Experimental and computational investigation of compressible flows behavior in an ejector for anodic recirculation systems in PEM fuel cells

The anodic recirculation of hydrogen inside proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) is a technological solution that has proved to generate improvements in terms of fuel cell’s efficiency and durability. One of the most widespread techniques to obtain recirculation consists in the introduction of an ejector, which presents some advantages in comparison to the application of pumps and compressors: in particular, the absence of moving parts and the possibility to exploit the primary mass flow, instead of and external source, to obtain the necessary energy for recirculation. The aim of this work is to create a computational fluid dynamics (CFD) model able to foresee the behaviour of different compressible single-phase fluids through an ejector and to validate the computational results with the experimental ones obtained from laboratory tests made on the real component. The CFD model must showcase a correct balance between the accuracy of the results and the computational time in addition to flexibility to different geometries and fluids. The thesis is divided into an initial part, where the fuel cell technology is introduced along with key aspects of compressible fluids and ejector technology; a main body, where the experimental data acquisition procedure is illustrated along with the used CFD equations and the modelling of the final computational geometry used; and a final, part where the simulations results and the experimental results are shown and analysed with the help of graphs.

La ricircolazione anodica dell’idrogeno all’interno delle pile al combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC) è una soluzione tecnologica che ha dimostrato di produrre dei miglioramenti in termini di efficienza e durabilità della cella stessa. Uno dei metodi più diffusi per ottenere la ricircolazione prevede l’introduzione di un eiettore, il quale presenta dei vantaggi rispetto all’applicazione di pompe e compressori: in particolare l’assenza di parti mobili e la possibilità sfruttare il flusso primario, invece di una fonte esterna, per ottenere l’energia necessaria alla ricircolazione. Lo scopo di questo lavoro è quello di realizzare un modello fluidodinamico computazionale (CFD) in grado di predire il comportamento di diversi fluidi comprimibili monofase attraverso un eiettore e di validare i risultati computazionali con quelli sperimentali ottenuti dai test effettuati in laboratorio sul componente reale. Il modello CFD deve presentare un giusto equilibrio tra accuratezza dei risultati e tempi di calcolo oltre ad una flessibilità d’implementazione per diversi fluidi e geometrie. La tesi si divide in una parte iniziale, dove viene introdotta la tecnologia delle pile al combustibile e vengono illustrati gli aspetti chiave relativi alla teoria dei fluidi comprimibili e alla tecnologia degli eiettori; un corpo centrale, dove vengono illustrati il procedimento di acquisizione dei dati sperimentali, le equazioni CFD utilizzate e la modellazione della geometria computazionale finale utilizzata; ed una parte finale, dove i risultati delle simulazioni e quelli sperimentali vengono presentati ed analizzati attraverso l’utilizzo di grafici.