Applicazioni delle celle a combustibile nei settori terrestre, marino e aeronautico: un caso di studio su un sistema SOFC/GT

Abstract

L'obiettivo di questa tesi è sviluppare e verificare un modello numerico basato sulla fisica di un sistema ibrido costituito da una cella a combustibile a ossidi solidi (SOFC) e da una turbina a gas (GT) per la produzione di energia ad alta efficienza nel settore aeronautico durante il volo di crociera. Il modello integra il trattamento del combustibile, l'elettrochimica della SOFC, la combustione, gli scambiatori di calore, le turbomacchine e il generatore elettrico in un unico quadro termodinamico.

La formulazione si basa sulle equazioni di conservazione della massa, delle specie e dell'energia, integrate con le relazioni elettrochimiche della SOFC, i modelli delle turbomacchine, gli scambi termici e le correlazioni del rendimento del generatore, consentendo di descrivere il comportamento dell'intero sistema.

Il modello è stato verificato mediante tre configurazioni di riferimento con diversi livelli di complessità: una configurazione ibrida SOFC–GT consolidata in letteratura, una configurazione modificata con diversa integrazione termica e rappresentazione del combustibile e un caso operativo da 1 MW in condizioni di crociera rappresentativo delle applicazioni aeronautiche.

In tutti i casi, i risultati ottenuti mostrano un ottimo accordo con i dati di riferimento, con errori inferiori all'1%. In condizioni di crociera, il modello prevede un rendimento elettrico globale di circa il 70%, evidenziando il contributo del recupero del calore di scarto e dell'integrazione termodinamica tra SOFC e turbina a gas. Il modello sviluppato rappresenta una base affidabile per l'analisi e la futura ottimizzazione di sistemi ibridi SOFC–GT alimentati a idrogeno destinati alle applicazioni aeronautiche.

This thesis develops and verifies a physics-based numerical model of a hybrid Solid Oxide Fuel Cell–Gas Turbine (SOFC–GT) system for high-efficiency aerospace power generation under cruise operating conditions. The model integrates fuel processing, SOFC electrochemistry, combustion, heat exchangers, turbomachinery, and generator performance within a unified thermodynamic framework.

The model is based on mass, species, and energy conservation equations combined with SOFC electrochemical relations, turbomachinery performance equations, heat-transfer models, and generator efficiency correlations to predict the coupled behaviour of the integrated system.

Verification was carried out using three representative reference configurations with increasing levels of complexity. The first reproduced a well-established hybrid SOFC–GT architecture, the second assessed the methodology for a modified system configuration, and the third evaluated the model under a 1 MW cruise operating condition representative of aerospace applications.

For all verification cases, the predicted thermodynamic, electrochemical, and overall performance parameters agreed well with published reference data, with errors below 1%. Under cruise conditions, the model predicts an overall electrical efficiency of about 70%, showing that the high system performance is mainly achieved through efficient waste-heat recovery and thermodynamic integration between the SOFC and gas turbine. The proposed framework provides a reliable and physically consistent basis for the analysis and future optimization of hydrogen-fuelled hybrid SOFC–GT systems for aerospace applications.