L. Andreassi e S. Cordiner 1

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1 L. Andreass e S. Cordner 1 VALUTAZIONE DELLE PRESTAZIONI DI UN SISTEMA DI GENERAZIONE DI ENERGIA CON CELLE A COMBUSTIBILE AD ELETTROLITA POLIMERICO MEDIANTE UN MODELLO DI SIMULAZIONE Luca Andreass e Stefano Cordner Dpartmento d Ingegnera Meccanca Unverstà d Roma Tor Vergata SOMMARIO L uso profcuo delle celle a combustble per la produzone d energa elettrca sa n applcazon stazonare che per l autotrazone è sempre d pù confermato da rsultat d molte recent rcerche nonché da un notevole numero d applcazon dmostratve. Nonostante quest ncoraggant rsultat è, tuttava, charo come sgnfcatv progress debbano ancora essere comput prma che le celle a combustble possano dventare una tecnologa d produzone d energa totalmente compettva con sstem tradzonal n specal modo per quanto rguarda la loro ntegrazone all nterno d strutture complesse. Nel presente lavoro s descrvono le caratterstche d un modello d smulazone ntegrato del funzonamento d sstem d generazone basat sull utlzzo d celle a combustble a membrana polmerca. Utlzzando modell fsc n grado d fornre nformazon su dmenson caratterstche dfferent, l modello proposto può essere utlzzato sa per lo studo del sstema da un punto d vsta globale che nella ottmzzazone de sngol component. 1. INTRODUZIONE Il rsultato delle rcerche n corso ed un sempre maggor numero d applcazon mostrano come le celle a combustble rappresentno una soluzone tecnca estremamente vantaggosa [Chalk et al.] per quanto rguarda la generazone d energa elettrca con elevata effcenza e con rdotto mpatto ambentale. Poché l utlzzo d tale tecnologa possa avere un ampa dffusone, numeros obettv tecnc ed economc devono, tuttava, essere ancora raggunt. Tra quest, sono senz altro molto mportant le consderazon relatve al prezzo, al peso ed all ngombro del sstema d conversone nonché, nel caso d applcazone alla generazone non stazonara d energa, alla capactà del sstema d adattars alle fluttuazon d carco, al tempo necessaro per lo start-up del sstema ed, nfne, alla enttà delle pur contenute emsson gassose e al rumore legato al funzonamento del sstema stesso. La gran parte d quest problem d natura tecnca ed economca deve essere affrontata nell ambto del desgn complessvo del sstema d conversone l quale, oltre a comprendere la cella a combustble nelle sue dverse tecnologe, rchede la presenza d numeros altr component meccanc le cu caratterstche d funzonamento gocano un ruolo fondamentale nella determnazone delle prestazon global del sstema. Le scelte progettual che concorrono alla defnzone del sstema (sa n termn d tecnologa utlzzata che d varabl d lavoro sono, nfatt, determnate dalle applcazon cu l sstema d conversone è dedcato. Ad esempo, nelle applcazon fnalzzate alla autotrazone (stradale e non, le caratterstche essenzal rcheste sono: peso ed ngombro contenut, per essere compatbl con le dmenson del vecolo; temperatura d lavoro quanto pù possble prossma a quelle atmosferca per mnmzzare le problematche connesse al management termco del sstema, confgurazone del sstema che garantsca una sostanzale autonoma n termn d quanttà d acqua necessara. La tecnologa pù ndcata per soddsfare queste esgenze, allo stato attuale, è quella delle celle a membrana polmerca (PEMFC. Tra le vare caratterstche che consglano l utlzzo delle PEM v è, senz altro la possbltà d operare a bassa temperatura e con presson relatvamente elevate come rchesto da gran parte delle applcazon d tpo autovecolstco. L ncremento d pressone consente, nfatt, d accedere potenzalmente a due vantagg prncpal: - l potenzale elettrco della cella e, qund, dell ntero stack è pù elevato a seguto dell ncremento

2 2 56 Congresso Nazonale ATI della pressone parzale de compost; - la possbltà d operare a pressone elevata ha delle rcadute postve sul blanco drco del sstema. La possbltà d sfruttare postvamente queste caratterstche s traduce nella scelta d operare con presson dell ordne de 2 o 4 bar determnando, n tal modo, l utlzzo del % della potenza generata dal sstema per trascnare component auslar del sstema stesso ed n partcolare l compressore. Un così ampo utlzzo dell energa generata per muovere gl element auslar del sstema rappresenta, senz altro un prezzo molto alto n termn d effcenza d conversone dell energa e rscha d rdurre l vantaggo compettvo del sstema d conversone dretta dell energa ne confront de tradzonal sstem d propulsone. Consderazon analoghe ma con rcadute potenzalmente ancor pù grav possono essere fatte nel caso n cu l sstema d generazone sa ntegrato con un reformer che, partendo da un qualche combustble, produca quanttatv d drogeno necessar al funzonamento dell mpanto d conversone. In queste condzon, nfatt, l elevato valore dell effcenza d conversone dell energa cu s può attngere con la pla a combustble vene sostanzalmente rdotto a causa del rendmento de dfferent component dell mpanto. L ottmzzazone delle condzon operatve ed l mglore utlzzo de fluss d energa che vengono res dsponbl nelle vare sezon del sstema dventano, n questo caso, condzone fondamentale per sfruttare l potenzale della pla a combustble. In quest ottca rsulta utle affancare alla spermentazone, peraltro molto costosa, l utlzzo d modell d smulazone numerca che, una volta stablta la loro predttvtà, sano n grado d dare delle rsposte mmedate sulle prestazone della cella a combustble al varare, ad esempo, del dsegno della cella o del materale. Le dmenson caratterstche de process che hanno luogo all nterno d un sstema d generazone che utlzz tale tecnologa sono molto dfferent per dvers component che lo costtuscono. Ne consegue che l modello numerco deve essere n grado d smulare correttamente tutt quest fenomen per poter rsultare predttvo della realtà fsca. L ntegrazone della cella a combustble all nterno d un sstema completo d generazone dell energa rchede, nfatt, la capactà d fornre una descrzone dettaglata sa del comportamento de flud all nterno de dfferent element che lo compongono sa de process che hanno globalmente luogo nel sstema. Nel caso specfco delle celle ad elettrolta polmerco, ad esempo, fluss che s realzzano localmente nfluenzano l contenuto d acqua all nterno della membrana polmerca. Poché le propretà d trasporto della membrana sono determnate da tale contenuto d acqua appare qund evdente come la capactà d descrvere n modo corretto l funzonamento della sngola cella e, qund, dello stack dpende, anche, dalla capactà d descrvere quest fenomen. Altrettanto mportante è determnare su scala globale le caratterstche d scambo d energa e lavoro ne dvers component. Da quanto detto appare, pertanto, evdente come la fase d ngegnerzzazone d un sstema d generazone dell energa che utlzz uno stack d celle a combustble rcheda la capactà d controllare l evoluzone d una grande quanttà d varabl che ne regolano l funzonamento sa a lvello d sstema che de suo component. Nel presente lavoro vene llustrato un modello d smulazone che, ntegrando approcc d calcolo dfferent, è n grado d descrve l comportamento dello stack e degl altr component sa da un punto d vsta sstemstco sa medante la descrzone dettaglata d alcun process. In molte condzon d funzonamento, nfatt, una descrzone completa de process che hanno luogo all nterno della pla a combustble è necessara per poter prevedere l comportamento stazonaro e dnamco del sstema. In partcolare, nel lavoro, verranno llustrat rsultat relatv alla smulazone del flusso de gas all anodo ed al catodo d una cella ad elettrolta polmerco n corrspondenza d alcune condzon operatve. Attraverso tale studo è possble affrontare le problematche relatve alla dsspazone del calore prodotto e alla rmozone dell acqua d reazone, due aspett molto mportant al fne dell ottmzzazone delle prestazon del sstema. 2. MODELLI DI SIMULAZIONE Le performances d un sstema d generazone dell energa basato sulla tecnologa delle PEMFC possono sntetcamente essere rappresentate a partre dalla conoscenza della relatva curva d polarzzazone nella quale le caratterstche d tensone erogata vengono llustrate n funzone della denstà d corrente che attraversa la cella. Un esempo d curva d polarzzazone è rportato n fg. 1. Nello stesso grafco possono noltre essere dentfcate n modo puttosto charo tre zone nelle qual l

3 L. Andreass e S. Cordner 3 comportamento della curva n funzone della corrente specfca vara n relazone alle tre tpologe d perdta che hanno luogo nella cella stessa; perdte per attvazone, perdte ohmche e perdte per concentrazone. Potental (mv I II III Specfc Current (ma/cm 2 Fg. 1 Dagramma polare per una pla a combustble ad elettrolta polmerco Nella regone n cu sono concentrate le perdte per sovra-potenzale d attvazone, l motvo predomnante d dsspazone è dovuto al surplus d energa necessaro per l attvazone delle reazon elettrochmche. Questa tpologa d perdte, dette d attvazone, s verfca quando le reazon elettrochmche vengono spostate dal loro equlbro per dare luogo alla produzone d corrente elettrca. Nella regone delle perdte ohmche è, nvece, la resstenza onca ed elettronca al passaggo della corrente a rappresentare l contrbuto fondamentale alle perdte. Nella zona n cu s realzzano le perdte per concentrazone, effetto dsspatvo caratterstco de valor pù elevat della corrente, le perdte sono nvece assocate a process d trasporto d massa che s ncontrano nel sstema. Effett dsspatv d questo genere s nstaurano quando le reazon chmche sono lmtate dalla dsponbltà d reagent. Un modello fnalzzato alla smulazone del comportamento d un sstema d conversone basato su PEM FC deve potere tener conto d tal aspett n quanto ne determnano le performances. L obettvo delle present attvtà d smulazone è stato quello d rappresentare l nseme d queste perdte all nterno d un unco framework medante una rappresentazone dettaglata delle cause che ne sono alla base. Nella letteratura tecnca che s occupa delle reazon elettrochmche s possono trovare dfferent modell svluppat per descrvere l comportamento d un sngola cella d una PEM FC medante la rappresentazone delle curve polar con dfferente lvello d dettaglo [Barbr et al 2000, Jong-Ko e Chul Y, 1999]. Tuttava, process che determnano l comportamento dell ntero sstema sono, come detto, pù numeros ed hanno luogo n relazone a dmenson dfferent. Una smulazone complessva deve, qund, necessaramente comprendere modell d tpo ntegrato n grado d descrvere l evoluzone d tal fenomen pur conservando la capactà d sntetzzare le nformazon così ottenute ad un lvello d sstema. [Lee e Lalk,1998] Al lvello d maggor dettaglo l modello deve, qund, comprendere la descrzone de process chmc ed elettrochmc fondamental che avvengono nella pla e nell eventuale reformer. A lvello va va pù generale l sstema deve, nvece, descrvere l nterazone tra var component ed fluss d

4 4 56 Congresso Nazonale ATI massa, calore e lavoro scambat tra dvers component. Ognuno de sottomodell trasfersce, qund, le relatve nformazon al sstema complessvo consentendo, pertanto, d ottenere nformazon sulle prestazon, defnre l dmensonamento d massma e determnare l enttà de fluss d massa necessar e del calore da asportare e/o da fornre. Esso, noltre, è anche n grado d fornre nformazon sugl ngombr d massma del sstema che rsultano essere molto mportant nel caso delle applcazon automotve. Carco esterno Modulo Prncpale Modulo d Controllo Caratters. dello Stack Temperature Fuel Cell Stack Portate de Gas Varazone delle Propretà Recuper Energetc Performances Smulazone Elettrochmca Dstrbuzone Della Potenza Fg. 2 Rappresentazone schematca d un sstema d generazone dell energa elettrca con celle a combustble Ne successv paragraf verranno llustrate le caratterstche fondamental de sottomodell che costtuscono la struttura complessva della smulazone Modello della cella a combustble ad elettrolta polmerco (PEM FC Come gà accennato, esstono una sere d modell, pù o meno semplc, n grado d descrve l comportamento d una PEMFC medante la rappresentazone della sua curva d polarzzazone, calcolata n determnate condzon operatve [Km et al., 1995]. Quest, tuttava, per quanto n grado d rappresentare n modo abbastanza completo l comportamento del sstema n condzon prefssate non son altrettanto n grado d tenere conto d process, qual l trasporto d acqua dal catodo all anodo e vceversa attraverso la membrana, che hanno una nfluenza fondamentale nella determnazone delle prestazon del sstema. Nella mpostazone del modello d smulazone s è, qund, scelto d prevedere anche una rappresentazone pù accurata, n grado d descrvere n dettaglo l comportamento dello stack e delle celle che lo compongono. L mpostazone è fondata sul lavoro d Sprnger ed al Secondo tale modello l funzonamento della cella è supposto avvenre n condzon stazonare e a temperatura costante (sebbene ambedue le grandezze possano varare da stante ad stante secondo un approcco pseudo-stazonaro. Le caratterstche fondamental del modello nella sua attuale confgurazone sono: - la descrzone del trasporto dell acqua e delle spece reagent attraverso lo spessore degl elettrod e della membrana; - la descrzone delle perdte per resstenza ohmca e per attvazone. Gl nputs fondamental per questa sezone sono: la corrente elettrca rchesta, le condzon

5 L. Andreass e S. Cordner 5 termodnamche de gas n ngresso all anodo ed al catodo. In uscta s ottengono nvece: l contenuto d acqua nella membrana, l valore della tensone elettrca a cap della cella, l effcenza ed l calore generato. Un numero arbtraro d quest component può essere assemblato n sere ed n parallelo per costture rspettvamente l estensone d un sngolo MEA (nseme d membrana ed elettrod e l ntero stack. Il modello d smulazone descrve l comportamento d un elemento d pla combustble schematzzato come n fg.3 e verrà brevemente llustrato nelle sue lnee essenzal. Fg. 3 Rappresentazone dell nseme membrana-elettrod L elemento scamba con l esterno due fluss d massa n ngresso ed n uscta. L anodo è almentato da un flusso d drogeno contenente vapore ed altr nert (N 2, CO 2, etc la cu composzone vene determnata n funzone delle caratterstche con cu l combustble vene fornto (drettamente o da reformer. Nel caso d funzonamento con drogeno puro all ngresso de condott dell anodo, è possble prevedere la rcrcolazone del flusso n uscta dall anodo stesso. Il calcolo della composzone del flusso anodco all uscta del sstema vene determnata n funzone della corrente generata dalla cella e de fluss del vapore d acqua tra anodo e catodo. Il catodo è, nvece, almentato con ara umda nelle condzon termodnamche determnate dalla eventuale presenza del compressore e dell umdfcatore. Le performances della cella n termn d tensone vengono determnate, per ogn tpologa d membrana utlzzata, dalle condzon termche della membrana stessa e dal blanco drco del sstema membrana-elettrod. Il comportamento della membrana è, nfatt, legato al lvello d dratazone e, poché durante l funzonamento tale lvello può modfcars n modo sostanzale, la prevsone delle prestazon della cella n relazone ad un ampo range d condzon operatve, rchede che quest aspett vengano esplctamente valutat. La pla vene, qund, rappresentata come sequenza d 5 sezon separate da 4 nterfacce secondo quanto llustrato nella fgura. Quando la cella è attraversata da una corrente costante e par a J essa è nteressata da un flusso molare d H 2 par a IJ/2F dove F è la costante d Faraday. A partre da questo valore è possble qund determnare l valore del flusso d ossgeno e quello de prodott della trasformazone e defnendo, con α l rapporto tra l flusso netto d acqua che attraversa la membrana n relazone al flusso d acqua prodotta dal catodo

6 6 56 Congresso Nazonale ATI I J 2F N H 2 2NO 2 N w, a N α 1+α Queste relazon consentono d determnare l blanco d massa delle vare spece tra ngresso ed uscta de canal gassos nonché l valore delle concentrazon d acqua e d ossgeno al catodo. w4 ν + 2(1 + α(1 ν + (2α + 1(1 0 0 on on o4 ( ν 0 1(1 ν + (2α + 1(1 0 on on n4 1 w4 o4 e le relatve portate molar N ν I 0 + (1 + I α 2(1 N N oc nc on ( 0 1 I ν 2 I(1 on ν 0 2 Dscorso analogo può essere condotto all anodo consentendo l calcolo d on w1 h1 waν h α(1 ν ( α + 1(1 h ( ν wa wa (1 nh (1 h 1 (1 wa (1 nh ν ( α + 1(1 (1 h wa nh nh n1 1- w1 - h1 N wa (1 wa ν I h (1 nh αi N ( ν 1 I ha h N na ν hi 1 nh nh

7 L. Andreass e S. Cordner 7 dove: - J corrente specfca [Ampere/cm 2 ] - I flusso d acqua prodotto al catodo [mol/cm 2 s] - concentrazon all ngresso - n concentrazone all nterfacc n-esma - ν 0 rapporto tra ossgeno fornto e quello necessaro - ν H rapporto tra drogeno fornto e quello necessaro - on rapporto fra ossgeno ed azoto - nh rapporto fra azoto ed drogeno - α rapporto tra l flusso netto d acqua che attraversa la membrana n relazone al flusso d acqua prodotta dal catodo Sulla base della conservazone della massa è, qund, possble determnare le concentrazon delle vare spece present n funzone del rapporto α, ncognto. Per determnare tale valore occorre qund fornre una descrzone del flusso d acqua attraverso l sstema ( due elettrod e la membrana. Per fare questo è necessaro calcolare l flusso dffusvo all nterno del sstema medante l equazone d Stephan-Mawell per la dffusone d gas multcomponente laddove l trasporto d acqua nella membrana vene determnato n funzone della attvtà dell acqua all nterno della membrana [Costamagna, 2001, Sprnger et al.,1993] La determnazone del contenuto d acqua della membrana consente, qund, d determnare la resstvtà σ della membrana e da questa la resstenza 1 R dz. σ Nota la resstenza e note le perdte per attvazone al catodo, è qund possble determnare l potenzale d lavoro della cella RT J(1 lq V V 0 RJ ln 0.5F J 0p c O 2 cu vanno eventualmente aggunte le perdte per concentrazone n caso d lavoro n condzone prossme a questa parte della curva polare Scambator d calore, condensatore ed umdfcatore La dfferenza tra energa ntrodotta sotto forma d H 2 e l energa convertta n forma utle vene trasformata n calore. Per mantenere costante la temperatura del sstema questo calore deve essere asportato e, successvamente, dsspato. Gl element delle ple a combustble e, n partcolare, le pastre b-polar presentano al loro nterno canal n cu flusce un lqudo refrgerante (n genere acqua. Una volta trasportato all esterno dello stack questo calore deve qund essere dsspato anche se l ottmzzazone energetca del sstema può, n alcun cas, rchedere un parzale recupero. La quanttà d energa non utlzzata vene dsspata n un radatore eventualmente con l auslo d un ventlatore al fne d aumentare l effcenza dello scambo termco. Altrettanto mportante a fn della determnazone delle condzon ottme d funzonamento è la presenza d un condensatore attraverso l quale realzzare l recupero dell acqua contenuta nel flusso d gas che abbandona l anodo della cella. Tale sstema rchede, anch esso, una dsspazone d energa. L acqua così recuperata può essere, qund, utlzzata per umdfcare, al lvello dovuto, l flusso de gas all anodo e al catodo nelle proporzon necessare per garantre l buon funzonamento della membrana polmerca Compressore e turbna Le condzon termodnamche dell ara e del combustble rappresentano senz altro uno degl aspett pù crtc nella rcerca delle caratterstche d funzonamento ottmale del sstema d conversone

8 8 56 Congresso Nazonale ATI dell energa. Infatt, mentre da una parte, l ncremento d pressone consente d ottenere un potenzale d Hernst pù elevato e, ncrementando la denstà de gas, contrbusce a rdurre le dmenson ed l peso dello stack (con la relatva nfluenza sul prezzo del sstema stesso ottenendo, noltre, benefc n termn d blanco globale dell acqua, dall altra la maggore pressone d almentazone rchede un notevole lavoro d compressone che, ottenuto a spese dell energa prodotta, nfluenza negatvamente le prestazon del sstema d conversone. Molto crtca da questo punto d vsta è, anche, la scelta del tpo d compressore da utlzzare n questa applcazone. Il prncpale know-how dsponble n tale ambto, per tpc valor del rapporto d compressone e delle portate n goco, derva dal campo della sovralmentazone ne motor a combustone nterna alternatv così come le macchne che possono essere utlzzate. In partcolare possono essere mpegat compressor a vte o a lob e, ne cas d almentazone a maggore pressone, s può prevedere anche un sovralmentatore a gas d scarco. Nel caso l sstema d ple a combustble sa assocato ad un reformer l flusso d gas n uscta dal catodo non può essere rcrcolato n quanto oltre all drogeno contene quanttatv d CO 2 e d N 2. Il contenuto d H 2 resduo nel flusso d gas, se non altrment utlzzato, rappresenta una perdta energetca. Un possble utlzzo d tale quanttatvo d drogeno è, qund, assocato ad una possble sua combustone dopo l aggunta d ara. La parte d energa così lberata che non vene utlzzata sottoforma d calore nel reformer può essere sfruttata n un espansore collegato al compressore dell ara. Le caratterstche d questa macchna possono essere determnate sull esempo d un sovralmentatore a gas d scarco potendos qund potzzare un trasfermento d tale tecnologa al campo delle fuel cells. [Wartalla et al., 2000] 2.4. Reformer Il processo d reformng del combustble a bordo ovvero nelle prossmtà delle FC rappresenta una tecnologa necessara per rendere possble una dffusone delle PEMFC n assenza d una rete d dstrbuzone dell drogeno e della tecnologa relatva al suo stoccaggo. In funzone del dverso tpo d combustble che s vuole utlzzare, le soluzon mpantstche possbl per l reformng sono molteplc ma da un punto d vsta modellstco questo processo può essere rappresentato medante la sua stechometra, da fluss termc rchest o cedut e dalla relatva effcenza. [Dams et al.,2000, Casten et al.,2000, Hagan et al., 2000] 3. Applcazon In attesa d una smulazone che consenta una completa taratura del modello complessvo (che verrà condotta ne prossm mes nell ambto d una collaborazone nternazonale, dvers modul sono stat sngolarmente verfcat con rfermento a dat reperbl n letteratura. In questo paragrafo verranno llustrat alcun rsultat relatv a tal consderazon [Jang e Chu, 2001, Hameln et al., 2001, Escudero et al., 2001]. Lo svluppo del modello è stato condotto nella prevsone d poterlo utlzzare n una vasta sere d applcazon, qual: dmensonamento d massma e d dettaglo d sstem d conversone dell energa ottmzzazone delle scelte d progetto fnalzzate al rspetto d vncol qual l effcenza globale, l ngombro, l peso, l fabbsogno d acqua dall esterno studo della crtctà nello svluppo dello stack o degl altr component, ovvero d tecnologe alternatve relatve all utlzzo del fludo vettore energetco. scale-up d soluzon progettual fnalzzate alla fattbltà ndustrale.

9 L. Andreass e S. Cordner KPa Pressone atmosferca 0.9 potenzale d cella [V] denstà d corrente [ma/cm 2 ] Fgura 4 Effetto dell aumento d pressone sul potenzale della cella 3.1 Rcerca delle condzon d pressone ottmal per l funzonamento del sstema Tra queste possbl applcazon un prmo esempo è fornto dalla rcerca delle condzon d pressone ottmal per l funzonamento del sstema. Tale problema rsulta d grande mportanza, ad esempo, nel dsegno d sstem d conversone fnalzzat all uso su autovecol. La possbltà d ncrementare la pressone d almentazone della cella è senz altro vantaggosa se esamnata n termn d effett sulla cella stessa. Esamnando l grafco d fg.4 s può, nfatt, osservare come ad un aumento della pressone corrsponda un ncremento della tensone erogata e qund, a partà d potenza elettrca rchesta, la possbltà d rdurre le dmenson del sstema. L esame della fgura mostra, tuttava, come questo effetto rsult, tutto sommato, contenuto. D maggor enttà, n termn d potenzale vantaggo, è, nvece, l comportamento del flusso d ara n relazone alla sua capactà d trasportare acqua, nonché al mnor quanttatvo d calore necessaro per realzzare l cambamento d stato. D altra parte, però, la maggor pressone dell ara d almento rchede l utlzzo d un compressore e, qund, una notevole rchesta d lavoro d compressone. Nel grafco d fgura 5 s può osservare, pertanto, come all ncremento d potenza erogata debba essere assocato un analogo ncremento della potenza d compressone che dventa tanto pù marcato quanto peggor sono le caratterstche della macchna operatrce utlzzata.

10 10 56 Congresso Nazonale ATI Potenza compressore/potenza fuel cell eff KPa eff. 0.8 eff KPa eff denstà d potenza [mw/cm 2 ] Fgura 5 Potenza assorbta dal compressore La presenza d un espansore allo scarco del sstema, che segua eventualmente la post-combustone de gas n uscta da anodo e catodo, secondo lo schema d fgura 8 consente d recuperare una parte d questa potenza persa per la compressone, come può essere apprezzato esamnando l grafco d fgura 6, nonché d rendere dsponble una certa quanttà d calore che può essere utlzzata nel sstema d reformng del combustble. In conclusone, s può qund dre che l vantaggo d operare con pressone de gas elevate deve essere va va verfcato con rfermento alle specfche caratterstche de component l sstema, nonché alla confgurazone del sstema stesso kpa Potenza compressore/potenza fuel cell 0.15 solo compressore 0.10 compressore / espansore p 30 KPa p 15 KPa denstà d potenza [mw/cm 2 ] Fgura 6 Consumo d potenza compressore/espansore 3.2 Integrazone d un reformer nel sstema d generazone. L ntegrazone d un fuel processor nel sstema d generazone è una delle soluzon tecnche la cu adozone è, prevedblmente, necessara per poter potzzare una ampa dffusone delle ple a combustble nel futuro prossmo. Secondo questo approcco, l combustble d rfermento da

11 L. Andreass e S. Cordner 11 consderars per l ntegrazone sarà, qund, la benzna o l gasolo che consentrebbero un utlzzo della rete d dstrbuzone esstente.[meyer et al.,2000] La presenza d un reformer, tuttava, ha un ampa sere d rcadute negatve tra le qual alcune sono legate alla qualtà dell drogeno prodotto (rendmento d conversone, percentuale d H 2, CO 2, N 2, HC e CO ed altre alla ntegrazone termca del reformer nel sstema nonché alla realzzazone del blanco drco del sstema stesso, oltre, nfne, alla comparsa d emsson che fanno sì che l sstema non possa pù essere consderato ad emsson zero (ZEV. In queste condzon l lavoro d ngegnerzzazone è fondamentale poché l ntero sstema rscha d non essere compettvo con sstem d conversone tradzonal. La sola modfca nella composzone del flusso anodco ha un effetto negatvo sulla potenza erogata da un medesmo stack che oper su H 2 puro. L drogeno provenente dalla rformulazone d una benzna può contenere, nfatt, fno al 22% d CO 2, contene l azoto provenente dall ara utlzzata per l reformng e crca l 40% d H 2. Nel grafco d fgura 7 s è rportato l effetto d questa dfferente composzone sul comportamento della cella n confronto con l funzonamento con solo H 2. A cò va, noltre, aggunto l pù veloce deratng della cella provocato dalla presenza d sostanze che l avvelenano qual CO e NH 3. A questa dmnuzone d prestazon s deve far fronte con una confgurazone del sstema che utlzz n modo completo var fluss energetc n goco. La confgurazone rportata n fgura 8, opportunamente ottmzzata, consente qund d realzzare l mglore compromesso tra le esgenze d calore e lavoro degl auslar e le performances dello stack, L esame d tale fgura dmostra ulterormente come la dsponbltà d un opportuno sstema d smulazone che consenta d rappresentare n modo effcente l comportamento d un sstema d tale complesstà può senz altro rappresentare un valdo auslo alla spermentazone- 1.0 H 2 /ara reform./ara 0.9 potenzale d cella [V] denstà d corrente [ma/cm 2 ] Fgura 7 Effetto della dluzone del combustble

12 12 56 Congresso Nazonale ATI Fg.8 Schema d mpanto con recupero d energa 3.3. Dsegno de condott d adduzone de reagent Su una scala d dmensone completamente dfferente rspetto caso precedente c sono, nvece, le problematche relatve al dsegno fludodnamca dello stack e de suo component. Il flusso d gas deve raggungere la membrana n modo quanto pù possble omogeneo. [Dutta et al., 2001] Nella tpca confgurazone d una PEMFC quest gas vengono addott da una sere d canal che s affaccano all'nterno degl elettrod realzzat n materale poroso. La possbltà che l flusso d gas possa, qund, essere unformemente dstrbuto sulla membrana dpende dalla nterazone fra process chmc che sulla membrana e negl elettrod hanno luogo e dalle caratterstche del moto de dvers gas. [Watanabe et al., 1995] Osservazon del tutto sml possono esser fatte per quanto rguarda l blanco termco del MEA. Una parte del calore rlascato vene nfatt asportato per mezzo del flusso convettvo de gas mentre la restante parte vene asportato dal fludo refrgerante. Per entramb process (trasformazon chmche e rlasco d calore l'obettvo che s persegue è quello della massma omogenetà. In partcolare, nel caso del flusso anodco, aumentare l lvello d omogenetà del flusso consente anche una rduzone del cosddetto coeffcente stechometrco con l quale s ndca la quanttà d H 2 fornta rspetto al valore stechometrco necessaro per soddsfare la rchesta d corrente. Questo valore è usualmente maggore dell'untà per consentre un funzonamento effcente della cella. La mancanza d omogenetà nella dstrbuzone d flusso può, tuttava, rchedere che questo valore venga mantenuto su lvell notevolmente superore all'untà e questa crcostanza, nel caso dell'almentazone del sstema medante un reformer rappresenta, così come gà accennato, una potenzale perdta. I problem conness alla omogenetà del fludo rchedono uno studo condotto su scala spazale molto dettaglata così come llustrato nelle successve fgure 9 e 10. In tal fgure è nfatt rportata la dstrbuzone d concentrazone de var component fluss catodc. La dstrbuzone d tale grandezza vene calcolata medante un codce d smulazone fludo dnamco che tratta le trasformazon termo-chmche come termne sorgente nelle equazon del moto. I rsultat che possono essere ottenut attraverso questo approcco rendono possble la rcerca d una confgurazone ottmale del percorso de gas all'nterno del sstema e possono qund essere utlzzat nella progettazone degl elettrod e delle pastre bpolare che compongono lo stack. 4. CONCLUSIONI Nel presente lavoro sono state llustrate le caratterstche d un modello d smulazone nel funzonamento d sstem d conversone dell'energa basat sull'mpego d celle a combustble ad elettrolta polmerco. L'dea fondamentale è stata la messa a punto d un nseme d sotto modell che,

13 L. Andreass e S. Cordner 13 con dfferente lvello d dettaglo, consentano una rappresentazone completa sa dello stack, che costtusce l centro del sstema, sa d tutt gl altr component necessar per la realzzazone d un generatore completo d energa. Il cuore dello strumento d smulazone è, senz'altro, rappresentato dal modello della cella a combustble che, a seconda della esgenza specfca, può descrvere l funzonamento attraverso l semplce calcolo della curva polare ovvero fornre una dettaglata descrzone della fludodnamca che ha luogo all'nterno de canal d adduzone de gas e dell'nterazone d tal process con quell elettro-chmc. In funzone delle rcheste della cella a combustble vengono qund determnate le caratterstche de component auslar quale l sstema d adduzone dell'ara, l'eventuale processo d rformulazone del combustble e l'nseme degl scambator d calore che consentono la gestone del calore dsspato nelle reazon d conversone dretta dell'energa. Il modello così svluppato può essere applcato ad un vasto numero d problematche progettual e nel lavoro sono state presentate alcune d queste applcazon. In partcolare, s è studato l'effetto dell'ncremento della pressone della cella a combustble e delle conseguenze d questo aumento sul blanco energetco complessvo del sstema. S è, noltre, presentato un esempo d applcazone relatvo all'ntegrazone d un reformer. Infne, s sono llustrate le potenzaltà dell'approcco fludo dnamco nella descrzone de process che hanno luogo su pccola scala all'nterno de canal che costtuscono l sngolo elemento membrana-elettrod. I rsultat del modello s sono mostrat n buono accordo con dat dsponbl n bblografa ed hanno presentato una notevole capactà dell'approcco utlzzato nella descrzone d tutt process che hanno luogo nel sstema stesso. Dopo una ulterore fase d verfca medante confronto con dat spermental, programmata per prossm mes nell'ambto d una collaborazone nternazonale, l modello potrà essere utlzzato come strumento d auslo nella progettazone d sstem complet. BIBLIOGRAFIA 1. Sprnger T.E, Zawodznsky T.A., Gottesfeld S., Polymer Electrolyte Fuel Cell Model, Los Alamos Laborator, Los Alamos, New Meco, Wartalla A., Pschno S., Bornscheuer W., Feweger K., Ogrzewalla J., Compressor Epander Unts for Fuel Cell System, SAE Paper n , Dams R.A.J., Hayter P.R., Moore S.C. The Development and Evaluaton of Compact, Fast Response Integrated Methanol Reformng Fuel Processor Systems for PEMFC Elctrc Vechles, SAE Paper n , Hagan M., Northrop W., Bowers B., Rumsey J., Prabhu S., Automotve Fuel Processng Systems for PEM Fuel Cells, SAE Paper n , Meyer A.P., Schroll C.R. e Leseur R., Development of Mult-fuel Fuel Cell Power Plant for Transportaton Applcatons, SAE Paper n , F.Barbr, M.Fuchs, A.Husar, J.Neutzler, Desgn and Operatonal Characterstcs of Automotve PEM Fuel Cell Stacks, SAE Paper n , S.Casten, P.Teagan, R.Stobart, Fuels for Fuel Cell-Powered Vechles, SAE Paper n , S. Dutta, S. Shmpalee, J.W. Van Zee, Numercal predcton of mass-echange between cathode and anode channels n a PEM fuel cell, Internatonal Journal of Heat and Mass Transfer, 44 pp , R.Jang, D.Chu, Voltage-tme behavour of a polymer electrolyte membrane fuel cell stack at constant current dscharge, Journal of Power Source 92, pp , M.Watanabe, H.Igarash, H.Uchda, F.Hrasawa, Epermental Analyss of water behavour n Nafon electrolyte under fuel cell operaton, Journal of Electranalytcal Chemstry 399, pp , P.Costamagna Transport phenomena n polymerc membrane fuel cells, Chemcal Engneerng 56, pp , S. Chalk, J.F.Mller, F.W.Wagner Challenges for fuel cells n transport applcatons, Journal of Power Sources 86 pp.40-51, J.Hameln, K.Agbossou, A.Laperrere, F.Laurencelle e T.K.Bose Performances of PEM Fuel Cell Stack for Statonary Applcatons 2000 Fuel Cell Semnar, Portland OR, November M.J.Escudero, E.Hontanon, P.L.Garca-Ybarra e L.Daza, Enhancng PEMFC Performances by Increasng the Gas Flow through the Electrodes, 2000 Fuel Cell Semnar, Portland OR, November J.Ho Jo, S.Chul Y, A computatonal smulaton of an alkalne fuel cell, Journal of Power Source, 84 pp , J.H.Lee e T.R.Lalk Modelng fuel cell stack systems, Journal of Power Source, 73 pp , 1998

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