2D modeling of polarization and impedance spectra of solid oxide fuel cells

A distributed-charge transfer, dynamic, 2D isothermal model of a HT-SOFC is developed. The processes occurring in the fuel cell are described along the depth coordinate and the longitudinal coordinate. In addition, this work analyzes the effects of interconnections and gas feeding channels on the HT-SOFC performances. The model equations are linearized and converted into the frequency domain for the computation of impedance spectra with a reasonable time. The 2D model is able to produce the polarization curve and the evolution of the impedance spectra along the longitudinal coordinate. Experimental data are provided for different temperatures for an industrial-sized HT-SOFC and a good agreement between the model predictions and the experimental data is obtained by fitting the exchange current densities and the double layer capacitance of each electrode. Moreover, the model analyzes the effects that the channel geometry has on the steady-state and dynamic performances.

Nel lavoro di tesi è stato sviluppato un modello 2D isotermo a carica distribuita per celle HT-SOFC. Sono descritti i processi che avvengono nella cella lungo le coordinate di profondità e longitudinale. Inoltre, questo lavoro di tesi analizza gli effetti delle interconnesioni e del sistema di alimentazione del gas sulle prestazioni di una HT-SOFC. Le equazioni del modello sono state linearizzate e convertite nel dominio in frequenza al fine di calcolare gli spettri di impedenza in un tempo di calcolo ragionevole. Il modello è in grado di produrre curve di polarizzazione e l’evoluzione degli spettri di impedenza lungo la coordinata longitudinale della cella. Sono stati forniti dei dati sperimentali a diversa temperatura provenienti da celle HT-SOFC di dimensioni applicative e un buon accordo tra le previsioni del modello e dei dati sperimentali è stato ottenuto tramite il fitting delle correnti di scambio e delle capacità di doppio strato degli elettrodi. In aggiunta, il modello analizza gli effetti che la geometria dei canali ha sulle prestazioni stazionarie e dinamiche.