Modellazione di un elettrolizzatore membraneless per la produzione di H2 come vettore energetico o agente riducente industriale

Abstract

Il presente lavoro di tesi si inserisce nel contesto di studio dell’idrogeno come vettore chiave per la transizione energetica. Le attuali tecnologie elettrochimiche commerciali sono basate sull’impiego di membrane per la separazione dei gas H2 e O2 prodotti; pertanto, per rispondere alla necessità di abbattere contestualmente i costi di CAPEX e OPEX emerge come soluzione ideale lo sviluppo di reattori membraneless: l’assenza del separatore fisico permetterebbe, infatti, una notevole riduzione delle resistenze ohmiche e dei costi legati ai materiali per la sua costruzione. Lo studio è stato condotto tramite modellazione computazionale in COMSOL Multiphysics® di un reattore a design planare, scelto per la sua facile scalabilità, accoppiando le fisiche della fluidodinamica bifasica in regime laminare con l’elettrochimica legata alla formazione di bolle. Attraverso un approccio statistico DoE del tipo Full Factorial sono stati esplorati i parametri di design come la lunghezza ed il gap inter-elettrodico tramite il rapporto di elongazione della cella (REL=10-100), e parametri operativi come la velocità dell’elettrolita tramite il numero di Reynolds (Re=10-2000) e la densità di corrente (j=0.1-10.0 A/cm2). L’analisi ha valutato come indicatori prestazionali (KPI) la purezza dell’idrogeno prodotto e il consumo specifico di energia (SEC). I risultati dello studio hanno evidenziato come i reattori membraneless possano avere un duplice utilizzo ottimale: design a “celle corte” che si prestano per la produzione di H2 ad altissima purezza, idoneo per l’alimentazione in celle a combustibile o design a “celle lunghe” per H2 ideale ad uso come riducente industriale, minimizzando drasticamente i consumi energetici di cella. Le evidenze mostrano come questa architettura possa risultare cruciale nel prossimo futuro nell’efficientamento del processo elettrolitico, rappresentando un passo concreto verso un mondo più sostenibile.

This thesis is set within the broader context of hydrogen research as a key energy carrier for the energy transition. Current commercial electrochemical technologies rely on membranes to separate the hydrogen (H2) and oxygen (O2) gases produced during electrolysis. Consequently, the development of membraneless reactors has emerged as a promising solution to simultaneously reduce both capital and operating expenditures. By eliminating the physical separator, these systems can significantly decrease ohmic resistance while also reducing the material costs associated with membrane fabrication. The study was conducted through computational modeling of a planar-design reactor using COMSOL Multiphysics®, selected for its straightforward scalability. The model coupled laminar two-phase fluid dynamics with the electrochemical phenomena associated with gas bubble generation. A Full Factorial DoE approach was employed to investigate the effects of design parameters, including cell length and inter-electrode gap through the cell elongation ratio (REL=10–100), as well as operating parameters such as electrolyte flow velocity, expressed by the Reynolds number (Re=10–2000), and current density (j=0.1–10.0 A/cm2). The reactor performance was evaluated using hydrogen purity and specific energy consumption (SEC) as the key performance indicators. The results demonstrate that membraneless reactors can be optimally configured for two distinct applications. Short-cell designs enable the production of ultra-high-purity hydrogen, making them suitable for fuel cell applications, whereas long-cell configurations produce hydrogen that is well suited for use as an industrial reducing agent while drastically minimizing the cell’s energy consumption. Overall, the findings indicate that this reactor architecture could play a crucial role in improving the efficiency of electrolysis processes in the near future, representing a tangible step toward a more sustainable global energy system.