Zaccaria Del Prete - Pierluigi Schiavetti - Luigi Capobianco

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1 Corsi di Misure Meccaniche e Termiche (MMER) Misure Termomeccaniche per Sistemi Energetici (MENR) lezione di laboratorio Analisi sperimentale di un sistema di trazione a celle a combustibile in regime non stazionario Zaccaria Del Prete - Pierluigi Schiavetti - Luigi Capobianco Presentato al VI Congresso nazionale di Misure Meccaniche e Termiche, Desenzano del Garda, Settembre 25 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI ROMA SAPIENZA Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale

2 Scopo della ricerca (progetto FIRB 21 cod. RBAU1K4HJ) Realizzazione di un banco per la misura delle prestazioni di un motore basato su celle a combustibile, con produzione di H 2 a bordo mediante reattore catalitico a membrana metallica Finalità immediate Caratterizzazione statica e dinamica di una cella a combustibile auto-respirante ed auto-umidificante Monitoraggio dei parametri di funzionamento Analisi delle prestazioni in condizioni di carico variabile

3 Celle a combustibile Sistemi elettrochimici che generano energia elettrica La classificazione avviene in base all elettrolita : Celle alcaline (AFC) Celle ad elettrolita polimerico (PEMFC) Celle ad acido fosforico f (PAFC) Celle a carbonati fusi (MCFC) Celle ad ossidi solidi (SOFC) Celle a metanolo diretto (DMFC) ( per la trazione )

4 PEM: Cella a membrana polimerica Principio di funzionamento semplice ed affidabile : Alimentate con idrogeno e aria (ossigeno) VANTAGGI: Basse temperature di funzionamento (T reg < 1 C) Rendimento elevato (η > 4%) Assenza di vibrazioni e rumore Modularità Impatto ambientale minimo anodo : 2H2 4H + 4e catodo : SVANTAGGI: Densità di potenza bassa (oggi 1.5 kw/dm 3 ) Costo del kw prodotto (oggi 1 volte costo del kw da MCI) Limiti alla distribuzione, stoccaggio e trasporto dell H 2 Vita utile delle celle PEM limitata (oggi 5 ore) + O + 4H + 4e 2H O + 2 2

5 Principio di funzionamento delle celle a combustibile PEM Dettagli teorici

6 Configurazione del banco di misura Linea H2 Carico Meccanico Stack di celle Grandezze misurate: Tensione e corrente erogate dallo stack Flusso H 2 Pressione linea H 2 Temperatura di stack e ambiente Velocità albero motore (Consumo H 2 ) (Coefficiente di utilizzo H 2 ) (Rendimento) Foto

7 Protocollo sperimentale Caratterizzazione statica: Caratterizzazione dinamica: Curve caratteristiche: V c =f(i) e W=f(I) Tempi di risposta cella Ciclo urbano standard : Consumo di H 2 Rendimento η

8 Caratterizzazione statica 25 2 Curva caratteristica Potenza Tensio one [V] Corrente [A] Poten nza [W] Rendim mento % , ,5 25,5 26,5 26, ,5 Bassa Temperatura (2-3 C) Alta temperatura (5-58 C) Potenza [W] η = W W e : Potenza erogata dallo stack, [W] e F H2 : Portata molare di H 2, [mol/s] F Δ H 2 H ΔH : Entalpia di reazione = 284. J/mol La massima efficienza si ottiene dopo 5 minuti di warm-up Rendimento elevato per potenze erogate tra 2 W 14 W Rendimento soddisfacente anche all avviamento

9 Caratterizzazione dinamica Potenza [W] rrore % E a [W] Potenz ,5,5,15,25,35,45 Tempo [ms] Tempo [ms] ore % Err Carico elettrico a gradino Tempo di risposta (errore dinamico del 5%) 12 W 17 W,31 ±,7 s 17 W 12 W,3535 ±,77 s Media dei gradini di salita e di discesa,33 ±,7 s

10 Ciclo Urbano Standard (norma UNI-EN ) 1) Controllo PID su erogazione di i al motore mediante convertitore DC/DC Discontinuità sulla velocità motore? 6 Starvation della cella PEM 4 (insufficinete apporto O 2 al catodo) 2 Starvation ngolare [giri/m min] Velocità a Velocità di setpoint Velocità dell'albero Tempo [s]

11 tà ango olare [gir ri/min] Veloci UNIVERSITA DEGLI STUDI DI ROMA LA SAPIENZA Cella + motore sul CUS Velocità di setpoint Velocità del motore Errore assoluto n] [giri/mi Errore as ssoluto Tempo [s]

12 Rendimento sul CUS η = W W e : potenza V I erogata dalla cella [W] F : moli al secondo di H H 2 consumato [mol/s] ΔH : entalpia di reazione pari a 284. J/mol (potere calorifico superiore dell idrogeno) FW e Δ Potenza [W] Potenza Portata H Tempo [s] Rapidità flussimetro 25 2,5 Picchi di portata H 2? Spurgo canali anodici 2 (H 2 perduto) 1,5 1,5 Po ortata H2 [S STL/min] Portata H 2 quando erogazione di W =? Perdita di H 2 da una PEM dello stack (verificata con leak test )

13 Rendimento medio sul CUS Wi Δt Wi E i i Wtot η = = = = n ΔH F Δt ΔH F ΔH F ΔH Incertezza associata: H2 i i tot i i η η 1 W tot ε = η εw tot + εf ε tot = W ε tot + 2 Ftot Wtot Ftot Ftot ΔH Ftot ΔH dove : ε W tot = 2 εw i ε F ε tot F i i = i 2 Potenza [W] Potenza Rendimento Rendimen nto % Tempo [s] 2 1

14 Misure rendimenti medi sul CUS Coppia resistente all albero motore media (,54 ±,9 Nm) Tempo totale ciclo urbano standard 196 s Pressione all anodo: p=,11mpa Consumo H 2 1,27 ln ± 6,3 1-4 ln Potenza media 32,7 W ±,6 W Rendimento medio 39,5 % ± 1,4 % Pressione all anodo: p=,115mpa Consumo H 2 1,45 ln ± 6,4 1-4 ln Potenza media 35,3 W ±,6 W Rendimento medio 37,5 % ± 1,3 % Pressione all anodo: p=,12mpa Consumo H 2 1,48 ln ± 6,5 1-4 ln Potenza media 32,4 W ±,6 W Rendimento medio 33,7 % ± 1,2 %

15 Conclusioni Caratterizzazione statica e dinamica di motori H 2 con PEM FC Misura del rendimento sul Ciclo Urbano Standard (η=35-4%) Realizzazione di un sistema di monitoraggio e controllo dei parametri chiave di un motore H 2 basato su FC PEM Sviluppi futuri Misura della potenza meccanica all albero motore Approfondimento studio della misura della portata di H 2 Produzione dell idrogeno on-board mediante reattore catalitico a membrana metallica Misura del rendimento complessivo well to wheel del sistema di trazione basato sulle PEM FC

16 Grazie per l attenzione e la pazienza!

17 back

18 Dettagli teorici L u =nfe rev = -ΔG è l energia resa disponibile dalla reaz. fondamentale H 2 +1/2O 2 H 2 O back n = num di elettroni che partecipano alla reaz. F = costante di Faraday E rev = potenziale reversibile di cella Q rev Calore prodotto: Q rev = TΔS=ΔH-ΔG Condizioni standard: E rev = -ΔG/nF=1,229 V E è massima (E rev ) solo con la cella a vuoto Polarizzazione di attivazione: le reazioni elettrodiche hanno velocità finità Polarizzazione i ohmica: resistenze ohmiche h sugli liioni iin membrana e sugli elettroni Polarizzazione di concentrazione: trasporto di massa che ostacola le reazioni Polorizzazione di cella: V cella =E rev -η att -η ohm -η conc quando circola corrente!

19 Celle auto-respiranti : apporto di aria (O 2 ) al catodo per convezione libera Starvation back 1 2 E R T p H2 (p O2 ) 2 ΔG R T E= + ln 2F 2F p H2O Richiesta di potenza eccessiva: crollo della tensione di stack ( dannegiamento delle celle! ) Servo-controllo doppio delle ventole di raffreddamento : Aumenta T aumenta ventilaz. Crolla V aumenta ventilaz.

20 back Risposta dinamica flussimetro H 2 Con riferimento alla curva CUS UNI-EN Variazione attese della portata di H 2 ( considerando η = 4% ) Tratto ΔW [W] ΔF di H2 attesa [ ln/min/s ] 2 16, ,4 6 16,5, ,7 9-38,5 -, , ,5, , , , Tempo [s] Massima variazione attesa della portata di H 2 < ±,1 (ln/min)/s