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ROEN EST
ARCOTRONICS SpA - Via San Lorenzo, 19 40037 Sasso Marconi BO Tel.: (+39) 051 939111 Fax.: (+39) 051 840684
Torino, 16 Giugno 2004
Arcotronics Fuel Cells
A. D’AnziArcotronics Fuel Cells Srl, Via S. Lorenzo 19, 40037, Sasso Marconi (BO) Italy
Sviluppo di sistemi a fuel cell: l’esperienza di Arcotronic Fuel Cells
Azienda Multinazionale Fondata negli anni 60 da Olivetti e
Rockefeller Situata a Sasso Marconi - Bologna Attività principali: Produzione di condensatori, macchinari per
la produzione di condensatori e batterie. Fatturato del gruppo: 236 milioni di Euro Personale: 2500
ARCOTRONICS NISSEI GROUPProfilo del Gruppo ROEN EST
ARCOTRONICS ITALIA SpA - Via San Lorenzo, 19 40037 Sasso Marconi BO Tel.: (+39) 051 939111 Fax.: (+39) 051 840684
ARCOTRONICS NISSEI GROUPArcotronics nel mondo
Arcotronics Ltd.Arcotronics Ltd.(Great(Great BretainBretain))
ArcotronicsArcotronicsBauelementeBauelemente(Germany)(Germany)
Arcotronics FranceArcotronics France SarlSarl
•• Arcotronics ItaliaArcotronics Italia•• AerreAerre MachinesMachines•• 2A s.r.l.2A s.r.l.•• LogimecLogimec•• Arcotronics fuel cellArcotronics fuel cell
(Italy)(Italy)
Arcotronics Arcotronics (Bulgaria)(Bulgaria)
NisseiNissei DenkiDenki
ArcotronicsArcotronics(China)(China)
NisseiNisseiDenkiDenki(Singapore)(Singapore)
•• NisseiNissei DenkiDenki•• NisseiNissei ElectricElectric
(Japan)(Japan)
Arcopacific Arcopacific (Taiwan)(Taiwan)
NISSEI Arcotronics AmericaNISSEI Arcotronics America(USA)(USA)
ROEN EST
ARCOTRONICS ITALIA SpA - Via San Lorenzo, 19 40037 Sasso Marconi BO Tel.: (+39) 051 939111 Fax.: (+39) 051 840684
Società a responsabilità limitata Fondata nel 2000 sotto il nome di ROEN EST. Nel 2003 è stata incorporata nel Gruppo
ARCOTRONICS NISSEI Sede legale ed operativa: Sasso Marconi -
Bologna Attività: Produzione di stack e sistemi basati su celle
ad elettrolita polimerico (PEFC)
ARCOTRONICS FUEL CELLProfilo dell’azienda ROEN EST
ARCOTRONICS FUEL CELLS Srl – www.arcotronicsfuelcells.com
ARCOTRONICS FUEL CELLSROEN ESTPerché l’idrogeno?
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CARBONE
RIFIUTI
OLIO
GAS NATURALE
BIOMASSE
GEOTERMICO
SOLARE
EOLICO
NUCLEARE
IDROELETTRICO
REFORMING
RAFFINAZIONE
CICLO TERMICO ELETTROLISIH2
FV
GASSIFICAZIONE
H2
SHIFT SEPARAZ. CO2
CO2
O2
Metanolo/Etanolo
Vettore energetico
Riduzione inquinamento locale
Riduzione inquinamento globale
Utilizzo molto efficiente nelle FC
ARCOTRONICS FUEL CELLSROEN ESTFuel Cells
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CARICO
Cat
odo
An
odo
Elettrolita
Canale dell’ossidante
Canale del combustibile
catalizzatoriO2
H2O
e- e-
H +H2
H2 => 2H+ + 2e- 1/2 O2 + 2H+ + 2e- => H2O
H2 + 1/2 O2 => H2O
ARCOTRONICS FUEL CELLSROEN ESTFuel Cells
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CARICO
CatodoAnodo Elettrolita
e- e-
O2
H2
H2OO =
SOFC 750-1000°C
H2 O2
H2OCO2
CO2
CO3=
MCFC 650°C
H2
O2
H2OH +
PAFCPEM
200°C70-120°C
DMFCCH3OH
H2O H+
CO2
H2O
O2
70-120°C
ARCOTRONICS FUEL CELLSROEN ESTPerché le fuel cells nei veicoli?
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Efficienza molto elevata con H2 Efficienza elevata anche ai carichi parziali Basse emissioni gassose ed acustiche (CO2 , CO, NOx,
benzene, polveri fini) Flessibilità nella scelta del combustibile primario Alte potenzialità di sviluppo in termini di affidabilità
e durata
Abbattimento dei costi Stoccaggio del combustibile Durata della pila Integrazione automotive Rete di distribuzione e manutenzione
Sfide
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
Eff
icie
nza
(%)
Potenza della stack (%)
CURVA TIPICA DI EFFICENZA MOTORE A CICLO OTTO
0
5
10
15
20
25
30
2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800
[rpm]
[%]
Efficienza
Motore CI
Fuel Cells
45 % FC
vs.
15% Motori CI
ARCOTRONICS FUEL CELLSROEN ESTPerché le PEFC?
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Nessun problema di start up se si utilizzo H2 Elevata densità di potenza Tutti i componenti allo stato solido Elevati margini di riduzione dei costi
Materiali Manufacturing
Vite operative dello stack già compatibili con impieghi automotive
Punti critici per la produzione in larga scala di stack PEFC: Problemi di contatto e tenuta tra il MEA ed i piatti bipolari I problemi di tenuta aumentano con l’aumentare del numero di
celle dello stack Le guarnizioni tradizionali implicano uno spreco di MEA Ogni singola cella necessita il posizionamento di tre distinti
elementi (il MEA e le 2 guarnizioni) durante l’assemblaggio dello stack
Necessità di introdurre processi a basso costo La produzione industriale necessita controllo di qualità per
garantire standard e prestazioni O & M richiedono la capacità di disassemblare lo stack
salvaguardando l’integrità del MEA e le prestazioni delle celle
Perché MEGA®?
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All’interno di un progetto di collaborazione con la divisione ENEA IDROCOMB, è stata sviluppata una tecnologia PEFC capace di operare con eccellenti prestazioni, a pressione atmosferica e bassi carichi di platino agli elettrodi. Il brevetto registrato sotto il nome di MEGA® (membrane electrode gasket assembly), individua una tecnologia capace di permettere elevata qualità del prodotto e basi costi di produzione.
La tecnologia brevettata MEGA®
Principali referenze dei test di caratterizzazione del
MEGA®:A. Pozio et alii, Journal of Power Sources vol. 112 p. 491 – 496 (2002)A. Pozio et alii, Journal of New Materials for Electrochemical Systems 6, 157-162 (2003)
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MEGA®
Membrane Electrode Gasket
Assembly
LA tecnologia brevettata MEGA®
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MEGA®
1 solo elemento
Tradizionale composta da 3
elementi1 MEA 2
guarnizioni
LA tecnologia brevettata MEGA®
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CaratteristicheCaratteristiche
2 guarnizioni per ogni MEA
Le guarnizioni non sono in contatto con le superfici porose degli elettrodi
La membrana sporge la superficie degli elettrodi
DifettiDifetti
• Difficoltà di allineamento nel montaggio
• Spreco di membrana
• Difficoltà di riutilizzo
Tenute nel MEA : approccio tradizionale
Piatti bipolari
guarnizioni Membrana
GDL
Prima della compressione
Dopo la compressione
Piatti bipolari
GDL
Membrana
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CaratteristicheCaratteristiche Il MEGA® è realizzato
inserendo la MEA in un gasket fuso
La superficie della membrana ≈ MEA
VantaggiVantaggi 1 solo elemento contro 3 Nessun spreco di membrana Possibilità di riutilizzo Semplicità controllo qualità
Tenute nel MEA : l’approccio del MEGA®
LA tecnologia MEGA® offre vantaggi durante le fasi di produzione, assemblaggio e funzionamentoproduzione, assemblaggio e funzionamento
Piatti bipolari
MEGA®
Membrana GDL
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Produzione del MEGA®
La miscela,iniettata mediante un dispositivo in pressione sui bordi del MEA, solidifica in pochi secondi.
Il MEA è inserito in uno stampo di alluminio riscaldato (60°C) e corredato di fori per l’iniezione della miscela al silicone.
Sistema di stampaggio per iniezione
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Assemblaggio dello stack
A. TestateB. GuarnizioniC. Piatti bipolariD. M.E.G.A
La tecnologia MEGA® semplifica
la centratura e riduce i tempi di
assemblaggio
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Vantaggi del MEGA®
RIDUZIONE DEI COSTI grazie ad un uso ottimale della membrana
MANUFACTURING riduzione del tempo di assemblaggio e semplificazione della procedura
Semplicità nel CONTROLLO QUALITA’ e STOCCAGGIO
OPERATION semplicità nella sostituzione di eventuali celle malfunzionanti
MANUTENZIONE I MEGA® possono essere riutilizzati più volte senza perdita di prestazioni
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Anode : H2 Dead End @ P anode = 1,7 bara
Cathode : Air @ 4 , P cathode = 1 bara
Tcell=65°C, Nafion 112 Membrane – Electrode Active Area 278 cm2
50 cells, 5 kW – prestazioni di stack
Test stack polarizzation curve
0
10
20
30
40
50
60
0 30 60 90 120 150
Stack Current [A]
Sta
ck
vo
lta
ge
[V
]
Test single cell polarizzation curve
0
0,3
0,6
0,9
1,2
0 200 400 600
Current density [mA/cm2]
Sta
ck
vo
lta
ge
[V
]
0,7 Volt @ 500 mA/cm2
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Test di durata per le tenute del MEGA®
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
0 480 960 1440 1920 2400 2880 3360 3840
Time/h
Cel
l Vol
tage
/V
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Pow
er/k
W m
-2
Tcell=70°C, Tanode=80°C, Tcathode=65°C - O2/H2 200 scc/min/,
p(O2 and H2) = 1.2 abs bar, Current Density 140 mA/cm2
Nafion 115 Membrane - Electrode Area 106 cm2
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Lo sviluppo degli stack
1999-20002000
2000-20012001
200420022001-2002
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1. Veicolare (APU, trazione)2. CHP stazionario3. Applicazioni portabili.
Il mercato delle FC è attualmente diviso in 3 segmenti principali:
Ci sono inoltre alcune interessanti nicchie di mercato, come generatori super silenziosi, generatori nautici, etc.
ARCOTRONICS FUEL CELLSIl mercato ROEN EST
Penta H2 Electrum OEMElectrum 5 kW stack
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ARCOTRONICS FUEL CELLS
PROGETTI IN PROGRESS
ROEN EST
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DAILY FUEL CELL
PARTNERS
ARCOTRONICS FUEL CELL
Progetto ecomobility ROEN EST
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ARCOTRONICS FUEL CELL
ROEN EST
Il veicolo è un basato sul modello IVECO DAILY da 65 Q.li, già omologato e in produzione in versione elettrica. Nella versione ad idrogeno, il veicolo è equipaggiato con uno stack di celle a combustibile (Fuel Cell), che produce sufficiente energia da raddoppiare la percorrenza del veicolo puramente elettrico. L’idrogeno viene stoccato a bordo in forma di gas compresso all’interno di appositi recipienti in materiali compositi.L’allestimento elettrico è situato all’interno del telaio del veicolo, mentre l’allestimento per l’idrogeno è posto nel vano motore. Questa soluzione permette di mantenere libera la zona al di sopra dei longheroni ed equipaggiare il veicolo con tutti gli allestimenti previsti per la normale versione endotermica, senza alcuna limitazione.Anche la distribuzione dei pesi è stata ottimizzata, in modo da avere il veicolo perfettamente bilanciato.
Il Veicolo
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Progetto ecomobility
Il VeicoloMotore
elettrico
Elettronica di potenza
Batterie
Gearmotor
Fuel CellInterface
Stack Fuel Cell+ Auxiliaries
Interfaccia utente
2°serbatoio H2
(optional)
Linea di comunicazione
1°serbatoio H2
B.M.S.Battery Management
System
ARCOTRONICS FUEL CELL
Progetto ecomobility ROEN EST
Il veicolo
Prestazioni del veicolo (Elettrico vs. Fuel Cell) Daily 65 elettrico Daily 65 H2
Velocità massima 70 km/h 70 km/h
Massima pendenza 25 % 25 %
Autonomia 70 to 120 km 150 to 250 km
Peso 6500 kg 6500 kg
Capacità di carico Up to 3910 kg Up to 3600 kg
Capacità batterie 34 to 64 kWh 34 to 42 kWh
Disponibilità di ridotte Yes Yes
Potenza massima 60 kW 60 kW
ARCOTRONICS FUEL CELL
Progetto ecomobility ROEN EST
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Caratteristiche dello stack
Costruttore ARCOTRONICS Fuel Cells
Tipo P.E.M. (Polymer Electrolyte Membrane)
Potenza nominale 5 kW
Numero di celle 100
V0 100 V
Vnominal 72 V
Inominal 70 A
Consumo H2 0.83 Nm3/kWh
Temperatura operativa 70 °C
Dimensioni (mm) 250x250x550
Lo stack
ARCOTRONICS FUEL CELL
ROEN ESTProgetto ecomobility
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•Specifiche e Design del veicolo •Fornitura del veicolo•Integrazione on-board dei sottosistemi
•Test del sistema basato su FC•Test del sistema di stoccaggio•Test del veicolo
•Realizzazione ed ottimizzazione del sistema a FC•Sistema di gestione dello stack
•Sistema di stoccaggio e distribuzione dell’H2
I partners del progetto
ARCOTRONICS FUEL CELL
ROEN ESTProgetto ecomobility
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ARCOTRONICS FUEL CELLS
15 kWe APU Navale, Celco-Yacht ROEN EST
Caratteristiche principali del sistema
Combustibile primario benzina
Potenza nominale 15 kw
Efficienza netta > 30%
Possibilità di recupero del calore 12 kW
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ARCOTRONICS FUEL CELLS
4 kWe, Micro CHP ROEN EST
Caratteristiche principali del sistema
Combustibile primario Gas naturale
Potenza elettrica 1-4 kw
Potenza termica 4-24 kW
Efficienza elettrica netta > 30 %
Efficienza totale > 80 %
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Sviluppo sistemi automotive OEM Arcotronis: – Stack automotive – Supercapacitors, batterie al litio– Elettronica di potenza– Controllo
Test sul campo di prodotti pre-commerciali:– Generatore da 1kWe alimentato a GPL (veicoli ricreazionali)– Penta 5kW ad H2 – 4 kW CHP a GN– 5 kW stack automotive ad H2– 15 kW APU per applicazioni navali– 1 kW per applicazioni aerospaziali
ARCOTRONICS FUEL CELLS
Obiettivi di medio periodo ROEN EST
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GRAZIEwww.fuelcells.arcotronics.com
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