Boosting microbial fuel cell performance by combining with an external supercapacitor

Microbial Fuel Cells (MFC) technology finds space as a promising technology as a green alternative power-generating device, by the possibility to convert organic matter directly into electricity by microbially catalysed reactions, especially for the potential of the simultaneous treatment of wastewaters. Despite the studies that were carried out over the decades, MFCs still provide insufficient power and current densities in order to be commercially attractive in the energy market. Scientific community today pursues two main strategies in order to increase the overall performance output of the MFC. The first is to support the cells with an external supercapacitor (SC), which is able to accept and deliver charge much faster than normal capacitors, thanks to the use of an electrostatic double-layer capacitance, in combination with pseudocapacitance. The second is to implement directly the SC into the MFC, by using carbon electrodes with high surface area, similar to the SC. Both strategies are eventually supported by the use of charge boosters, respect to the application of the MFC. Galvanostatic measures for the MFC and SCs are performed at different currents, alone and by integration of both devices. The SCs used have a capacitance respectively of 1F, 3F and 6F. Subsequently, a stack of MFCs is assembled and paired to a 3F SC, in order to power an ambient diffuser, able to spray at intervals with a can and a controller. In conclusion, the use of a SC in parallel to the MFCs increases the overall performance of the system. The SC remove the discharge current limit of the MFC and increases the energy and power delivered by the system, allowing it to power for a certain time the ambient diffuser successfully. The key factor highlighted by the final experiment was the insufficient charging time of the SC, resulting finally in a voltage that is inadequate to power the device. Further studies are therefore necessary to improve the performance of the MFCs.

Design e simulazione di un convertitore DC-DC per applicazioni automotive implementato mediante tecnologia GaN

L’obiettivo dell’elaborato è quello di presentare una soluzione di collegamento ed interfacciamento tra il supercondensatore (SC) dell’HESS (sistema ibrido di accumulo dell’energia situato all’interno di un veicolo elettrico) e il DC-link (bus che fornisce la potenza necessaria all’inverter che pilota il motore elettrico) attraverso un convertitore DC-DC ad alta efficienza che utilizzi tecnologie di potenza al nitruro di gallio (GaN). Il convertitore presentato è un convertitore DC-DC bidirezionale in configurazione Half-Bridge, esso dovrà funzionare in modalità Boost, ogni qualvolta il motore richieda energia extra dal SC, in modalità Buck per ricaricare il SC durante la frenata rigenerativa. In seguito ad un’introduzione ai veicoli elettrici, alla loro architettura e al perché il SC è così fondamentale, verrà presentata una breve introduzione ai convertitori di potenza (Capitolo 1). Si passerà poi alla presentazione delle tecnologie GaN mostrando come esse rappresentino il futuro dell’elettronica di potenza grazie ai loro numerosi vantaggi (Capitolo 2). Nel capitolo 3 si entrerà nel vivo della progettazione, è qui che sarà progettata ed implementata la soluzione proposta. Verrà effettuata una prima simulazione del circuito, tenendo conto degli effetti parassiti dei soli componenti, attraverso l’ausilio del software LTSpice. Il Capitolo 4 prevede una breve introduzione alle tecniche di layout, utili nella costruzione del circuito stampato presentata all’interno del medesimo capitolo. Il PCB sarà modellato mediante un secondo software denominato KiCAD. Infine, nel Capitolo 5, si procederà con la simulazione elettromagnetica del circuito stampato, essa permetterà di individuare gli effetti parassiti dovuti alle non idealità del layout e di mostrare l’effettiva differenza di efficienza tra un caso semi-ideale e un caso semi-reale.