Celle a Combustibile, unafontecompetitiva Meeting ITIS G ...

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MPAMPA R&D, NDT Group - S. Leonardi 24 Giugno 2008 Meeting ITIS G. Marconi

S. Leonardi

Celle a Combustibile, una fonte competitiva

Meeting ITIS G. Marconi

Catania - 24 Giugno 2008


Sommario

� Attività Celle a Combustibile in Azienda

� Panoramica sulle Celle a Combustibile


Introduzione

� Le celle a combustibile (Fuel Cell), sono dispositiv i che convertono l’energia

chimica (dei reagenti) direttamente in energia elet trica e calore.

� Sono simili alle batterie e quindi come gli altri e lementi voltaici, sono formate

essenzialmente da due elettrodi, catodo ed anodo, e da un elettrolita che permette la

migrazione degli ioni.

� Diversamente dalle batterie comuni, nelle celle a combustibile la materia attiva

viene continuamente rinnovata e quindi la corre nte elettrica continua può essere

erogata indefinitamente se si mantiene l'alimentazi one del combustibile e del gas

ossidante.

� In realtà la corrosione e il degrado dei componenti ne limitano la durata.


Cenni Storici

� 1839 - William Grove, avvocato Inglese, amante de lla fisica, scopre casualmente il principio delle fuel cells.

� 1950 - Francis Bacon, un ingegnere chimico dell’Unive rsità di Cambridge, realizza una fuel celldi tipo alcalino, utilizzando il KOH come elettrolita ed il nickel come elettrodi.

� 1960, l’IFC (International Fuel Cell) in Windsor ( Connecticut – USA), sviluppa una fuel cell per alimentare la navicella spaziale “Apollo”, da 15 kW.

� 1993, la compagnia Energy Partners realizza il primo prototipo di automobile alimentata con PEM fuel cell.

1839 1960 1993

Un secolodopo


Evoluzione


Schema Generico


Funzionamento (PEMFC)

H2 2H+ + 2e-Anodo:

½ O2 + 2e- + 2H+ H2OCatodo:

H2 + ½ O2 H2ONetta:

H2 + 2Pt 2Pt - H

O2 + 2Pt 2O - H

H+ + H2O H3O+

Catalizzatore Membrana


Struttura (PEMFC)

fuel_cell[1].swf


fuelcell[1].swf

Architettura (PEMFC)


STHG ∆−∆=∆

Potenziale Teorico

qEWel =elAvg qnNq =

nFEWel = GWel ∆−=

nF

GE

∆−=

VoltAsmol

molJ

nF

GE 23.1

485.962

340.2371

1

=⋅×

=∆−= −

−

VoltAsmol

molJ

nF

GE 21.1

485.966

350.7021

1

=⋅×

=∆−= −

−

∆−∆−=nF

ST

nF

HE

H2

MeOH


Rendimento Termodinamico

Il rendimento termodinamico in un processo di conversione d’energia, può esprimersi come i lrapporto tra l’energia d’uscita e quella d’ingresso .

In una fuel cell, l’energia d’uscita è quella pro dotta,mentre quella d’ingresso è l’entalpia del combustibi le. Ipotizzando che tutta l’energia libera di Gi bbs sia convertita in elettricità, il massimo rendimen to per una fuel cell risulta :

H

STHG

∆∆−=∆∆= 1η

L’aumento della temperatura porta ad una riduzione delle prestazioni.

%8302.286

34.237 ==∆∆= HGη

%9751.726

35.702 =−−=∆∆= HGη

H2

MeOH


Perdite di Tensione

+∆+∆−=

OH

OH

P

PPRT

nF

ST

nF

HE

2

22

5.0

ln

+∆+∆−=

2

5.1

22

23lnOHCO

OOHCH

PP

PPRT

nF

ST

nF

HE

H2

MeOH

ohmconcactcell EV ηηη −−−=

oact i

i

nF

RTln

αη =

La perdita per attivazione avviene, quando la velocità di una reazione elettrochimica sull’interfaccia elettrolita-elettrodo è lenta

Le perdite Ohmiche derivano dallaresistenza offerta al flusso di ioni attraverso l’elettrolita ed al flusso degli elettroni attraverso gli elettrodi

Le perdite per concentrazione dipendono dall’incapacità di mantenere costante la concentrazione dei reagenti consumati durante la reazione elettrochimica agli elettrodi

B

Sconc C

C

nF

RTE ln=∆=η

ηohm = iROhm


Caratteristica I-V


Curva di polarizzazione e potenza erogata da una DM FC Confronto dati sperimentali con modello (T=20°C).

Caratteristica I-P


Potenza distribuitaCogenerazione, Potenza

distribuitaCogenerazione,Potenza

distribuitaSpaziali, Generatori portatili, Trasporto

Piccoli generatori, Uso residenziale,µµµµFC, TrasportoApplicazioni

H2O+CO2H2OH2OH2OH2O (PEM);

H2O +CO2 (DMFC)Prodotti

50-6550-6040-457040Rendimento %

SISINONONOReforminginterno

NONOSISISIReforming

esterno

Nonrichiesto

NickelPlatinoPlatinoPlatino (PEM);

Platino e Rutenio(DMFC)Catalizzatore

O CO3 H+OH H+Carica trasferita

600°C1000°C600°C-1000°C180°C - 250°C60°C - 200°C70°C - 100°C

Temperatura operativa

Ceramica, ossido di zirconio drogato

Mix carbonatialcalini

Acido fosforico concentrato

Concentrato di KOH, Alcalino

Membrana aScambio di ioniElettrolita

SOFCMCFCAFCAFCPEM & DMFC

Tipi


Efficienza


Combustibili


Reforming H2

Reforming catalitico: CnHm + n H2O →→→→ n CO + (m/2 + n) H2

Conversione della CO: n CO + n H2O →→→→ n CO2 + n H2

T > 760 0°C

Reforming

H2 - Generator

Produzione H 2, per esempio da N aBH4 Temperatura Ambiente


Emissioni


Caratteristiche

� Oltre il limite di Carnot

Vantaggi

� Rendimento poco dipendente dal carico

� Reforming piu’ “pulito” vs combustione idrocarburi

� Emissione gassose/ acustiche ridotte

� Ampio utilizzo di potenza

� Utilizzo diversi tipi “carburante”

� Costruzione di impianti dimensioni molto differenti

Svantaggi

� Produzione e Stoccaggio H 2

� Corrosione Materiali

� Gestione Membrane

� Cinetica “Lenta”

� Sistema Complesso

� Funzionamento “anche” a Temperatura Ambiente


Schema Generico Impianto


Applicazioni

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Attività Celle a Combustibile in Azienda

Applicazioni per Sistemi Portatili


Obiettivo R&D

� Miniaturizzazione di un sistema Fuel Cell (tipo PEMFC) in silicio o altro

materiale, da utilizzarsi nel campo delle applicazioni portatili e quindi per potenze

dell’ordine di qualche Watt, comprendente anche il sistema di alimentazione

basato su criteri del tipo Hydrogen-on-demand.

Micro Fuel Cell

Generatore H 2


� Integrare monoliticamente un sistema autonomo in grado di

alimentare dispositivi portatili comprendente :

- Sistema di Celle a combustibile Planare +

- Generatore di H2 +

- Integrazione del Sistema +

- Gestione elettronica della Potenza

Obiettivo R&D


Celle a Combustibile


Micro Celle a Combustibile tramite Piatti Bipolari

� Realizzazione di dispositivi Micro Fuel Cell

tramite l’integrazione di strutture MEA

commerciali su “piatti bipolari in silicio”

lavorati, home-made.

Piatti Bipolari in silicio lavorati

Catodo

AnodoH2

O2

Piatti Bipolari in silicio lavorati

MEA

Catodo

Anodo


Mea Side

Air Side

Esempio Strutture Piatti silicio

Piatti Catodo Piatti Anodo MeOH Piatti Anodo H2


Progetto Piatti Bipolari in Silicio


CAD Design

Testing

Voltage(V), Power Density(mW/cm 2) vs. Current Density(mA/cm 2)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Current Density(mA/cm 2)

Vol

tage

(V)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

Pow

er D

ensi

ty(m

W/c

m2 )

Power Density(mW/cm 2) vs. Test Time(s)

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Test Time(s)

Pow

er D

ensi

ty(m

W/c

m2 )

Curva Caratteristica (I-V, I-P) Test di Durata con carico ciclico

Anode Cathode

Mea

Prototipazione Rapida di Celle a Combustibile

Prototipazione Rapida


Generatore di Idrogeno


Generatore di H2

� Realizzazione del Generatore di H2, da

NaBH4 in soluzione, integrato su supporto in

silicio. Supporto in silicio

NaBH4

H2

NaBO2

Membrana

Catalizzatore


NaBH4 (SBH) Solution

NaBO2

H2

Catalyst Surface (Ru/SiO 2)

Silicon Micromachined

Reactor

Generazione di H2


Polycarbonate Reactor

SBH Solution

H2

Fuel Cell

SBH Solution

Borate Solution

Reactor

Load Measurement Box

Fan

H2

Peristaltic Pump

Reactor Operation

� SBH Solution Inlet

� H2 Generation

� NaBO2 (Borate) Outlet

Reactor Components

� Polycarbonate Hardware (Two Parts)

� Catalyst (Ru/Al2O3 Pellets)

� Gas/Liquid Separator Membrane (Celgard 4560)

Catalyst Surface

Bottom Raeactor Side

SBH SolutionBorate

H2

Reactor Design

Integrazione Macro Prototipo

Realizzazione Generatore di H2


Sistema Portatile


� Integrare monoliticamente un sistema autonomo in grado di

alimentare dispositivi portatili comprendente :

- Generatore di H2 in PCB +

- Sistema di Celle a combustibile Planare in PCB +

- Integrazione del Sistema +

- Gestione elettronica della Potenza

Integrazione Sistema Portatile


Principali Elementi del Sistema


FC 1

FC 2

FC 3

FC n

MeOH SOLUTION CARTRIDGE

SE

RIA

L / P

AR

ALL

EL

PC

B

MIC

RO

PU

MP

+

DR

IVE

R

POWER

CONVERTER

CONTROLLER

(Micropump, Sensors,

Other elements needed

LOA

D

FC m

Sensor

Sen

sor

BATTERY

mFC Board

Esempio Integrazione del Sistema


Gestione Elettronica delle Potenza del sistema


Integrazione Sistema e Power Management


Sistema Ibrido Micro Fuel Cell - Batteria

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S. Leonardi

Fine Presentazione

Grazie

-----------------------------------------------------New Devices Design ManagerIMS (Industrial & Multisegment Sector) Group, R&D NDT (New Devices and Technologies) Group. Phone: +39 95 7407645Mobile: + 39 346 499 2010Fax: +39 95 7407717E-mail: salvatore.leonardi@st.com-----------------------------------------------------

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