Scelta dei compressori idonei all'accoppiamento con un prototipo di pila a combustibile polimerica

L’oggetto del presente lavoro è un prototipo di pila a celle a combustibile polimeriche, dal nome commerciale di AndromedaTM, della Nuvera Fuel Cells Europe S.r.l. di San Donato Milanese (MI), azienda produttrice di celle a combustibile polimeriche. La pila AndromedaTM necessita di tutta una serie di sistemi ausiliari, tra cui un compressore di convogliamento dell’aria comburente e un compressore di ricircolo del combustibile (idrogeno) non consumato dalla pila.
Essi devono semplicemente vincere le perdite di carico nella pila, più quelle dovute agli altri componenti presenti nell’impianto e alle tubazioni.
Presso i laboratori Nuvera sono state effettuate delle prove sperimentali per misurare le portate dei due gas (aria e idrogeno) e le corrispondenti perdite di carico nelle pila. E’ stato evidenziato che le perdite di carico nelle testate di ingresso e di uscita della pila rappresentano una quota notevole delle perdite di carico totali. Perciò, si è deciso di ridisegnare le testate, portando al di fuori di esse la suddivisione del flusso in più sottoflussi. E’ stata quindi fatta un’analisi agli elementi finiti e sono state calcolate le perdite di carico nelle nuove testate. La riprogettazione delle testate ha permesso di ottenere un abbasamento del 45% delle perdite totali nella pila.
Una volta definite le portate e gli incrementi di pressione che dovono fornire il compressore dell’aria ed il compressore di ricircolo dell’idrogeno, nonché le altre caratteristiche che essi devono avere e le condizioni di funzionamento, si è effettuata un’indagine di mercato ed in letteratura per individuare le tipologie di compressori più idonee all’accoppiamento con la pila AndromedaTM.
Quale compressore dell’aria è stata scelta una soffiante a lobi, in quanto l’unica in grado di coprire adeguatamente il campo di funzionamento richiesto, senza avere particolari problemi. Anche le soffianti a canali laterali possono elaborare le stesse portate ed, in qualche caso, fornire l’incremento di pressione di quasi 1bar richiesto, ma solo limitando fortemente la temperatura di ingresso dell’aria. In ogni caso, le soffianti a lobi presentano rendimenti decisamente migliori rispetto alle soffianti a canali laterali (65÷75% contro 40÷50%), soprattutto ai carichi parziali, grazie all’assenza di un rapporto di compressione interno. L’unico inconveniente delle soffianti a lobi è l’elevato livello di rumore generato: di circa 10dB(A) superiore rispetto alle soffianti a canali laterali.
Quale compressore di ricircolo dell’idrogeno non consumato dalla pila si è scelta una soffiante centrifuga a tre stadi. Soltanto le soffianti centrifughe e le soffianti a canali laterali sono in grado di coprire adeguatamente il campo di funzionamento richiesto. Si è optato per una soffiante centrifuga in quanto queste macchine presentano una velocità di rotazione più elevata delle soffianti a canali laterali (24000giri/min contro 3000giri/min), e ciò determina una macchina con un ingombro ed un peso minore. I rendimenti isoentropici di entrambe le tipologie sono intorno al 40÷50%, anche se non è stato possibile determinare il rendimento ai carichi parziali delle soffianti centrifughe, e nemmeno il livello di rumore prodotto. Infatti, spesso i costruttori sono restii a fornire dati specifici delle loro macchine, quali i rendimenti.