Modellazione multiscala di celle a combustibile ad ossidi solidi: dalla microstruttura alle prestazioni

In this study an integrated modelling framework for the simulation of solid oxide fuel cells (SOFC) is presented. The modelling firstly covers the microstructural aspects of porous composite electrodes which constitute the cell, whose effective transport and reaction properties are predicted by means of percolation theory and/or numerical reconstruction of the microstructure as a function of composition, particle size distribution and sintering conditions. The effective properties are parameters of the models of transport and reaction within the cell, based on mass and charge conservation balances, which allow to obtain the field variables distribution and the energetic efficiency of the system. Coupling the microstructural modelling with the transport and reaction modelling enables the correlation of the two different scale levels, so that the integrated models are used as interpretative tool of experimental data as well as design tool for optimize the performance.

In questo studio si presenta un approccio modellistico integrato per la simulazione di celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC). La modellazione copre in primis gli aspetti microstrutturali degli elettrodi porosi compositi costituenti la cella, le cui proprietà effettive di trasporto e reazione sono predette con la teoria di percolazione e/o con la ricostruzione numerica della microstruttura in funzione di composizione, distribuzione granulometrica delle polveri e condizioni di sinterizzazione. Le proprietà effettive costituiscono i parametri dei modelli di trasporto e reazione all'interno della cella, basati su bilanci di massa e carica, che permettono di ottenere la distribuzione delle variabili di campo e l'efficienza energetica del sistema. L'accoppiamento della modellazione microstrutturale con quella di trasporto e reazione permette di correlare i due livelli di scala cosicché i modelli tra loro integrati sono utilizzati come strumento interpretativo dei dati sperimentali e come strumento per l'ottimizzazione di prestazione e design.