Design and implementation of an experimental test loop for micro-scale SOFC systems

The purpose of this work is to develop a test loop for a micro-scale power system (10-100W) based on the solid oxide fuel cell (SOFC) technology. The unit under investigation aims at powering control and monitoring instrumentations for the natural gas network in remote areas. From an analysis of the possible solutions for power generation in remote and/or off-grid areas the evaluation of the constraints that characterize the application, the electrochemical conversion of natural gas through an SOFC-based system has appeared as the most promising solution. From a literature review of the state-of-the-art solutions for SOFC power system and starting from of the layout proposed in a previous research activity, remarkable improvements have been made in terms of both layout simplicity and system efficiency. Two schemes have been developed for SOFC-based power units. The first one has been studied for innovative fuel cell capable to operate at 500°-700°C with dry methane as fuel. The second one is related to the adoption of commercially available SOFC, which require a hydrogen-rich syngas as feeding. The last cited scheme has been designed to have a mixture at SOFC inlet that does not favour thermodynamically the formation of coke, without penalizing the system performances or limiting the possible sites of installation. After having identified the most promising layout, a test loop has been designed to enable the experimental activities on both the critical components and the entire system. With the objective to avoid undesired and costly rupture of the fragile SOFC, as a first step the proposed test loop replaces the installation of a SOFC stack with the development of an innovative emulator to reproduce the cell-streams interactions. In this work, two test loop configurations are presented and for each of them the start-up and light-off procedures have been studied. In parallel with these activities, the evaluation of the best market-available solutions for key components and test loop instrumentation was carried out, defining an approximate cost for the system implementation.

Questo elaborato di tesi si pone l’obiettivo di sviluppare un banco di prova per un sistema di produzione di energia elettrica di micro-scala (10 – 100 W) basato su celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC), avente come applicazione l’alimentazione di strumentazione per il controllo e monitoraggio della rete di distribuzione del gas naturale in aree remote. A partire da una analisi delle soluzioni disponibili per la produzione di piccola taglia e tenendo in considerazione le limitazioni che caratterizzano l’applicazione di interesse, la possibilità di convertire elettrochimicamente il gas naturale stesso in un sistema SOFC è emersa essere la soluzione più promettente. Partendo da una revisione della letteratura relativa ai sistemi SOFC e dei layout di impianto proposti in un lavoro precedente, sono state apportate alcune migliorie da un punto di vista della semplicità e dell’efficienza del sistema. Due soluzioni impiantistiche sono state evidenziate per la produzione di energia elettrica tramite SOFC. Una adatta a celle avanzate in grado di operare con metano secco nell’intervallo di temperatura 500-700°C ed una per componenti commerciali da alimentare con gas di sintesi ad alto contenuto di idrogeno ed operate nel medesimo intervallo di temperatura. Quest’ultimo schema è stato sviluppato con l’obiettivo di avere una miscela in alimentazione alla cella che non favorisca da un punto di vista termodinamico la formazione di nero-fumo, ma senza andare a penalizzare il rendimento del sistema o limitarne le possibilità di impiego. A seguito della definizione degli schemi di impianto di interesse, è stato sviluppato un banco di prova in grado di operare test su singoli componenti del sistema e sull’assieme. Al fine di permettere una fase sperimentale priva di rischi per il componente SOFC, il quale è identificabile come il più fragile e costoso dell’impianto, il banco di prova è stato pensato per essere operabile dapprima senza l’installazione di uno stack. A tale scopo, è stato identificato un innovativo sistema di emulazione delle principali interazioni tra fluidi e cella a combustibile. Due configurazioni del banco di prova sono presentate in questo elaborato e per ognuna di esse è stata definita una procedura di avvio ed accensione dei reattori catalitici. In parallelo sono state individuate sul mercato le migliori soluzioni per la fornitura dei componenti essenziali del sistema e la strumentazione necessaria al controllo del loop, andando così a definire un costo di massima per la sua messa in opera.