Sviluppo e validazione sperimentale di modelli matematici volti alla simulazione di impedenza di celle a combustibile ad ossidi solidi

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