Matera Fabio - Phd.dees.unict.it - Università degli Studi di Catania

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Università degli Studi di CataniaDIEESCorso di Dottorato di RicercaXXIII CicloConsiglio Nazionale delle RicercheITAEDesign di uno stack DMFC mopolare operante inmodalità passivaDesign del prototipo finaleFabio V. MateraCoordinator: Prof. L. FortunaTutor: Prof. A. FicheraXIX Brainstorming DayST-Microeletronics - Catania, 23 ottobre 2009


Scopo del lavoro• Sviluppo di un sistema DMFC perapplicazioni portatili• Laptop, telefonia cell., apparati telecom mobili• Incremento dell’autonomia e del tempo dioperatività• Notevoli potenzialità nel mercatoconsumer – grandi competitorinternazionali• Il metanolo è un “biofuel”• Opportunità di spin-off e joint-venturescon l’industrial


Sistemi monopolari (planar)STACK• le celle sono connesse tra loro tramite piatti bipolariintermedi (bipolar plates)• La corrente viene raccolta sui piatti terminali• Vantaggi: connessioni interne semplici• Svantaggi: distribuzione dei reagenti complessa, tenutacritica, assemblaggio delicatoPLANARE O MONOPOLARE• Gli elementi con la stessa polarità stanno tutti sullostesso piano• Le interconnessioni sono realizzate all’esterno• Vantaggi: distribuzione dei reagenti semplificata,• Sealing e assemblaggio semplificato e meno critico• Svantaggi: interconnessioni elettriche esternecritiche, limiti alla corrente generata


Sistemi passiviFuel PumpHeaterCoolerAir systemPowerconverterControllerOn-boarddiagnosticsDMFCNei sistemi passivi non si hanno ausiliari, trannel’unità di conversione della potenza. Il fuel èalimentato per gravità. L’ossidante è alimentatoper diffusione (air-breathing)VANTAGGI:• Non esiste termostatazione• Non ci sono carichi parassiti• Costo inferiore e affidabilità superiore• Minore complessitàSVANTAGGI:• Le prestazioni sono limitate• Serve più catalizzatore


Schema del dispositivo “A”Pista di trasporto correntePCBFori di serraggioCollettore deicontattiZona di contatto elettrodo – PCB(collettore di corrente)


Dispositivo “A” assemblatoSerbatoioBasetta (PCB)Collettore dei contattiContatti interni


Test e risultatiProblemi di capillarità della CO2Sez. trasv. ANODOCO2 liberata dall’elettrodoFuel contenutonel serbatoioFuel assorbito percapillaritàElettrodo privo di fuelGriglia di supportoCO2 intrappolata nelcanale per capillaritàLa CO2 prodotta nella reazione rimane intrappolata nella griglia di contatto del MEA, bloccandol’accesso al fuel. Conseguenza: le prestazioni diminuiscono rapidamente


Design “B”• Eliminazione delle griglie dicontatto• Facilità di rimozione della CO2prodotta all’anodoanodo• Maggiore libertà allo swelling• Minori stress meccanici sul MEA• Incremento trascurabile dellaresistenza elettricaB• Serbatoio sigillato• Minori perdite per evaporazione• CO2 vent• Ripristino del fuelA


• Serbatoio sigillato (riduzione perditeper evaporazione)• Catodo aperto (migliore resa,riduzione effetti del cross-over)• Anodo aperto (rimozione CO2)Collettore perifericoDesign “B”Catodo apertoInlet serbatoioAnodo apertoSerbatoio sigillato


Test e risultati sperimentali - 1Il tipo “A” mostra un migliore OCV acausa dell’effetto limitante della griglia dicontatto sul cross-overLa resistenza elettrica tra “A” e “B” èparagonabile – probabilmente la superficiedi contatto tra elettrodo e collettore eraridotta a causa dello swellingIl tipo “B” ha minori problemi didiffusione di massaIl tipo “B” raggiunge una potenzaleggermente superiore, grazie ai minoriproblemi di diffusione di massa


Test e risultati sperimentali - 2Autonomia >3XCross-over


Sviluppo del prototipo finale• Obiettivo: sistema di alimentazione a lunga autonomia persistemi portatili• Densità di energia superiore alle batterie a Litio solo sopra una certa taglia• Bassa capacità di fornire rapidi picchi di potenza• Sistema capace di riassumere i vantaggi del design A (stabilità diforma) e B (capacità di trasporto del fuel e della CO2)• Sistema integrato capace di alimentare un dispositivo portatileestendendone significativamente l’autonomial• Nelle FC l’energia lè contenuta nel combustibile, non nel sistema.• La ricarica del combustibile è immediata e non richiede il distaccodell’utenza


Caratteristiche di base• Caratteristiche del carico• Tensione nominale: 4,8 V (DC)• Corrente nominale: 1 A• Potenza nominale: 4,8 W• Regolatori di tensione e di carica integrati sul PCB o sulla motherboard (MB)• Eventuale aggiunta di un buffer di potenza se il sistema deve essere sere connessodirettamente al carico• Caratteristiche salienti della fuel cell:• Fuel: MeOH 5-10M• Cat. 4 mg/cm2 Pt,• I = 250 - 350 mA/cm2 @ 0,1 V/cella (nominale) - 0,7 V/cella (OCV)• Configurazione del sistema:• 48 celle da 4 cm2 disposte su 4 stack in array da 12 celle


Schema di base del sistema• Array da 12 celle• 2 array contrapposti• 1 fuel reservoir• 1 regolatore di tensione)• 2 coppie di arraycontrapposti• Serbatoio esterno aglistack• Un unico PCB diinnesto (tipomotherboard)• Sistema modulareFuel tankelectrode2 x 12 cell array stack48 cells motherboard


Anodo• Collettore di tipo “A” modificato (design “C”)• Canali di diverso diametro favoriscono selettivamente la fase gassosa o liquida• Un canale periferico evita l’effetto l“ventosa” che provocava il ristagno dellaCO2 sul design di tipo “A”• Il collettore a mesh evita lo swelling (quindi le perdite di fuel dalle tenutelaterali) e mantiene un buon contatto con l’elettrodol• Gasket: Teflon espanso 1mm• Catalizzatore: JM Pt-Ru 1:1 4mg/cm2• Membrana: Nafion 117• Fuel: MeOH 5-10MSemi-sezione trasversale


Campo di funzionamento• Range di variazione dellatensione: 33,6-4,8 V(eq.. a 0,7–0,1 0,1 V/cella)• Corrente: da 0 a 1 A• Regolatore di tensioneper avere un’uscitauscitacostante• La corrente è un indicedi degrado del sistema(si può implementare unsistema di diagnosticaon-boardboard)


Conclusioni• Il design “C” ha permesso di eliminare i problemi di flusso del design A eriduce i problemi di swelling del tipo B• Il diverso disegno del serbatoio conferisce una maggiore rigidezza za allo stack,migliorando il contatto elettrico e la tenuta laterale• Il vero fattore limitante è ancora la permeabilità della membrana al metanolo(cross-over). over). Le soluzioni proposte in letteratura non sono presenti a livello dimercato. Sono state testate diverse membrane - anche a livello sperimentale –senza miglioramenti apprezzabili rispetto al Nafion 117• Il prototipo è in fase finale di design prima della sua produzione• Passi successivi:• realizzazione e test del sistema assemblato• design dell’interfaccia con il carico.


Pubblicazioni• F.V. Matera, V. Baglio, A. Stassi, , A. Di Blasi, V. Antonucci, , A.S. Aricò, oral presentation atthe WHEC - World Hydrogen Energy Congress 2008, Brisbane (Australia)• V. Baglio, A. Stassi, F.V. Matera, A. Di Blasi, V. Antonucci, , A.S. Arico`, Journal of PowerSources 180 (2008) 797–802• F. V. Matera, A. Fichera and V. Antonucci, “Un approccio innovativo per la produzione diidrogeno da elettrolisi mediante sfruttamento delle fonti rinnovabiliabili”, oral presentation at the63° Congresso Nazionale ATI “Energia per lo Sviluppo Sostenibile”, , Palermo 23-2626Settembre 2008.• F.V. Matera, C. Basso, Renewable Energy in Sicily”, , A. Fichera, oral presentation at the“Hydrogenin Islands” congress, Croatia – October 22-25, 25, 2008• A. Di Blasi, V. Baglio, A. Stassi, , F. Matera, V. Antonucci, , A. S. Aricò, , GHT35b-2Investigation of Electrochemical Properties of a Passive DMFC Mini Stack 2008 Fuel CellSeminar & Exposition, , Phoenix – Arizona (USA). October 27-30, 2008• V. Baglio, A. Stassi, F.V. Matera, V. Antonucci, , A.S. Aricò, Electrochimica Acta, , Volume 54,Issue 7, 28 February 2009, 2004-20092009• Fabio V. Matera, C. Sapienza, , L. Andaloro, , G. Dispensa, , M. Ferraro, V. Antonucci “Anintegrated approach to hydrogen economy in Sicilian islands”, , International Journal ofHydrogen Energy, Volume 34, Issue 16, August 2009, Pages 7009-70147014• Tesi di Laurea AA 2007-20082008: : Ivan L. Ragona, , A. Fichera, , G. Squadrito, F.V. Matera, O.Barbera, “Analisi FEM per la valutazione delle prestazioni energetiche di celle a combustibile”,UniCT.

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