Modelli di componenti innovativi per impianti microcogenerativi con celle a combustibile polimeriche

In the present thesis, detailed mathematical models have been developed to simulate the performance of an HT-PEMFC based micro cogenerative system. In order to develop the models of the components, including an innovative steam methane reformer, a water gas shift reactor and an innovative electrochemical purifier, the correlated physical aspects are modelled. As the first step, non homogeneous and pseudo-homogeneous models have been developed to simulate the SMR, through utilization of correlations proposed in the literature for heat transfer, bulk-pellet mass transfer and catalytic kinetics. Afterwards, the developed models are calibrated and validated using experimental data provided by the industrial partner. Next, the developed models of the reactors are integrated in order to investigate the overall performance of the HT-PEMFC based plant. In the second phase of the thesis, a mathematical model has been developed to simulate the behaviour of Fyrewall, an innovative electrochemical purifier, to produce a highly purified hydrogen. In the next step, the developed Fyrewall model is integrated into the plant while the HT-PEMFC stack is replaced with an LT-PEMFC one. Finally, the performance of Fyrewall-LT-PEMFC system is determined and the corresponding performance indices are compared with the HT-PEMFC based plant.

Nel presente lavoro, sono stati sviluppati dei modelli matematici dettagliati in grado di simulare le prestazioni di un sistema di microcogenerazione basato su una HT-PEMFC. I modelli dei componenti, ovvero un innovativo reattore di steam reforming, un reattore di water gas shift e un purificatore elettrochimico, sono stati sviluppati tramite la modellazione dei fenomeni fisici presenti al loro interno. In prima analisi sono stati sviluppati per il reattore di steam reforming un modello di tipo non omogeneo e un modello di tipo pseudo-omogeneo, tramite l’utilizzo di correlazioni proposte in letteratura per quanto riguarda lo scambio termico, lo scambio di massa tra il bulk e i pellets e la cinetica di reazione. Dopodiché i modelli sviluppati sono stati calibrati sui dati sperimentali forniti dal partner industriale. Si sono quindi integrati i componenti sviluppati nel sistema basato su HT-PEMFC in modo da indagarne le prestazioni. In secondo luogo si è sviluppato un modello matematico che simula il funzionamento del Fyrewall, un innovativo purificatore elettrochimico, in grado di produrre idrogeno fortemente purificato. Dopodiché il modello del Fyrewall è stato inserito nell’impianto e la HT-PEMFC è stata sostituita da una LT-PEMFC. Infine sono state calcolate le prestazioni del sistema basato su Fyrewall e LT-PEMFC e i corrispettivi indicatori di prestazioni sono stati confrontati con quelli calcolati per il sistema basato su HT-PEMFC.