Experimental development of an innovative hydrogen fired catalytic heater : design and testing of a laboratory prototype

The interest in hydrogen technologies have been increasing in the last few years. Theinvestments are multiplied and it is not far from using hydrogen inside the buildings. Oneof the possible end-users applications is the heating of the building and sanitary water.This work aims to design and test a laboratory prototype of a 25 kW hydrogen-firedcatalytic boiler. The system, which is actually patent-pending, includes the partial recirculation of the exhaust gasses, up to 70%, to increase the condensation inside the heat exchanger trying to reach, according to the simulations, a maximum efficiency of 107%, on LHV basis (lower heating value). Thanks to the use of the catalyst the hydrogen concentration inside the system can be kept low, guaranteeing elevated safety. Moreover, the catalyst surface temperature during the reaction is lower than the flame temperature allowing to have a small production of NOx. The simulations made in a previous work with the aid of Aspen Plus are the starting point of this work. The prototype sees three main steps of evolution: (i) a simplified system, (ii) a fully instrumented system and (iii) an innovative system. In its final configuration, the boiler has the main components of a common boiler: blower, heat exchanger and the fuel injection valve. However, it stands out for the presence of the catalyst on which the combustion reaction occurs and the recuperative heat exchanger. The prototype is installed in the Laboratory of Energy Storage and Conversion (LabX) of Politecnico di Milano. Experiments are done to evaluate the improvements, understand the behaviour of the different components, find the sections where additional improvements are needed and test the performance of the system. During the experimental campaign, among others, an error in the design of the heat exchanger was found and addressed. At lower power the heat exchanger performances are acceptable. So a low power is used to obtain relevant efficiency values in the final tests on the innovative system (5-10 kW). The maximum efficiency value measured is 113%, on LHV base, with 68% of recirculation of exhaust gasses.

Negli ultimi anni l’interesse verso le tecnologie riguardanti l’idrogeno sta crescendo. Gli investimenti nel settore si moltiplicano e non si è lontani dal vedere l’idrogeno all’interno degli edifici. Infatti, una delle possibili sue applicazioni da parte di un utente finale è il riscaldamento degli edifici e dell’acqua sanitaria. L’obbiettivo di questo lavoro è di progettare e testare il prototipo da laboratorio di un boiler catalitico da 25 kW alimentato ad idrogeno. Il sistema, che sta venendo patentato, prevede il parziale ricircolo dei gas combusti, fino al 70%, per aumentare la condensa all’interno dello scambiatore e raggiungere una massima efficienza, secondo le simulazioni, del 107% su base PCI (potere calorifico inferiore). Grazie all’utilizzo del catalizzatore la concentrazione di idrogeno all’interno del sistema può essere tenuta bassa garantendo un elevata sicurezza. Inoltre, la temperatura di reazione sul catalizzatore è più bassa della temperatura di fiamma e permette una bassissima produzione di NOx. Il prototipo è realizzato partendo da delle simulazioni precedentemente realizzate con Aspen Plus. Il prototipo ha incontrato tre stadi di sviluppo principali: sistema semplificato, sistema completamente strumentato e sistema innovativo. Nella sua configurazione finale il prototipo ha i principali componenti di una caldaia comune: un ventilatore, uno scambiatore di calore e una valvola per l’introduzione del combustibile. Tuttavia si distingue per la presenza di: il catalizzatore sul quale avviene la combustione e il preriscaldatore recuperativo. Il prototipo è installato all’interno del laboratorio di Energy Conversion and Storage (LabX) del Politecnico di Milano. Vengono eseguiti una serie di esperimenti per: verificare i miglioramenti, per capire il comportamento dei differenti componenti, per individuare le criticità e per valutare le prestazioni del sistema. Durante la campagna prove, tra le atre, è stato stabilito che: nella progettazione dello scambiatore di calore è stato commesso un errore. Con basse potenze lo scambiatore riesce a lavorare sufficientemente bene. Quindi per ottenere un valore di efficienza del sistema rilevante, nelle prove finali sul sistema innovativo vengono usate basse potenze (5-10kW). Il massimo valore di efficienza misurato è del 113%, su base PCI, con una frazione di aria ricircolata del 65%.