Studio sperimentale e modellistico di una DMFC in circuito aperto

The research active on Direct Methanol Fuel Cells (DMFC), is currently based on the studying of degradation, which takes place in the cells. An useful instrument in this way, it’s represented by AST (Accelerated Stress Test), in which there are some periods of open circuit functioning (OCV, Open Circuit Voltage). From here starts the interest to understand and to well characterize this particular functioning condition. The present work is born with the aim of giving an important contribute to OCV studying; then it is done an experimental session, which leads to analyze, in detail, the influence of different control parameters, on the voltage and on the potential’s losses of the DMFC working in open circuit. The same data collected, have been used to accurately validate a model developed to describe the cathodic electrode of DMFC, that will be useful to further experimental analysis. In fact, at open circuit, the different physic phenomena, which belong to the normal functioning of DMFC, either are not present or they happen in a very limited way; thereby interactions, hard to be understood, or mistakes promoting, are avoided, so it is possible to estimate the physical parameters of interest, in a more accurate manner. At OCV the only relevant loss is attributable to electrochemical reactions, which take place at the cathode, because of the unwanted flux of reactants coming from anode, which cause the so-called mixed potential to establish. Fitting the model on the experimental dataset, it has been precisely found the value of the parameters describing the cathodic reactions’ kinetics, that is the exchange current density of methanol oxidation reaction (MOR) and the one of oxygen reduction reaction (ORR). These results are valid also for the normal close circuit functioning, because the reactions are the same.

La ricerca attiva sulle celle a combustibile a metanolo diretto (DMFC), è attualmente incentrata sullo studio della degradazione in cui incorrono. Uno strumento utile in tal senso è costituito dai test di degradazione accelerata (AST) che prevedono, fra gli altri, periodi di funzionamento in circuito aperto (OCV); da qui sorge l’interesse nel comprendere e caratterizzare al meglio tale particolare condizione operativa della cella a combustibile. Il presente lavoro di tesi nasce con l’obiettivo di dare un importante contributo allo studio dell’OCV; pertanto si è svolta una campagna sperimentale che ha permesso di analizzare in dettaglio l’influenza, dei vari parametri di controllo, sulla tensione e sulle perdite di potenziale della DMFC operante in circuito aperto, caratterizzandone il funzionamento. Gli stessi dati sono serviti per validare accuratamente un modello sviluppato per descrivere l’elettrodo catodico delle celle a combustibile a metanolo, utile alle future analisi sperimentali. Infatti, in circuito aperto non si manifestano, oppure avvengono in modo limitato, diversi fenomeni fisici che contraddistinguono il funzionamento normale delle DMFC; di conseguenza si evitano interazioni che possono essere difficili da interpretare e fonti di errori, così si è in grado di risalire in maniera più precisa alla stima di alcuni parametri fisici di interesse. In OCV l’unica perdita rilevante è attribuibile alle reazioni elettrochimiche che avvengono al catodo, a causa del flusso indesiderato di parte dei reagenti provenienti dall’anodo, le quali determinano l’instaurarsi di quello che viene chiamato mixed potential. Attraverso la procedura di fitting del modello sui dati sperimentali si è determinato in modo preciso il valore dei parametri descriventi la cinetica delle reazioni catodiche, ossia le densità di corrente di scambio della reazione di ossidazione del metanolo (MOR) e di riduzione dell’ossigeno (ORR) per via elettrochimica. Tali risultati sono estendibili anche al funzionamento in circuito chiuso, poiché le reazioni che avvengono sono le stesse.