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Archivio digitale delle tesi discusse presso l'Università di Pisa

 

Tesi etd-04212015-111511


Tipo di tesi
Tesi di laurea magistrale
Autore
ARCOLINI, GIACOMO
URN
etd-04212015-111511
Titolo
Sviluppo e validazione sperimentale di modelli matematici volti alla simulazione di impedenza di celle a combustibile ad ossidi solidi
Struttura
INGEGNERIA CIVILE E INDUSTRIALE
Corso di studi
INGEGNERIA CHIMICA
Commissione
relatore Prof. Nicolella, Cristiano
relatore Dott. Bertei, Antonio
controrelatore Prof. Mauri, Roberto
Parole chiave
  • SOFC
  • LSCF
  • GDC
  • YSZ
  • modello numerico
  • microstruttura
  • impedance spectra
Data inizio appello
12/05/2015;
Consultabilità
parziale
Data di rilascio
12/05/2018
Riassunto analitico
Il presente lavoro di tesi riporta un modello matematico volto alla descrizione microscopica dei fenomeni fisici ed elettrochimici che determinano il comportamento in frequenza di una cella a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) del tipo LSCF/GDC-YSZ/Ni.
L’approccio è stato innanzitutto metodologico, ricorrendo oltre che alle equazioni di conservazione (massa, carica e quantità di moto) alle opportune equazioni costitutive (Dusty Gas Model per i flussi gassosi, legge di Ohm) e alle cinetiche del tipo Butler-Volmer. Il modello è stato quindi settato mediante due tipi di dati: i) immagini fornite dal microscopio elettronico a scansione (SEM), utilizzate per la ricostruzione microstrutturale della cella, ii) dati di impedenza di una cella operante sotto molteplici condizioni, quali pressioni parziali di combustibile ed ossigeno, temperatura e densità di corrente.
Così facendo è stato possibile individuare 7 processi distinti, ognuno dei quali produce una resistenza e si manifesta in un proprio intervallo di frequenze caratteristico. Ciò consente un’interpretazione meccanicistica dei diagrammi di impedenza sperimentali. In particolare si possono individuare due archi principali, il primo a bassa frequenza (LF, ca. 4 Hz), il secondo ad alta frequenza (HF, > 1000 Hz), raccordati dal profilo delle medie frequenze (MF).
Sulla base delle esperienze sperimentali pregresse e della dissertazione presente è stato quindi possibile attribuire con un ragionevole grado di confidenza il posizionamento spettrale dei vari processi coinvolti, in particolare: i) alle HF si manifestano i fenomeni di trasferimento di carica tra catodo e anodo ed il corrispettivo elettrolita; ii) alle MF si presentano la reazione catodica e la diffusione gassosa all’interno dell’anodo; iii) alle LF si riconosce l’effetto del consumo di combustibile lungo il canale anodico; iv) infine alle bassissime frequenze (LLF) è stata registrata sperimentalmente la presenza di un processo catodico, non modellato, probabilmente imputabile alla cinetica di adsorbimento dell’ossigeno sulla superficie dell’LSCF.
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