A CFD-based approach for the design and optimization of electrolysis cells

The European Commission's main challenge is to become carbon neutral by 2050, and the only way to achieve this is through a marked change in the energy system. For this reason, the issues of energy storage and green hydrogen production are gaining in importance. The most promising method for green hydrogen production is through electrolyzers, which, however, are complex in that they encompass a wide range of issues (fluid dynamics, chemistry, kinetics, electrical engineering, etc.). The purpose of this thesis is to define the current traditional one-dimensional sizing method by highlighting its computational limitations, such as the flow distribution within the machine itself. Next is reported the development of a 3D methodology through CFD simulation, with OpenFOAM software, characterized by incompressible, non-reacting fluid and focused on flow distribution and thermal. The flow distribution geometry and internal components are modeled through Inventor software. Internal components are defined as porous media and by applying the fluid flow required for machine cooling and process the application of geometry changes in correlation with pressure drop, temperature and homogeneous flow distribution inside is analyzed. In the first phase of the analysis, nine cases are analyzed with the purpose of evaluating the effect of geometrical changes on pressure drop, stack and cell maldistribution, temperature, and leakage currents. Then the impact of the porous media in different configurations is evaluated, and finally a modification to the distributor channel is defined to achieve the required targets of the analysis. Using this approach allows for a significant impact on the production cost of a physical test bench and development time.

La sfida principale della Commissione Europea è quella di diventare neutrali dal punto di vista delle emissioni di carbonio entro il 2050, e l'unico modo per raggiungere questo obiettivo è quello di cambiare radicalmente il sistema energetico. Per questo motivo, i temi dell'immagazzinamento dell'energia e della produzione di idrogeno verde stanno assumendo un'importanza sempre maggiore. Il metodo più promettente per la produzione di idrogeno verde è quello degli elettrolizzatori, che però sono complessi in quanto coinvolgono un'ampia gamma di tematiche (fluidodinamica, chimica, cinetica, elettrotecnica, ecc.). Lo scopo di questa tesi è quello di definire l'attuale metodo tradizionale di dimensionamento monodimensionale evidenziandone i limiti computazionali, come la distribuzione del flusso all'interno della macchina stessa. Successivamente viene riportato lo sviluppo di una metodologia 3D attraverso la simulazione CFD, con il software OpenFOAM, caratterizzata da fluidi incomprimibili, non reagenti e focalizzata sulla distribuzione del flusso e sulla termica. La geometria della distribuzione del flusso e i componenti interni sono modellati attraverso il software Inventor. I componenti interni sono definiti come mezzi porosi e, applicando il flusso del fluido richiesto per il raffreddamento della macchina e il processo, si analizza l'applicazione delle modifiche alla geometria in correlazione con le perdite di carico, la temperatura e la distribuzione omogenea del flusso all'interno. Nella prima fase dell’analisi vengono analizzati nove casi con lo scopo di valutare l’effetto di modifiche geometriche sulla caduta di pressione, la maldistribuzione di stack e cella, la temperatura e le correnti disperse. Successivamente viene valutato l’impatto del mezzo poroso in differenti configurazioni e infine si procede alla definizione di una modifica al canale distributore per raggiungere i target richiesti dell’analisi. L'utilizzo di questo approccio tridimensionale consente un impatto significativo sul costo di produzione di un banco di prova fisico e sui tempi di sviluppo.