali di adduzione dei gas agli elettrodi (Gas Flow Channels - GFCs), elettrodi porosi (Gas Diffusion Layers - GDLs), zone di reazione (Catalyst Layers - CLs) e membrana polimerica. Ogni volume sarà analizzato assumendo un approccio ai valori medi (Mean Value Modeling – MVM), in cui saranno trascurate le variazioni spaziali delle variabili di stato, focalizzando sulla sola dinamica temporale.Membrana polimericaLa membrana sarà considerata come un unico volume di controllo in cui sarà simulato il trasporto netto di acqua, considerando i vari fenomeni: generazione di acqua dovuta alla reazione elettrochimica, trasporto elettro-osmotico in funzione della concentrazione di protoni, trasporto dovuto ai gradienti di concentrazione e di pressione al contorno. Un bilancio di massa permetterà di caratterizzare il contenuto d’acqua in base alle condizioni operative, quali carico richiesto, pressioni dei reagenti e temperatura di cella.Zone di reazione (CLs)Per le zone di reazione si assumeranno come flussi al contorno l’acqua proveniente dalla membrana ed i gas reagenti provenienti dagli elettrodi porosi. Il processo diffusivo dei gas sarà modellato attraverso le equazioni di Stefan-Maxwell e Darcy mentre il trasporto di acqua liquida sarà modellato tenendo conto della capillarità. La produzione di acqua ed il consumo di reagenti e prodotti saranno calcolati attraverso opportuni bilanci stechiometrici al catodo ed all’anodo. La stima dell’acqua liquida nel volume considerato permetterà la caratterizzazione dell’attuale stato di saturazione.Elettrodi porosi (GDLs)Anche gli elettrodi porosi saranno modellati seguendo il medesimo approccio adottato per le zone di reazione. Il flusso diffusivo dei gas provenienti dai canali di adduzione sarà modellato per mezzo delle equazioni di Stefan-Maxwell e Darcy, mentre il trasporto di acqua liquida sarà modellato – anche in questo caso – tenendo conto della capillarità. Inoltre si assumerà un processo di evaporazione/condensazione strettamente correlato alla pressione di saturazione ed alla temperatura operativa. Quest’ultima sarà calcolata secondo un bilancio termodinamico complessivo di cella.Volumi di adduzione dei gas (GFCs)L’emersione di acqua liquida dagli elettrodi porosi sarà modellata seguendo appositi studi sperimentali sulla formazione di gocce d’acqua su una superficie idrofobica, già eseguiti dal gruppo proponente. L’oscillazione ed il distacco delle gocce sarà simulato attraverso un bilancio tra forze di drag esercitate dal flusso gassoso e forze di tensione superficiale e di adesione. L’espulsione dell’acqua liquida dai canali di adduzione terrà conto dell’attuale stato di saturazione e della velocità di afflusso dei reagenti.Bilancio termodinamicoLa caratterizzazione della temperatura operativa dello stack PEM sarà eseguita mediante un bilancio dinamico che assumerà come volume di controllo l’intera cella equivalente. In ingresso saranno considerati i flussi di aria e di idrogeno con gli opportuni livelli di umidificazione alle relative temperature di adduzione. In uscita si terrà conto delle frazioni molari a valle della reazione elettrochimica e del flusso d’acqua sia allo stato vapore che liquido. La capacità termica dello stack sarà caratterizzata in base ai volumi stimati ed ai vari materiali impiegati.