LA3.3.6 – Sviluppo di celle a combustibile per applicazioni on-board e in aree portuali e validazione in stack prototipali

Attività

La LA 3.3.6 ha sviluppato e validato una PEMFC per applicazioni navali alimentata con aria arricchita/ossigeno. La prima fase ha riguardato l’analisi di sicurezza e compatibilità dei materiali esposti a elevate concentrazioni di O₂, con attenzione a piatti bipolari, MEA, GDL e guarnizioni e ai rischi di infiammabilità, corrosione e cross-over. È seguito il pre-dimensionamento dello stack mediante curve di polarizzazione sperimentali CNR-ITAE, definendo punto di lavoro, efficienza, numero di celle, area attiva, architettura impilata, raffreddamento ad acqua, distribuzione dei fluidi a “U” e materiali dei principali componenti. La progettazione esecutiva CAD/CAE ha consentito di verificare geometrie, tolleranze, integrazione e circuiti interni prima della fabbricazione. È stato quindi realizzato e testato uno short-stack a 3 celle, preceduto dalla caratterizzazione di tre MEA con differenti spessori e formulazioni catalitiche, mediante prove di tenuta, attivazione e curve I-V a diverse pressioni. Infine è stato assemblato lo stack finale da 48 celle, serrato in pressa, collegato al banco prova e dotato di monitoraggio CVM per la misura delle tensioni di ogni cella.

Risultati

Lo studio iniziale ha confermato condizioni operative caratterizzate da rischi di ignizione generalmente contenuti e ha permesso di individuare gli aspetti più rilevanti per la sicurezza del sistema, guidando la definizione di specifiche soluzioni progettuali e misure di prevenzione e mitigazione per la gestione di guasti meccanici, tenuta dei componenti e fenomeni di cross-over. Il dimensionamento ha fissato una tensione di 0,76 V/cella, rendimento LHV del 60,57% e potenza nominale di 3,5 kW; l’ottimizzazione ha portato a 48 celle, 36 V, area attiva di 246 cm² e corrente operativa di circa 96 A. I test sui MEA hanno mostrato che membrane sottili riducono le perdite ohmiche e aumentano la densità di corrente, ma sono più vulnerabili al cross-over, mentre membrane da 90 µm risultano più conservative e richiedono pressioni di esercizio elevate. Lo stack finale ha mostrato OCV di 49,3 V, pari a 1,03 V/cella, e 35,6 V a 100 A. Le curve di polarizzazione sono risultate stabili e riproducibili; a 200 A è stata raggiunta una potenza massima di 7,48 kW, con 0,63 W/cm² e 0,8 A/cm² a 0,76 V/cella. L’aumento della concentrazione di O₂ al catodo ha incrementato tensione, potenza e uniformità delle celle, con un miglioramento di circa il 10% a 200 A in ossigeno puro.

Figura 2

Stack PEMFC finale: architettura e risultati sperimentali

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