Una svolta per lo sviluppo delle fuel cell: la simulazione multifisica

-PUBBLIREDAZIONALE-

Una delle possibilità per ridurre le emissioni di gas serra e contrastare i cambiamenti climatici consiste nella sostituzione dei veicoli a motore a combustione interna con veicoli elettrici alimentati da batterie o celle a combustibile. Se i veicoli elettrici utilizzano energia proveniente da fonti rinnovabili, le emissioni di gas serra saranno estremamente ridotte.

I veicoli elettrici con celle a combustibile offrono alcuni vantaggi rispetto a quelli con batterie, come una maggiore densità energetica, una maggiore efficienza quando l’energia utilizzata per la ricarica proviene dall’idrogeno e la possibilità di essere riforniti senza una richiesta di grande potenza dalla rete elettrica. Tuttavia, rispetto ai veicoli alimentati da batterie, le celle a combustibile presentano anche alcune limitazioni. Superare questi limiti è la sfida da affrontare nella progettazione di nuove fuel cell.

Ridurre i costi di produzione

In primo luogo, il costo elevato del platino, che costituisce il catalizzatore dello strato attivo, comporta costi di produzione piuttosto elevati. L’unico modo per poter ridurre tali costi è sviluppare strati attivi che richiedano una quantità minima di catalizzatore senza compromettere le prestazioni.

Prolungare la vita di servizio

La vita utile è limitata da meccanismi di degradazione diversi, come la riduzione del protone, la dissoluzione del platino, la corrosione del carbonio, la formazione di radicali che attaccano l’elettrolita poroso nello strato attivo, l’adsorbimento di impurità sui siti di catalizzatore e l’accumulo di impurità nell’elettrolita poroso.

Aumentare la densità di potenza

La limitazione della densità di potenza è causata dall’attività catalitica limitata dell’elettrodo di ossigeno. Aumentare tale attività è possibile utilizzando un carico di catalizzatore più elevato, ma naturalmente questo comporta costi elevati e, in ultima analisi, anche una vita di servizio più breve.

Progettare lo strato attivo con la simulazione

Come si vede, tutte le limitazioni delle celle a combustibile dipendono dalla progettazione microscopica dello strato attivo negli elettrodi che riducono l’ossigeno e diffondono il gas. Per ottimizzare la progettazione dello strato attivo, che è la chiave per migliorare le prestazioni, è necessario comprendere e analizzare i fenomeni di trasporto, la cinetica dell’elettrodo, la termodinamica, la chimica dell’elettrolita e l’attività catalitica della superficie, coinvolti nelle reazioni di trasferimento di questo strato. La simulazione multifisica offre un approccio efficace e completo per progettare gli strati attivi delle celle a combustibile, includendo nell’analisi tutti i fenomeni fisici rilevanti. Per approfondire le potenzialità e i vantaggi della simulazione nella progettazione di fuel cell, scarica il white paper COMSOL “Sviluppare celle a combustibile con la simulazione”:

https://www.comsol.com/c/e9k3