Fuel Cell, generazione del vapore e alta temperatura: un caso studio

All’interno del motore di un’automobile, la benzina reagisce direttamente con l’ossigeno dell’aria per provocare una combustione permettendo così all’auto di funzionare.  Questo è il metodo tradizionale. L’energia chimica viene convertita in utile energia meccanica. Un’alternativa è la combustione in modo indiretto: un metodo più pulito e promettente che sfrutta le celle a combustibile. Ciascun lato di una cella a combustibile viene alimentato con ossigeno e idrogeno, che reagiscono elettro-chimicamente al suo interno producendo acqua.

Di conseguenza, gli elettroni scorrono attraverso un circuito esterno che alimenta un motore elettrico. L’energia chimica del combustibile viene convertita in energia elettrica.

Le celle a combustibile sono essenzialmente composte da una pila di due elettrodi con una membrana elettrolitica in mezzo. Questa permette alle specie ioniche di condurre e generare energia. In una cella a combustibile a membrana elettrolitica polimerica (PEMFC) è necessario mantenere gli elettroliti in uno stato idratato ai fini di un’elevata conducibilità ionica (protonica) e, quindi, di prestazioni ottimali. L’umidificazione di una simile cella a combustibile è dunque essenziale. Si tratta di un processo comunemente utilizzato nelle applicazioni automobilistiche.

Requisiti per l’applicazione

L’utente aveva bisogno di una soluzione per regolare in maniera precisa il flusso di gas e, in aggiunta, umidificarlo in maniera controllata su ogni lato della cella a combustibile. Poiché si sta studiando il ruolo di molti parametri di ingresso come il flusso di gas, il contenuto di vapore acqueo e il tipo di cella a combustibile, è necessario prendere in considerazione un’ampia gamma di portate di gas, comprese le portate ridotte, ed è necessario che il punto di lavoro possa essere cambiato rapidamente.

Punti fondamentali

  • Cambiamento rapido del punto di lavoro
  • Umidificazione costante, anche a portate ridotte
  • Regolazione e misurazione accurate dei mezzi
  • Garanzia di qualità per tutti i parametri

Soluzione di processo

La soluzione Bronkhorst consiste fondamentalmente in un dispositivo di miscelazione ed evaporazione a temperatura controllata (CEM-system) utilizzato per generare un flusso controllato di vapore acqueo, che viene fornito alla cella a combustibile. L’idrogeno e l’ossigeno (o l’aria) agiscono come vettori gassosi per il flusso di vapore acqueo. Nel sistema CEM, i regolatori di portata termica EL-FLOW Select o EL-FLOW Prestige gestiscono i flussi gassosi di idrogeno, ossigeno/aria, mentre i regolatori di portata per liquidi  mini CORI-FLOW o LIQUI-FLOW gestiscono il flusso dell’acqua. Le portate gestite da questi strumenti entrano nell’unità CEM dove la miscela vapore/gas viene generata.

L’obiettivo della R&S effettuata sui banchi di prova delle celle a combustibile è quello di ottimizzare i singoli componenti (membrana elettrolitica, numero di moduli) e le condizioni di processo della cella. I flussi di idrogeno, ossigeno, aria e acqua, e i rispettivi rapporti, rappresentano i parametri di ingresso, mentre le prestazioni della cella a combustibile sotto forma di tensione e corrente prodotti vengono misurate come parametri di uscita.
Le domande a cui si cerca di rispondere sono per esempio: cosa succede se si aggiunge idrogeno o aria in eccesso, che importanza ha il grado di umidità, qual è il ruolo dei diversi tipi di membrana?

Schema di flusso

I flussi di gas provenienti dai dispositivi EL-FLOW Select o EL-FLOW Prestige vengono adattati in base al loro uso specifico. È richiesta un’elevata precisione con il più basso differenziale di pressione possibile, e questi misuratori di portata termica per gas sono adatti al tipo di lavoro. Per quanto riguarda il vapore acqueo, è possibile generare un livello molto elevato di stabilità di controllo, che si basa principalmente sulla valvola di miscelazione all’interno del sistema CEM.
In questa applicazione, per la ricerca eseguita su un modulo singolo, l’intervallo caratteristico della portata d’acqua va dai 100 ai 1000 grammi all’ora immessi nella cella a combustibile, con quantità corrispondenti di ossigeno e di idrogeno in modo che l’umidità relativa resti nell’intervallo compreso tra 5 e 95%. Oltretutto, anche la regolazione della portata d’acqua fino a 1 grammo all’ora è tecnicamente possibile.

Infine, all’atto pratico, alcune celle a combustibile verranno azionate a pressioni elevate, e con la minore differenza di pressione possibile sulla membrana, quindi con una pressione uguale su entrambi i lati dell’elettrodo. La configurazione attuale per la ricerca eseguita su un modulo singolo è tale da rendere possibile un intervallo di misurazione fino a 100 bar, per tipologie specifiche di membrane che offrono prestazioni migliori alle pressioni più elevate. Sia la pressione assoluta che la differenza di pressione vengono regolate dagli strumenti IN-PRESS Bronkhorst. Il sistema CEM Bronkhorst viene comunemente utilizzato per regolare con precisione basse portate d’acqua fino a 1000 g/h, come quelle utilizzate nei moduli singoli.

Per quanto riguarda l’automazione e la comunicazione per i regolatori di portata massica e i sistemi di vaporizzazione, sono disponibili svariati sistemi di controllo dei canali integrati nella configurazione di misura come segnale analogico, Profibus, Flowbus, nonché sistemi quali Profinet o EtherCat. In simili ambienti di ricerca viene spesso utilizzato LabVIEW. In questo modo tutti i parametri di processo sono immediatamente disponibili, rendendone i valori verificabili e permettendo un monitoraggio e un controllo qualità efficaci.

Grazie al suo principio di funzionamento, è possibile modificare rapidamente il punto di lavoro del modulo di vaporizzazione basato sul sistema CEM. Questo rappresenta un grande vantaggio rispetto ai gorgogliatori tradizionali, specialmente con flussi di gas più elevati.

Vantiamo oltre 20 anni di esperienza nel campo delle celle a combustibile. Per consigli sui sistemi di evaporazione per l’umidificazione delle celle a combustibile, chiedete la nostra consulenza.

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