Le celle a combustibile
Rosa Barrera
5 marzo 2008
1
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 1993.
5 marzo 2008
2
Centro Ricerca e Sviluppo Edison - Trofarello (TO)
Materials analysis
laboratory
PV systems testing
laboratory
•Sun simulators
•spectroradiometer
Pilot plants &
devices
•HTS coated tapes production plant:
thermal coevaporation and e-beam
•Scanning electron microscopy (SEM)
•IR thermocam
•X Ray fluorescence
•Souce meters
•PV fields featured by different cell
material (5 kWp)
•microscopes
•Active loads
•Flyweel 40 KVA
•Capstone microturbine 30 kW
Analytical
laboratory
Outdoor test
facility
•Spectro inductively coupled plasma
(ICP)
•Gas cromatography and mass
spectrometer
•Solar tracking systems
•Spectrophotometer UV/VIS
•Cooling systems
•Field point acuqisition data
•LNG fuelled cogeneration systems
test rig
Electrical laboratory
•4.2 K – 77 K cryogenic equipment
•AC and DC power supplies up to 1000 A
Fuel cells laboratory
•nanovoltmeters, lock-in amplifiers and digital multi
meters
•Fuel cell testing systems for PEM cells and stacks
DC high field magnet (up to 7 T)
•Fuel cell testing systems for planar and tubular SOFC
cells and stacks
Inductive contactless measurement system for Jc and Tc
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SOMMARIO
1. Principio di funzionamento
2. Energia prodotta
3. Perdite di tensione
4. Tipi di celle
5. Attività sperimentali presso Edison R&D
5 marzo 2008
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1. PRINCIPI DI
FUNZIONAMENTO
5 marzo 2008
5
CELLE A COMBUSTIBILE
5 marzo 2008
6
CELLE A COMBUSTIBILE VS CICLO TRADIZIONALE (RANKINE, BRAYTON)
5 marzo 2008
7
APPLICAZIONI CELLE A COMBUSTIBILE
5 marzo 2008
8
LA STORIA
2
1
H 2O → H 2 + 1/ 2O2
H 2 + 1/ 2O2 → H 2O
5 marzo 2008
9
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
5 marzo 2008
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REAZIONI ELETTROCHIMICHE
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2. Energia
prodotta da una cella
a combustibile
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Calcolo del lavoro teorico di una cella a combustibile: Wel
Wel = qE
Wel= lavoro elettrico (j/mol)
q= carica (Coulombs/mol)
E= potenziale (Volts)
La totale carica trasferita per mole di H2 consumata
è uguale a:
q = nN Avg qel = nF
n= numero di elettroni per molecola di H2=2 elettroni per molecola di idrogeno
NAvg= numero di Avogadro (numero di molecole per mole)=6.022*1023 molecole/mol
qel= carica di 1 elettrone= 1.602*10-19 Coulombs/elettroni
Wel = nFE
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Calcolo del potenziale teorico E
Wel = nFE
Wel −∆G −∆H
E=
=
=
nF
nF
nF
H 2 + 1/ 2O2 → H 2O
∆H = (h f ) H 2O − (h f ) H 2 − 1/ 2(h f )O2 = −286kJ / mol
−∆H
= 1.23V
E=
nF
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Lavoro elettrico reale
∆G = ∆H − T ∆S
∆H = (h f ) H 2O − (h f ) H 2 − 1/ 2(h f )O2 = −286kJ / mol
∆S = ( s f ) H 2O − ( s f ) H 2 − 1/ 2( s f )O2 = 48.68kJ / mol ⋅ K
A 25°C, a fronte delle 286 kJ/mol di energia disponibile, 237 kJ/mol possono
essere convertiti in energia elettrica e le rimanenti 48.68 kJ/mol K sono perse a
causa delle irreversibilità.
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3. Perdite di tensione
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Perdite di tensione dovute al fuel cross over
Ecell = Er − Eloss
i = iext + iloss
Fuel Cross-Over
OCV
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Perdite di tensione complessive
Le perdite di tensione sono causate dai seguenti fattori
•Polarizzazione ohmica
•Polarizzazione per concentrazione
•Polarizzazione per attivazione
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Perdite ohmiche
∆Vohm = iRi
Ri = Ri ,i + Ri ,e + Ri ,c
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Polarizzazione per concentrazione
Equazione di Nernst
RT ⎛ C B ⎞
⎟⎟
ln⎜⎜
∆V =
nF ⎝ CS ⎠
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Polarizzazione di attivazione
Equazione di Tafel
∆Vact
⎛i⎞
= A ln ⎜ ⎟
⎝ i0 ⎠
+
H 2 → 2 H + 2e
−
1
O2 + 2e − + 2 H + → H 2O
2
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Curva di polarizzazione
Vcell = Er − ∆Vact − ∆Vconc − ∆Vohm
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Potenza
Densità di potenza
w = V ⋅i
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Efficienza
η = Wel / WH
2
Wel = V ⋅ I
Punto di lavoro:
0,7V
WH 2 = GH 2 ⋅ LHVH 2
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4. Tipi di celle
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Tipologie
di a
celle
a combustibile
H2: celle
combustibile
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Tipologie
di a
celle
a combustibile
H2: celle
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
650-1000°C
Trasporto di carica
H+
OH-
H+
CO32-
O2-
Catalizzatore
Pt
Pt,Ni, Ag
Pt
Ni
Ni, perovskite
Reformer per CH4 esterno
SI
SI
SI
NO
NO
combustibile
H2
H2
H2
H2,CO
H2,CO
ossidante
O2, aria
O2
aria
Aria, CO2
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
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H2Celle
: celle
a combustibile
a combustibile
Proton Exchange Membrane
PEMFC
Elettrolita
Membrana scambiatrice di
ioni
Temperatura di esercizio
80°C
Trasporto di carica
H+
Catalizzatore
Pt
Reformer per CH4
esterno
SI
combustibile
H2
ossidante
O2, aria
veleni
CO, CO2, S
0, 42 W
cm
2
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H2Celle
: celle
a combustibile
a combustibile
Alcaline
AFC
Elettrolita
Idrossido di potassio
Temperatura di
esercizio
100°C
Trasporto di carica
OH-
Catalizzatore
Pt,Ni, Ag
Reformer per CH4
esterno
SI
combustibile
H2
ossidante
O2
veleni
CO, CO2, CH4, S
0, 40 W
cm 2
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Celle
a combustibile
Phosphoric Acid Fuel Cells
H2: celle
a combustibile
PAFC
Elettrolita
Acido
fosforico
Temperatura di
esercizio
205°C
Trasporto di carica
H+
Catalizzatore
Pt
Reformer per CH4
esterno
SI
combustibile
H2
ossidante
aria
veleni
CO, S
0,15W
cm 2
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H2Celle
: celle
a combustibile
a combustibile
Molten Carbonate Fuel Cell
1
MCFC
Elettrolita
Carbonati fusi
Temperatura di
esercizio
650°C
Trasporto di carica
CO32-
Catalizzatore
Ni
Reformer per CH4
esterno
NO
combustibile
H2,CO
ossidante
Aria, CO2
veleni
S
0,16 W
cm 2
2
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31
H2Celle
: celle
a combustibile
a combustibile
Solid Oxide Fuel Cell
1
SOFC
Elettrolita
ceramici
Temperatura di esercizio
650-1000°C
Trasporto di carica
O2-
Catalizzatore
Ni, perovskite
Reformer per CH4 esterno
NO
combustibile
H2,CO
ossidante
aria
veleni
S
0, 4 W
cm 2
2
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H2Celle
: celle
a combustibile
a combustibile
Direct Methanol Fuel Cells
DMFC
Elettrolita
membrana a scambio
di ioni
Temperatura di esercizio
-97 °C÷64 °C
Trasporto di carica
H+
Catalizzatore
Pt, Pt-Ru
Reformer per CH4 esterno
no
combustibile
CH3OH
ossidante
O2,aria
veleni
S,CO
0, 06 W
cm 2
Anodo:
CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6eCatodo:
(3/2)O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
Totale:
CH3OH + (3/2)O2 → CO2 + 2H2O
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5. Attività sperimentali
presso Edison R&D
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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:
9
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.
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LABORATORIO CELLE A COMBUSTIBILE
Il Laboratorio è dotato di sei stazioni di test per:
¾
Celle singole e stack PEM (due stazioni)
¾
¾
¾
Stack SOFC planari
Celle SOFC tubolari e planari (due stazioni)
Sistema SOFC localizzato in area esterna
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Stazione
di DI
test
celle
SOFC
tubolari
STAZIONE
TEST
CELLE
SOFC
TUBOLARI
Acumentrics Fuel Cell Test Stand
¾Test 5 celle SOFC in parallelo
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STAZIONE DI TEST CELLE SOFC PLANARI
Forno
Fornocon
coni cavi
i cavididi
sensing
sensingper
perlalatensione
tensione
didicella
cella
Termocoppie
Termocoppieper
peril il
monitoraggio
della
monitoraggio della
temperatura
temperaturaall’interno
all’interno
del forno
del forno
Controllore
Controlloredella
della
temperatura del forno
temperatura del forno
eescanner
scannerper
per
acquisizione dati dai
acquisizione dati dai
sensori
sensoriinincampo
campo
Carico
Caricoelettrico
elettricoee
alimentatore
alimentatore
Misuratori/regolatori
Misuratori/regolatorididi
massa
massaper
peri iflussi
flussididi
gas
gas
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STAZIONE DI TEST STACK SOFC PLANARI
9 Electrolyte supported cells
9 Anode supported cells
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39
Test Bench - Single PEMFC
9
Test on new generation HT PEMFC for High
temperature
9
Test in continuous mode without supervision
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40
Acumentrics
CP SOFCSOFC
5000 G513
Generator
ACUMENTRICS
GENERATOR
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41
Attività sperimentali
sperimentali
Attività
¾ Test di lunga durata su SOFC
¾ Curve di polarizzazione SOFC
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42
Attività sperimentali
¾
Test di lunga durata con gas riformato su HTPEM
Current Density
0.2 A/cm2
Cell Temperature
160°C
Fuel Composition
99% H2
1% CO
Fuel Stoichiometry
1.2
Air Stoichiometry
2
TDEW (Fuel)
65°C
Air
Dry
Gas Pressure
Atmospheric
Time
∆V/h
∆V/V (%)
0÷1200 hours
- 0.026 mV/h
- 4.5 %
0-1000 hours
-0.023 mV/h
-3.7%
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PEMEAS_Sample
Attività
sperimentali 4: May/July 2007
¾
Curve di polarizzazione su HTPEM
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44
Attività sperimentali
¾
Test di vita su sistema SOFC
∆V/V (%) =-2.7%
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45
