Predictive modelling and adaptive lon-term optimization of a high temperature PEM fuel cell based micro-chip system

Proton exchange membrane (PEM) fuel cell based combined heat and power (CHP) systems are recognized as promising alternatives for addressing electrical and thermal needs of residential buildings. Low temperature PEM fuel cell (LT-PEM FC) is the most commonly used PEM technology for CHP applications; however, employing this type of stack results in many operational issues. High temperature PEM fuel cell (HT-PEM FC) technology has been introduced as a potential substitute to resolve these problems. Nevertheless, HT-PEM stacks suffer from a significant degradation which can have a considerable negative effect on the performance of the system. Accordingly, this fact should be taken into account while investigating the performance of HT-PEM FC based CHP systems and attempting to improve their corresponding performance. In the present thesis, starting from an existing (LT-PEM FC) based cogeneration system (Sidera30), a new high temperature PEM fuel cell (HT-PEM FC) based unit is proposed. Next, physical phenomena based models, for all of the components of the plant, are developed. After validating the developed models using available experimental data, the overall plant model is utilized to determine the performance indices of the new system and the obtained indices are subsequently compared with those achieved by the existing LT-PEM based plant. Next, a parametric study is conducted in order to study the effect of key operating parameters on the overall performance of the system. In the next step, partialization and power to heat shifting strategies are applied to the plant in order to determine the performance indices of the system while covering a wide range of electrical and thermal generations. Multi-objective optimization method is then employed in order to determine the optimal operating points while operating both at full load and partial load conditions. Since both the stack and the fuel processor suffer from a considerable degradation, in order to forecast the corresponding effect, the available experimental data is utilized to develop a predictive model which can estimate the degradation in these components. Employing the developed model, long term performance of the system is subsequently evaluated and the resulting variations in the thermal and electrical generations are determined. Partialization and recovery strategies are then proposed and applied respectively to diminish the mentioned variations. The next part of the thesis is focused on adaptive long term optimization of the plant taking into account the electrical efficiency and the plant productions (electrical or thermal) as objective functions. The optimization is carried out at 6 time steps, chosen based on the degradation profile of the plant, resulting in a Pareto front (set of optimal points) for each time interval. Employing the obtained results guarantees optimal operation at a wide range of thermal and electrical productions for each interval. In the last chapter an additional activity is carried out which is devoted to long-term economic optimization of the plant taking into account the capital cost and cumulative average electrical efficiency as objectives. A set of optimal point are accordingly achieved each of which is a trade-off between the required capital cost and the predicted performance.

I sistemi cogenerativi basati su celle a combustibile a membrana polimerica (PEM) sono considerati una promettente alternativa ai tradizionali sistemi per soddisfare i bisogni elettrici e termici degli edifici residenziali. Le celle a combustibile polimeriche a bassa temperatura (LT-PEM FC) costituiscono la tecnologia più comunemente utilizzata per le applicazioni di cogenerazione. Nonostante ciò, l'applicazione di questo tipo di celle comporta diversi problemi operativi, ormai ampiamente noti e studiati nella letteratura, e la tecnologia delle celle a combustibile polimeriche ad alta temperatura (HT-PEM FC) è stata introdotta come potenziale alternativa per risolvere tali problemi. Anche le celle HT-PEM presentano alcune problematiche, di queste la più limitante è la forte degradazione dei materiali con conseguente importante degrado delle prestazioni,il degrado delle prestazioni deve quindi essere considerato nello studio e nell’analisi dei sistemi cogenerativi basati sulle celle di tipo HT-PEM. In questa tesi viene proposto un sistema cogenerativo basato sulla tecnologia delle celle HT-PEM, a partire da un sistema esistente basato su celle di tipo LT-PEM. Sono stati sviluppati e validati i modelli dettagliati di tutti i componenti d'impianto.Il modello complessivo dell'impianto è infine utilizzato per determinare gli indici di prestazione del nuovo sistema, tali indici sono confrontati con quelli ottenuti dall'impianto già esistente basato sulle celle di tipo LT-PEM. Viene quindi condotto lo studio parametrico per analizzare gli effetti dei parametri chiave sulla prestazione complessiva dell'impianto. In seguito, sono applicati sull'impianto i metodi di parzializzazione e di variazione delle quote di potenza elettrica e termica prodotte, al fine di determinare gli indici di prestazione del sistema mentre opera per coprire un ampio intervallo di produzione termica ed elettrica. Il metodo di ottimizzazione multi-obiettivo è successivamente impiegato per determinare le condizioni operative ottimali dell'impianto. In considerazione del fatto che sia lo stack che il fuel processor risentono di una degradazione significativa, i dati sperimentali disponibili sono stati utilizzati per sviluppare un modello predittivo che possa stimare il valore della degradazione dei componenti. Il modello sviluppato è utile per stimare la prestazione di lunga durata del sistema e le corrispondenti variazioni nella produzione termica ed elettrica in funzione della degradazione. Vengono quindi proposte ed applicate strategie di parzializzazione e recupero per mitigare le variazioni sopra menzionate. La parte successiva della tesi si focalizza sull'ottimizzazione adattiva di lungo periodo dell'impianto, tenendo in considerazione l'efficienza elettrica e le produzioni (termica o elettrica) dell'impianto come obiettivi. L'ottimizzazione è condotta in sei passaggi, scelti sulla base del profilo di degradazione dell'impianto, essa fornisce un insieme di punti ottimali (Pareto front) per ogni intervallo di tempo indagato dal processo di ottimizzazione. L'impiego dei risultati ottenuti garantisce operazioni in condizioni operative ottimali con un intervallo ampio di produzione termica ed elettrica. L'ultima fase del progetto comprende un'attività aggiuntiva riguardante l'ottimizzazione economica di lungo termine dell'impianto, considerando il costo e il rendimento elettrico come obiettivi. Il risultato dell’ottimizzazione economica consiste in una serie di punti ottimali, ognuno dei quali è un compromesso tra l’investimento economico e la prestazione prevista.