ITTO20100192A1 - Generatore di potenza elettrica a celle a combustibile e relativo metodo di gestione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“GENERATORE DI POTENZA ELETTRICA A CELLE A COMBUSTIBILE E RELATIVO METODO DI GESTIONE”

La presente invenzione è relativa ad un generatore di potenza elettrica a celle a combustibile ed al relativo metodo di gestione.

I generatori di potenza elettrica a celle a combustibile per uso stazionario (UPS) di piccola capacità (5-20 KW) basati sull’impiego di celle a combustibile di tipo PEM (Proton Exchange Membrane), nei quali viene utilizzato idrogeno come combustibile, sono generalmente concepiti per applicazioni di back-up. In altre parole, sono sistemi operanti in un quasi perenne stato di “letargia” operativa (stand-by) e che devono, tuttavia, essere prontamente attivabili in tempi molto brevi ed in condizioni di sicurezza ed affidabilità, così da garantire che il fabbisogno di potenza elettrica dell’utenza sia soddisfatto in caso di emergenza.

Non essendo, dunque, richiesto, almeno in linea di principio, un uso prolungato e/o frequente di tali generatori, risulta economicamente troppo onerosa l’installazione di complessi sistemi di stoccaggio ed alimentazione di idrogeno, quali i sistemi ad evaporazione di idrogeno liquido, nei quali l’idrogeno è conservato a temperature criogeniche.

Inoltre, i sistemi di stoccaggio ed alimentazione più semplici e uso più frequente nel settore, nei quali l’idrogeno viene prelevato da batterie di bombole di gas compresso ad alta pressione, presentano problemi di sicurezza relativi alla loro installazione, gestione e manutenzione, che vengono spesso sottovalutati.

Per ovviare a tali inconvenienti, si è diffusa, nel settore, la pratica operativa di collegare strutturalmente ed accoppiare funzionalmente allo stack di celle a combustibile di un generatore di potenza elettrica a dei mezzi di generazione in loco del combustibile gassoso. In particolare, nel caso in cui le celle utilizzino idrogeno come combustibile, sono noti generatori di potenza elettrica a celle a combustibile che comprendono un elettrolizzatore per la produzione di idrogeno. Una tipica configurazione di un tale generatore di potenza elettrica è nella Figura 1.

La Figura 1 illustra schematicamente un generatore 1 di potenza elettrica a celle a combustibile per uso stazionario di piccola capacità, il quale comprende un elettrolizzatore 2 configurato per ricevere in ingresso energia elettrica ed acqua e convertire quest’ultima nei suoi due componenti, idrogeno ed ossigeno. Il generatore comprende inoltre serbatoi 3,4 nei quali vengono immagazzinati l’idrogeno e l’ossigeno prodotti dall’elettrolizzatore 2. Il generatore 1 comprende uno stack 5 di celle a combustibile al quale, in uso, vengono alimentati rispettivi flussi di idrogeno ed ossigeno, prelevati dai serbatoi 3,4.

Poiché le celle a combustibile impilate a formare lo stack 5 necessitano di lavorare entro un intervallo di temperatura ottimale per il loro corretto funzionamento, lo stack 5 viene mantenuto, preferibilmente, in uso, a temperatura sostanzialmente costante (generalmente entro un intervallo da 40 a 80 °C). A tale scopo, il generatore 1 comprende mezzi di dissipazione 10 del calore prodotto dalla reazione di ossidazione che ha luogo nelle celle a combustibile. Tipicamente, tali mezzi di dissipazione 10 sono costituiti da una o più ventole V1, V2 opportunamente disposte.

Quando il generatore di potenza 1 viene attivato per soddisfare il fabbisogno elettrico di una utenza 6, dunque, il generatore 1 consuma l’idrogeno e l’ossigeno precedentemente immagazzinati nei serbatoi 3,4, i quali possono essere ricaricati dall’elettrolizzatore 2, per esempio quando il generatore di potenza 1 viene riportato nella condizione di stand-by.

Anche per l’elettrolizzatore 2 esiste un intervallo di temperature operative ottimale che va da circa 40 a circa 80°C. Tuttavia, all’avviamento e, di conseguenza, nei primi minuti di funzionamento, l’elettrolizzatore 2 è costretto ad operare a temperatura ambiente, quindi sensibilmente al di sotto dell’intervallo di temperature ottimale. Questo riduce in modo significativo la sua efficienza e la resa in idrogeno ed ossigeno, a discapito del consumo di potenza elettrica speso per effettuare l’elettrolisi e con un indesiderabile aumento dei tempi richiesti per ripristinare il contenuto di idrogeno ed ossigeno nei serbatoi 3,4 in vista di un nuovo intervento del generatore 1.

Esiste, dunque, nella tecnica l’esigenza di fornire un generatore di potenza elettrica a celle a combustibile del tipo comprendente mezzi di generazione in loco del combustibile gassoso che consenta di ottimizzare le condizioni di funzionamento di questi ultimi, soprattutto nelle relative fasi di avviamento a freddo.

Inoltre, esiste nel settore l’esigenza di fornire un generatore di potenza elettrica a celle a combustibile del tipo comprendente mezzi di generazione in loco del combustibile gassoso in grado di ridurre gli sprechi energetici ed incrementare l’efficienza globale del processo complessivo di generazione on-site dei reagenti e successiva conversione dell’energia chimica dei reagenti stessi in potenza elettrica.

Scopo della presente invenzione è pertanto quello di fornire un generatore di potenza elettrica a celle a combustibile del tipo comprendente mezzi di generazione in loco del combustibile gassoso, il quale consenta di soddisfare in modo semplice ed economico almeno una delle suddette esigenze.

Il suddetto scopo è raggiunto dalla presente invenzione, in quanto relativa ad un generatore di potenza elettrica a celle a combustibile come definito nella rivendicazione 1.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne viene descritta nel seguito una preferita forma di attuazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la Figura 1 illustra schematicamente un generatore di potenza elettrica a celle a combustibile secondo l’arte nota;

la Figura 2 illustra schematicamente un generatore di potenza elettrica a celle a combustibile secondo l’invenzione.

In Figura 2 è indicato nel suo complesso con 1 un generatore di potenza elettrica a celle a combustibile secondo l’invenzione.

Il generatore 1 comprende una pluralità di celle a combustibile impilate a formare uno stack 5 collegato fluidicamente a serbatoi 3,4 dai quali riceve, in uso, rispettivi flussi di un combustibile gassoso e di un gas ossidante, puro o in miscela gassosa, per produrre energia elettrica da fornire ad un’utenza 6.

Inoltre, il generatore 1 comprende mezzi 2 di generazione in loco del combustibile gassoso da alimentare allo stack 5.

Nella fattispecie illustrata, i mezzi 2 di generazione del combustibile gassoso comprendono un elettrolizzatore configurato per ricevere in ingresso energia elettrica ed acqua e convertire quest’ultima nei suoi due componenti, idrogeno ed ossigeno, che vengono immagazzinati in rispettivi serbatoi 3,4. Il generatore 1 utilizza, quindi, idrogeno come combustibile gassoso e ossigeno come gas ossidante.

Vantaggiosamente, il generatore 1 comprende un circuito idraulico 7 di raffreddamento dello stack 5, entro il quale viene fatto circolare un fluido termovettore, per esempio acqua, al fine di asportare dallo stack 5 almeno parte del calore sviluppato localmente dalla reazione di ossidazione.

Inoltre, il generatore 1 comprende un circuito idraulico 8 di riscaldamento dell’elettrolizzatore 2, entro il quale viene fatto circolare un fluido termovettore, per esempio acqua, al fine di fornire all’elettrolizzatore 2 almeno parte del calore necessario a mantenerne la temperatura entro l’intervallo ottimale di funzionamento. A tale scopo, il generatore 1 comprende, inoltre, vantaggiosamente, uno scambiatore di calore 9 in corrispondenza del quale si realizza l’accoppiamento strutturale dei circuiti idraulici 7, 8 e, di conseguenza, si ottiene l’integrazione termica tra stack 5 ed elettrolizzatore 2. In altre parole, almeno parte del calore in eccesso sviluppato entro lo stack 5 dalla reazione di ossidazione viene asportato e convenientemente trasferito all’elettrolizzatore 2.

Più particolarmente, nel caso in cui il generatore di potenza 1 sia un generatore concepito per applicazioni di back-up, ovvero venga attivato per sopperire al fabbisogno energetico dell’utenza 6 in occasione di una situazione di emergenza, per esempio di un black-out, se la situazione di emergenza ha durata relativamente breve (per esempio dell’ordine di 10 minuti), l’entità dello scambio di calore realizzato in corrispondenza dello scambiatore di calore 9 tra i circuiti idraulici 7 ed 8, anche in virtù della significativa capacità termica del fluido termovettore (acqua), è sostanzialmente sufficiente per smaltire il calore in eccesso sviluppato entro lo stack 5 dalla reazione di ossidazione, ovvero a mantenere lo stack 5 entro l’intervallo di temperature operative ottimale. Tale calore asportato viene convenientemente trasferito all’elettrolizzatore 2, il quale viene così vantaggiosamente mantenuto entro il rispettivo intervallo di temperature operative ottimali.

Preferibilmente, il generatore 1 comprende, inoltre, mezzi di dissipazione 10 del calore prodotto dalla reazione di ossidazione che ha luogo entro lo stack 5, i quali comprendono, per esempio, una o più ventole V1, V2 opportunamente disposte.

In particolare, i secondi mezzi di dissipazione 10 vengono attivati quando la situazione di emergenza, ovvero il periodo di attività del generatore 1, si prolunga per un tempo relativamente non breve (per esempio, quando si superano i 10 minuti di black-out), di modo che il calore in eccesso sviluppato entro lo stack 5 dalla reazione di ossidazione viene in parte dissipato ed in parte trasferito al circuito idraulico 8 e, quindi, all’elettrolizzatore 2, il quale viene così vantaggiosamente mantenuto entro il rispettivo intervallo di temperature operative ottimali. Per semplicità, in Figura 2, viene illustrato un circuito idraulico 8 che realizza il collegamento idraulico tra lo scambiatore di calore 9 e l’elettrolizzatore 2 in modo diretto.

Secondo un’alternativa (non illustrata), il circuito idraulico 8 comprende un serbatoio di accumulo il quale risulta, di conseguenza, in collegamento idraulico con lo scambiatore di calore 9. Tale serbatoio è, a sua volta, idraulicamente collegato con l’elettrolizzatore 2.

Entro il circuito idraulico 8 ed il serbatoio di accumulo viene vantaggiosamente fatto circolare, come fluido termovettore, acqua demineralizzata che può essere direttamente utilizzata dall’elettrolizzatore 2 come reagente per la produzione di idrogeno ed ossigeno.

In questo modo si realizza un collegamento idraulico indiretto tra il circuito idraulico 8 e l’elettrolizzatore 2. Vantaggiosamente, il fluido termovettore contenuto nel serbatoio di accumulo costituisce, per l’elettrolizzatore 2, una riserva non solo di reagente, ma anche di energia termica, che può quindi essere ceduta all’elettrolizzatore 2 in modo progressivo e prolungato nel tempo. Questa possibilità risulta molto vantaggiosa nel caso, particolarmente frequente, in cui l’elettrolizzatore 2 viene attivato per produrre idrogeno ed ossigeno durante una fase di stand-by dello stack 5, ovvero in una fase in cui lo stack 5 non sta generando calore a seguito della reazione di ossidazione. In questo modo, infatti, il calore in eccesso prodotto dallo stack 5 ed accumulato sotto forma di calore ceduto al fluido termovettore raccolto nel serbatoio di accumulo può essere ceduto all’elettrolizzatore in modo prolungato e anche in una fase di stand-by, alimentando a quest’ultimo il fluido termovettore dal serbatoio di accumulo.

Preferibilmente, il generatore 1 comprende una unità di controllo (non illustrata) programmata per gestire i circuiti idraulici 7, e 8 e lo scambiatore termico 9 in modo da mantenere l’elettrolizzatore entro l’intervallo di temperatura operativa ottimale. In particolare, l’unità di controllo è collegata a mezzi di rilevazione e trasmissione di un valore di temperatura nello stack 5 e nell’elettrolizzatore 2 ed a rispettivi mezzi di intercettazione dei flussi di fluido termovettore nei circuiti idraulici 7 e 8.

Più particolarmente, l’unita di controllo è programmata per regolare i flussi di fluido termovettore nei circuiti idraulici 7, 8 e, di conseguenza, anche l’efficienza e l’entità dello scambio termico nello scambiatore 9, in modo da realizzare efficacemente il trasferimento di calore dallo stack 5 all’elettrolizzatore 2 e mantenere la temperatura di entrambi entro i rispettivi intervalli di temperatura operativa ottimali.

Inoltre, l’unità di controllo è collegata ai mezzi di dissipazione 10, che essa attiva quando rileva il superamento da parte della temperatura dello stack 5 di un predeterminato valore di soglia. Generalmente, visti i flussi di calore coinvolti, tale evenienza si verifica quando il periodo di funzionamento del generatore 2, ovvero dello stack 5 a produrre potenza elettrica da fornire all’utenza 6, supera un tempo dell’ordine di 10 minuti (black-out prolungato).

In uso, quando il generatore 1 viene attivato per servire un’utenza elettrica, dai serbatoi 3,4 vengono inviati rispettivi flussi di idrogeno ed ossigeno allo stack 5. La reazione di ossidazione che ha luogo nello stack 5 sviluppa calore, il quale viene almeno parzialmente asportato da un flusso di un fluido termovettore circolante entro il circuito idraulico 7. Tale calore viene ceduto, in corrispondenza dello scambiatore di calore 9, ad un flusso di un fluido termovettore circolante entro il circuito idraulico 8 e, in cascata, all’elettrolizzatore 2, che viene in questo modo mantenuto ad una temperatura entro l’intervallo di temperatura ottimale per il suo funzionamento.

Nel caso di un periodo di attività del generatore 1 (ovvero dello stack 5) a produrre potenza elettrica relativamente breve (per esempio dell’ordine di 10 minuti), l’entità dello scambio di calore realizzato in corrispondenza dello scambiatore di calore 9 tra i circuiti idraulici 7 ed 8, anche in virtù della significativa capacità termica del fluido termovettore (acqua), è sostanzialmente sufficiente di per sé a smaltire il calore in eccesso sviluppato entro lo stack 5 dalla reazione di ossidazione, mantenendo così lo stack 5 entro l’intervallo di temperature operative ottimale. Tale calore asportato viene convenientemente trasferito all’elettrolizzatore 2, il quale viene così vantaggiosamente mantenuto entro il rispettivo intervallo di temperature operative ottimali.

In caso di attività prolungata del generatore 1 (dello stack 5) a produrre potenza elettrica, anche i secondi mezzi di dissipazione 10 vengono attivati di modo che il calore in eccesso sviluppato entro lo stack 5 dalla reazione di ossidazione venga in parte dissipato ed in parte trasferito al circuito idraulico 8 e, quindi, all’elettrolizzatore 2. In questo modo, sia lo stack 5, sia l’elettrolizzatore 2, vengono vantaggiosamente mantenuti entro rispettivi intervalli di temperature operative ottimali.

Quando il generatore 1 viene posto in stand-by, per esempio quando sia terminato il black-out che ne aveva determinato l’attivazione per servire l’utenza elettrica, l’elettrolizzatore 2 si trova così alla temperatura ideale per essere attivato a produrre idrogeno ed ossigeno a partire da acqua, in modo da ripristinare il contenuto dei serbatoi 3,4 in vista del successivo intervento del generatore 1.

In questo modo, vengono sensibilmente migliorate l’integrazione e l’efficienza termica del generatore 1. In particolare, la aliquota di potenza termica sviluppata entro lo stack 5 dalla reazione di ossidazione non viene più dissipata, se non parzialmente quando il periodo di attività del generatore 1 si prolunghi oltre un tempo di soglia (per esempio dell’ordine di 10 minuti), ma vantaggiosamente recuperata per essere utilizzata all’interno del generatore 2 stesso e, più particolarmente, trasferita all’elettrolizzatore 2.

Di conseguenza, alla maggiore e più efficiente integrazione termica del sistema, si accompagna il vantaggio di mantenere l’elettrolizzatore 2 entro l’intervallo di temperature operative ottimali.

Al termine della situazione di emergenza, ovvero all’interruzione dell’attività dello stack 5 ed al contestuale avvio dell’elettrolizzatore 2 per ripristinare il contenuto dei serbatoio 3,4, l’elettrolizzatore 2 si troverà da subito a funzionare nelle condizioni che corrispondono alle massime efficienza e resa, eliminandosi così il transitorio a bassa efficienza associato alla configurazione tradizionale descritta precedentemente.

Vantaggiosamente, viene incrementata l’efficienza globale dell’intero processo di generazione/consumo dei reagenti, sia perché, aumentando il grado di integrazione termica, vengono ridotti gli sprechi energetici, sia perché si favorisce il funzionamento nelle condizioni di massima efficienza dei componenti più delicati del generatore 1.

Inoltre, almeno quando il periodo di attività del generatore non si prolunghi oltre un dato tempo di soglia, poiché l’entità dello scambio termico che si realizza in corrispondenza dello scambiatore di calore 9 è sufficiente per smaltire il calore in eccesso sviluppato entro lo stack 5, non è più necessario attivare i mezzi di dissipazione 10, ottenendosi una importante riduzione dei consumi relativi ai componenti ausiliari del generatore 1 e, al tempo stesso, una sensibile riduzione della rumorosità e dell’usura dei componenti stessi.

Vantaggiosamente, poiché la temperatura dello stack 5 viene controllata asportando il calore con un fluido termovettore, in particolare quando si utilizzi un fluido termovettore avente elevata inerzia termica come l’acqua, il controllo della temperatura risulta più efficace e preciso.

Risulta, infine, chiaro che al sistema descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti che non escono dall'ambito di protezione delle rivendicazioni indipendenti.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1.- Generatore (1) di potenza elettrica comprendente una pluralità di celle a combustibile impilate in uno stack e (5) configurato per alimentare una utenza elettrica (6), il generatore (1) comprendendo mezzi (2) di generazione di un combustibile gassoso da alimentare allo stack (5), e mezzi (7,10) per asportare almeno parte di un flusso di calore generato entro lo stack (5) in conseguenza del consumo di detto combustibile gassoso; caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi riscaldanti (8,9) configurati per mantenere detti mezzi (2) di generazione del combustibile gassoso entro un predeterminato intervallo di temperatura e comprendenti mezzi (9) per trasferire almeno parte della detta parte asportata del flusso di calore generato entro lo stack (5) dai detti mezzi di asportazione (7) ai detti mezzi (2) di generazione del combustibile gassoso.
2. 2.- Generatore secondo la rivendicazione 1, in cui i mezzi (7) per asportare almeno parte di detto flusso di calore generato entro lo stack (5) comprendono un primo circuito idraulico termicamente accoppiato con lo stack (5) e percorso da un flusso di un primo fluido termovettore.
3. 3.- Generatore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i mezzi riscaldanti (8,9) comprendono un secondo circuito idraulico (8) termicamente accoppiato con i mezzi (2) di generazione del combustibile gassoso e percorso da un flusso di un secondo fluido termovettore.
4. 4.- Generatore secondo la rivendicazione 3, in cui detto secondo circuito idraulico (8) comprende un serbatoio di accumulo del detto secondo fluido termovettore.
5. 5.- Generatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui i mezzi per trasferire almeno parte della detta parte asportata del flusso di calore generato entro lo stack (5) comprendono uno scambiatore di calore (9).
6. 6.- Generatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui il combustibile gassoso è idrogeno ed i mezzi (2) di generazione del combustibile gassoso comprendono un elettrolizzatore configurato per ricevere in ingresso acqua ed energia elettrica e generare idrogeno ed ossigeno.
7. 7.- Generatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui i mezzi (7,10) per asportare almeno parte di un flusso di calore generato entro lo stack (5) comprendono mezzi (10) di dissipazione termica.
8. 8.- Generatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, comprendente una unità di controllo programmata per gestire i mezzi di asportazione (7, 10) ed i mezzi riscaldanti (8,9) in modo da mantenere i mezzi (2) di generazione del combustibile gassoso entro il detto predeterminato intervallo di temperatura.
9. 9.- Metodo per la gestione di un generatore di potenza elettrica a celle a combustibile impilate in uno stack (5) e configurato per alimentare una utenza elettrica (6), il generatore comprendendo mezzi (2) di generazione di un combustibile gassoso da alimentare allo stack (5), e mezzi (7, 10) per asportare almeno parte di un flusso di calore generato entro lo stack (5) in conseguenza del consumo detto combustibile gassoso; il metodo comprendendo le fasi di: a) alimentare allo stack (5) un flusso di un combustibile gassoso per generare la potenza elettrica richiesta dall’utenza (6); b) asportare almeno parte del flusso di calore generato dallo stack (5) in conseguenza del consumo di detto combustibile gassoso; caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di c) trasferire almeno parte di detta parte asportata del flusso di calore generato entro lo stack (5) ai detti mezzi (2) di generazione del combustibile gassoso, così da mantenere gli stessi entro un predeterminato intervallo di temperatura.
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 9, comprendente inoltre la fase di d) accumulare almeno parte di detta parte asportata del flusso di calore generato entro lo stack (5), la parte del flusso di calore così accumulata essendo trasferibile ai detti mezzi (2) di generazione del combustibile gassoso. 11.- Metodo secondo la rivendicazione 9 o 10, comprendente la fase di generare il detto combustibile gassoso mediante un processo elettrolitico condotto entro i detti mezzi (2), in cui il detto intervallo di temperatura predeterminato è da 40 a 80°C. 12.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 11, comprendente la fase di mantenere detto stack (5) ad una temperatura da 40 a 80°C.