Il presente documento descrive le attività di Ricerca di Sistema svolte nell’ambito dell’Area USI FINALI, relativamente al Progetto 1: "Sistemi di Mini-Microgenerazione elettrica, sistemi Co-Trigenerativi e sistemi di accumulo" ed in particolare su Sistemi di Potenza a Fuel cells di tipo PEM. Lo sviluppo di numerosi programmi dimostrativi per l’impiego di sistemi a fuel cell per usi residenziali e come back up soprattutto nel campo delle telecomunicazioni, ha portato alla nascita di un notevole interesse nei confronti di sistemi di potenza di piccola-media taglia (< 10 kWe). In particolare i sistemi di potenza a fuel cells di tipo PEM, per la peculiarità di lavorare a basse temperature e di mostrare una risposta veloce alle richieste di carico, sono i più adatti per le applicazioni di back up mentre per la cogenerazione domestica anche celle di tipo SOFC stanno emergendo come realtà promettente. Resta comunque un dato di fatto che la tecnologia che sta alla base di tali sistemi non sia ancora del tutto matura per il mercato. In particolare non si dispone ancora di una buona base statistica di dati quali durata ed affidabilità, a causa dell’ancor ridotto numero di unità di potenza prodotte e commercializzate. Per tale motivo, nutriti programmi di prove in campo e la realizzazione di estensivi test di laboratorio diventano di fondamentale rilevanza per raccogliere informazioni importanti sulla base delle quali ottimizzare il prodotto e redigere gli standard ed i codici di prova richiesti per l’introduzione sul mercato. In quest’ottica rientra l’attività che CESIRICERCA sta conducendo da alcuni anni su unità commerciali PEFC da 1 kWe (ReliOn Independence 1000). Nei Laboratori della Società è stata realizzata una postazione di prova dotata di estrema adattabilità, appositamente equipaggiata sia per il funzionamento in isola (con collegamento ad un carico elettronico) sia per il collegamento in rete, con la possibilità di alimentare i sistemi di potenza sotto test sia da pacchi di bombole commerciali sia da un sistema ad accumulo ad idruri metallici. Un sistema di supervisione e controllo appositamente progettato consente la massima flessibilità di gestione della postazione e permette di raccogliere un’innumerevole quantità di dati sperimentali. Per quanto possibile, le prove e l’analisi dei dati sono stati effettuate seguendo le prescrizioni dei codici e degli standard sinora disponibili. Si sono d’altra parte evidenziate condizioni di misura completamente al di fuori delle prescrizioni delle norme, imputabili anche alla particolare configurazione dei sistemi testati, che potrebbero fornire spunti di discussione per un’integrazione della normativa. La postazione, normalmente equipaggiata con bombole di idrogeno ad elevato grado di purezza (Airliquide Alphagaz 1, con purezza superiore al 99.999%) è stata utilizzata per la realizzazione di prove per la caratterizzazione di base di sistemi di potenza, prove di ciclaggio e prove di durata, sui moduli PEM ReliOn Independence 1000. Queste unità, predisposte per essere alimentate con idrogeno di tipo industriale (purezza non inferiore al 99.95%), sono caratterizzate da una particolare struttura modulare (Hot Swappable Modular Cartridge™) che consente di sostituire, con modulo in funzione, contemporaneamente sino a 2 delle 6 cartucce di celle che le costituiscono. Durante i periodi di non utilizzo, almeno una volta al mese, come consigliato dal costruttore, le PEM devono essere fatte funzionare, a vuoto, per circa un paio d’ore, al fine di consentire il ripristino delle ottimali condizioni di umidificazione delle membrane polimeriche. L’analisi dei dati sperimentali è stata focalizzata particolarmente sulle performance dei sistemi di potenza, sulla loro affidabilità e sul degrado delle prestazioni nel tempo, ponendosi nell’ottica dell’utilizzatore finale. L’effettuazione periodica di curve caratteristiche con definiti profili di carico ha permesso di monitorare nel tempo la funzionalità di ogni modulo sino al dettaglio delle singole celle. Sono inoltre state indagate le risposte del sistema ad improvvise richieste di carico ed a variazioni della pressione di alimentazione dell’idrogeno, anche allo scopo di conoscere i limiti di funzionamento per la definizione delle modalità di accoppiamento con un sistema di accumulo ad idruri metallici. In questa configurazione, dopo una prima fase di messa a punto, i tre moduli hanno effettuato circa un centinaio di cicli di carica-scarica, senza evidenziare sensibili variazioni delle loro caratteristiche funzionali. Il tipico ciclo di funzionamento prevedeva una fase di carica del sistema di accumulo (la cui durata era di circa 45 minuti) in cui i moduli di potenza venivano spenti, seguita da una fase di scarica in cui, ad un primo

periodo di riscaldamento dell’accumulo con moduli di potenza in “stand-by caldo” (senza richiesta di carico) faceva seguito un periodo di scarica a carico nominale. L’attività svolta nel 2007, mirata ad evidenziare eventuali effetti della purezza del gas sul funzionamento del sistema, ha interessato due dei tre sistemi di potenza, che sono stati oggetto di prove di durata al 75% del carico nominale, accumulando, rispettivamente circa 1900 e 1600 ore di funzionamento. Uno dei due moduli è stato alimentato con idrogeno industriale (contenuto garantito di H 2 >99.99%) mentre per l’altro è stato impiegato idrogeno AirLiquide Alphagaz 1, con contenuto minimo garantito di H 2 >99.999%. Il sistema alimentato con idrogeno puro (99.999%) ha mostrato segni di degrado dopo la prima curva di carico. Il consumo di idrogeno ha iniziato ad aumentare, con conseguente riduzione dell’efficienza, a parità di potenza fornita al carico. La distribuzione del carico tra le cartucce del modulo ha iniziato a sbilanciarsi a causa del degrado di alcune di esse. Dopo circa 800 ore di funzionamento continuo è stata evidenziata (da uno dei segnali di allarme del modulo), la presenza di problemi di tenuta sugli attacchi a baionetta di alcune delle cartucce che, però, nonostante contribuisse alla continua riduzione dell’efficienza, non ha compromesso la disponibilità del sistema. Durante uno dei test di carico, dopo circa 1200 ore di funzionamento, una delle cartucce ha ceduto, attivando la procedura di spegnimento automatico del sistema. La sostituzione della cartuccia, pur non risolvendo i problemi di tenuta, ha consentito di continuare la prova di durata, con un temporaneo incremento di efficienza, fino al raggiungimento delle 1875 ore, quando una seconda cartuccia ha mostrato segni di cedimento durante un test di variazione di carico. Questo evento ha portato alla decisione di terminare il test di durata. Per l’altro sistema di potenza la realizzazione del test di durata non ha comportato particolari difficoltà, evidenziando, nel tempo, un naturale, lieve decadimento dell’efficienza, fino al raggiungimento delle 1600 ore di carico, all’interruzione delle prove. Questa unità ha mostrato un comportamento migliore della precedente: nessuna cartuccia è stata fonte di cedimenti ed il degrado dovuto al funzionamento è stato meno evidente. Anche in questo caso, però, dopo circa 1450 ore di funzionamento, il sistema ha attivato l’allarme di minima presenza di perdite di idrogeno. Durante le prove di durata di ambedue i sistemi, ad intervalli regolari, è stata effettuata una serie di curve caratteristiche che, opportunamente inserite nel contesto ambientale, forniscono informazioni sul degrado, in termini di efficienza, del sistema di potenza. Poiché nella prima serie di prove effettuate si è notato che repentine variazioni di carico si ripercuotono negativamente sull’efficienza del sistema, i test di carico sono stati effettuati modificando la richiesta di potenza in maniera molto graduale. L’uso di idrogeno di purezza inferiore non sembra avere intaccato le potenzialità del secondo sistema di potenza per il quale, anzi, si sono riscontrati meno problemi del precedente. In ogni caso si ritiene che anche la minore efficienza del primo modulo di potenza non sia comunque da associare in alcun modo alla qualità del gas di alimentazione. Dal punto di vista della disponibilità del sistema di potenza ReliOn Independence 1000 si può affermare che mediamente risulta superiore al 99.9%, grazie alla semplicità con cui è possibile sostituire le cartucce non funzionanti. La durata della condizione di “fuori servizio” viene così limitata al tempo necessario per un’ispezione del sistema e la sostituzione della cartuccia fuori uso.