Caratterizzazione sperimentale del fuel processor di un sistema cogenerativo a PEFC

At the present time, micro-cogeneration represents a way to reduce both primary energy consumption and pollutant emissions for civil and industrial power generation. Amongst small scale cogeneration systems stand out those based on the fuel cell technology thanks to their high electric efficiency and low environmental impact. In this context, fits the REAL-FC (Residential Application in Lombardy of Fuel Cell systems) project, funded by Lombardy region, that implies the testing of two cogenerative systems, over 5 years, to evaluate their competitiveness. The system being tested, known as Sidera 30, it's a cogenerator prototype produced by ICI Caldaie based on polymer electrolyte fuel cells. This system has the ability to obtain a syngas rich in hydrogen, to power the full cells, from methane that is avaliable through the national gas distribution network. It follows that an experimental characterization of the Fuel Processor (whose task is to carry out the fuel conversion) is fundamental since it has a strong influence on the fuel cells' operation and on the overall efficiency. In this thesis a set of experimental test of the fuel processor has been made to determine the system's criticalities. During these tests, the Sidera 30's instruments as well as the Department of Energy's instrumentation. A data analysis and elaboration method has been designed allowing to: detect a systematic error on the chromatographic measure of CO2; correct the detected systematic error; evaluate the fuel conversion process efficiency. Finally the experimental characterization of the Fuel Processor has been completed by a PROX reactor and fuel cells stack simplified modelization to evaluate the influence of the fuel conversion process on the global efficiency.

Attualmente la microcogenerazione rappresenta, sia in ambito civile che industriale una delle possibilità che consentono la riduzione dei consumi di energia primaria e delle emissione inquinanti collegate alla generazione energetica. Fra i vari sistemi cogenerativi di piccola taglia spiccano quelli basati sulla tecnologia delle celle a combustibile poiché presentano elevate efficienze e un impatto ambientale molto basso. In questo contesto si inserisce il progetto REAL-FC (Residential Application in Lombardy of Fuel Cell systems) finanziato dalla regione Lombardia che prevede, da parte del Politecnico di Milano, la sperimentazione di due sistemi cogenerativi al fine di valutarne, nell'arco di 5 anni, l'effettiva competitività. Il sistema in analisi, noto come Sidera 30, è un prototipo di cogeneratore prodotto da ICI Caldaie basato su celle a combustibile ad elettrolita polimerico (PEFC). Tale sistema è in grado di ottenere, a partire dal gas metano disponibile dalla rete di distribuzione nazionale, un syngas ad alto tenore d'idrogeno da alimentare alle celle. Risulta quindi fondamentale caratterizzare sperimentalmente il Fuel Processor, ovvero, il componente avente il compito di effettuare tale conversione. Esso ha, infatti, una forte influenza sul funzionamento dello stack di celle nonché sull'efficienza globale del sistema. Nell’ambito della presente tesi di laurea si è realizzata una campagna di prove sperimentali di caratterizzazione del fuel processor in grado di determinare le criticità proprie del sistema in analisi. Durante tali test ci si è avvalsi sia dei sensori disponibili nel sistema di misura del Sidera 30 sia della strumentazione del Dipartimento di Energia. E’ stato in seguito sviluppato un metodo di analisi ed elaborazione dei dati che ha permesso di: individuare un errore sistematico nella misura gascromatografica della CO2; correggere l’errore sistematico riscontrato; valutare l'efficienza di conversione del combustibile. Infine si è integrata la caratterizzazione sperimentale del Fuel Processor con una modellizzazione semplificata del reattore di ossidazione preferenziale della CO e dello stack di celle a combustibile in modo da valutare l'impatto del processo di conversione del combustibile sull'efficienza globale.