Torna al programma Un Modello di Pila a Combustibile a Carbonati Fusi S. Canevese A. De Marco G. Moretti V. Prandoni SpA ENERSIS 2004, Milano 1-2 aprile 2004
Sommario Celle a combustibile: introduzione Possibili approcci modellistici Modello 2-3D di una cella a carbonati fusi struttura del modello simulatore validazione e transitori Conclusioni e sviluppi
Introduzione Fuel Cells (celle a combustibile): generatori elettrochimici dotati di alta efficienza di conversione elettrica (assenza di fiamma); basse emissioni inquinanti (CO 2, NO x, ): infatti H 2 + 1/2 O 2 H 2 O adattabilità di taglia (grazie alla modularità); continuità dell erogazione di corrente (a differenza delle normali batterie). Varie tecnologie in fase di sviluppo più o meno avanzato, per impianti fissi, mobili, veicoli; esempi: PAFCs,PEMs, SOFCs e
Introduzione Molten Carbonate Fuel Cells (MCFCs) in particolare 650 C 250kW-1MW Realizzazione di un impianto dimostrativo ibrido presso il
Impianto ibrido ad alta efficienza Integrazione MCFC innovativa (125KWe) DC/AC _ + CH 4 H 2 O Vessel anodo catodo Scambiatore (REGEX) reformer comb. catalitico CELLA A COMBUSTIBILE mixer Vessel alla turbina Vessel aria dal compressore Riscaldatore Aria/Fumi VTby VTb VTa V01 VVL combustibile Microturbina a gas (60kWe) Caldaia a Recupero Scambiatore Rigenerativo Valvola di Off-Loading Camera di Albero Combustione MICROTURBINA Alternatore aria Compressore Turbina
Impianto ibrido ad alta efficienza Problema: realizzare un modello della MCFC. Motivazioni: supporto alla progettazione di impianto studio delle procedure di esercizio studio delle funzioni di controllo (anche in condizioni di emergenza)
Struttura MCFC Stack di celle elementari in serie dal punto di vista elettrico in parallelo per i flussi gassosi e le reazioni
Struttura MCFC Cella elementare: struttura a strati (planare) Piastre separatrici Elettrodi Elettrolita Gas anodici (H 2, CO, CO 2, CH 4, H 2 O) Diffusori Gas catodici (O 2, CO 2, N 2, H 2 O)
Approccio 2-3D: Modelli per il controllo Approcci 0-D (1 Volume di Controllo per gas anodici e 1 per gas catodici) predizione non affidabile delle variabili globali di uscita Flusso gas anodici flusso gas catodici (cross flow): reazioni anodo-catodo accoppiate Ingresso catodo canali/nodi anodici e catodici strati D A Ingresso anodo C B Approccio 1-D (più elementi di volume lungo la direzione del moto) non adeguato
Modello di MCFC elementare Stack di celle elementari: si assume che le portate di gas in ingresso (anodo e catodo) si suddividano ugualmente tra le singole celle modello di cella elementare. Modello basato su princìpi primi (equazioni di conservazione massa, energia, quantità di moto, carica) e su equazioni costitutive. 2 gruppi di equazioni, differenziali a derivate parziali e algebriche, tra loro interagenti: eq. termiche ed (elettro)chimiche; eq. idrodinamiche.
MCFC elementare: reazioni ANODO: H 2 percorre il canale e diffonde, attraverso il diffusore, nell elettrodo (mezzo poroso che funge da catalizzatore), che è bagnato dall elettrolita (CO 3 --, Li +, K + ) H 2 adsorbito da siti liberi dell elettrodo H 2 + CO 3 - - H 2 O + CO 2 + 2e CATODO: analogamente per O 2 e CO 2 1/2 O 2 + CO 2 + 2e CO 3 - - ANODO: reazione di shift: CO + H 2 O H 2 + CO 2
Modello termochimico flusso gas anodici x A z flusso gas x C catodici Conservazione energia in un canale: e h ' ρa + w = Γgd ( Td T ) + Γgp ( T p T ) + wlat ( e t x Conservazione massa componente i in un canale: fi fi ' * * ρ A + w = wlat ( fi fi ) + H gd ( fi fi ) t x * e)
Modello termochimico flusso gas anodici x A z flusso gas catodici x C Conservazione energia nel mezzo poroso Conservazione massa componente i negli strati Condizioni al contorno, rispetto all elettrolita (flussi di massa nulli) e rispetto al diffusore (radiation conditions).
Eq. idrodinamiche Per ogni canale anodico e catodico: conservazione massa globale del gas: w t ρ A t wu x A + p x w x conservazione quantità di moto: + + = τ = frd Ω w gd ' lat + τ frvp Ω gr
Modello elettrico Suddividendo la cella in strisce (N,k): fem di Nernst: E Nernst 0 = + E 1 2 2 2 2 3 C C A RT O CO H CO ln 2 F CO H O CO 3 C 2 A 2 A A principi di Kirchoff: V ( ) + E G i N ernst, N, k N, k N, k CA = E Nernst, N, k G N, k G e s t G N, k.
Programma di simulazione Procedura numerica che garantisce precisione, stabilità, facilità di realizzazione e flessibilità per costruire modelli di impianti di cui la cella è un sottosistema. Algoritmo di soluzione numerica implementato in linguaggio C e integrato in ambiente MATLAB- Simulink mediante funzionalità S-Function...
Programma di simulazione
Validazione del modello Parametri fisico-geometrici ricavati da letteratura Identificazione coefficienti di scambio e resistenza elettrica interna in prova relativa al punto di lavoro 2 (valori stimati mantenuti fissi nelle altre prove). Confronto con risultati di sperimentazione: stack di 14 celle attive, 700 cm 2 di area utile ciascuna; ingressi imposti: portate e temperature dei gas anodici e catodici in ingresso e relative frazioni massiche, e a circuito chiuso conduttanza di carico; 3 condizioni di funzionamento; le temperature sperimentali sono relative a più celle nelle tabelle si riporta una temperatura media di stack.
Prova 1: regime a circuito aperto Circuito aperto tensione a vuoto: Dati sperimentali Modello Tensione media di cella 927,4 mv ± 0,9mV 926,8 mv Temperatura uscita anodo ~ 925 K 928 K Temperatura uscita catodo ~ 925 K 928 K Profili di temperatura di bulk dei gas nei canali (anodici e catodici) calcolati:
Prova 2: regime I= 70A, P=642W Dati sperimentali Modello Consumo di H 2 anodo 60 % 60,4 % Consumo di CO 2 catodo 22 % 21,7 % Temperatura uscita anodo ~ 945 K 948 K Temperatura uscita catodo ~ 945 K 938 K
Prova 3: regime I= 70A, P=700W Dati sperimentali Modello Consumo di H 2 anodo 51 % 51,22 % Consumo di CO 2 catodo ~ 22 % 21,5 % Temperatura uscita anodo ~ 945 K 946 K Temperatura uscita catodo ~ 945 K 937 K
Transitori Stack di 150 celle, area utile 0.8m 2 ; circuito aperto alla temperatura di esercizio connessione con carico esterno per avere potenza erogata nominale a 110kW; ingressi imposti: Anodo Catodo Pressione in ingresso ai canali 3.498E5 Pa 3.516E5 Pa Pressione in uscita dai canali 3.479E5 Pa 3.493E5 Pa Temperatura gas ingresso canali 870 K 875,89 K Frazione massica CO 2 in ingresso 0.20931 0.02901 Frazione massica H 2 in ingresso 0.07031 0.0 Frazione massica N 2 in ingresso 0.0 0.72337 Frazione massica CO in ingresso 0.14806 0.0 Frazione massica CH 4 in ingresso 0.0389 0.0 Frazione massica H 2 O in ingresso 0.53341 0.07021 Frazione massica O 2 in ingresso 0.0 0.17741
Transitori Temperatura uscita canali anodici e catodici: 4 3 2 6 7 1 1 2 3 4 8 5 Frazioni massiche anodo e catodo: N 2 CO 2 H 2 O CO 2 CO H 2 O 2 H 2 O CH 4
Transitori Tensione e potenza dello stack: Profilo di temperatura per anodo e catodo:
FINORA... Conclusioni e sviluppi futuri Descrizione di un modello 2-3D di (stack di) MCFC per la produzione di energia elettrica. Programma numerico, basato su S-functions, che implementa il modello e che permette di simulare il comportamento della cella, anche in transitorio. A QUESTO PUNTO... Torna al programma Modello elettrochimico: ulteriori indagini, per capire limiti dinamici di funzionamento.