Sviluppo e validazione di un modello matematico di un sistema cogenerativo basato su celle a combustibile di tipo PEM

Fuel cells are promising technologies for cogeneration and distributed energy production. They represent an interesting alternative to conventional thermal power stations. This is mainly due to the high efficiency and the quiet and environmentally friendly operation. This work focuses on the development, in MatLab environment, of a complete model of a real combined heat and power system formed by the fuel processor for fuel conversion, the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), the heat exchangers, the humidifier, the water circuits and the auxiliary components. The objective of this study is the validation of the model through the experimental data provided by ICI Caldaie and Fuel Cells Laboratory of the Politecnico di Milano. Once validated, it becomes a useful tool for the optimization of system operation. Briefly, it will be possible to change the controlled parameters and observe the system behavior. Some simulations have been carried out as example of model potential: at partial loads, at variation of temperature at the outlet from the steam reformer and of the current. To effectuate them, control logics adapted to the system have been developed.

Le celle a combustibile sono una promettente tecnologia per lo sviluppo di sistemi cogenerativi per la produzione di energia distribuita e rappresentano un’interessante alternativa alle tradizionali centrali termoelettriche. Ciò è principalmente dovuto alla elevata efficienza ottenibile nella produzione di energia elettrica e calore in modo decentrato, silenzioso e rispettoso dell'ambiente. Il presente lavoro si concentra sullo sviluppo, in ambiente MatLab, di un modello completo di un reale sistema cogenerativo costituito dal fuel processor per la conversione del combustibile, dalle celle a combustibile a membrana polimerica (PEMFC), dagli scambiatori di calore, dall’umidificatore, dai circuiti dell’acqua e dagli ausiliari. L'obiettivo dello studio è la validazione del modello attraverso i dati sperimentali forniti da ICI Caldaie e dal Laboratorio Fuel Cells del Politecnico di Milano. Una volta validato, diventa uno strumento utile per l’ottimizzazione del funzionamento della macchina. Sinteticamente, sarà possibile cambiare i parametri di controllo e studiare il comportamento del sistema. Sono state effettuate alcune simulazioni come esempio delle potenzialità del modello: a carichi parziali, al variare della temperatura in uscita dallo steam reforming e della corrente. Per poterle eseguire sono state sviluppate delle logiche di controllo adeguate al sistema.