Simulazione numerica fisicochimica di una cella a combustibile a carbonati fusi: spunti per il miglioramento della progettazione del collettore di corrente

Abstract

Le celle a combustibile a carbonati fusi sono promettenti dispositivi elettrochimici ad alta temperatura per la produzione efficiente di energia e la cattura dell’anidride carbonica. Le loro prestazioni sono fortemente influenzate dalla distribuzione dei gas all’interno della cella, a sua volta condizionata dalla geometria del collettore di corrente. La presente tesi analizza l’effetto della configurazione del collettore di corrente sul comportamento fluidodinamico, sul trasporto di massa e sulle prestazioni elettrochimiche di una cella a combustibile a carbonati fusi. A tale scopo, è stato sviluppato in COMSOL Multiphysics un modello numerico tridimensionale per confrontare un collettore tradizionale ad archi con un’innovativa geometria scanalata, progettata per migliorare l’accessibilità dei gas agli elettrodi porosi. Il collettore tradizionale determina fenomeni locali di schermatura, un’alimentazione non uniforme dei gas e una redistribuzione interna del flusso nell’elettrodo poroso. Al contrario, la geometria scanalata garantisce una distribuzione più estesa delle aree di accesso dei gas, riduce le perdite idrauliche e favorisce un’alimentazione più uniforme dei reagenti verso la superficie reattiva. Nelle condizioni operative analizzate, la geometria proposta incrementa la densità di corrente media di circa il 5,4% e riduce la caduta di pressione di circa il 45%. Nel complesso, lo studio evidenzia l’importanza della geometria del collettore di corrente quale parametro progettuale fondamentale per migliorare l’uniformità dei fenomeni di trasporto, le prestazioni elettrochimiche e il comportamento idraulico delle celle a combustibile a carbonati fusi.

Molten carbonate fuel cells are promising high-temperature electrochemical devices for efficient power generation and carbon dioxide capture. Their performance is strongly affected by gas distribution inside the cell, which is influenced by the geometry of the current collector. This thesis investigates the effect of current collector design on the fluid-dynamic, mass-transport and electrochemical behaviour of a molten carbonate fuel cell. A three-dimensional numerical model was developed in COMSOL Multiphysics to compare a traditional arched collector with an innovative grooved geometry designed to improve gas accessibility to the porous electrodes. The traditional collector generates local shielding, non-uniform gas supply and internal flow redistribution inside the porous electrode. By contrast, the grooved design provides a more distributed gas-access area, reduces hydraulic losses and promotes a more uniform reactant supply towards the reactive surface. Under the analysed operating conditions, the proposed geometry increases the average current density by approximately 5.4$ and reduces the pressure drop by about 45%. Overall, the study highlights the importance of current collector geometry as a key design parameter for improving transport uniformity, electrochemical performance and hydraulic behaviour in molten carbonate fuel cells.