MODELLIZZAZIONE DEGLI AUSILIARI DI UNA FUEL CELL E REALIZZAZIONE DEL
SIMULATORE
Giuseppe Del Pizzo
Gli obiettivi della tesi sono la modellizzazione degli ausiliari necessari al funzionamento di una
cella a combustibile di tipo PEM e la realizzazione del simulatore. Infatti una cella a combustibile
ha bisogno di una serie di dispositivi fondamentali per il suo funzionamento, i quali assorbono parte
della potenza elettrica assorbita dalla cella, andando quindi a peggiorare le prestazioni del sistema,
in termini di potenza netta e rendimento.
In Fig.1 si riporta lo schema a blocchi del sistema complessivo di generazione basato su celle a
combustibile PEM (ovvero ad elettrolita polimerico), comprensivo quindi anche degli ausiliari. Il
sistema può essere suddiviso in tre circuiti principali a seconda del fluido che li percorre: aria,
idrogeno ed acqua. Una cella PEM ha infatti bisogno di aria ed idrogeno per generare potenza
elettrica; oltre a ciò l’acqua serve a due scopi: per umidificare i flussi di aria ed idrogeno onde
evitare la disidratazione della membrana, e a raffreddare lo stack di celle, smaltendo il calor
prodotto da questo.
All’interno del sistema sono presenti un compressore azionato da un motore elettrico in c.c., due
umidificatori, un condensatore, due pompe, uno scambiatore di calore, due serbatoi d’acqua ed uno
di idrogeno. Inoltre il sistema è contornato da una serie di valvole e regolatori di pressione per la
gestione delle portate. Oltre a ciò il sistema può prevedere anche l’utilizzo di una turbina (posta tra
catodo e condensatore) per recuperare della potenza elettrica all’albero del motore.
Il primo obiettivo è stato quello di modellizzare gli ausiliari di questo sistema, andando quindi a
descrivere il comportamento di ciascun blocco attraverso una serie di equazioni. Oltre a ciò si è
dovuto costruire il diagramma psicrometrico relativo all’idrogeno per una pressione di 1,5 bar
(riportato in Fig.2), in quanto tale diagramma non era presente in letteratura. Questo diagramma è
servito per trovare la temperatura a bulbo umido in uscita dall’umidificatore, temperatura che
rappresenta un parametro di ingresso per il modello dell’umidificatore stesso.
Figura 1 Schema a blocchi del sistema fuel cell
Figura 2 Diagramma psicrometrico dell’idrogeno
Fatto ciò si è passato ad implementare il modello matematico degli ausiliari attraverso un
programma informatico (LabView), al fine di creare il software relativo agli ausiliari, per poi essere
integrato con quello relativo al solo stack di celle, già realizzato nel Laboratorio di Azionamenti
Elettrici, in modo da creare il software del sistema complessivo (Fuel Cell System Simulator o
FCSS). La fase successiva ha riguardato l’assemblaggio dei componenti dell’hardware, costituito da
un alimentatore programmabile di potenza, da un PC all’interno del quale è stato installato il
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software realizzato, una scheda elettronica che rappresenta l’interfaccia tra alimentatore e PC, più
un trasformatore e dei cavi di comunicazione per realizzare le connessioni tra i vari elementi.
Una volta modellizzati gli ausiliari e realizzato l’FCSS (hardware e software) è iniziata la fase di
sperimentazione, ovvero l’insieme delle attività di misurazione ed acquisizione delle grandezze
d’interesse, finalizzate alla validazione del lavoro precedentemente compiuto.
In particolare sono state compiute prove statiche e dinamiche: le prime sono state effettuate per
validare le caratteristiche di potenza dei vari ausiliari, ovvero le curve di potenza in funzione della
corrente erogata dallo stack di celle, mentre le seconde sono servite a validare l’FCSS. Per attuare la
sperimentazione ci si è serviti di due banchi di resistenze di carico di taglia diversa, i quali sono
serviti a simulare il carico alimentato dal sistema a cella a combustibile.
Le prove sono state effettuate su due stack di celle, le cui caratteristiche sono state già validate: nel
seguito si riportano i risultati relativi ad un solo stack prodotto dalla IRD di 2500 W.
Per le prove statiche quello che si è fatto è stato modificare la resistenza di carico dei banchi, per
poter così ottenere i valori tensione/corrente della caratteristica della cella considerata, ai quali
corrispondono diversi coppie di valori potenza/corrente dei vari ausiliari.
Figura 3 Potenza lorda, netta e assorbita dagli ausiliari
Figura 4 Potenze assorbite dai vari ausiliari
Figura 5 Confronto tra potenze nette per i vari scenari
Figura 6 Confronto tra potenze nette e termiche per
un sistema con turbina ed uno senza turbina
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Per le prove effettuate si sono considerati differenti scenari, ovvero sono state cambiate le
condizioni operative dell’ambiente in cui si è ipotizzato andasse ad operare il sistema a cella a
combustibile, in termini di temperatura ed umidità relativa.
Nella Fig. 3 è riportato il grafico relativo alla potenza prodotta dallo stack, potenza netta e potenza
assorbita dagli ausiliari, mentre nella Fig. 4 si riporta il grafico relativo alle differenti potenze
assorbite o prodotte dagli ausiliari. Si nota come la quasi totalità della potenza assorbita dagli
ausiliari sia quella relativa al motore elettrico che aziona il compressore, mentre le pompe hanno un
contributo minimo, dato dalla differenza tra la somma delle potenze assorbite e quella del motore..
In Fig. 5 è riportato un confronto tra le potenze nette prodotte dallo stack, per tre scenari diversi: da
questi confronti si può notare la scarsissima influenza dell’umidità relativa dell’ambiente (le curve a
differente umidità relativa infatti coincidono), mentre per quanto riguarda la temperatura si vede
come il sistema lavori meglio a basse temperature ambiente piuttosto che alle alte, grazie soprattutto
alla minor potenza assorbita dal compressore. Infine è stato operato un confronto tra un sistema a
celle a combustibile in cui fosse presente una turbina ed uno in cui fosse invece assente, alle
condizioni operative relative allo scenario denominato “mite”. In particolare sono state riportate
nello stesso grafico (Fig. 6) le potenze termiche scambiate dal condensatore e le potenze nette del
sistema nei i due diversi casi. Ovviamente il sistema con turbina produce una potenza netta
maggiore del sistema senza turbina, oltre a scambiare meno calore, in quanto parte del flusso
uscente dal catodo, dopo essere stato espanso nella turbina, condensa, diminuendo quindi il carico
di lavoro del condensatore. Questi vantaggi vanno però confrontati con il costo e la complessità
aggiuntivi che derivano dal suo inserimento.
Per quanto riguarda l’altro tipo di sperimentazione si sono effettuate una serie di prove dinamiche
che consentono di analizzare il transitorio del sistema a seguito di una improvvisa variazione del
carico (∞→ 1 Ω → ∞). Le Fig. 7 e 8 mostrano come esempio gli andamenti della corrente e della
potenza netta graficati in tempo reale.
Figura 7 Grafico della corrente
Figura 8 Grafico della potenza netta del sistema
In questi grafici si possono riscontrare due “fenomeni”: dei picchi di corrente, dovuti alla presenza
dei condensatori in uscita dall’alimentatore e delle oscillazioni legate al ripple di corrente
dell’alimentatore. Naturalmente, gli ausiliari inseriti nel sistema influenzano il comportamento della
cella con particolare riferimento ai tempi di risposta, che inevitabilmente aumentano. Per
concludere ciò che si è fatto è stato realizzare un simulatore di un sistema a celle a combustibile,
ovvero uno strumento in grado di comportarsi come un sistema a cella a combustibile comprensivo
degli ausiliari, con i seguenti vantaggi: numero illimitato di prove da poter effettuare, abbattimento
dei costi, riduzione dei tempi di realizzazione, riduzione dell’ingombro. Ovviamente si hanno anche
degli svantaggi legati principalmente alla difficoltà nel riprodurre dinamiche veloci. La causa di ciò
è strettamente connessa alla velocità di risposta dell’alimentatore e della relativa interfaccia.
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