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

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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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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, nonchŁ le 
altre caratteristiche che essi devono avere e le condizioni di funzionamento, si Ł 
effettuata un indagine di mercato ed in letteratura per individuare le tipologie di 
compressori piø idonee all accoppiamento con la pila Andromeda TM. 
Quale compressore dell aria Ł 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 Ł 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 Ł 
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 Ł optato per una soffiante centrifuga in quanto queste 
macchine presentano una velocit  di rotazione piø elevata delle soffianti a canali 
laterali (24000giri/min contro 3000giri/min), e ci  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 Ł 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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Capitolo 1 
 
LE CELLE A COMBUSTIBILE 
 
 
 
Introduzione 
 
Nel presente capitolo vengono descritte le celle a combustibile e il loro 
funzionamento. Solitamente, piø celle vengono impilate in serie per ottenere delle 
pile. Quest ultime, assieme a diversi altri componenti, tra cui pompe e compressori 
per il convogliamento dei vari fluidi, formano dei sistemi per la produzione di 
energia elettrica a partire da un combustibile. Il combustibile piø comune Ł 
l idrogeno, ma tramite opportuni sistemi di reforming si possono utilizzare anche 
altri combustibili, come ad esempio gli idrocarburi. 
Oltre ad illustrare brevemente le varie tipologie di celle a combustibile, 
verranno fornite le basi termodinamiche per la definizione delle prestazioni delle 
celle, ed evidenziate le principali variabili che influenzano il funzionamento di una 
cella a combustibile. 
 
 
1.1  GENERALITA  
 
1.1.1 La cella a combustibile 
 
Le celle a combustibile (Fuel Cells in inglese) sono dispositivi elettrochimici 
in grado di convertire l energia chimica di un combustibile direttamente in energia 
elettrica. Contrariamente ai tradizionali dispositivi di produzione di energia 
elettrica da combustibili, qui non Ł necessaria la conversione dell energia chimica 
del combustibile in energia termica, e successivamente in energia meccanica e 
quindi elettrica. Pertanto, le celle a combustibile non devono sottostare alle 
limitazioni termodinamiche imposte dal teorema di Carnot. Oltre a questo, si ha 
l ulteriore vantaggio di produrre energia con minima emissione di inquinanti, in 
quanto non si ha combustione dei reagenti. 
Una cella a combustibile Ł costituita essenzialmente da due elettrodi (anodo e 
catodo) tra cui Ł interposto un elettrolita conduttore di ioni. In Figura 1.1 Ł 
illustrata una rappresentazione schematica di una cella, con i relativi flussi di 
prodotti e reagenti, e la direzione di flusso degli ioni attraverso l elettrolita. 
Una tipica cella a combustibile viene alimentata con continuit  di gas 
combustibile all anodo (elettrodo negativo) e di gas comburente (spesso 
rappresentato da ossigeno atmosferico) al catodo (elettrodo positivo). Agli 
elettrodi avvengono le raezioni elettrochimiche, con produzione di corrente ionica 
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attraverso l elettrolita e di una corrente elettrica complementare attraverso il 
circuito esterno, la quale fornisce lavoro al carico. 
Per molti versi una cella a combustibile Ł simile ad una normale batteria. Ma, 
mentre in una batteria tutta l energia disponibile Ł confinata all interno della 
batteria stessa, e quindi una volta consumati i reagenti la batteria cesser  di 
produrre energia, in una cella a combustibile i reagenti vengono forniti con 
continuit , ed in linea di principio essa continuer  a produrre energia finchŁ 
continuer  ad essere alimentata. 
 
 
Figura 1.1   Rappresentazione schematica di una cella a combustibile [1] 
 
In teoria, ogni sostanza in grado di ossidarsi chimicamente, e che pu  essere 
alimentata con continuit  (sotto forma di fluido) pu  essere bruciata 
galvanicamente come combustibile all anodo di una cella a combustibile. Allo 
stesso modo, il comburente pu  essere qualsiasi fluido che possa essere ridotto 
chimicamente con una certa velocit . Pur essendo per vari motivi desiderabile 
l impiego di combustibili convenzionali, molto delle celle a combustibile di attuale 
sviluppo, utilizzano idrogeno gassoso, od un gas di sintesi ricco di idrogeno, quale 
combustibile. 
L idrogeno ha un alta reattivit  nelle reazioni anodiche, e pu  essere prodotto 
chimicamente da una larga serie di combustibili fossili e rinnovabili, oltre che per 
elettrolisi. Per simili motivi pratici, l ossidante piø comunemente usato Ł 
l ossigeno gassoso, che Ł facilmente reperibile nell aria. 
Una zona critica della maggior parte delle celle a combustibile Ł quella che Ł 
spesso detta interfaccia trifase (three-phase interface). Essa Ł la regione, spesso 
microscopica, nella quale realmente avvengono le reazioni elettrochimiche, e si 
trova all interfaccia tra ciascun elettrodo e l elettrolita. Un area, per essere attiva, 
deve essere esposta al reagente, essere in contatto elettrico con l elettrodo, in 
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contatto ionico con l elettrolita e contenere sufficiente elettrocatalizzatore da 
permettere alla reazione di procedere alla velocit  desiderata. La densit  di tali 
regioni e la natura delle interfacce giocano un ruolo fondamentale nelle prestazioni 
delle celle. 
L elettrolita pu  essere liquido o solido, ed ha le seguenti funzioni: 
1) Trasportare all elettrodo i reagenti disciolti in esso,  
2) Condurre gli ioni tra i due elettrodi, 
3) Fornire una barriera che prevenga il contatto diretto tra i due flussi di 
reagenti. 
 
Gli elettodi sono tipicamente porosi e buoni conduttori elettrici, in quanto 
devono assolvere i seguenti compiti: 
1) Condurre gli elettroni verso l interfaccia trifase o via da essa, e fare da 
collettore di corrente e connessione tra le altre celle o con il carico, 
2) Assicurare che i gas reagenti siano equamente distribuiti nella cella, 
3) Assicurare che i prodotti di reazione vengano efficacemente smaltiti 
dall interfaccia. 
 
Alle alte temperature l attivit  elettrocatalitica degli elettrodi Ł spesso 
sufficiente per promuovere le reazioni. A basse temperature, invece, solo materiali 
relativamente rari e costosi sono in grado di fornire una sufficiente attivit  
elettrocatalitica, e perci  questi vengono depositati in piccole quantit  sul 
materiale base degli elettrodi. 
 
 
1.1.2 La pila di celle a combustibile 
 
Per la maggior parte delle applicazioni pratiche, piø celle a combustibile 
vengono collegate elettricamente in serie a formare una pila (stack), in modo da 
fornire la tensione e la potenza richieste dall applicazione. 
 
Pile planari 
La configurazione piø comune Ł quella planare (planar-bipolar stack), in cui 
tra il catodo di una cella e l anodo di quella adiacente Ł posta una piastra bipolare 
(bipolar plate), o piastra separatrice (separator plate), che collega elettricamente le 
due celle. La piastra bipolare costituisce una barriera che separa i flussi di gas di 
celle adiacenti, ed in molte soluzioni progettuali Ł provvista di canali per il 
convogliamento di combustibile e comburente. La configurazione planare Ł 
semplice e consente un collegamento elettrico piuttosto corto, il chŁ minimizza le 
perdite ohmiche. Le piastre bipolari solitamente sono in grafite o in acciaio 
inossidabile. 
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In Figura 1.2, dove Ł rappresentata schematicamente una piccola pila 
composta da tre celle, si possono notare le piastre bipolari di separazione tra le 
celle, ciascuna con i relativi canali per il flusso dei gas reagenti. 
 
 
 
Figura 1.2   Rappresentazione di una piccola pila composta da tre celle [2] 
 
Pile tubolari 
Specialmente per le celle a combustibile ad alta temperatura, sono state 
sviluppate pile con celle tubolari. Le celle tubolari hanno diversi vantaggi 
riguardanti l integrit  strutturale e l isolamento dei gas. Tuttavia, a cusa della loro 
geometria, Ł una sfida progettuale riuscire ad ottenere alte densit  di potenza e 
corti collegamenti elettrici. 
 
Convogliamento dei gas e raffreddamento 
In realt , la configurazione di Figura 1.2 Ł semplificata rispetto alla pila 
reale. Ad esempio, essendo gli elettrodi porosi, vengono diposte esternamente ad 
essi delle guarnizioni per prevenire le perdite di fluidi, come illustrato in Figura 
1.3. 
Il convogliamento dei gas, in questa configurazione, avviene attraverso dei 
collettori esterni (external manifolding). Questa soluzione ha il vantaggio della 
semplicit  costruttiva, ma presenta diversi svantaggi. Il primo Ł che risulta difficile 
raffreddare il sistema. In pratica l unico modo di raffreddare questo tipo di cella Ł 
attraverso l aria comburente immessa al catodo, ma ci  significa che dovr  fornire 
un maggior quantitativo di aria rispetto a quella strettamente necessaria alla 
reazione elettrochimica, con conseguente spreco di energia. Il secondo svantaggio 
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Ł rappresentato dal fatto che le guarnizioni attorno al bordo degli elettrodi non 
sono pressate fermamente ad esso laddove vi Ł il passaggio dei canali, e ci  
determina una certa probabilit  che vi siano fughe dei gas reagenti. 
 
 
 
Figura 1.3   Schema costruttivo dell insieme anodo/elettrolita/catodo e guarnizioni [2] 
 
Per tutti questi motivi, nelle configurazioni piø comuni la piastra bipolare Ł 
abbastanza piø complessa: del tipo illustrato in Figura 1.4. Le piastre sono piø 
larghe rispetto all elettrodo e presentano una serie complessa di canali per il 
convogliamento dei fluidi reagenti. I canali vengono alimentati attraverso dei fori 
praticati sulle piastre in opportune posizioni (internal manifolding). Nel suo 
insieme, la pila appare come un blocco solido con alle estremit  le bocche di 
ingresso e di uscita dei fluidi. 
 
 
Figura 1.4   Convogliamento dei fluidi tramite internal manifolding [2] 
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Questo tipo di piastra bipolare permette di raffreddare la cella in diversi 
modi. Il metodo piø semplice Ł quello di praticare nelle piastre dei stretti canali, e 
di convogliare attraverso di essi l aria o l acqua di raffreddamento. I metodi 
raffreddamento variano molto a seconda del tipo di celle a combustibile. 
Come abbiamo visto le piastre bipolari sono componenti molto complessi ed 
il loro costo incide fortemente sul costo della pila a combustibile. 
 
 
1.1.3 I sistemi a celle a combustibile 
 
Le  pile a combustibile necessitano, per il loro funzionamento, di tutta una 
serie di sottosistemi e componenti. Questi differiscono a seconda del tipo di celle, 
del tipo di combustibile e del tipo di applicazione, ma fondamentalmente un 
sistema di celle a combustibile comprende: 
• Sistema di pretrattamento del combustibile. Ecceto nel caso in cui il 
combustibile sia puro (ad esempio idrogeno puro), Ł necessario 
pretrattarlo attraverso la rimozione delle impurezze. In aggiunta, molte 
celle a combustibile necessitano di trattamenti quali il reforming, per 
traformare il combustibile in un gas ricco di idrogeno. 
• Sistema di stoccaggio del combustibile, nelle applizazioni portatili o 
automotive. 
• Sitema di convogliamento dell aria , che solitamente comprende dei 
compressori o soffianti (e ralativi motori elettrici), oltre che dei filtri. 
• Sistema di convogliamento del combustibile. Se presente, prevede 
l impiego di pompe o compressori (e relativi motori elettrici) a seconda 
del tipo di combustibile. 
• Sistema di raffreddamento. Nella maggiroparte delle celle a combustibile 
Ł necessario tenere sotto controllo la temperatura e smaltire il calore in 
eccesso tramite un circuito di raffreddamento. 
• Sistema di gestione dell acqua . L acqua Ł necessaria per il funzionamento 
ottimale di alcune parti della cella, oltre ad essere un prodotto di reazione, 
pertanto necessita di un sistema di gestione ottimale, che non determini 
sprechi inutili. 
• Sistema di conversione della corrente elettrica. Le pile forniscono potenza 
elettrica in corrente continua con tensione variabile, che non Ł 
direttamente applicabile al carico, pertanto necessitano di un sistema di 
trasformazione della corrente elettrica. 
 
Tutti questi sistemi messi assieme costituiscono una frazione significativa del 
volume, del peso e del costo di un sistema a celle a combustibile.