Micro-cogeneration with PEM fuel cells and membrane reactor technology

Combined Heat & Power (CHP) technologies are distinctive mediums towards the conquest of an efficient management of the energy resources. This PhD thesis studies the development of a residential scale PEM fuel cell based micro-CHP system for the provision of approximately 2 kW electric and 2-3 kW thermal power from natural gas (NG), with overall efficiencies in the range of 80-100 %. Within this setting, the scope of the work sets special focus on the implementation of innovative natural gas processing technology through the adoption of hydrogen selective permeable membranes integrated into a steam methane reforming reactor for the extraction of pure hydrogen for feeding a fuel cell. With the proposed arrangement, from an energetic point of view, the main advantages that bring out an improvement of performance compared to the conventional technologies are the lower exergy of the heating stream required for Steam Methane Reforming, the use of pure hydrogen in the fuel cell anode and the 100% fuel utilization at the fuel cell. Research is aimed towards numerical simulation as well as experimentation for the assessment and validation of the models used. The work comprises three approaches to the problem and then integrates them. The first one involves a systemic model for the integration of the fuel processor, the power generation system and thermal recovery integration. Then, detailed CFD and phenomenological models of membrane reactors of the fixed and fluidized bed type respectively were used for in-depth analysis of the innovative fuel processor. Finally experimental research was performed on a fluidized bed membrane reactor, and obtained results integrated into the prior two levels of modelling approach. The economic viability of the proposed system was studied putting into evidence the effect on lifetime economic turnover of the conditions of energy market in major economies in Europe, North America and Asia. Finally, a design of the proposed 2 kW CHP system is presented including detailed description of the fluidized bed membrane reactor.

Le tecnologie per la cogenerazione (Combined Heat & Power o CHP) presentano grandi potenzialità per l’utilizzo efficiente delle risorse energetiche. Questa tesi di dottorato analizza un cogeneratore alimentato a gas naturale basato su cella a combustibile PEM per applicazioni residenziali (micro-CHP). Il sistema è progettato per produrre una potenza elettrica pari a circa 2 kW elettrici e, grazie al recupero di 2-3 kW di potenza termica, le efficienze complessive del sistema sono comprese tra l’80 e il 100 % del potere calorifico inferiore in ingresso. Nello specifico, il lavoro pone particolare attenzione sull’adozione di tecnologie innovative per la conversione del gas naturale: sono analizzate membrane permeabili selettive all’idrogeno integrate in reattori di steam reforming del metano. Il reattore risultante, denominato reattore a membrana, produce idrogeno puro che alimenta la cella a combustibile. Il reattore a membrana consente, dal punto di vista energetico, un miglioramento delle prestazioni rispetto alle tecnologie convenzionali grazie alla riduzione dell’exergia del flusso di riscaldamento necessario per lo steam reforming del metano, l'uso d’idrogeno puro nella cella a combustibile e il completo utilizzo del combustibile che alimenta la cella stessa. La ricerca è svolta attraverso la simulazione numerica e successiva validazione dei modelli tramite misure sperimentali coniugando diversi livelli di analisi del problema. Il primo è consistito nello sviluppo di un modello del sistema complessivo che comprende il sistema di conversione del combustibile, la conversione elettrochimica e la sezione di recupero termico. In seguito, due modelli, uno basato su modelli fluidodinamici (CFD-2D) e uno fenomenologico (1D) di reattori a membrana del tipo a letto fisso e fluidizzato rispettivamente, sono stati utilizzati per un’analisi approfondita del sistema di conversione del gas naturale. Infine, è stata svolta una campagna sperimentale su un reattore a membrana a letto fluidizzato per integrare e validare i risultati ottenuti con i due precedenti livelli di simulazione. La fattibilità della soluzione proposta è stata valutata economicamente attraverso il ritorno economico alla fine del ciclo di vita del sistema al variare delle condizioni di mercato dell'energia presenti nelle maggiori economie europee, nord americane e asiatiche. Infine, è proposto un disegno del sistema CHP investigato di taglia pari a 2 kW elettrici, con particolare attenzione sul reattore a membrana a letto fluidizzato.