CELLE A COMBUSTIBILE AD ELETTROLITA POLIMERICO

CELLE A COMBUSTIBILE AD ELETTROLITA POLIMERICO
*L. Egiziano, *N. Femia, *M. Fortunato, *A. Giustiniani, *G. Petrone, *G.Spagnuolo,
**M.Vitelli
*Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione ed
Ingegneria Elettrica
Università di Salerno
Via P.Don Melillo, 84084 Fisciano (SA)
** Seconda Università di Napoli
Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione
Via Roma, 81031 Aversa (CE)
Tra i diversi tipi di Cella a Combustibile (FC) la Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
(PEM-FC) è quella che sta attirando maggiore interesse grazie alla sua elevata efficienza e
densità di potenza che la rendono il miglior candidato per la propulsione dei veicoli elettrici, e
per le applicazioni stazionarie, sia in DC che in AC, monofase e trifase, operanti in isola o
connesse alla rete. Quantunque la PEM-FC è un sistema che non ha parti mobili; lo stack, e
soprattutto la membrana polimerica, sono soggetti a stress meccanici e chimici che la possono
degradare rapidamente; inoltre è soggetta a incertezze parametriche che possono determinare
variazioni più o meno significative delle prestazioni.
I livelli di prestazione insoddisfacenti manifestati da un FC System (FCS) dopo un certo
numero di ore di lavoro sono spesso dovuti ad una strategia di controllo grossolana che si basa
su set-point determinati in laboratorio ed ottenuti analizzando le prestazioni "nominali"
dell'FCS che quindi non tengono conto delle reali condizioni operative del sistema (per
esempio in termini di umidità e temperatura). Su tale aspetto si sta sviluppando una strategia
di controllo adattativa semplice e robusta, basata sulla tecnica Perturba & Osserva (P&O),
volta a migliorare le prestazioni e l'affidabilità del FCS. Tale tecnica, che nell’ambito dei
sistemi fotovoltaici è ampiamente utilizzata per il controllo dell’elettronica di potenza al fine
di massimizzare la potenza estratta dalla sorgente, nel caso dei FCS è stata applicata alla
gestione dei flussi di reagenti al fine di ottimizzare il valore di una funzione obiettivo
prescelta, ad esempio la potenza in uscita dal PEM-FCS, l'efficienza globale del FCS o il
bilanciamento tra le pressioni dei reagenti sulla membrana, tenendo conto della mappa di
efficienza e della dinamica degli attuatori.
La PEM-FC è un generatore a bassa tensione ed alta corrente, per cui richiede un circuito a
commutazione di tipo DC/AC per l'interfacciamento a carichi ac oppure per il collegamento
alla rete elettrica. In generale, il circuito elettronico di potenza è costituito da un convertitore
DC/DC, unidirezionale e con un elevato fattore di innalzamento della tensione, seguito da un
inverter che garantisca un elevato fattore di potenza di uscita ed una bassa distorsione
armonica totale. Tale architettura, di solito definita "doppio stadio", è di fatto uno standard e
permette di separare e semplificare la progettazione dei controlli per lo stadio DC/DC e
DC/AC. I due stadi condividono un dc-bus con un condensatore che processa la differenza tra
la potenza dc proveniente dal FCS e quella ac che l'inverter trasferisce all'uscita.
Secondo la letteratura corrente, l'invecchiamento delle PEM-FC è anche dovuto agli effetti del
circuito elettronico di potenza che consente di interfacciare la PEM-FCS alla rete elettrica o ai
carichi. Il deterioramento in termini di prestazioni e durata, nonché l’elevato consumo di
reagenti sono dovuti essenzialmente alle oscillazioni a frequenza doppia della tensione di rete
che si manifestano sulle grandezze elettriche lato DC. Per smorzare le oscillazioni di tensione
solitamente il condensatore dc-bus ha una capacità molto grande e, a causa del fatto che
l'inverter ha caratteristiche di tipo step-down, esso è sottoposto ad una tensione superiore a
quella del picco di tensione in uscita dall'inverter. Ciò comporta l’utilizzo di condensatori
elettrolitici che riducono l'affidabilità complessiva del sistema.
L’unità di Salerno su tale aspetto ha avviato lo studio di alcune tecniche di controllo che,
indipendentemente dal valore della capacità di bulk, sono in grado di annullare il ripple a
100/120Hz senza ricorrere a filtri, preservando in tal modo l'efficienza dello stadio di
conversione della potenza elettrica ed evitando l’utilizzo di condensatori elettrolitici. Un
esempio di approccio in retroazione, recentemente brevettato e stato applicato con successo
nel campo dei sistemi PV, esso garantisce un’elevata reiezione ai disturbi ed una ampia banda
di regolazione.
Le attività della Unità di Ricerca sulle PEM-FC, è condotta in collaborazione con ricercatori
dell'Universitat Rovira i Virgili (Spagna) e dell’Université de Belfort Montbeliard e FrancheComte' (Francia).
Progetti e contratti di ricerca riguardanti l’attività scientifica sulle fonti rinnovabili.
Convenzione di Ricerca 2007-2008 finanziata da Matrix s.r.l: “Tecnologie, modelli ed
analisi di dati per l’energia ed il monitoraggio ambientale”.
Convenzione di Ricerca 2008 finanziata da Matrix s.r.l: “Sviluppo ed ottimizzazione di un
caricabatterie boost per applicazioni fotovoltaiche di tipo stand-alone”.
Convenzione di Ricerca 2008 finanziata da Astrid S.p.A: “Ottimizzazione del controllore
MPPT di un inverter fotovoltaico trifase”.
Convenzione di Ricerca 2008 finanziata da National Semiconductors U.S.A.: “Reliability
issues in micro-inverters for photovoltaic modules”.
Progetto Regionale Legge 5: “Sviluppo di inverters grid-connected per la conversione di
energia prodotta da fonti rinnovabili: applicazione di metodologie per il progetto robusto e
adozione di tecniche di controllo innovative per la massimizzazione dell'efficienza”.
PRIN 2006:”Ottimizzazione dello stadio di potenza e delle tecniche di controllo di
convertitori switching per il maximum power point tracking (MPPT) fotovoltaico in
applicazioni di tipo auto motive”.
Programma Vigoni 2009/10 finanziato dall’Ateneo Italo Tedesco con l’Università di
Kassel (Germania), sul tema “Reliable power electronics for photovoltaics”.
Pubblicazioni
1. I.Arsie, A.Di Domenico, A.Giustiniani, Petrone G., C.Pianese, M.Sorrentino,
G.Spagnuolo, M.Vitelli “PEM Fuel Cells Control by means of the Perturb and Observe
Technique”. JOURNAL OF FUEL CELL SCIENCE AND TECHNOLOGY, ISSN: 1550624 (in stampa).
2. M. Fortunato, A. Giustiniani, G. Petrone, G. Spagnuolo, M. Vitelli: “Maximum Power
Point Tracking in a One Cycle Controlled Single Stage Photovoltaic Inverter”; IEEE
Transactions on Industrial Electronics, July 2008.
3. N.Femia, G.Lisi, G.Petrone, G.Spagnuolo, M.Vitelli: “Distributed Maximum Power Point
Tracking of Photovoltaic Arrays. Novel Approach and System Analysis”, IEEE Trans. on
Industrial Electronics, July 2008.
4. G.Petrone, G.Spagnuolo, R.Teodorescu, M.Veerachary, M.Vitelli: “Reliability issues in
Photovoltaic Power Processing Systems”, IEEE Trans. on Ind. Electronics, July 2008.
5. G.Petrone, G.Spagnuolo, M.Vitelli: “Analytical model of mismatched photovoltaic fields
by means of Lambert W-function”; Journal of Solar Energy Materials and Solar Cells Vol
91, Issue 18 November 2007 pp. 1652-1657.
6. N.Femia , D.Granozio , G.Petrone , G.Spagnuolo, M.Vitelli: "Predictive & Adaptive
MPPT Perturb and Observe Method". IEEE Transactions On Aerospace And Electronic
Systems, vol. 43, No. 3 July 2007, pp. 934-950.