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Scelta dei compressori idonei all'accoppiamento con un prototipo di pila a combustibile polimerica

Informazioni tesi

  Autore: Luca Pastrovicchio
  Tipo: Tesi di Laurea
  Anno: 2008-09
  Università: Università degli Studi di Padova
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria Meccanica
  Relatore: Andrea Lazzaretto
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 195

L’oggetto del presente lavoro è un prototipo di pila a celle a combustibile polimeriche, dal nome commerciale di AndromedaTM, della Nuvera Fuel Cells Europe S.r.l. di San Donato Milanese (MI), azienda produttrice di celle a combustibile polimeriche. La pila AndromedaTM necessita di tutta una serie di sistemi ausiliari, tra cui un compressore di convogliamento dell’aria comburente e un compressore di ricircolo del combustibile (idrogeno) non consumato dalla pila.
Essi devono semplicemente vincere le perdite di carico nella pila, più quelle dovute agli altri componenti presenti nell’impianto e alle tubazioni.
Presso i laboratori Nuvera sono state effettuate delle prove sperimentali per misurare le portate dei due gas (aria e idrogeno) e le corrispondenti perdite di carico nelle pila. E’ stato evidenziato che le perdite di carico nelle testate di ingresso e di uscita della pila rappresentano una quota notevole delle perdite di carico totali. Perciò, si è deciso di ridisegnare le testate, portando al di fuori di esse la suddivisione del flusso in più sottoflussi. E’ stata quindi fatta un’analisi agli elementi finiti e sono state calcolate le perdite di carico nelle nuove testate. La riprogettazione delle testate ha permesso di ottenere un abbasamento del 45% delle perdite totali nella pila.
Una volta definite le portate e gli incrementi di pressione che dovono fornire il compressore dell’aria ed il compressore di ricircolo dell’idrogeno, nonché le altre caratteristiche che essi devono avere e le condizioni di funzionamento, si è effettuata un’indagine di mercato ed in letteratura per individuare le tipologie di compressori più idonee all’accoppiamento con la pila AndromedaTM.
Quale compressore dell’aria è stata scelta una soffiante a lobi, in quanto l’unica in grado di coprire adeguatamente il campo di funzionamento richiesto, senza avere particolari problemi. Anche le soffianti a canali laterali possono elaborare le stesse portate ed, in qualche caso, fornire l’incremento di pressione di quasi 1bar richiesto, ma solo limitando fortemente la temperatura di ingresso dell’aria. In ogni caso, le soffianti a lobi presentano rendimenti decisamente migliori rispetto alle soffianti a canali laterali (65÷75% contro 40÷50%), soprattutto ai carichi parziali, grazie all’assenza di un rapporto di compressione interno. L’unico inconveniente delle soffianti a lobi è l’elevato livello di rumore generato: di circa 10dB(A) superiore rispetto alle soffianti a canali laterali.
Quale compressore di ricircolo dell’idrogeno non consumato dalla pila si è scelta una soffiante centrifuga a tre stadi. Soltanto le soffianti centrifughe e le soffianti a canali laterali sono in grado di coprire adeguatamente il campo di funzionamento richiesto. Si è optato per una soffiante centrifuga in quanto queste macchine presentano una velocità di rotazione più elevata delle soffianti a canali laterali (24000giri/min contro 3000giri/min), e ciò determina una macchina con un ingombro ed un peso minore. I rendimenti isoentropici di entrambe le tipologie sono intorno al 40÷50%, anche se non è stato possibile determinare il rendimento ai carichi parziali delle soffianti centrifughe, e nemmeno il livello di rumore prodotto. Infatti, spesso i costruttori sono restii a fornire dati specifici delle loro macchine, quali i rendimenti.

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9 INTRODUZIONE Le celle a combustibile sono dispositivi elettrochimici costituiti essenzialmente da due elettrodi tra cui Ł interposto un elettrolita. Esse sono in grado di convertire l energia chimica di un combustibile direttamente in energia elettrica. Una tipica cella a combustibile viene alimentata con continuit di gas combustibile all anodo (idrogeno o gas di sintesi ricco di idrogeno, ma anche idrocarburi e alcoli) e di gas comburente al catodo (aria, osssigeno). Agli elettrodi avvengono le reazioni elettrochimiche, con produzione di corrente ionica attraverso l elettrolita e di una corrente elettrica complementare attraverso il circuito esterno, la quale fornisce lavoro al carico. Solitamente, piø celle a combustibile vengono collegate elettricamente in serie a formare una pila, in modo da fornire la tensione e la potenza richieste dall applicazione. Questi sistemi necessitano di un compressore per il convogliamento del gas comburente (in genere aria) e, solitamente, di un compressore di ricircolo del combustibile non consumato dalla pila. Il compressore dell aria pu semplicemente vincere le perdite di carico nel sistema, oppure pu essere dimensionato per fornire una certa sovrapressione in modo da aumentare le prestazioni della pila. Infatti, col crescere della pressione operativa della cella, aumenta la potenza generata. Questo Ł dovuto principalmente a due effetti. Il primo Ł che l aumento della pressione parziale dei reagenti alza il potenziale reversibile di cella secondo l equazione di Nernst. Il secondo Ł la riduzione delle polarizzazioni di attivazione al crescere della pressione. In alcuni casi, ad alte pressioni vi Ł anche una riduzione nelle polarizzazioni di concentrazione. Lo svantaggio di operare a pressione maggiore Ł che il sistema necessita di un compressore di maggiore potenza, peso e ingombro. Quindi si tratta di ottimizzare il sistema tenendo conto di questo aspetto. L oggetto del presente lavoro Ł un prototipo di pila a celle a combustibile polimeriche, dal nome commerciale di AndromedaTM, della Nuvera Fuel Cells Europe S.r.l. di San Donato Milanese (MI), azienda produttrice di celle a combustibile polimeriche. La pila AndromedaTM necessita di tutta una serie di sistemi ausiliari, tra cui un compressore di convogliamento dell aria comburente e un compressore di ricircolo del combustibile (idrogeno) non consumato dalla pila. Essi devono semplicemente vincere le perdite di carico nella pila, piø quelle dovute agli altri componenti presenti nell impianto e alle tubazioni. Presso i laboratori Nuvera sono state effettuate delle prove sperimentali per misurare le portate dei due gas (aria e idrogeno) e le corrispondenti perdite di carico nelle pila. E stato evidenziato che le perdite di carico nelle testate di ingresso e di uscita della pila rappresentano una quota notevole delle perdite di carico totali. Perci , si Ł deciso di ridisegnare le testate, portando al di fuori di esse la suddivisione del flusso in piø sottoflussi. E stata quindi fatta un analisi agli elementi finiti e sono state calcolate le perdite di carico nelle nuove testate. La

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