Fuel Cells Technology - fast.mi.it · o Gas diffusion layer : garantire la diffusione capillare dei...

EARLY MARKETS 07 Aprile 2008 1

Fuel Cells Fuel Cells Fuel Cells TechnologyTechnologyTechnologyFuel Cells

Technology

s.a. Stabio, Switzerland

Ing. Gianmario Picciotti R&D Fuel Cell

Ing. Roberto Bianchi R&D Fuel Cell


V A R E S E - I T A L Y

A V E L L I N O - I T A L Y

C U N E O - I T A L Y

T O R I N O - I T A L Y

T O R I N OI T A L Y

L O D II T A L Y

POLAND

P O L A N D

nuova

P O R D E N O N E - I T A L Y

S T A B I O - S W I T Z E R L A N D

N A V A R R A - E S P A N A

BRASIL

B R A S I L

L U X E M B O U R G

Household

Appliances

Automotive

Industry

Incorporation: 1999Employees: 180Working facility: 25’000 m2

Incorporation: 1976Employees: 610Working facility: 60’000 m2

MES-DEA S.A., formerly a division of MES S.A., after the take-over of the ZEBRA battery technology, was

established as independent company.

-D E AS T A B I O - S W I T Z E R L A N D

MES andMES-DEA are now part of a Team of 14 companies

working to develop, design, manufacture and commercialize

components for Automotive and Household Industries.

With 3’800 employees and 220’000 m2 of working facility,

the Team sales for a total amount of about 458 Mio €.

. ESOG .MIA N C O N A - I T A L Y


ZEBRA BatteryComponents

for electric vehicles

Fuel CellsElectric vehicles

S T A B I O - S W I T Z E R L A N D


Components for electric vehicles and trucks

As MES-DEA we are pleased to offer the complete set of components for EVS; specially designed and produced for these applications.

Fuel Cells

The first prototype of Fuel Cell (3 kW type PEM) has already been tested. At the beginning of 2003 MES-Dea’s staff will realise new Fuel Cell Stacks as to offer to the market a compact and economical product thanks to the simplicity of the system.

ZEBRA Battery

With the acquisition of ZEBRA technology, MES-DEA is pleased to offer to its customers an electric battery of high capacity. Thanks to the battery characteristics MES-DEA can cover different marketapplications, as for example the auto vehicles, the busses, the boats, the marine applications, the solar applications or UPS and also batteries for telecommunication stations.

Present Production Capability: 2’000 battery/year

Building Production Capability: 30’000 battery/year


00

25 50 75

80

120

100 125

100

60

40

20

Specific constant power150W/kg

Wh/kgZn/Luft Li/Ion

Na/NiCl 2 ZEBRA

Ni/MH

Ni/CdZn/Br 2Pb/Gel

Thermal Energy

130Ragone Diagram

for tractionbatteries


PERCHE’ L’AUTOMOTIVE HA SCELTO LE PEM� È stata introdotta negli anni ’60 con membrana sviluppata dalla General Electric poi utilizzata per due sistemi a fuel cell all’interno della missione spaziale Gemini

�Nel 1972 la DuPont sviluppa una membrana alternativa realizzata in Nafion.

�Nel 1986 i laboratori di Los Alamos riescono ad incorporare il conduttore protonico nella struttura del catalizzatore aumentandone notevolmente l’efficienza.

�Negli anni ‘90 la canadese Ballard realizza e commercializza i primi sistemi.

Vantaggi:

�Elettrolita solido

�Alta densità di potenza ( 2A/cm^2) anche a basse temperature

�“Alta” velocità di risposta alle variazioni di carico

�Bassi problemi di corrosione dato che l’unico liquido presente è l’acqua prodotta dalla reazione

�Tolleranza alla CO2 non avendo un elettrolita alcalino


> Piatto bipolare ( in grafite o metallico )- Piatto conduttore con la funzione di separare i flussi di gas di celle adiacenti - Ha la funzione di distribuire ( flow field ) con uniformità i gas reagenti sui due

elettrodi

> Gas diffusion media ( carbon paper, carbon cloth )- Strati a porosità differenziale che diffondono i gas reagenti in direzioni

preferenziali. - Nel caso delle PEMFC garantiscono la corretta idratazione della membrana durante

l’esercizio

> Elettrolita ( liquido o solido ) - Separa fisicamente i gas reagenti- Costituisce il conduttore ionico selettivo per la particolare specie ionica

> Elettrodo ( zona di interfaccia ) - Sito di reazione trifase - Per le celle a combustibile a bassa T funge anche da catalizzatore


STRATEGIE DI CONTROLLO DI UNA PEMFC• Capire le problematiche inerenti alla tecnologia:

�Umidificazione della membrana

�Evitare il deterioramento dell’elettrodo

•Grandezze che siamo in grado di monitorare per capire lo stato della fuel cell

�Grandezze elettriche: tensione e corrente di stack.

�Grandezze fisiche: temperature e umidità.

•Variabili su cui possiamo agire per controllare il funzionamento della fuel cell

�Materiali e design della cella

�Aria di reazione

�Idrogeno

�Temperatura stack


Strumenti in nostro possesso: per fortuna abbiamo diversi fattori su cui possiamo far leva per cercare di mantenere sotto controllo questo fenomeno a partire da come è stata progettata la fuel cell:

o Flow field: garantire il massimo sfruttamento dell’area attiva della cella senza però creare allagamenti e/o essiccamenti locali della MEA

o Gas diffusion layer: garantire la diffusione capillare dei gas reagenti agli elettrodi ed aiutare nel contempo la rimozione dell’acqua in eccesso

o Distribuzione temperature: in alcuni casi può essere molto utile avere gradienti di temperatura lungo la cella per impedire fenomeni di allagamento laddove vi è una maggiore concentrazione d’acqua.

per poi passare alle variabili in gioco durante il funzionamento:

o Gestione flusso aria di reazione

o Gestione flusso idrogeno

o Temperatura stack

o Corto circuito


Degrado degli elettrodi

Oltre alle funzioni di controllo sopra descritte, vi sono problematiche legate al deterioramento dell’elettrodo che causano un abbattimento della densità di corrente della fuel cell:

�Start/Stop Carbon Corrosion

�Hydrogen starvation

�Uso di gas da reformer

�Avvelenamento a causa di ioni metallici

Funzioni speciali

Infine il controllo di una fuel cell è completata da altre funzioni speciali che servono ad ampliare il loro campo di utilizzo:

�Thaw procedure


OSSERVATORE DI STATO

• stima RMEA

• stima eventuali allagamenti

• condizioni FC rispetto curva di polarizzazione

Curve Caratteristiche di Controllo mDEA

2.502.75

3.003.25

3.503.75

4.00

4.254.50

4.75

5.00

5.255.50

5.756.00

6.256.50

6.757.00

7.25

7.507.75

8.00

0 5 10 15 20 25 30

Istack [A]

[Sto

ic]

-5.00

5.00

15.00

25.00

35.00

45.00

55.00

65.00

[V]

; [°C

] ;

[%]

Stoic Vstack [V] Temp [°C] UR[%]

GENERATORE RIFERIMENTI CONTROLLO TEMPERATURACONTROLLO TEMPERATURA

CONTROLLO ARIA DI CONTROLLO ARIA DI REAZIONEREAZIONE

CONTROLLO FLUSSO HCONTROLLO FLUSSO H22

PROCEDURA

START/STOP

PROCEDURA

SCONGELAMENTO

PROCEDURA

SELF-RECONDITIONING




Specifications:

Nominal power output:

Efficiency:

Cells No.:

Operating Voltage:

H2 Cons.:

Operating Conditions:

Cooling:

Size:

Weight:

Power Density:

DEA1 PrototypeDEA1 Prototype

3kW

~ 50%

120

72 V

39 ln/min ( 0.2 kg/h )

Pure H2

T= ~ 60°C

H2 overpressure = 0.4 bar

Ambient air (from 0 to 35°C)

No additional Humidification

Cooling forced air

280 x 320 x 255

7 kg

430 W/kg




Separation betweenthe cooling air

flow and reaction air flow

The same advantages due to the same operating conditions

Lower drying of the membraneduring non operation


500W22 Cells13.2 VH2 cons. 6.5 ln/min

1 kW40 Cells24 VH2 cons. 13 ln/min

1.5 kW60 Cells36 VH2 cons. 19.5 ln/min

3 kW120 Cells (2 stacks in series)72 VH2 cons. 39 ln/min

Possibility to put the stacks in series or in parallel

to obtain different voltages or currents


TEST

•Duration Test ( 2000h -> 5000h)

• Start & Stop Test (2000 cycles -> 5000 cycles )

• Thaw Test ( start-up from –20°C in 1-2minutes )

• Humidity Test (increase the performance stability )

• Auto-Reconditioning Test (start-up after long no operation time )

• New Materials( test new compound, diffusion media, MEA, etc. )


SISTEMI A FUEL CELL MES-DEA


FUEL CELL PROJECTS STARTED•Subject: Improved stack and system performance through the application of

novel analytical characterization tools

•Duration: 3 years

scientific leadership,materials, diagnostics

modelling

testing, evaluation

product development: APU, UPS

productdevelopment:portable and small mobile applications

modelling, microfluidics


FUEL CELL PROJECT PROPOSALS

�Involved in a Swiss Project with Research Institutes ( proposal in progress ). Field of operation: bipolar plate.

�Involved in an EC Project with Research Institutes ( proposal inprogress ). Field of operation: H2 in site production.

�Involved in an EC Project with Italian industrial partners ( proposal in progress ). Field of operation: Industrial hybrid vehicles.


POSSIBILI APPLICAZIONI

Mobilità trasportivia terratrasportivia maretrasportivia aereaIndustriali di lavoro

Portable Electric generators (0.25-0.5kW)

Stationary applications UPS (0.5 - 3.0kW) nmower (0.5-3.0kW)

Special applications EducationalExibition


Mobilità via terra•Pullman ( 6-150 kW )•Automobili ( 6-60 kW)•Scooter ( 1-6kW)•Biciclette ( 0.1-0.5kW)

•Full propulsion•Range esternder


Albatros FC Sistema di stoccaggio H 2:

�Tipo: una bombola da 2 l @ 200 bar in acciaio

Sistema di generazione potenza elettrica:

�Tipo: 500 W PEM Fuel Cell stack mDEA 0.5

� Consumo di H2: circa 6.5 Nl/min a piena potenza

Motore:

�Tipo: 36 V AC trifase a magneti permanenti

�Potenza: 250 W

�Installazione: integrato nel mozzo ruota anteriore

Bike:

�Cambio: SACHS a 5 velocità

�Peso: 36 Kg

�Autonomia: 80 Km in condizioni normali su percorso pianeggiante con bombola piena


SR50 FC Sistema di stoccaggio H 2:

�Capacità: una bombola da 9 l @ 300 bar


�Tipo: 3000 W PEM Fuel Cell stack DEA 3.0

�Consumo di H2: circa 39 Nl / min a piena potenza

Motore:

�Tipo: 72 V DC-Brusless a magneti permanenti

�Potenza: 3000 W

�Coppia nominale: 7 Nm

Scooter:

�Velocità: 55 km/h

�Peso: 120 Kg

�Autonomia: 60 Km


Mobilità via mare

�Potenza: 0.5-6 kW complessivi

�Fuel Cell: PEMFC

�Autonomia: 100 km

�Stoccaggio: bombola in pressione

�Utilizzo per:

�Propulsione

�Range esternder

�Emergenza


Mobilità via aerea

�Potenza: 0.5-60 kW complessivi

�Fuel Cell: PEMFC



�Utilizzo per:

�Propulsione

�Range esternder

�Emergenza

10-25kW


QUARK IBRIDO

�Potenza: 28 kW complessivi

�Batteria: NiMh

�Fuel Cell: PEMFC


�Stoccaggio: bombola 9lt 700bar

�Velocità max: 130 kmh

�Accellerazione: 0-50kmh in 6.5sec

�Trazione: integrale ( un motore elettrico connesso a ciascuna ruota)


VEICOLI INDUSTRIALI

�Potenza: 3-12 kW Fuel Cell: PEMFC

�Autonomia: 4h

�Stoccaggio: bombola in pressione o ad idruri metallici

�Utilizzo per:

�Propulsione

�Range esternder


PRODOTTI DI LAVORO

�Potenza: 250-3000W

�Fuel Cell: PEMFC

�Autonomia: 2h

�Stoccaggio: bombola idruri o pressione

�Utilizzo per:

�Propulsione

�Range esternder


APPLICAZIONI SPECIALI

300kW

1.2MW50kW

0.5-4kW 0.5-1kW

0.5-1kW


Applicazione portatile

•Generatore portatile•Telefonia-Computer•Tools


Generatore portatileSistema di stoccaggio H 2:

�Tipo: due bombole da 3 l @ 300 bar in materiale

composito

� Autonomia: 4h a pieno carico


�Tipo: 500 W PEM Fuel Cell stack mDEA 0.5

� Consumo di H2: circa 6.5 Nl/min a piena potenza

Sistema di condizionamento della potenza:

�Tensione uscite DC: 12 V

�Tensione uscita AC: 230 V 50 Hz

Fuel Cell Power Generator:

� Peso: 18 kg

� Volume: 58 l


Applicazione Stazionaria

•UPS grossa taglia (10-60kW)•Telecom ( 1-10kW )•Residenziale ( 1-5kW )


TELECOM

�Potenza: 1-10 kW complessivi

�Fuel Cell: PEMFC

�Autonomia: 8-24 h


�Voltaggio: 24Vdc ; 220Vac


AEROMODELLISMO

�Potenza: 1-2 kW

�Fuel Cell: PEMFC

�Autonomia: 10-20 min


�Settore:

�Amatoriale

�Industriale


BOA SEGNALAZIONE

�Potenza: 1-4 kW

�Fuel Cell: PEMFC

�Autonomia: 1-4giorni



EDUCATIONAL

�Potenza 5-100 W complessivi

�Fuel Cell: PEMFC

�Stoccaggio: bassa pressione


SHELL ECO MARATHON

Date post:	18-Feb-2019
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