Sviluppo e validazione di modelli del trasporto d’acqua nelle celle a combustibile a metanolo diretto

During the last decades, fuel cells, and in particular direct methanol fuel cells (DMFC), have been extensively studied as promising technology for energy conversion. Despite recently achieved improvements, some crucial issues still have to be solved, among which control of methanol and water trasport. These aspects are today largely studied both through experimental and modeling activities, since they have significant influence on DMFCs performances. Aim of the present work is to deepen the comprehension of the mechanisms that rule water transport inside a DMFC through the development of mathematical models. Water transport in liquid and vapor phase across different fuel cell components has been investigated starting from data previously obtained at M.R.T Fuel Cell Laboratory of Politecnico di Milano. As first a 1D+1D model for the study of water transport across cathode gas diffusion layer (GDL) was developed. Such a model reproduces diffusive vapor transport across the GDL also under phase transition. The model allowed an extensive study of flooding onset and of its consequences, leading to a new interpretation of mechanisms that influence water transport in the GDL. Validation of the model was positively obtained through comparison with available experimental results, and confirms that the model accurately reproduces water transport phenomena. Subsequently, this model has been integrated in an pre-existing complete DMFC model to simulate water transport more precisely by considering new phenomena interpretation. Obtained model was also calibrated with three sets of available experimental data: performances, methanol crossover, cathode water flow. Positive outcome confirmed ability of the model in reproducing experimental data and validity of proposed phenomena interpretation.

Durante il corso degli ultimi decenni le celle a combustibile sono state molto studiate come tecnologia promettente e, in particolare, quelle a metanolo diretto (DMFC). Malgrado i notevoli progressi, rimangono aperte ancora alcune problematiche da risolvere, tra queste il controllo del trasporto di metanolo e di acqua. Tali aspetti sono ad oggi largamente studiati sia tramite attività sperimentali che modellistiche, perché hanno una significativa influenza sulle prestazioni delle DMFC. Il presente lavoro intende proprio ampliare la comprensione dei meccanismi che determinano i flussi d’acqua all’interno di una DMFC, tramite lo sviluppo di modelli matematici. Partendo dai risultati sia sperimentali che modellistici, ottenuti presso il Laboratorio M.R.T. Fuel Cell, si intende studiare i fenomeni che interessano il trasporto d’acqua sia in fase liquida che in fase vapore nei vari componenti della cella. Si è scelto di analizzare, prima di tutto, il componente più importante nel condizionare il trasporto d’acqua, il gas diffusion layer (GDL) catodico. E’ stato sviluppato un modello analitico 1D+1D, che riproduce il trasporto diffusivo di vapor acqueo attraverso il GDL, anche in condizioni di transizione di fase. Il modello ha permesso di studiare approfonditamente l’instaurarsi del fenomeno di flooding ed i suoi effetti, conducendo ad una nuova interpretazione dei meccanismi che regolano il trasporto d’acqua nei GDL. La validazione con risultati sperimentali ha dato esito positivo, confermando che il modello riproduce in modo accurato i principali fenomeni che determinano il trasporto d’acqua nel GDL. In seguito un modello di DMFC esistente è stato modificato ed integrato per simulare il trasporto di acqua nei diversi componenti, tenendo conto della nuova interpretazione proposta. Anche questo modello è stato sottoposto a calibrazione e validazione con tre tipologie di dati sperimentali: prestazioni, crossover di metanolo, flusso d’acqua al catodo. L’esito positivo ha confermato la validità del modello nel riprodurre i dati sperimentali, avvalorando le interpretazioni proposte.