Analisi del funzionamento di una direct methanol fuel cell (dmfc) soggetta all'effetto del fenomeno di cross-over

Le fuel cells alimentate con metanolo rappresentano un’interessante soluzione di conversione energetica per applicazioni che richiedano potenze elettriche contenute associate ad alta densità di energia ed alta efficienza. Questo è il caso tipico dei dispositivi portatili. Lo schema con alimentazione diretta a metanolo risulta il più diffuso data la semplificazione impiantistica e la maggiore compattezza che ne deriva. Il sistema di equazioni che descrivono il funzionamento della Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) è stato sviluppato in ambiente COMSOL®. Tale modello permette di analizzare le peculiarità di questa tecnologia. In particolare si studierà il crossover del combustibile non reagito dall’anodo al catodo. Questo fenomeno risulta essere il limite principale per raggiungere elevati valori di efficienza in questi sistemi energetici e può provocare fenomeni corrosivi nel comparto catodico. L’entità di tale fenomeno è dipendente dall’effetto di tre componenti: quella relativa alla resistenza elettro-osmotica, dovuta al trascinamento di molecole di metanolo da parte degli ioni H+ attraverso la membrana; quella relativa alla componente diffusiva, caratterizzata dal gradiente di concentrazione; quella relativa alla componente convettiva, dovuta al gradiente di pressione. Le specie chimiche presenti nelle semireazioni sono tre all’anodo (CH3OH, H2O e CO2) e tre al catodo (N2, O2 e H2O). Gli ioni sono considerati esistenti solo all’interno della membrana. Nell’equazione di Maxwell-Stefan sono stati inseriti tre opportuni coefficienti di diffusione binaria, per ciascun elettrodo, necessari alla costruzione di una matrice che governi tale fenomeno. La semireazione all’anodo è endotermica, mentre quella al catodo è esotermica e pertanto il flusso di calore dal catodo verso l’anodo risulta un aspetto chiave della gestione termica. Il flusso termico viene calcolato tenendo conto del differenziale di produzione di calore tra anodo e catodo allo scopo di mappare la temperatura (utile per l’individuazione di hot spot o elevati gradienti termici) ed analizzare configurazioni che potrebbero indurre malfunzionamenti del dispositivo.