Indagine dell'impedenza catodica di DMFC tramite lo sviluppo di modelli fisici

Direct methanol fuel cells (DMFC) are fed with a liquid mixture of methanol and water, which reacts electrochemically with air. Fuel cells are an emerging technology and the heart of an intense research activity: in fact they could achieve good fuel to energy conversion. DMFCs are compact and with an high power density, tough they have quite more weaknesses than hydrogen-fed fuel cells (PEMFC), among which lower efficiency, methanol crossover and performance degradation. One of the largest problems in DMFC technology is cathode degradation. The models developed in this works simulate the cathode behavior by reproducing the overall polarization curve and the cathode electrochemical spectroscopy (EIS). These experiments are essential to evaluate performances and fuel cell degradation. Two models with flooded agglomerate model (FAM) are investigated: the above mentioned FAM models differ in the description of methanol oxidation. In the first model methanol oxidizes at the interface between membrane and electrode, while in the second the spatial distribution of methanol oxidation is taken into account. Agglomerates influence analysis is achieved and then the best fitting model is evaluated. The feeding mixture molarity is changed during the experiments and the data obtained are then used to calibrate the models. Both models fit well the polarization curve, but only the one with methanol oxidation at the interface between membrane and electrode, reproduces EIS curves with good accuracy. Sensitivity analysis reports that major losses at the end of the channel, are due to gas diffusion layers and to methanol crossover. In the end Matlab(R) code optimization and improvement are shown. The whole code has been parallelized, in order to take advantage of the multi-core architecture of modern personal computers: time consumption is reduced.

Le celle a metanolo diretto (DMFC) sono celle a combustibile alimentate con una miscela liquida di acqua e metanolo,fatta reagire elettrochimicamente con aria prelevata dall'ambiente. A causa degli elevati rendimenti che teoricamente possono raggiungere, le celle a combustibile sono al centro di un'intensa attività di ricerca. Le DMFC sono un dispositivo compatto, con una buona densità di potenza, ma presentano notevoli svantaggi rispetto alla celle a combustibile con membrana polimerica, alimentate a idrogeno. Fra questi si sottolineano il rendimento più basso, il crossover di metanolo e il degrado delle prestazioni, in particolare al catodo. I modelli presentati in questo lavoro riproducono il comportamento del catodo di una DMFC, simulando la prova di polarizzazione (overall) e la spettroscopia d'impedenza elettrochimica (EIS) catodica. Queste prove sono fondamentali per l'analisi delle prestazioni e del degrado di una cella a combustibile. Vengono proposti due modelli con elettrodo ad agglomerati (FAM): nel primo il metanolo di crossover si ossida fra membrana ed elettrodo, mentre nel secondo l'ossidazione avviene all'interno dell'elettrodo. Oltre ad analizzare l'influenza data dalla presenza degli agglomerati, si valuta quale sia il modello che riproduce meglio i dati sperimentali. Le prove sperimentali utilizzate per valutare i risultati sono state realizzate variando la molarità della miscela di acqua e metanolo alimentata. Dopo aver effettuato la procedura di fitting, tutti i modelli proposti riproducono bene le curve di polarizzazione, ma solo il modello in cui tutto il metanolo di crossover si ossida fra membrana ed elettrodo, simula bene le EIS. L'analisi di sensitività effettuata su questo modello indica che, verso la fine del canale, grandi perdite sono causate dagli strati diffusivi, anteposti all'elettrodo, e dal crossover di metanolo. Infine vengono presentati i principali aspetti numerici e le migliorie apportate al codice in Matlab(R). Il codice è stato "parallelizzato" per sfruttare l'architettura multi-core dei moderni personal computer: il tempo di calcolo si è più che dimezzato.