Caratterizzazione di generatori SOFCs tubolari a supporto anodico

The systems based on the technology of fuel cells are among the most promising for the production of electrical energy for their high energy efficiency, low environmental emissions and wideness of possible applications. The technology is normally proposed for distributed generation, residential and industrial cogeneration and portable generation. Among the various types of fuel cells, the solid oxide fuel cells (SOFCs) are getting a growing interest because the high operational temperatures make this technology attractive for micro-cogeneration. This thesis shows a theoretical and experimental analysis of a tubular-anode-supported SOFCs generator produced by Acumentrics Corporation. The activity was focused on the study of the thermo-fluid dynamics and electrochemical reaction of a single tubular-anode-supported solid oxide fuel cell using ANSYS-FLUENT. The same approach has been applied to the study of the of fuel cell system and to the cathodic recuperator. All the considered dimensions and components were provided by Acumentrics Corporation. Furthermore the experimental characterization of the performance of a prototype SOFC generator was carried out. The generator was installed in a test rig and it was powered by hydrogen. The data were analyzed through a multivariate method (principal component analysis). Applying this method to the experimental data, a linear correlation among some operational variables was highlighted. Through this method it was possible to derive general rules describing the operation of the system and study the response of the system to changes in operating parameters even in conditions different from the experimented one.

I sistemi basati sulla tecnologia delle celle a combustibile sono fra i più promettenti per la produzione di energia elettrica per le loro elevate efficienze energetiche, le basse emissioni ambientali e per l’ampiezza delle possibili applicazioni. La tecnologia trova impiego nei settori della generazione distribuita, della cogenerazione residenziale e industriale e della generazione portatile. Tra le varie tipologie di celle a combustibile quella ad ossidi solidi (SOFC) sta riscuotendo un interesse sempre più crescente in quanto l’alta temperatura di funzionamento rende questa tecnologia particolarmente interessante per la micro-cogenerazione. La presente tesi mostra una analisi teorica e sperimentale di un generatore SOFC tubolare a supporto anodico prodotto dalla società statunitense Acumentrics Corporation. L'attività si è concentrata sullo studio termo-fluidodinamico e della reazione elettrochimica di una singola cella a combustibile ad ossidi solidi tubolare a supporto anodico con il principale obiettivo di implementare la reazione elettrochimica in ANSYS-FLUENT per una analisi puntuale dei fenomeni che intervengono nella singola cella stessa. Inoltre lo stesso approccio è stato applicato allo studio dell'intero stack di celle a combustibile e ad un recuperatore catodico. Tutte le caratteristiche dimensionali ed operative dei componenti considerati sono stati forniti da Acumentrics Corporation. Si è inoltre compiuta la caratterizzazione sperimentale delle prestazioni di un prototipo di generatore SOFC, sempre fornito da Acumentrics Corporation. Il generatore è stato installato all'interno di un banco di prova ed alimentato ad idrogeno. Data la correlazione lineare tra alcune variabili di funzionamento i dati sono stati interpretati attraverso il metodo di analisi multivariata per l'analisi delle componenti principali. Attraverso tale metodo è stato possibile derivare regole generali che descrivono il funzionamento di un sistema e da queste regole studiare la risposta del sistema alla variazione dei parametri di funzionamento anche in condizioni diverse da quelle sperimentali.