Obiettivo 3: Celle a Combustibile
REFERENTE/I
Filippo Donato – ENEA
filippo.donato@enea.it
Attività
● La presente linea di attività è finalizzata alla gestione e validazione dell’ingegneria di stack di celle a combustibile a membrana polimerica HTPEM mediante studi di modellistica.
● I principali obiettivi nell’arco del progetto sono: lo sviluppo di modelli numerici, tramite codici di calcolo commerciali, che siano di supporto alla progettazione di piatti e stack completi; la loro applicazione alla progettazione di uno stack prototipale; la realizzazione e caratterizzazione sperimentale dello stesso
Figura 1
a. Progettazione flowfield catodo; b. Densità di corrente all’interfaccia tra membrane e catalyst layer (risultati simulazione alle condizioni di design); c. Testing delle tenute della cella
Risultati
Nell’arco del progetto il team di ricerca si è focalizzato sulla tecnologia delle HTPEM ed ha ottenuto i seguenti risultati:
• Validazione del codice commerciale ANSYS Fluent per l’applicazione a questo tipo di tecnologia su dati di letteratura
• Progettazione di una geometria di stack da 45 cm2 di area attiva per cella, raffreddata ad olio, basata su piatti in composito di grafite, completa di canali di raffreddamento e guarnizioni apposite in FKM
• Allestimento banco di prova presso partner universitario e test sperimentali preliminari delle MEA commerciali alla base del design, su geometria commerciale
• Analisi numeriche su possibili variazioni del Flowfield .
• Acquisizione degli elementi dello stack
• Test preliminari di tenuta dell’olio di raffreddamento
• Simulazione multifisica dello stack progettato e realizzato
Figura 2
a. Validazione modello di calcolo usato per la progettazione. b. Test sperimentale delle MEA commerciali su geometria di riferimento. c. Variazione di geometria con canali ondulati. d. Accoppiamento endplate/collettore di corrente dopo test tenuta olio. e. Inserti tenuta olio prima e dopo utilizzo.
f. Campo di temperatura ottenuto dalla simulazione dello stack
Figura 3
Mancato contenimento dell’olio di raffreddamento da parte dell’o-ring a causa della inattesa perdita di spessore (sotto investigazione)
Figura 4
a. Curve di polarizzazione per le quattro geometrie catodiche considerate in fase di progetto. b. Confronto della concentrazione di ossigeno ottenuta al catodo per un flowfield a serpentina ed uno a passaggio singolo con canali sinusoidali
Team di ricerca
ENEA
F. Donato (Supervisione linea d’attività, supervisione progettazione e simulazioni, acquisizione componenti, progettazione guarnizioni, realizzazione mock-up piatti grafite per test tenute, esecuzione test tenute)
A. Scotini (realizzazione mock-up piatti grafite per test tenute)
Università di Roma Tor Vergata
M. Kheir Rouz (Simulazioni numeriche, progettazione componenti, design e realizzazione stazione di prova per HTPEM, esecuzione test su singola cella)
V. K. Krastev (Supervisione attività di simulazione numerica e progettazione)
M. Baldelli, L. Bartolucci (Supporto attività sperimentale ed analisi formale)
V. Mulone, S. Cordiner (Supervisione)
Università Sapienza di Roma
E. D’Alessio, M.M.M. Abdelkader (Simulazione numerica, studio geometrie flowfield alternative, assessment parametri, miglioramento modello)
G. Agati (Supporto attività simulazione numerica)
D. Borello (Supervisione)
In collaborazione con
Documenti
V. K. Krastev, M. Baldelli, L. Bartolucci, F. Donato, M. Kheir Rouz, and V. Mulone, “Optimal cathode design of a single high temperature PEM fuel cell: A computational study,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 142, pp. 80–89, Jun. 2025, doi: 10.1016/j.ijhydene.2025.05.346
E. D’Alessio, M. M. Abdelkader, F. Donato, G. Agati, G. Monteleone, D. Borello, “CFD analysis of sinusoidal flow fields for High Temperature PEM Fuel Cells: Balancing electrochemical performance and mechanical safety”, International Journal of Hydrogen Energy 224 (2026) 154473, March 2026, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2026.154473
