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ROEN EST

ARCOTRONICS SpA - Via San Lorenzo, 19 40037 Sasso Marconi BO Tel.: (+39) 051 939111 Fax.: (+39) 051 840684

Torino, 16 Giugno 2004

Arcotronics Fuel Cells

A. D’AnziArcotronics Fuel Cells Srl, Via S. Lorenzo 19, 40037, Sasso Marconi (BO) Italy

Sviluppo di sistemi a fuel cell: l’esperienza di Arcotronic Fuel Cells

Azienda Multinazionale Fondata negli anni 60 da Olivetti e

Rockefeller Situata a Sasso Marconi - Bologna Attività principali: Produzione di condensatori, macchinari per

la produzione di condensatori e batterie. Fatturato del gruppo: 236 milioni di Euro Personale: 2500

ARCOTRONICS NISSEI GROUPProfilo del Gruppo ROEN EST

ARCOTRONICS ITALIA SpA - Via San Lorenzo, 19 40037 Sasso Marconi BO Tel.: (+39) 051 939111 Fax.: (+39) 051 840684

ARCOTRONICS NISSEI GROUPArcotronics nel mondo

Arcotronics Ltd.Arcotronics Ltd.(Great(Great BretainBretain))

ArcotronicsArcotronicsBauelementeBauelemente(Germany)(Germany)

Arcotronics FranceArcotronics France SarlSarl

•• Arcotronics ItaliaArcotronics Italia•• AerreAerre MachinesMachines•• 2A s.r.l.2A s.r.l.•• LogimecLogimec•• Arcotronics fuel cellArcotronics fuel cell

(Italy)(Italy)

Arcotronics Arcotronics (Bulgaria)(Bulgaria)

NisseiNissei DenkiDenki

ArcotronicsArcotronics(China)(China)

NisseiNisseiDenkiDenki(Singapore)(Singapore)

•• NisseiNissei DenkiDenki•• NisseiNissei ElectricElectric

(Japan)(Japan)

Arcopacific Arcopacific (Taiwan)(Taiwan)

NISSEI Arcotronics AmericaNISSEI Arcotronics America(USA)(USA)

ROEN EST

ARCOTRONICS ITALIA SpA - Via San Lorenzo, 19 40037 Sasso Marconi BO Tel.: (+39) 051 939111 Fax.: (+39) 051 840684

Società a responsabilità limitata Fondata nel 2000 sotto il nome di ROEN EST. Nel 2003 è stata incorporata nel Gruppo

ARCOTRONICS NISSEI Sede legale ed operativa: Sasso Marconi -

Bologna Attività: Produzione di stack e sistemi basati su celle

ad elettrolita polimerico (PEFC)

ARCOTRONICS FUEL CELLProfilo dell’azienda ROEN EST

ARCOTRONICS FUEL CELLS Srl – www.arcotronicsfuelcells.com

ARCOTRONICS FUEL CELLSROEN ESTPerché l’idrogeno?


CARBONE

RIFIUTI

OLIO

GAS NATURALE

BIOMASSE

GEOTERMICO

SOLARE

EOLICO

NUCLEARE

IDROELETTRICO

REFORMING

RAFFINAZIONE

CICLO TERMICO ELETTROLISIH2

FV

GASSIFICAZIONE

H2

SHIFT SEPARAZ. CO2

CO2

O2

Metanolo/Etanolo

Vettore energetico

Riduzione inquinamento locale

Riduzione inquinamento globale

Utilizzo molto efficiente nelle FC

ARCOTRONICS FUEL CELLSROEN ESTFuel Cells


CARICO

Cat

odo

An

odo

Elettrolita

Canale dell’ossidante

Canale del combustibile

catalizzatoriO2

H2O

e- e-

H +H2

H2 => 2H+ + 2e- 1/2 O2 + 2H+ + 2e- => H2O

H2 + 1/2 O2 => H2O

ARCOTRONICS FUEL CELLSROEN ESTFuel Cells


CARICO

CatodoAnodo Elettrolita

e- e-

O2

H2

H2OO =

SOFC 750-1000°C

H2 O2

H2OCO2

CO2

CO3=

MCFC 650°C

H2

O2

H2OH +

PAFCPEM

200°C70-120°C

DMFCCH3OH

H2O H+

CO2

H2O

O2

70-120°C

ARCOTRONICS FUEL CELLSROEN ESTPerché le fuel cells nei veicoli?


Efficienza molto elevata con H2 Efficienza elevata anche ai carichi parziali Basse emissioni gassose ed acustiche (CO2 , CO, NOx,

benzene, polveri fini) Flessibilità nella scelta del combustibile primario Alte potenzialità di sviluppo in termini di affidabilità

e durata

Abbattimento dei costi Stoccaggio del combustibile Durata della pila Integrazione automotive Rete di distribuzione e manutenzione

Sfide

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

Eff

icie

nza

(%)

Potenza della stack (%)

CURVA TIPICA DI EFFICENZA MOTORE A CICLO OTTO

0

5

10

15

20

25

30

2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800

[rpm]

[%]

Efficienza

Motore CI

Fuel Cells

45 % FC

vs.

15% Motori CI

ARCOTRONICS FUEL CELLSROEN ESTPerché le PEFC?


Nessun problema di start up se si utilizzo H2 Elevata densità di potenza Tutti i componenti allo stato solido Elevati margini di riduzione dei costi

Materiali Manufacturing

Vite operative dello stack già compatibili con impieghi automotive

Punti critici per la produzione in larga scala di stack PEFC: Problemi di contatto e tenuta tra il MEA ed i piatti bipolari I problemi di tenuta aumentano con l’aumentare del numero di

celle dello stack Le guarnizioni tradizionali implicano uno spreco di MEA Ogni singola cella necessita il posizionamento di tre distinti

elementi (il MEA e le 2 guarnizioni) durante l’assemblaggio dello stack

Necessità di introdurre processi a basso costo La produzione industriale necessita controllo di qualità per

garantire standard e prestazioni O & M richiedono la capacità di disassemblare lo stack

salvaguardando l’integrità del MEA e le prestazioni delle celle

Perché MEGA®?

ARCOTRONICS FUEL CELLSROEN EST


All’interno di un progetto di collaborazione con la divisione ENEA IDROCOMB, è stata sviluppata una tecnologia PEFC capace di operare con eccellenti prestazioni, a pressione atmosferica e bassi carichi di platino agli elettrodi. Il brevetto registrato sotto il nome di MEGA® (membrane electrode gasket assembly), individua una tecnologia capace di permettere elevata qualità del prodotto e basi costi di produzione.

La tecnologia brevettata MEGA®

Principali referenze dei test di caratterizzazione del

MEGA®:A. Pozio et alii, Journal of Power Sources vol. 112 p. 491 – 496 (2002)A. Pozio et alii, Journal of New Materials for Electrochemical Systems 6, 157-162 (2003)



MEGA®

Membrane Electrode Gasket

Assembly

LA tecnologia brevettata MEGA®



MEGA®

1 solo elemento

Tradizionale composta da 3

elementi1 MEA 2

guarnizioni

LA tecnologia brevettata MEGA®



CaratteristicheCaratteristiche

2 guarnizioni per ogni MEA

Le guarnizioni non sono in contatto con le superfici porose degli elettrodi

La membrana sporge la superficie degli elettrodi

DifettiDifetti

• Difficoltà di allineamento nel montaggio

• Spreco di membrana

• Difficoltà di riutilizzo

Tenute nel MEA : approccio tradizionale

Piatti bipolari

guarnizioni Membrana

GDL

Prima della compressione

Dopo la compressione

Piatti bipolari

GDL

Membrana



CaratteristicheCaratteristiche Il MEGA® è realizzato

inserendo la MEA in un gasket fuso

La superficie della membrana ≈ MEA

VantaggiVantaggi 1 solo elemento contro 3 Nessun spreco di membrana Possibilità di riutilizzo Semplicità controllo qualità

Tenute nel MEA : l’approccio del MEGA®

LA tecnologia MEGA® offre vantaggi durante le fasi di produzione, assemblaggio e funzionamentoproduzione, assemblaggio e funzionamento

Piatti bipolari

MEGA®

Membrana GDL



Produzione del MEGA®

La miscela,iniettata mediante un dispositivo in pressione sui bordi del MEA, solidifica in pochi secondi.

Il MEA è inserito in uno stampo di alluminio riscaldato (60°C) e corredato di fori per l’iniezione della miscela al silicone.

Sistema di stampaggio per iniezione



Assemblaggio dello stack

A. TestateB. GuarnizioniC. Piatti bipolariD. M.E.G.A

La tecnologia MEGA® semplifica

la centratura e riduce i tempi di

assemblaggio



Vantaggi del MEGA®

RIDUZIONE DEI COSTI grazie ad un uso ottimale della membrana

MANUFACTURING riduzione del tempo di assemblaggio e semplificazione della procedura

Semplicità nel CONTROLLO QUALITA’ e STOCCAGGIO

OPERATION semplicità nella sostituzione di eventuali celle malfunzionanti

MANUTENZIONE I MEGA® possono essere riutilizzati più volte senza perdita di prestazioni



Anode : H2 Dead End @ P anode = 1,7 bara

Cathode : Air @ 4 , P cathode = 1 bara

Tcell=65°C, Nafion 112 Membrane – Electrode Active Area 278 cm2

50 cells, 5 kW – prestazioni di stack

Test stack polarizzation curve

0

10

20

30

40

50

60

0 30 60 90 120 150

Stack Current [A]

Sta

ck

vo

lta

ge

[V

]

Test single cell polarizzation curve

0

0,3

0,6

0,9

1,2

0 200 400 600

Current density [mA/cm2]

Sta

ck

vo

lta

ge

[V

]

0,7 Volt @ 500 mA/cm2



Test di durata per le tenute del MEGA®

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0 480 960 1440 1920 2400 2880 3360 3840

Time/h

Cel

l Vol

tage

/V

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Pow

er/k

W m

-2

Tcell=70°C, Tanode=80°C, Tcathode=65°C - O2/H2 200 scc/min/,

p(O2 and H2) = 1.2 abs bar, Current Density 140 mA/cm2

Nafion 115 Membrane - Electrode Area 106 cm2



Lo sviluppo degli stack

1999-20002000

2000-20012001

200420022001-2002



1. Veicolare (APU, trazione)2. CHP stazionario3. Applicazioni portabili.

Il mercato delle FC è attualmente diviso in 3 segmenti principali:

Ci sono inoltre alcune interessanti nicchie di mercato, come generatori super silenziosi, generatori nautici, etc.

ARCOTRONICS FUEL CELLSIl mercato ROEN EST

Penta H2 Electrum OEMElectrum 5 kW stack


ARCOTRONICS FUEL CELLS

PROGETTI IN PROGRESS

ROEN EST


DAILY FUEL CELL

PARTNERS

ARCOTRONICS FUEL CELL

Progetto ecomobility ROEN EST



ROEN EST

Il veicolo è un basato sul modello IVECO DAILY da 65 Q.li, già omologato e in produzione in versione elettrica. Nella versione ad idrogeno, il veicolo è equipaggiato con uno stack di celle a combustibile (Fuel Cell), che produce sufficiente energia da raddoppiare la percorrenza del veicolo puramente elettrico. L’idrogeno viene stoccato a bordo in forma di gas compresso all’interno di appositi recipienti in materiali compositi.L’allestimento elettrico è situato all’interno del telaio del veicolo, mentre l’allestimento per l’idrogeno è posto nel vano motore. Questa soluzione permette di mantenere libera la zona al di sopra dei longheroni ed equipaggiare il veicolo con tutti gli allestimenti previsti per la normale versione endotermica, senza alcuna limitazione.Anche la distribuzione dei pesi è stata ottimizzata, in modo da avere il veicolo perfettamente bilanciato.

Il Veicolo


Progetto ecomobility

Il VeicoloMotore

elettrico

Elettronica di potenza

Batterie

Gearmotor

Fuel CellInterface

Stack Fuel Cell+ Auxiliaries

Interfaccia utente

2°serbatoio H2

(optional)

Linea di comunicazione

1°serbatoio H2

B.M.S.Battery Management

System



Il veicolo

Prestazioni del veicolo (Elettrico vs. Fuel Cell) Daily 65 elettrico Daily 65 H2

Velocità massima 70 km/h 70 km/h

Massima pendenza 25 % 25 %

Autonomia 70 to 120 km 150 to 250 km

Peso 6500 kg 6500 kg

Capacità di carico Up to 3910 kg Up to 3600 kg

Capacità batterie 34 to 64 kWh 34 to 42 kWh

Disponibilità di ridotte Yes Yes

Potenza massima 60 kW 60 kW




Caratteristiche dello stack

Costruttore ARCOTRONICS Fuel Cells

Tipo P.E.M. (Polymer Electrolyte Membrane)

Potenza nominale 5 kW

Numero di celle 100

V0 100 V

Vnominal 72 V

Inominal 70 A

Consumo H2 0.83 Nm3/kWh

Temperatura operativa 70 °C

Dimensioni (mm) 250x250x550

Lo stack


ROEN ESTProgetto ecomobility


•Specifiche e Design del veicolo •Fornitura del veicolo•Integrazione on-board dei sottosistemi

•Test del sistema basato su FC•Test del sistema di stoccaggio•Test del veicolo

•Realizzazione ed ottimizzazione del sistema a FC•Sistema di gestione dello stack

•Sistema di stoccaggio e distribuzione dell’H2

I partners del progetto


ROEN ESTProgetto ecomobility



15 kWe APU Navale, Celco-Yacht ROEN EST

Caratteristiche principali del sistema

Combustibile primario benzina

Potenza nominale 15 kw

Efficienza netta > 30%

Possibilità di recupero del calore 12 kW


http://www.envipark.com/


4 kWe, Micro CHP ROEN EST

Caratteristiche principali del sistema

Combustibile primario Gas naturale

Potenza elettrica 1-4 kw

Potenza termica 4-24 kW

Efficienza elettrica netta > 30 %

Efficienza totale > 80 %


http://www.envipark.com/

Sviluppo sistemi automotive OEM Arcotronis: – Stack automotive – Supercapacitors, batterie al litio– Elettronica di potenza– Controllo

Test sul campo di prodotti pre-commerciali:– Generatore da 1kWe alimentato a GPL (veicoli ricreazionali)– Penta 5kW ad H2 – 4 kW CHP a GN– 5 kW stack automotive ad H2– 15 kW APU per applicazioni navali– 1 kW per applicazioni aerospaziali


Obiettivi di medio periodo ROEN EST


GRAZIEwww.fuelcells.arcotronics.com



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