EO_470

VIII Power POWER 16 - MAGGIO 2018 plessiva di reazione”, spiega. “In sostanza eravamo inte- ressati a studiare come i vari parametri, quali le condizio- ni di funzionamento, la geometria del campo di moto e i parametri strutturali del MEA, influenzino le prestazioni di tutta la cella a combustibile PEM”. Lele e il suo gruppo hanno modellato la convezione dei gas reagenti nel campo di moto insieme alle reazio- ni simultanee che si verificano sugli strati catalizzatori e alla conduzione di protoni attraverso la cella a com- bustibile PEM. Si sono affidati alle funzionalità del sof- tware COMSOL Multiphysics per modellare le reazioni chimiche e la spettroscopia di impedenza elettrochimica (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS). L’EIS viene utilizzata per descrivere i sistemi elettrochimici at- traverso la misurazione dell’impedenza e della risposta in frequenza. L’inserto offre una breve panoramica su come si modella la EIS nel software COMSOL. “Le carat- teristiche di COMSOL ci hanno permesso di considerare nello stesso tempo il bilancio di massa, quello di quantità di moto, di specie e di carica”, aggiunge. “Abbiamo ese- guito un’analisi di sensitività su diversi parametri – per esempio, parametri di progetto come la forma del cam- po di moto, parametri di funzionamento come contro- pressione e stechiometria, e parametri strutturali come il rapporto ionomero-carbonio – per determinare i loro effetti sulle prestazioni della cella a combustibile PEM”. Grazie al software, i ricercatori hanno potuto conoscere gli effetti di queste variabili sulla produzione complessiva di energia. La Figura 4 mostra l’effetto della stechiome- tria – il rapporto tra l’effettivo ingresso dei gas reagenti e la quantità richiesta per la produzione di una certa quan- tità di energia – per un campo di moto parallelo. Il gruppo di Lele ha studiato diversi tipi di campo di moto per determinare la forma e il layout più efficienti per i canali di flusso. “Il nostro scopo era l’analisi dei quattro tipi principali di campo di moto: parallelo, a serpentina, a pin e interdigitato”, continua. “Grazie a COMSOL, ab- biamo scoperto che il campo interdigitato presenta al- cuni vantaggi che potrebbero essere sfruttati per celle a combustibile PEM ad alta temperatura”. Il confronto tra le densità di corrente risultanti da diverse forme di flusso ha confermato che il flusso di tipo interdigitato era pre- Studio virtuale delle caratteristiche di un sistema con l’analisi EIS di Ed Fontes Il principio dell’EIS è molto semplice. Viene applicata una tensione elettrica media (V0) con una piccola perturbazione sinusoidale nel tempo. Di conseguenza, si ottiene una corrispondente corrente sinusoidale come effetto delle perturbazioni della tensione (ved. figura sotto) La risposta della corrente tende ad avere uno spostamento nel tempo ( t) rispetto alla tensione. Questo spostamento è causato dai processi che ritardano la risposta della corrente alla perturbazione sinusoidale sulla tensione. Per esempio, a basse frequenze, processi lenti come il trasporto di massa possono causare un tale spostamento, mentre processi rapidi sono in grado di “seguire” le perturbazioni sulla tensione. Ad alte frequenze, i processi lenti “vedono” la tensione media e non subiranno alcun effetto da parte delle perturbazioni. Al contrario, processi più veloci, come la cinetica delle reazioni, causeranno uno spostamento. Inoltre l’ampiezza della risposta ( I) può variare a seconda della frequenza. Variando le frequenze, questo metodo permette di distinguere processi con diverse costanti temporali. Lo spostamento nel tempo e l’ampiezza della risposta della corrente alle perturbazioni della tensione si riflettono sull’impedenza complessa: uno spostamento nel tempo può essere rappresentato nella parte immaginaria dell’impedenza e il valore assoluto dell’impedenza spiega la proporzionalità della risposta. Nel caso di una cella a combustibile, la risposta dell’impedenza permette di comprendere molti processi e proprietà della cella. Ad alte frequenze, processi su scala temporale ridotta come capacità, reazioni elettrochimiche e resistenze locali hanno un effetto sull’impedenza. D’altro canto, a basse frequenze, contribuiscono all’impedenza fenomeni come la diffusione nell’elettrolita poroso. Gli studi in frequenza possono essere effettuati su diverse polarizzazioni della cella per studiare i fenomeni con carichi differenti. La combinazione della modellazione EIS e della stima dei parametri attraverso dati sperimentali può quindi fornire descrizioni accurate del trasporto e delle proprietà delle reazioni nelle celle a combustibile a diverse condizioni operative. Una perturbazione nel potenziale elettrico della cella e il suo effetto sulla corrente