Quadro generale e prospettive delle ricerche sulle FC presso il gruppo di ricerca Gecos del Politecnico di Milano

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1 Quadro generale e prospettive delle ricerche sulle FC presso il gruppo di ricerca Gecos del Politecnico di Milano Stefano Campanari Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Perugia 22/23 novembre 2012

2 Attività sulle FC al Politecnico di Milano 2 Concentrate sui Dipartimenti : Dip. di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica (attività rilevanti di sviluppo materiali per PEM e SOFC) Dip. di Energia Attività suddivise su vari gruppi di ricerca

3 Il Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano 3 The Department of Energy, born on January 1st, 2008, is a structure created by joining competencies and researchers belonging to four departments traditionally related to the energy sector : Department of Energy Engineering Department of Nuclear Engineering Chemistry, Materials and Chemical Engineering Giulio Natta Department Department of Electrical Engineering Energy Department Over 250 people (110 professors and associates +technical and administrative staff, research fellows and PhD students) 17 research groups into a single structure to provide interdisciplinary approach, innovative solutions for complex problems, supported by testing in experimental labs

4 Cinque sezioni del Dipartimento di Energia 4 1. Chemical Technologies and Processes and NanoTechnologies Division Catalysis and Catalytic Processes Micro and Nanostructured Materials 2. Electrical Division 3. Nuclear Engineering Division 4. Fluid Dynamic Machines, Propulsion & Energy Systems Division Fluid-dynamics of turbomachines My group & Group of Energy COnversion Systems (GECOS) this presentation Internal combustion engines Propulsion and combustion 5. Thermal Engineering & Environmental Technologies Division Several groups, one on fuel cells (ref. presentation of A. Casalegno)

5 Il gruppo Gecos (Group for Energy Conversion Systems) 5

6 Group for Energy Conversion Systems Our staff 6

7 Main research areas 7 Large scale energy conversion and Carbon Capture and Storage Analysis of "zero emissions fossil fuel power plants. Experimental assessment of thermophysical properties of CO2 based mixtures (LEAP laboratory). Small scale energy conversion, hydrogen and fuel cells Simulation of advanced energy systems; Micro-Cogeneration Laboratory (LMC) dedicated to the testing of small-scale power generation and fuel processing units. Biomass and waste to energy Analysis of systems for the conversion of biomass and waste into electricity, heat and fuels based on thermo-chemical processes: combustion, gasification and pyrolysis. Renewable energy Development of software tools for simulating the performance of CSP (Concentrated Solar Power) plants, based upon a variety of solar collectors, heat carrier fluids, power cycle (ORCs), plant configurations. Development and use of numerical simulation models for the analysis, simulation through in-house codes or commercial software.

8 Attività del gruppo GECOS sulle Fuel Cell 1/2 8 Attività di modellistica e simulazione di impianti di potenza comprendenti Fuel Cells: Applicazioni stazionarie, generazione distribuita e microcogenerazione Applicazioni stazionarie per generazione di potenza di grande scala e Carbon Capture and Sequestration (su tema CCS il gruppo partecipa attualmente a 4 progetti EU ed ha ruolo centrale nella piattaforma EBTF EU benchmark task force). Applicazioni mobili per trasporto / propulsione Attività di modellistica e simulazione di Fuel Cell: Sviluppo di modelli di simulazione per PEM, MCFC, SOFC per analisi stazionaria e previsione delle prestazioni in condizioni di funzionamento variabili Sviluppo di modelli di funzionamento dinamico per PEM, SOFC per analisi problematiche di transitorio

9 Attività del gruppo GECOS sulle Fuel Cell 2/2 9 Attività sperimentali: Test presso laboratorio del gruppo su unità di generazione a Fuel Cell complete R&D su sistemi di fuel processing innovativi per FC tipo PEM Per FC ad alta temperatura (MCFC, SOFC): rilievi sperimentali su singole celle e calibrazione di modelli di Fuel Cell, in collaborazione con laboratori esterni di centri ricerche e aziende (RSE, Edison) Attività storiche con diversi partner italiani tra cui in particolare Università di Genova e AFCo in progetti FISR (anni ) su diversi temi relativi a SOFC e MCFC, progetti PRIN con Univ. Bologna e Ferrara su applicazioni micro-chp basate su PEM.

10 Modellistica e simulazione di FC ed impianti a fuel cell 10 Attività relative a: - Simulazione di SOFC, MCFC e PEM con 0D e modelli a volumi finiti 1,2,3D per simulazioni stazionarie, 0D e 1D dinamici - Simulazione di cicli termodinamici innovativi per applicazioni di grande scala basati su celle ad alta temperatura (SOFC, MCFC) e cicli a gas vapore alimentati a gas naturale o a carbone - Applicazioni per CCS (sia SOFC che MCFC) - Simulazione di impianti ibridi SOFC-turbina a gas e MCFC-turbina a gas per generazione distribuita e micro-cogenerazione - Simulazione di impianti per micro-cogenerazione basati su PEM con fuel processing tradizionale (SR,ATR,CPO) e innovativo (MREF) - Simulazione di veicoli elettrici PEM e applicazioni PEM per la mobilità Prime pubblicazioni internazionali nel 1998 Oltre 30 lavori su riviste internazionali e 40 pubblicazioni a congressi internazionali

11 Laboratories related to FC research 11 The group has started a laboratory called Micro-cogen Lab (LMC), for testing small heat&power units (<300 kw thermal input, <100 kw electrical output) with variable gas fuel feeding (hydrogen, natural gas, syngas mixtures) and variable loads. This lab is located in the Milano Bovisa campus. It is operational since late Focus on testing & development of innovative and advanced microcogeneration systems, including Fuel Cell systems (new components and complete units) within R&D projects based on industry and public funding. Internal and external view of the lab building at Politecnico Bovisa site

12 Current activity : testing on a 30 kw prototype PEM system 12 Experimental analysis of a 30 kw PEMFC unit for CHP applications. The unit is equipped with a small reformer (with CO shift ractors and preferential oxidation) for the conversion of natural gas into hydrogen. The unit is named Sidera30 and is manufactured by ICI Caldaie, an industrial partner involved with Politecnico in a national funded project on advanced micro- CHP systems. The unit placed in the test room at beginning of tests

13 Development of a PEM CHP unit with membrane fuel processor (MREF) 13 VENT FLASH TANK A B STEAM BOILER FEED MREF HYDROGEN STEAM BOILER C RETENTATE AIR A N O D E B C PEM C A T H O D E FLASH TANK Microgen30 project: development of a 30 kw PEM FC system for CHP with natural gas feeding, innovative fuel processing( Industria15 national program) WATER NG WATER CONDENSED A C A-B-C: WATER LOOP FOR HEAT RECOVERY AIR -12 partners (leader ICI Caldaie, with Politecnico di Milano, ENEA, ITM-CNR + industrial partners) -total funding about 6 M, of which 1 M at POLIMI Two Ph.D thesis (1 finished, 1 starting) Campanari S., Manzolini G., Macchi E. Innovative membrane reformer for hydrogen production applied to PEM micro-cogeneration: simulation model and thermodynamic analysis, Int. J. of Hydrogen Energy, DOI: /j.ijhydene , Volume 33, Issue 4, pp , 2008.

14 Related FP7 project 14 Year Purchaser (country) EU FP7 contract Subject REFORCELL - Development of a micro-chp unit with membrane Reformer and PEM fuel cells (call SP1-JTI-FCH Component improvement for stationary power applications) Principal investigators S. Campanari, G. Manzolini PARTICIPANTS TECNALIA, Tu/e, CEA, POLIMI, SINTEF, ICI Caldaie, HyGear, SOPRANO, HYBRID, QUANTIS

15 Current CCS projects 15 Year Purchaser (country) EU FP7 contract EU FP7 contract EU FP7 contract EU FP7 contract Subject CAESAR - Carbon-free Electricity by SEWGS (Sorption Enhanced Water Gas Shift reactors for CCS applications): Advanced materials, Reactor and process design CACHET II - Carbon Capture and Hydrogen Production with Pd-based metallic membranes DEMOYS - Dense Membranes (using Thin Film Low Pressure Plasma Spraying. TF-LPPS) for Efficient Oxygen and Hydrogen Separation DEMOCLOCK Demonstration of a cost effec-tive medium size Chemical Looping Combustion through packed beds using solid hydrocarbons as fuel for power production with CO 2 capture Principal investigator E. Macchi E. Macchi P. Chiesa G. Lozza

16 Related membrane reactor test stand at LMC, PoliMI 16 Developed to test metallic membranes for hydrogen separation and application to fuel processing & CCS Characteristics: T max = 650 C P max = 10 bar a H 2 flow : 3 Nl/min - up to 5 Nl/min (boosted config. w/vacuum pump), corresponding to 300 W el up to 500 W el on a PEMFC S/C ratio cm2 membrane area g Ni-based catalyst L. Roses, G. Manzolini, S. Campanari CFD Simulation of Pd-based membrane reformer when thermally coupled on fuel cell based micro-chp system, Int. J. of Hydrogen Energy, oi: /j.ijhydene , Vol. 35, p , L. Roses, F. Gallucci, G. Manzolini, S. Campanari, M. Van Sint Annaland Comparison between membrane reactor configurations for PEM based micro-cogeneration systems, Chem.Eng. J., 2011.

17 Attività sperimentali su elettrolizzatori 17 Test di elettrolizzatori pressurizzati Prima attività su un impianto alcalino da 6 bar in corso di installazione presso LMC; avviamento definitivo previsto a inizio 2013 Recupero di idrogeno e ossigeno a 30 bar. Possibilità futura di prove su sistemi FC a H2 (o H2 O2) anche in continuo Serbatoio H2 (1 30 bar)

18 Prospettive delle attività presso PoliMI gruppo Gecos 18 Evoluzione delle attività di modellistica: Applicazioni HTFC con syngas / per applicazioni CCS Applicazioni PEM in regime non stazionario Validazione di simulazioni unità µchp con esiti prove sperimentali LMC Applicazioni con combustibili pesanti (es. DCFC) / in ambienti particolari (remote power supply) Energy storage ed Elettrolisi alcalina, PEM e SOEC Evoluzione delle attività sperimentali: Test di sistemi completi basati su SOFC Test di sistemi completi basati su PEM con fuel processing MREF Test di elettrolizzatori

19 19 Grazie dell attenzione! -

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