Le celle a combustibile. Rosa Barrera

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1 Le celle a combustibile Rosa Barrera 1

2 Centro Ricerca e Sviluppo Edison - Trofarello (TO) Edison è il primo operatore privato in Italia nel settore dell energia. Il Gruppo opera attraverso la Edison SpA e le sue società controllate nella produzione trasporto e vendita di energia elettrica e gas naturale. Edison R&D punta alla ricerca di nuove tecnologie per lo sviluppo sostenibile in campo energetico. Il principale centro operativo è situato a Trofarello (TO) attivo dal

3 Centro Ricerca e Sviluppo Edison - Trofarello (TO) Materials analysis laboratory Scanning electron microscopy (SEM) X Ray fluorescence microscopes Analytical laboratory Spectro inductively coupled plasma (ICP) Gas cromatography and mass spectrometer Spectrophotometer UV/VIS PV systems testing laboratory Sun simulators spectroradiometer IR thermocam Souce meters Active loads Pilot plants & devices HTS coated tapes production plant: thermal coevaporation and e-beam PV fields featured by different cell material (5 kwp) Flyweel 40 KVA Capstone microturbine 30 kw Outdoor test facility Solar tracking systems Field point acuqisition data Cooling systems LNG fuelled cogeneration systems test rig Electrical laboratory 4.2 K 77 K cryogenic equipment AC and DC power supplies up to 1000 A nanovoltmeters, lock-in amplifiers and digital multi meters DC high field magnet (up to 7 T) Inductive contactless measurement system for Jc and Tc Fuel cells laboratory Fuel cell testing systems for PEM cells and stacks Fuel cell testing systems for planar and tubular SOFC cells and stacks 3

4 SOMMARIO 1. Principio di funzionamento 2. Energia prodotta 3. Perdite di tensione 4. Tipi di celle 5. Attività sperimentali presso Edison R&D 4

5 1. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO 5

6 CELLE A COMBUSTIBILE 6

7 CELLE A COMBUSTIBILE VS CICLO TRADIZIONALE (RANKINE, BRAYTON) 7

8 APPLICAZIONI CELLE A COMBUSTIBILE 8

9 LA STORIA 1 2 HO H + 1/2O H + 1/2O H O

10 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO 10

11 REAZIONI ELETTROCHIMICHE 11

12 2. Energia prodotta da una cella a combustibile 12

13 Calcolo del lavoro teorico di una cella a combustibile: W el Wel = qe W el = lavoro elettrico (j/mol) q= carica (Coulombs/mol) E= potenziale (Volts) La totale carica trasferita per mole di H 2 consumata è uguale a: q= nn q = nf Avg el n= numero di elettroni per molecola di H2=2 elettroni per molecola di idrogeno N Avg = numero di Avogadro (numero di molecole per mole)=6.022*10 23 molecole/mol qel= carica di 1 elettrone= 1.602*10-19 Coulombs/elettroni Wel = nfe 13

14 Calcolo del potenziale teorico E Wel = nfe W G H el E = = = nf nf nf H + 1/2O H O H = ( h ) ( h ) 1/ 2( h ) = 286 kj / mol f H O f H f O H E = = 1.23V nf 14

15 Lavoro elettrico reale G = H T S H = ( h ) ( h ) 1/2( h ) = 286 kj / mol f H O f H f O S = ( s ) ( s ) 1/ 2( s ) = kj / mol K f H O f H f O A 25 C, a fronte delle 286 kj/mol di energia disponibile, 237 kj/mol possono essere convertiti in energia elettrica e le rimanenti kj/mol K sono perse a causa delle irreversibilità. 15

16 3. Perdite di tensione 16

17 Perdite di tensione dovute al fuel cross over E = E E cell r loss i = i + i ext loss Fuel Cross-Over OCV 17

18 Perdite di tensione complessive Le perdite di tensione sono causate dai seguenti fattori Polarizzazione ohmica Polarizzazione per concentrazione Polarizzazione per attivazione 18

19 Perdite ohmiche V = ohm ir i R = R + R + R i i, i i, e i, c 19

20 Polarizzazione per concentrazione Equazione di Nernst V = RT nf ln C C B S 20

21 Polarizzazione di attivazione Equazione di Tafel i Vact = Aln i0 + H 2 2H + 2e O e H + H O 21

22 Curva di polarizzazione V = E V V V cell r act conc ohm 22

23 Potenza Densità di potenza w = V i 23

24 Efficienza η = Wel / WH 2 Wel = V I Punto di lavoro: 0,7V W = G LHV H H H

25 4. Tipi di celle 25

26 Tipologie H 2 : celle di a celle a combustibile 26

27 H 2 : celle a combustibile Tipologie di celle a combustibile PEFC AFC PAFC MCFC SOFC Elettrolita Membrana scambiatrice di ioni Idrossido di potassio Acido fosforico Carbonati fusi ceramici Temperatura di esercizio 80 C 100 C 205 C 650 C C Trasporto di carica H + OH - H + CO 3 2- O 2- Catalizzatore Pt Pt,Ni, Ag Pt Ni Ni, perovskite Reformer per CH 4 esterno SI SI SI NO NO combustibile H 2 H 2 H 2 H 2,CO H 2,CO ossidante O 2, aria O 2 aria Aria, CO 2 aria veleni CO, CO2, S CO, CO2, CH4, S CO, S S S Gestione prodotti acquosi Evap. Evap. Evap. Prodotto gassoso Prodotto gassoso Gestione del calore prodotto Gas di processo Gas di processo Gas di processo Reforming interno Reforming interno 27

28 H 2 : celle a combustibile Celle a combustibile Proton Exchange Membrane PEMFC Elettrolita Temperatura di esercizio Trasporto di carica Catalizzatore Reformer per CH 4 esterno combustibile ossidante veleni Membrana scambiatrice di ioni 80 C H + Pt SI H 2 O 2, aria CO, CO 2, S 0, 42 W cm 2 28

29 H 2 : celle a combustibile Celle a combustibile Alcaline AFC Elettrolita Idrossido di potassio Temperatura di esercizio Trasporto di carica Catalizzatore 100 C OH - Pt,Ni, Ag Reformer per CH 4 esterno combustibile ossidante veleni SI H 2 O 2 CO, CO2, CH4, S 0, 40 W cm 2 29

30 Celle H 2 : celle a combustibile a combustibile Phosphoric Acid Fuel Cells PAFC Elettrolita Temperatura di esercizio Trasporto di carica Catalizzatore Acido fosforico 205 C H + Pt Reformer per CH 4 esterno combustibile ossidante veleni SI H 2 aria CO, S 0,15 W cm 2 30

31 H 2 : celle a combustibile Celle a combustibile Molten Carbonate Fuel Cell MCFC 1 Elettrolita Carbonati fusi Temperatura di esercizio Trasporto di carica Catalizzatore 650 C CO 3 2- Ni 0,16 W cm 2 Reformer per CH 4 esterno combustibile ossidante veleni NO H 2,CO Aria, CO 2 S 2 31

32 H 2 : celle a combustibile Celle a combustibile Solid Oxide Fuel Cell SOFC 1 Elettrolita Temperatura di esercizio Trasporto di carica Catalizzatore Reformer per CH 4 esterno combustibile ossidante veleni ceramici C O 2- Ni, perovskite NO H 2,CO aria S 0, 4 W cm

33 H 2 : celle a combustibile Celle a combustibile Direct Methanol Fuel Cells DMFC Elettrolita Temperatura di esercizio Trasporto di carica Catalizzatore membrana a scambio di ioni -97 C 64 C H+ Pt, Pt-Ru Reformer per CH 4 esterno no combustibile CH 3 OH ossidante O2,aria veleni S,CO 0,06 W cm 2 Anodo: CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 6H + + 6e - Catodo: (3/2)O 2 + 6H + + 6e - 3H 2 O Totale: CH 3 OH + (3/2)O 2 CO 2 + 2H 2 O 33

34 5. Attività sperimentali presso Edison R&D 34

35 Edison Fuel Cell Laboratory Obiettivi delle attività Le attività sulle FC mirano a valutare lo stato dell arte delle differenti tecnologie dal punto di vista di una utility: Performance (System efficiency; transient operation) Edison FC Lab è coinvolta in diversi progetti europei (Real SOFC, Autobrane, HT Stack Project). La realizzazione è stata supportata dal ministero dell ambiente e dalla Regione Piemonte. 35

36 LABORATORIO CELLE A COMBUSTIBILE Il Laboratorio è dotato di sei stazioni di test per: Celle singole e stack PEM (due stazioni) Stack SOFC planari Celle SOFC tubolari e planari (due stazioni) Sistema SOFC localizzato in area esterna 36

37 Stazione di test celle SOFC tubolari STAZIONE DI TEST CELLE SOFC TUBOLARI Acumentrics Fuel Cell Test Stand Test 5 celle SOFC in parallelo 37

38 STAZIONE DI TEST CELLE SOFC PLANARI Forno Forno con con i cavi i cavi di di sensing sensing per per la la tensione tensione di di cella cella Termocoppie Termocoppie per per il il monitoraggio monitoraggio della della temperatura temperatura all interno all interno del del forno forno Controllore della Controllore della temperatura del forno temperatura del forno e scanner per e scanner per acquisizione dati dai acquisizione dati dai sensori in campo sensori in campo Carico Carico elettrico elettrico e e alimentatore alimentatore Misuratori/regolatori Misuratori/regolatori di di massa massa per per i i flussi flussi di di gas gas 38

39 STAZIONE DI TEST STACK SOFC PLANARI Electrolyte supported cells Anode supported cells 39

40 Test Bench - Single PEMFC Test on new generation HT PEMFC for High temperature Test in continuous mode without supervision 40

41 ACUMENTRICS Acumentrics CP SOFC SOFC 5000 G513 GENERATOR Generator 41

42 Attività sperimentali Test di lunga durata su SOFC Curve di polarizzazione SOFC 42

43 Attività sperimentali Test di lunga durata con gas riformato su HTPEM Current Density Cell Temperature Fuel Composition Fuel Stoichiometry Air Stoichiometry T DEW (Fuel) Air Gas Pressure 0.2 A/cm C 99% H 2 1% CO C Dry Atmospheric Time hours hours V/h mv/h mv/h V/V (%) % -3.7% 43

44 PEMEAS_Sample 4: May/July 2007 Attività sperimentali Curve di polarizzazione su HTPEM 44

45 Attività sperimentali Test di vita su sistema SOFC V/V (%) =-2.7% 45