Modellazione matematica di SOFC per utilizzo con H2, CO e CH4

Il lavoro di tesi ha riguardato la stesura di un modello numerico che simula il funzionamento di una fuel cell a ossidi solidi (SOFC – Solid Oxide Fuel Cell) di laboratorio. Il modello è di tipo stazionario, monodimensionale, eterogeno e isotermo e permette di descrivere l’andamento del potenziale ai capi della cella al variare di alcune grandezze operative, ovvero densità di corrente, temperatura, pressione e composizione del combustibile alimentato. Il modello permette l’analisi delle prestazioni della cella al variare della natura del combustibile: sono stati considerati idrogeno, monossido di carbonio e metano, puri e in miscela. Sono stati introdotti componenti aggiuntivi inerti e non, quali azoto, elio e anidride carbonica. La descrizione dei processi di diffusione con reazione è stata affrontata con un modello di tipo Dusty Gas, nel quale è stato introdotto il contributo dei flussi viscosi. L’analisi delle prestazioni della cella in presenza di metano ha richiesto l’introduzione di equazioni cinetiche globali per le reazioni eterogenee di Steam Reforming e Water Gas Shift che avvengono all’interno dell’elettrodo anodico poroso. Per la descrizione dei processi elettrochimici è stata considerata esclusivamente la reazione di elettro ossidazione di idrogeno. Le reazioni elettrochimiche sono state descritte ipotizzando che la regione di interfaccia tra elettrodo ed elettrolita sia planare. È stata condotta anche una verifica dell’affidabilità del modello. La verifica è stata effettuata sulla base di dati sperimentali di riferimento in letteratura, ottenuti su celle a bottone tradizionali con anodi a base di Ni e con caratteristiche geometriche e morfologiche note. Per la descrizione dei fenomeni catalitici ed elettrocatalitici sono state usate cinetiche globali proposte in letteratura per i materiali considerati, i cui coefficienti sono stati adattati allo scopo di descrivere al meglio il maggior numero di dati sperimentali.