Development of a 3D molten carbonate fuel cell model and application to advanced carbon capture plant simulations

The primary objective of the present work is the development of an advanced three-dimensional model, able to simulate the behaviour of a Molten Carbonate Fuel Cell. The model applies a detailed electrochemical and thermal analysis to a planar MCFC stack, opportunely discretized in a numerical grid, in which calculations are performed. The user has the possibility to select the degree of the grid refining, the input flows conditions (in terms of temperature, pressure, chemical compositions, mass flow rates), and even the distribution of the catalytic activity at the electrodes. It is necessary, moreover, to impose the voltage or the current density, depending on whether the simulation is carried out on the bi-dimensional cell plane or on the three-dimensional stack. This option requires an iterative procedure and thereby a longer computational time. The model is calibrated on the available data for an experimental MCFC of 250 cm2, produced by FuelCell Energy Inc. The strength of the model is given undoubtedly by the possibility to inspect the main cell variables with a three-dimensional perspective, thus allowing the user to conspicuously understand the internal profiles. This goal is achieved as a result of the planar discretization of the cell. Several sensitivities analyses are presented in order to evaluate the influence of critical design parameters on the fuel cell performances. In addition, the possibility to reduce the thermal gradient inside the cell is investigated by a minimization procedure, aimed at estimating the optimal charge non-uniform catalyst distribution at the anode’s surface. At a later stage, the model is applied to three power plant layouts of practical interest. The first analysed plant arrangement is basically the commercial configuration of the cell, with the sole objective of producing electric power. The second plant layout envisages the possibility to integrate the MCFC in a CCS power plant, exploiting the carbon dioxide transfer from the cathode to the anode, which is an essential requirement for the correct functioning of the cell itself; hence, the design criterion is twofold: on one hand, the cell still works as an electric power producer; on the other hand, it behaves simultaneously as a CCS technology, achieving very interesting environmental and energetic goals. Finally, the third application explores the functioning of the MCFC at very low fuel utilization factor: this configuration reveals that the cell might behave as a hydrogen producer, thus opening new opportunities for several industrial applications.

L’obiettivo centrale di questo lavoro è lo sviluppo di un modello tridimensionale avanzato che possa simulare le prestazioni di una cella a combustibile a carbonati fusi (MCFC). Il modello applica un’analisi dettagliata in termini di elettrochimica e bilanci energetici a uno stack di MCFC a geometria planare, opportunamente discretizzato in una griglia numerica, nella quale i calcoli vengono effettuati. L’utente ha la possibilità di scegliere il grado di raffinamento della griglia stessa, le principali condizioni di input (in termini di temperatura, pressione, portate e composizioni chimiche), e anche la distribuzione dell’attività catalitica degli elettrodi. È necessario inoltre imporre la densità di corrente o la tensione, a seconda se l’utente voglia simulare un piano bidimensionale di cella, o tutto lo stack tridimensionale. Quest’ultima opzione richiede un processo iterativo e pertanto maggiori tempi di calcolo. Il modello è calibrato su dati sperimentali relativi a una cella di 250 cm2, realizzata da FuelCell Energy Inc. La possibilità di esplorare le principali variabili della cella con un punto di vista tridimensionale costituisce senza dubbio il punto di forza del modello, dal momento che l’utente è in grado di comprendere nel dettaglio i profili interni delle grandezze in questione. Il raggiungimento di questo traguardo è sostanzialmente il risultato della discretizzazione della cella. Vengono inoltre presentate diverse analisi di sensitività che valutano l’influenza di alcuni parametri critici sulle prestazioni della cella. Inoltre, è stata investigata la possibilità di ridurre il gradiente termico della cella, grazie alla risoluzione di un problema di minimizzazione, con l’obiettivo di trovare l’ottima distribuzione di catalizzatore sulla superficie dell’anodo. In un secondo momento, il modello viene applicato a tre configurazioni impiantistiche di interesse pratico. Il primo schema è essenzialmente il funzionamento commerciale della cella, con il solo obiettivo di produrre potenza elettrica. La seconda configurazione esplora la possibilità di integrare la cella in un impianto per cattura di carbonio CCS, sfruttando un requisito essenziale per il corretto funzionamento della cella stessa: il trasferimento di anidride carbonica dal flusso catodico a quello anodico; in questo modo, l’obiettivo diventa duplice: se da un lato la cella continua a produrre energia elettrica, dall’altro, contemporaneamente, funziona come una tecnologia CCS, ottenendo risultati promettenti da un punto di vista energetico e ambientale. Infine, la terza simulazione studia il funzionamento della cella a bassi fattori di utilizzo del combustibile, mostrando che in questo caso la cella può comportarsi come produttore di idrogeno: si aprono pertanto nuove prospettive per diverse applicazioni industriali.