Techno-economic analysis of PEMFC-based micro-cogenerators and LT-PEMFC test-bench design and experimentation

This work assesses the convenience of different 10 kWel micro-cogenerators based on PEMFC and the design of a test-bench for LT-PEMFCS with further experimental activities on a 1 kWel stack. The first part includes the design and simulation of three micro-cogenerators in ASPEN PLUS®: a steam reforming coupled with a LT-PEMFC, a steam reforming coupled with an HT-PEMFC and a membrane auto thermal reforming coupled with a LT-PEMFC. From the simulation it was possible to determine the systems behaviour in nominal and off-design conditions. The three CHP systems are integrated in a distributed generation scenario, working as suppliers of electricity and heat to two or more residential users. Micro-CHP energy and economic balance is evaluated using an in-house software, based on a heuristic algorithm that explores and defines the optimal CHP system operating strategy vs. defined load and tariff profiles. The membrane auto thermal reforming coupled with a LT-PEMFC configuration achieves the highest micro-CHP economic saving on a yearly basis. The economic analysis also sets the maximum cost of the innovative CHP system being economically competitive with respect to centralized power generation and conventional boilers. Then, a test-bench for LT-PEMFCS has been designed and built to deepen the knowledge of these devices. Some experimental tests, including polarization curves and EIS, has been performed to study the reaction of the stack to the cathode inlet humidity and to finely tune the test-bench itself. From the techno-economical investigation it was possible to determine that the studied cases show high first principle efficiencies in a range between 87%LHV and 89.5% LHV at nominal load. This solution can be economically appealing under certain conditions of demand. Among the three solutions the membrane reforming coupled with a LT-PEMFC results the most promising one. The experimental analysis showed that a correct humidification of the membrane is critical to minimize issues within the stack itself. An excessive humidification results in a lowered ohmic resistance of the membrane, which can decrease from around 0.2 Ω*cm2 to values closer to 0.1 Ω*cm2, but may lead to the cell flooding.

L'obbiettivo di questo lavoro è l'analisi della sostenibilità economica di diversi micro-cogeneratori basati su celle a combustibile con una potenza di taglia di 10 kWel, inoltre è stata affrontata la progettazione di un banco prova per uno stack di PEMFC da 1 kWel con ulteriori attività sperimentali associate. La prima parte include la progettazione e la simulazione dei tre micro-cogeneratori in ASPEN PLUS®: uno steam reforming accoppiato ad una LT-PEMFC, uno steam reforming accoppiato ad una HT-PEMFC ed un reforming autotermico accoppiato ad una LT-PEMFC. Da queste simulazioni è stato possibile calcolare il comportamento in condizioni nominali ed ai carichi parziali. I tre cogeneratori sono quindi stati inseriti in diversi scenari di generazione distribuita, nei quali forniscono energia elettrica e termica a due o più utenze domestiche. I bilanci economici ed energetici di questi impianti sono stati valutati utilizzando DCogen, un programma sviluppato internamente basato su un algoritmo euristico. Questo software definisce la strategia di ottimo del CHP rispetto ai diversi profili di carico e di costo delle risorse. Successivamente è stato progettato e realizzato un banco prova per stack di LT-PEMFC al fine di approfondire la conoscenza di questi dispositivi. Sullo stesso banco sono stati svolti degli esperimenti, in particolare delle curve di polarizzazione e delle EIS, per studiare gli effetti dell’umidificazione del catodo. L'analisi tecno-economica ha consentito di determinare che i casi studiati presentano tutti un'elevata efficienza di primo principio, entro un intervallo dall'87%PCI all'89.5%PCI a carichi nominali. Sotto certe condizioni gli impianti studiati sono economicamente vantaggiosi rispetto alla generazione separata. Tra tutti gli impianti studiato quello basato sul reattore autotermico a membrane e una cella a combustibile a basse temperature è risultato il più promettente. L'analisi sperimentale ha dimostrato che una corretta umidificazione della membrana è essenziale al buon funzionamento di uno stack. Un'eccessiva umidificazione risulta nella riduzione della resistenza ohmica della membrana, portando in alcuni casi a ridurre questa resistenza da circa 0.2 Ω*cm2 a valori prossimi a 0.1 Ω*cm2, ma può portare all'allagamento della cella.