Obiettivo 1: Produzione di idrogeno verde e pulito
REFERENTE/I
Filippo Donato – ENEA
filippo.donato@enea.it
Attività
L’elettrolisi in ambiente alcalino è un processo elettrochimico che permette di separare la molecola d’acqua con la produzione di molecole di idrogeno e ossigeno.
Focalizzando l’attenzione sulla cella elettrolitica, in essa scorre un elettrolita tipicamente costituito da soluzioni ad alta concentrazione di NaOH o KOH. L’ambiente catodico è tenuto separato da quello anodico da un separatore poroso, che ha la funzione di non far miscelare i gas prodotti(figura 1).
Storicamente gli elettrodi erano posti a distanza dal separatore. La configurazione zero-gap(figura 2), tramite elettrodi porosi, prevede invece che questi siano posti a diretto contatto con il separatore, riducendo così le perdite ohmiche.
L’obiettivo dell’attività è sviluppare e validare modelli numerici da utilizzare per la progettazione di una cella sperimentale ad alte prestazioni.
Figura 1 Cella convenzionale (Finite Gap)
cella convenzionale (Finite Gap)
Figura 2 Cella avanzata (zero Gap)
cella avanzata (zero Gap)
Risultati
- Dall’analisi della letteratura scientifica sono stati identificati casi studio
- E’ stato sviluppato un modello 0D per la predizione delle curve di polarizzazione di celle in configurazione Finite Gap o Zero Gap.
- Il modello 0D sviluppato è stato prima validato con dati sperimentali per configurazione standard (elettrodi piani distanziati dal separatore)
- E’ stato poi applicato ad un caso di letteratura con elettrodi di Nickel Foam in configurazione gap zero (Figura 3)
- Sono state riscontrate incertezze sui dati cinetici e sulla modellazione della copertura delle bolle sull’elettrodo ad alte densità di corrente
Figura 3
Il modello 0D applicato ad un caso di letteratura con elettrodi di Nickel Foam in configurazione gap zero
●Un volta validato il modello 0D si è passati all’utilizzo di strumenti più sofisticati quali la simulazione multifisica tridimensionale
●Si è scelto di applicare un codice commerciale (Comsol Multiphysics) ad un caso di letteratura Hess et al., Numerical Two-Phase Simulations of Alkaline Water Electrolyzers, ECS Transactions September 2023 DOI: 10.1149/11204.0419ecst
●Anche in questo caso alcuni dati della geometria degli elettrodi sono risultati mancanti. Si è pertanto deciso di lavorare con un dominio numerico semplificato, con un solo canale per lato, semplicemente al fine di validare l’approccio
●La curva di polarizzazione è stata ottenuta senza operare tarature sui coefficienti dell’equazione di Butler-Volmer e risulta in ragionevole accordo con i dati sperimentali
●Come ultima validazione prima di passare alla progettazione si è scelto di riprodurre i dati sperimentali di una campagna recentemente condotta in più centri di ricerca Appelhaus et al. Benchmarking Performance: A Round-Robin Testing for Liquid Alkaline Electrolysis International Journal of Hydrogen Energy, 85, 2004, 1004
●E’ stata acquisita la geometria, riadattata per la simulazione, prodotte le griglie di calcolo ed effettuate le simulazioni
Griglia di calcolo su geometria riadattata da ENEA rispetto a quella resa disponibile da Forschungszentrum Jülich GmbH, Institute of Energy and Climate Research, IET-4: Institute of Energy Technologies, 52425, Juelich, Germany (Piatto anodico reso non visibile)
Team di ricerca
Filippo Donato (ENEA)
Antonio Agresta (ENEA)
