Modellazione accoppiata di una cella combustibile PEM e di un serbatoio di idrogeno allo stato solido

Lo sviluppo di serbatoi a idrogeno per la transizione energetica e la de-carbonizzazione soffre delle criticità intrinseche dello stoccaggio del vettore. Le tecnologie consolidate presentano forti limiti: lo stoccaggio gassoso richiede pressioni elevate per raggiungere densità energetiche sufficienti, comportando severi requisiti di sicurezza e materiali costosi; lo stoccaggio liquido è penalizzato dall'elevato dispendio energetico di liquefazione e dai rischi di perdite per evaporazione. Tali svantaggi limitano l'idrogeno sia nelle applicazioni stazionarie sia nella mobilità, rendendo necessaria un'alternativa valida. Lo stoccaggio allo stato solido mediante idruri metallici consente l’accumulo a basse pressioni operative (a totale vantaggio della sicurezza), con elevate densità energetiche volumetriche e un potenziale miglioramento dell'efficienza complessiva, escludendo sistemi di raffreddamento integrati. Questa tecnologia possiede tuttavia forti vincoli termico-fluidodinamici: il desorbimento del gas è fortemente endotermico e l'assorbimento fortemente esotermico. Tali flussi possono portare il sistema in intervalli termici critici nei quali smette di funzionare; è quindi fondamentale ottimizzarne l'accoppiamento per garantirne il corretto funzionamento. Il presente lavoro di tesi magistrale studia la termodinamica e la cinetica di diversi idruri metallici per l'utilizzo come serbatoio solido, analizzandone l'accoppiamento termo-fluidodinamico per conduzione diretta con una Fuel Cell PEM. Il calore dissipato dalla cella durante il funzionamento viene assorbito dall’idruro per attivare il desorbimento e liberare l'idrogeno necessario ad alimentare la cella stessa. In maniera complementare, è stata studiata la fase di assorbimento in cui l’idruro, sottoposto a un flusso di idrogeno, si riscalda e genera calore che necessita di essere opportunamente dissipato. La metodologia si è articolata partendo da un modello 0D a parametri concentrati della PEMFC in un punto specifico della curva di polarizzazione. L’obiettivo era verificare che la potenza termica da dissipare della cella, funzione della corrente erogata e dell'idrogeno consumato, fosse sufficiente a garantire la giusta sorgente termica all'idruro. Questo apporto avrebbe provocato il desorbimento di una quantità di idrogeno da confrontare con quella necessaria ad erogare la densità di corrente decisa a priori, valutando se la portata fosse sufficiente ad alimentare la cella e garantire la corrente prefissata. Successivamente si è passati allo studio CFD 3D per step propedeutici a complessità crescente. In primo luogo, è stato validato il modello del solo serbatoio di idruri, riscaldato da una piastra per valutare la cinetica di rilascio del gas in un tank. In secondo luogo, il dominio dell’idruro è stato interfacciato con i canali della cella in scala ridotta per analizzare i gradienti termici e lo scambio di massa. Infine, il modello è stato studiato su scale maggiori di celle a combustibile PEM fino a raggiungere aree pari a 300{cm}^2. Su quest'ultima geometria sono stati investigati sia il desorbimento sotto carico, sia le criticità termiche legate ai picchi di temperatura durante l’assorbimento sotto flussi di idrogeno a diverse pressioni in fase di rifornimento. In conclusione, l'attività ha permesso la realizzazione e la validazione di un modello numerico stazionario del serbatoio a idruri metallici, testato sia in modalità singola sia in configurazione accoppiata con la cella PEM. L'intera analisi si è dimostrata efficace nel mappare i complessi fenomeni multi-fisici operanti a regime, ponendosi come una linea guida per la progettazione e l'ottimizzazione dei futuri sistemi di accumulo allo stato solido.