l i di l b t i 25 05 2010 Analisi sperimentale di un sistema di...

Corsi di Corsi di Misure Meccaniche e Termiche (MMER) Misure Meccaniche e Termiche (MMER)

Misure Misure TermomeccanicheTermomeccaniche per Sistemi Energetici (MENR)per Sistemi Energetici (MENR)l i di l b t i 25l i di l b t i 25 0505 20102010

Analisi sperimentale di un sistema di trazione a Analisi sperimentale di un sistema di trazione a

lezione di laboratorio 25 lezione di laboratorio 25 –– 05 05 –– 20102010

celle a combustibile in regime non stazionariocelle a combustibile in regime non stazionario

Zaccaria Del Prete - Pierluigi Schiavetti - Luigi CapobiancoCapobianco

Presentato al Presentato al VIVI Congresso nazionale di Misure Meccaniche e Termiche,Congresso nazionale di Misure Meccaniche e Termiche,VIVI Congresso nazionale di Misure Meccaniche e Termiche, Congresso nazionale di Misure Meccaniche e Termiche,

Desenzano del Garda, 12Desenzano del Garda, 12--14 Settembre 200514 Settembre 2005

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI ROMA “SAPIENZA”Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI ROMA “LA SAPIENZA”Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica

Scopo della ricerca Scopo della ricerca (progetto FIRB 2001 cod. RBAU01K4HJ)(progetto FIRB 2001 cod. RBAU01K4HJ)

Realizzazione di un banco per la misura delle prestazioni di un motore basato su celle a combustibile, con produzione di H2 “a , p 2

bordo” mediante reattore catalitico a membrana metallica

Finalità immediateFinalità immediate

Caratterizzazione statica e dinamica di una cella a combustibile auto-respirante ed auto-umidificantecombustibile auto-respirante ed auto-umidificante

Monitoraggio dei parametri di funzionamento

Analisi delle prestazioni in condizioni di “carico variabile”


C ll b tibilCelle a combustibile“Sistemi elettrochimici che generano energia elettrica”Sistemi elettrochimici che generano energia elettrica

La classificazione avviene in base all’elettrolita :

• Celle alcaline (AFC) • Celle ad elettrolita polimerico (PEMFC)

C ll d id f f i (PAFC)• Celle ad acido fosforico (PAFC)• Celle a carbonati fusi (MCFC)• Celle ad ossidi solidi (SOFC) ( per la trazione )Celle ad ossidi solidi (SOFC)• Celle a metanolo diretto (DMFC)


PEM: Cella a membrana polimericaPEM: Cella a membrana polimerica

:dPrincipio di funzionamento semplice ed affidabile :Alimentate con idrogeno e aria (ossigeno)

2

:2 4 4

:

anodoH H e

catodo

+ −→ +

Alimentate con idrogeno e aria (ossigeno)

VANTAGGI:2 2

:4 4 2

catodoO H e H O+ −+ + →

VANTAGGI:• Basse temperature di funzionamento (Treg < 100 °C)• Rendimento elevato (η > 40%)• Assenza di vibrazioni e rumore• Assenza di vibrazioni e rumore• Modularità • Impatto ambientale minimo

SVANTAGGI:• Densità di potenza bassa (oggi → 1.5 kW/dm3)• Costo del kW prodotto (oggi → 10 volte costo del kW da MCI)Costo del kW prodotto (oggi → 10 volte costo del kW da MCI)• Limiti alla distribuzione, stoccaggio e trasporto dell’ H2 • Vita utile delle celle PEM limitata (oggi → 5000 ore)


Principio di funzionamento delle celle a combustibile PEMdelle celle a combustibile PEM

Dettagli teoriciDettagli teorici


C fi i d l b di iConfigurazione del banco di misura

• Linea H2• Carico MeccanicoCarico Meccanico• Stack di celle

Grandezze misurate:• Tensione e corrente erogate dallo stack

• Flusso H2

• Pressione linea H2

• Temperatura di stack e ambiente

• Velocità albero motore

• (Consumo H2)

• (Coefficiente di utilizzo H )• (Coefficiente di utilizzo H2)

• (Rendimento) FotoFoto


P t ll i t lProtocollo sperimentale

Curve caratteristiche: Caratterizzazione statica:Vc=f(I) e W=f(I)

Caratterizzazione statica:

Tempi di risposta cella

Caratterizzazione dinamica:

Consumo di H2R di t

“Ciclo urbano standard”: Rendimento η


Caratterizzazione staticaCaratterizzazione statica25

180

200Curva caratteristica Potenza

5557

57 58 57 545845

50

15

20

one

[V]

100

120

140

160

nza

[W]

2323

23,624 24,5 25,5 26,5 28

26,5 2829

3051

52 5454

5358

25

30

35

40

men

to %

5

10

Tens

io

40

60

80

100

Pote

n

22,5

5

10

15

20

25

Bassa Temperatura (20-30°C)Alta temperatura (50-58°C)

Ren

dim

00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Corrente [A]

0

200

5

0 20 40 60 80 100 120 140Potenza [W]

=ΔeW

F Hη

We : Potenza erogata dallo stack, [W]FH2 : Portata molare di H2, [mol/s]ΔH E t l i di i 284 000 J/ l2

ΔHF H ΔH : Entalpia di reazione = 284.000 J/mol

La massima efficienza si ottiene dopo 5 minuti di “warm-up”Rendimento elevato per potenze erogate tra 20 W ÷ 140 WRendimento soddisfacente anche all’avviamento


Caratterizzazione dinamicaCaratterizzazione dinamica 200 200

160170180190

5

-5 rror

e %

a [W

]

160170180190

5

5 rore

%

a [W

]

120130140150 -5 E

Pote

nza

120130140150 -5

Err

Pote

nz

100110

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Tempo [ms]

100110

-0,05 0,05 0,15 0,25 0,35 0,45Tempo [ms]

Carico elettrico a gradino Tempo di risposta (errore dinamico del 5%)g (errore dinamico del 5%)

120 W → 170 W 0,031 ± 0,007 s0 035 0 007170 W → 120 W 0,035 ± 0,007 s

Media dei gradini di salita e di discesa 0,033 ± 0,007 s


Ciclo Urbano Standard ( UNI EN 1986 1)Ciclo Urbano Standard (norma UNI-EN 1986-1)

Controllo PID su erogazione di “i” al motore mediantemotore mediante convertitore DC/DC

1400

1600

min

]

Velocità di setpoint Velocità dell'albero

Discontinuità sulla velocità motore ?800

1000

1200

ngol

are

[giri

/mDiscontinuità sulla velocità motore ?“Starvation” della cella PEM (insufficinete apporto O2 al catodo) 200

400

600Ve

loci

tà a

00 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Tempo [s]StarvationStarvation


Cella + motore sul “CUS”1600 150

Velocità di setpoint Velocità del motore Errore assoluto

Cella + motore sul CUS

1200

1400100

Velocità di setpoint Velocità del motore Errore assoluto

ri/m

in]

n]

1000

120050

olar

e [g

ir

[giri

/mi

600

800

50

0

tà a

ngo

ssol

uto

400-100

-50

Vel

oci

Erro

re a

s

0

200

-150

100 E

0 100 200 300 400 500 600 700 800Tempo [s]


Rendimento sul “CUS”Rendimento sul CUS

W W : potenza “V I” erogata dalla cella [W]

HFWe

Δ⋅=η

We : potenza V·I erogata dalla cella [W]F : moli al secondo di H2 consumato [mol/s]ΔH : entalpia di reazione pari a 284.000 J/mol

• Picchi di portata H ?

(potere calorifico superiore dell’idrogeno)

2 5 • Picchi di portata H2 ?Spurgo canali anodici(H2 perduto)

100

120

140

2

2,5PotenzaPortata H2

STL/

min

]

( 2 p )

• Portata H2 ≠ 0 quandoi di W 0 ?

60

80

100

Pote

nza

[W]

1

1,5

orta

ta H

2

[Serogazione di W = 0 ?Perdita di H2 da una PEMdello stack0

20

40

0

0,5Po

dello stack (verificata con “leak test”)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Tempo [s]

Rapidità flussimetroRapidità flussimetro


Rendimento medio sul “CUS”Rendimento medio sul CUS i iW t W

E WΔ⋅∑ ∑

2

toti i

H i i toti i

E Wn H F t H F H F H

ηΔ Δ Δ Δ Δ

= = = =⋅ ⋅ ⋅ ⋅∑ ∑

Incertezza associata:2 2 2 2

1 W⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞∂ ∂tot tot tot tot

totW F W F2

tot tot tot tot

1 WW F F H F Hη

η ηε ε ε ε εΔ Δ

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞∂ ∂= + = + −⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟∂ ∂ ⋅ ⋅⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

100

tot i

2W W

i

ε ε= ∑tot i

2F F

i

ε ε= ∑dove :

80

100

120

[W]

60

70

80

90

100PotenzaRendimento

nto

%

40

60Po

tenz

a

20

30

40

50

60

Ren

dim

en

0

20

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Tempo [s]

0

10


Misure rendimenti medi sul “CUS”Misure rendimenti medi sul CUS Coppia resistente all’albero motore “media” (0,54 ± 0,09 Nm)

Tempo totale “ciclo urbano standard” 196 sPressione all’anodo: p=0,110MPa

4Consumo H2 1,27 ln ± 6,3×10-4 lnPotenza media 32,7 W ± 0,06 WRendimento medio 39 5 % ± 1 4 %Rendimento medio 39,5 % ± 1,4 %Pressione all’anodo: p=0,115MPaConsumo H 1 45 ln ± 6 4×10-4 lnConsumo H2 1,45 ln ± 6,4×10 lnPotenza media 35,3 W ± 0,06 WRendimento medio 37,5 % ± 1,3 %, % , %Pressione all’anodo: p=0,120MPaConsumo H2 1,48 ln ± 6,5×10-4 lnPotenza media 32,4 W ± 0,06 WRendimento medio 33,7 % ± 1,2 %


ConclusioniConclusioniCaratterizzazione statica e dinamica di motori HCaratterizzazione statica e dinamica di motori H con PEM FCcon PEM FCCaratterizzazione statica e dinamica di motori HCaratterizzazione statica e dinamica di motori H22 con PEM FCcon PEM FCMisura del rendimento sul “Ciclo Urbano Standard” (Misura del rendimento sul “Ciclo Urbano Standard” (ηη=35=35--40%)40%)Realizzazione di un sistema di monitoraggio e controllo deiRealizzazione di un sistema di monitoraggio e controllo deiggggparametri chiave di un motore Hparametri chiave di un motore H22 basato su FC PEMbasato su FC PEM

Sviluppi futuri

Misura della potenza meccanica all’albero motore Misura della potenza meccanica all’albero motore Approfondimento studio della misura della portata di HApprofondimento studio della misura della portata di H22P d i d ll’id “P d i d ll’id “ b d” di t ttb d” di t ttProduzione dell’idrogeno “onProduzione dell’idrogeno “on--board” mediante reattore board” mediante reattore catalitico a membrana metallicacatalitico a membrana metallicaMisura del rendimento complessivo “well to wheel” del sistemaMisura del rendimento complessivo “well to wheel” del sistemaMisura del rendimento complessivo well to wheel del sistemaMisura del rendimento complessivo well to wheel del sistemadi trazione basato sulle PEM FCdi trazione basato sulle PEM FC


Grazie per l’attenzione e la “pazienza” !Grazie per l’attenzione e la “pazienza” !

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI ROMA “LA SAPIENZA”Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica backback


Dettagli teoricibackback

Dettagli teoriciLu=nFErev= -ΔG è l’energia resa disponibile dalla reaz. fondamentaleH2+1/2O2→H2O

n = num di elettroni che partecipano alla reaz.F = costante di FaradayE t i l ibil di ll

Calore prodotto: Qrev= TΔS=ΔH-ΔG

Erev = potenziale reversibile di cella

p Qrev

Condizioni standard: Erev= -ΔG/nF=1,229 VE è massima (E ) solo con la cella a vuotoE è massima (Erev) solo con la cella a vuoto

Polarizzazione di attivazione: le reazioni elettrodiche hanno velocità finitàP l i i h i i t h i h li i i i b li l tt iPolarizzazione ohmica: resistenze ohmiche sugli ioni in membrana e sugli elettroniPolarizzazione di concentrazione: trasporto di massa che ostacola le reazioni

Polorizzazione di cella: Vcella=Erev-ηatt-ηohm-ηconc quando circola corrente !


Starvationbackback

StarvationCelle “auto-respiranti” :

t di i (O ) l t dapporto di aria (O2) al catodo per convezione libera

10 2p (p )ΔG R T 2H2 O2E

H2O

p (p )ΔG R TE ln2 F 2 F p

⋅− ⋅= + ⋅

⋅ ⋅

Richiesta di potenza eccessiva: Servo-controllo “doppio” delle ventole di raffreddamento :c esta d pote a eccess a

“crollo” della tensione di stack ( dannegiamento delle celle ! )

ventole di raffreddamento : Aumenta T → aumenta ventilaz.Crolla V → aumenta ventilaz.


Risposta dinamica flussimetro Hbackback

Risposta dinamica flussimetro H2Con riferimento alla curva “CUS” UNI-EN 1986-1 Variazione “attese” della portata di H2

( considerando η = 40% )( considerando η = 40% )

Tratto ΔW [W] ΔF di H2 attesa [ ln/min/s ][ ]

2 16 0,05

4 -17 -0,04

6 16 5 0 0326 16,5 0,032

7 36 0,07

9 -38,5 -0,04

11 17 0 0312 11 17 0,03

12 43,5 0,05

13 54 0,070.8

1

1.2

15 -54 -0,08

17 -62 -0,07

0.2

0.4

0.6

Massima variazione “attesa” della portata di H2 < ± 0,1 (ln/min)/s

00 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Tempo [s]

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