ITTO20100805A1 - Stack di celle a combustibile migliorato e generatore di potenza elettrica comprendente lo stack - Google Patents

Stack di celle a combustibile migliorato e generatore di potenza elettrica comprendente lo stack Download PDF

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Pierpaolo Cherchi
Giuseppe Gianolio
Luca Mercante
Ilaria Rosso
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Description

DESCRIZIONE
“STACK DI CELLE A COMBUSTIBILE MIGLIORATO E GENERATORE DI POTENZA ELETTRICA COMPRENDENTE LO STACKâ€
La presente invenzione à ̈ relativa ad uno stack di celle a combustibile e ad un generatore di potenza elettrica comprendente tale stack.
Più particolarmente, l’invenzione si riferisce ad uno stack di celle a combustibile basato sulla tecnologia PEM (membrane a scambio protonico).
Come à ̈ noto, un tale stack viene convenientemente utilizzato per generare potenza elettrica sfruttando la reazione elettrochimica tra idrogeno e ossigeno, la quale ha come unico prodotto acqua ed à ̈, pertanto, considerata una fonte di energia pulita dal punto di vista ambientale. Il numero di celle impilate in serie a costituire lo stack ne determina il voltaggio complessivo.
Un tale stack costituisce, tipicamente, il componente principale di un generatore di potenza. Per il suo corretto funzionamento, all’interno di un generatore di potenza, lo stack à ̈ tipicamente collegato fluidicamente a un circuito di alimentazione e scarico delle correnti gassose di reagenti e prodotti, e ad un circuito di raffreddamento (comprendente, a sua volta, una pompa, tubazioni, dissipatori, eccetera) percorso da un fluido termovettore, per esempio acqua, e progettato per asportare dallo stack il calore in eccesso sviluppato dalla reazione elettrochimica suddetta. Inoltre, lo stack à ̈ in genere operativamente collegato ad un sistema di controllo atto a monitorare una pluralità di grandezze critiche (temperatura, portata, pressione, tensione di singola cella, tensione complessiva, eccetera).
Soprattutto per tenere conto di condizioni di impiego particolari che vanno diffondendosi in misura crescente (per esempio, in vista dell’impiego di un generatore a celle a combustibile come fonte di potenza elettrica di back-up) si avverte, nel settore, l’esigenza di diminuire l’ingombro complessivo del gruppo costituito dallo stack e dai componenti ausiliari ai quali à ̈ collegato all’interno del generatore, in modo da poter ridurre, di conseguenza, le dimensioni complessive ed il peso di un generatore di potenza elettrica che sfrutta lo stack stesso.
Ancora più diffusamente, dunque, nella tecnica si avverte l’esigenza di fornire uno stack di celle a combustibile in cui una compattezza accresciuta si accompagni ad una efficienza migliorata, per esempio dal punto di vista dell’integrazione termica e degli scambi energetici, garantendo in generale elevati standard di prestazioni ed affidabilità. Inoltre, à ̈ altamente desiderabile poter fornire uno stack di celle a combustibile compatto e controllabile in maniera efficiente e con tempi di risposta ridotti, al fine di garantire il soddisfacimento dei requisiti di potenza dell’utenza elettrica.
Scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di fornire uno stack di celle a combustibile il quale consenta di soddisfare in modo semplice ed economico almeno una delle suddette esigenze.
Il suddetto scopo à ̈ raggiunto dalla presente invenzione, in quanto essa à ̈ relativa ad uno stack di celle a combustibile come definito nella rivendicazione 1.
Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne viene descritta nel seguito una preferita forma di attuazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni delle Figure allegate, nelle quali:
- la Figura 1 Ã ̈ una vista schematica in prospettiva esplosa di una cella a combustibile;
- la Figura 2 Ã ̈ una vista schematica in prospettiva di un gruppo di celle del tipo illustrato in Figura 1 impilate;
- la Figura 3 Ã ̈ una vista schematica in prospettiva di uno stack di celle a combustibile secondo la presente invenzione;
- la Figura 4 Ã ̈ una vista schematica in prospettiva di una prima testata dello stack di Figura 3; e - la Figura 5 Ã ̈ una ulteriore vista schematica in prospettiva da parte opposta dello stack di celle a combustibile di Figura 3.
In Figura 1 à ̈ illustrata schematicamente ed indicata con 100 una cella a combustibile. Ciascuna cella 100 comprende, come elemento costitutivo principale, un gruppo membrana elettrodi 110, al quale nel seguito si farà riferimento, per semplicità, con il corrispondente acronimo inglese MEA (membrane electrode assembly).
In particolare, la cella 100 comprende tipicamente un MEA 110 disposto tra due strati 120 e 120’ di diffusione dei gas (indicati spesso anche come GDL, acronimo della corrispondente espressione in lingua inglese “gas diffusion layer†). Il gruppo formato da MEA 110 e GDL 120 e 120’ à ̈, a sua volta, compreso tra un primo e un secondo piatto bipolare 130 e 130’.
Più particolarmente, il MEA 110 comprende una membrana a scambio protonico rivestita, su facce opposte, da rispettivi strati di materiale catalitico.
Il primo piatto bipolare 130 definisce, su una rispettiva superficie 130A affacciata verso il MEA 110, un campo di flusso 140 comprendente una pluralità di canali atti, rispettivamente, a distribuire, attraverso il relativo GDL 120, un flusso di idrogeno in ingresso all’anodo del MEA 110, dove si svolge la semi-reazione 2H2→ 4H<+>+ 4e<->(1), e a raccogliere in uscita l’eventuale flusso di idrogeno in eccesso non reagito.
Il secondo piatto bipolare 130’ definisce, su una rispettiva superficie 130A’ affacciata verso il MEA 110, un campo di flusso (la cui posizione à ̈ indicata in Figura 1 con 140’) comprendente una pluralità di canali atti, rispettivamente, a distribuire, attraverso il rispettivo GDL 120’, un flusso in ingresso di comburente (per esempio aria, oppure ossigeno) al catodo del MEA, dove si svolge la semi-reazione O2+ 4H<+>+ 4e<->→ 2H2O (2), e a raccogliere in uscita il flusso di acqua prodotta dalla reazione e l’eventuale flusso di comburente non reagito/in eccesso.
Inoltre, il primo e il secondo piatto bipolare 130 e 130’ cooperano a tenuta, in corrispondenza di rispettive porzioni periferiche, con almeno una guarnizione 150 frapposta tra i piatti bipolari 130 e 130’ stessi. In questo modo, quando l’insieme di piatti bipolari 130, 130’, guarnizione 150 e MEA 110 viene assemblato, all’interno di tale insieme risulta definita una camera entro la quale il MEA à ̈ alloggiato a tenuta.
Inoltre, il primo e il secondo piatto bipolare 130 e 130’ definiscono, sulle rispettive facce 130B e 130B’ opposte alle superfici 130A e 130A’, rispettivi campi di flusso comprendenti rispettive pluralità di canali. In Figura 1 à ̈ illustrato il solo campo di flusso 170’ ricavato nel secondo piatto bipolare 130’. Preferibilmente, tali campi di flusso hanno sviluppo sostanzialmente identico.
Quando due celle 100 vengono affiancate e fissate tra loro, le rispettive facce 130B e 130B’ cooperano a tenuta con una rispettiva guarnizione (non illustrata). In questo modo, i campi di flusso 170 e 170’ definiscono una pluralità di condotti percorribili da un flusso di un fluido termovettore di raffreddamento (per esempio acqua) al fine di asportare da ciascuna cella 100 almeno parte del calore in eccesso sviluppato dalla reazione complessiva data dalla somma delle due semi-reazioni (1) e (2) succitate.
Inoltre, primi e secondi piatti bipolari 130 e 130’ presentano, tipicamente, tre coppie di aperture 190, 191 e 192. Nella fattispecie illustrata in Figura 1, le aperture 190, 191 e 192 hanno sezione rettangolare e sono disposte in modo sostanzialmente simmetrico rispetto ad un asse T trasversale dei primi e secondi piatti bipolari 130 e 130’. In maniera corrispondente, la guarnizione 150 presenta tre coppie di aperture 190’, 191’ e 192’, le quali sono anch’esse disposte simmetricamente rispetto ad un asse T’ trasversale della guarnizione 150 e in modo da sovrapporsi sostanzialmente alle corrispondenti aperture 190, 191 e 192 dei piatti bipolari 130 e 130’.
In questo modo, quando una pluralità di celle 100 vengono impilate e reciprocamente fissate a formare uno stack 200, come illustrato in Figura 2, le coppie di aperture 190, 191 e 192 di primi e secondi piatti bipolari 130 e 130’, unitamente alle aperture 190’, 191’ e 192’ delle guarnizioni 150, definiscono:
- un condotto 201 di alimentazione dell’idrogeno (combustibile);
- un condotto 202 di alimentazione del fluido di raffreddamento ;
- un condotto 203 di alimentazione del comburente (ossigeno, aria, etc.);
- un condotto 204 di uscita dell’idrogeno (combustibile) in eccesso/non reagito;
- un condotto 205 di uscita del fluido di raffreddamento;
- un condotto 206 di uscita del comburente in eccesso/non reagito e dei prodotti di reazione (acqua).
Nella fattispecie illustrata in Figura 2, in virtù della geometria dei campi di flusso ricavati nei piatti bipolari 130 e 130’ suddescritti, il condotto 201 di alimentazione dell’idrogeno ed il condotto 204 di uscita dell’idrogeno in eccesso/non reagito risultano rispettivamente disposti nella parte superiore ed inferiore dello stack 200. Analogamente, i condotti 202 e 205, rispettivamente di alimentazione e di uscita del fluido di raffreddamento risultano rispettivamente disposti nella parte superiore ed inferiore dello stack 200. Infine, il condotto 203 di alimentazione del comburente ed il relativo condotto di uscita 206 risultano rispettivamente disposti nella parte superiore ed inferiore dello stack 200.
Lo stack 200 comprende (Figura 3), oltre ad una pluralità di celle 100 collegate in serie, ed il cui numero complessivo influenza in maniera sostanzialmente proporzionale la tensione complessiva ottenibile ai capi dello stack 200, una prima e una seconda testata 210 e 211 ed almeno un collettore di corrente 212 (Figura 4). Inoltre, lo stack 200 à ̈ preferibilmente rivestito da un guscio 213. Le testate 210 e 211 sono strutturalmente fissate tra loro mediante un sistema di tiranti (non illustrato).
Le testate 210 e 211 svolgono principalmente una funzione strutturale di sostegno degli altri componenti dello stack 200. In particolare, le celle 100 collegate in serie risultano comprese tra la prima e la seconda testata 210 e 211.
Allo stesso tempo, in corrispondenza di almeno una delle testate 210 e 211 vengono realizzati i collegamenti fluidici per l’alimentazione dei reagenti e lo scarico dei ridotti di reazione/reagenti in eccesso. Inoltre, sempre in corrispondenza di almeno una delle testate 210 e 211 vengono realizzati i collegamenti fluidici per l’alimentazione e lo scarico del fluido termovettore di raffreddamento dello stack 200.
Nella fattispecie illustrata, la prima testata 210 comprende:
- un ingresso 301 di alimentazione dell’idrogeno (combustibile);
- un ingresso 302 di alimentazione del fluido termovettore di raffreddamento ;
- un ingresso 303 di alimentazione del comburente (ossigeno, aria, etc.);
- un’uscita 304 dell’idrogeno (combustibile) in eccesso/non reagito;
- un’uscita 305 del fluido termovettore di raffreddamento;
- un’uscita 306 del comburente in eccesso/non reagito e dei prodotti di reazione (acqua). Inoltre, la prima testata 210 comprende vantaggiosamente un ingresso 307 di alimentazione di un flusso di un fluido termovettore di servizio ed un’uscita 308 dello stesso flusso. La prima testata 210 definisce inoltre, vantaggiosamente, al suo interno, un volume percorribile da tale flusso di fluido termovettore di servizio termicamente accoppiabile con il flusso di fluido termovettore di raffreddamento.
In altre parole, la prima testata 210 definisce, al suo interno, uno scambiatore di calore in corrispondenza del quale, in uso, il fluido termovettore di raffreddamento che ha asportato ed accumulato, percorrendo i campi di flusso 170, 170’, il calore in eccesso prodotto nello stack 200 dalla reazione di ossidazione, cede, almeno parzialmente, tale calore al flusso di fluido termovettore di servizio.
Preferibilmente, lo scambiatore di calore 310 à ̈ interamente contenuto all’interno della testata 210. Più particolarmente, la struttura della prima testata 210 à ̈ illustrata in dettaglio nella Figura 4.
La prima testata 210 comprende un primo e un secondo piatto di estremità 401 e 402 aventi sviluppo sostanzialmente parallelepipedo e dimensioni confrontabili con quelle de piatti bipolari 130 e 130’ descritti in precedenza, ed almeno un modulo 403 di scambio termico. Il modulo 403 di scambio termico à ̈, a sua volta, compreso tra il primo e il secondo piatto di estremità 401 e 402.
L’ingresso 301 di alimentazione dell’idrogeno (combustibile), l’ingresso 302 di alimentazione del fluido termovettore di raffreddamento, l’ingresso 303 di alimentazione del comburente (ossigeno, aria, etc.), l’uscita 304 dell’idrogeno (combustibile) in eccesso/non reagito, l’uscita 305 del fluido termovettore di raffreddamento e l’uscita 306 del comburente in eccesso/non reagito e dei prodotti di reazione (acqua) sono definiti internamente dal primo piatto di estremità 401.
Nella fattispecie illustrata, il primo piatto di estremità 401 ha una prima faccia 401’ e una seconda faccia 401’’ opposte tra loro, e che sono rispettivamente affacciate, in uso, verso il resto dello stack 200 e verso il modulo 403 di scambio termico; due pareti laterali 404, una parete superiore 405 e una parete inferiore 406.
Analogamente, il secondo piatto di estremità 402 ha una prima faccia 402’ e una seconda faccia 402’’ opposte tra loro, la prima faccia 402’ essendo affacciata, in uso, verso il modulo 403 di scambio termico; due pareti laterali 407, una parete superiore 408 e una parete inferiore 409.
Come mostrato nella Figura 4, l’ingresso 301 di alimentazione dell’idrogeno, l’ingresso 303 di alimentazione del comburente, l’uscita 304 dell’idrogeno in eccesso/non reagito e l’uscita 306 del comburente in eccesso/non reagito e dei prodotti di reazione sono ricavati nelle pareti laterali 404 del primo piatto di estremità 401. Per una maggiore semplicità realizzativa, in particolare per quanto concerne le connessioni fluidiche con lo stack, l’ingresso 302 di alimentazione e l’uscita 305 del fluido termovettore di raffreddamento che ritorna dallo stack 200 sono invece ricavate rispettivamente nella seconda faccia 401’’ e nella parete inferiore 406 del primo piatto di estremità 401.
Inoltre, nel secondo piatto di estremità 402 sono ricavati un ingresso 410 e un’uscita 411 del flusso del fluido termovettore di servizio ed un’uscita 412 del flusso del fluido termovettore di raffreddamento.
Il modulo 403 di scambio termico comprende un primo e un secondo piatto 500 e 501 del modulo di scambio termico, i quali sono identici, ma disposti l’uno ruotato di 180° rispetto all’altro con riferimento ad un asse longitudinale H. Inoltre, il modulo 403 comprende almeno una guarnizione 700 atta a cooperare a tenuta, per esempio con il secondo piatto 501 ed il secondo piatto di estremità 402.
Per praticità, nel seguito verrà descritto il solo primo piatto 500.
Il primo piatto 500 del modulo di scambio termico presenta due prime aperture 502 disposte simmetricamente rispetto all’asse T trasversale del primo piatto 500 ed attraversate, sostanzialmente, dall’asse H longitudinale del piatto 500 stesso. Inoltre, il primo piatto 500 presenta due seconde aperture 503 disposte simmetricamente rispetto all’asse H longitudinale del primo piatto 500, in rispettive porzioni laterali del primo piatto 500 stesso.
Inoltre, il primo piatto 500 definisce, su una rispettiva superficie 500A affacciata verso il secondo piatto 501, un primo campo di flusso 510A comprendente una pluralità di condotti percorribili dal flusso del fluido termovettore di servizio ed in comunicazione fluidica con le seconde aperture 503.
Il primo piatto 500 definisce, inoltre, su una rispettiva superficie 500B opposta alla superficie 500A ed affacciata verso il primo piatto di estremità 401, un secondo campo di flusso 510B comprendente una pluralità di condotti percorribili dal flusso del fluido termovettore di raffreddamento ed in comunicazione fluidica con le prime aperture 502.
Poiché, come detto, il secondo piatto 501 del modulo di scambio termico à ̈ ruotato, rispetto al primo piatto 500, di 180° intorno all’asse H longitudinale, esso definisce un corrispondente campo di flusso 510A su una superficie 501A affacciata verso il primo piatto 500 ed un corrispondente campo di flusso 510B su una superficie 501B affacciata verso il secondo piatto di estremità 402. In questo modo, quando il primo e il secondo piatto 500 e 501 del modulo di scambio termico vengono impilati e reciprocamente fissati a formare, con il primo e il secondo piatto di estremità 401 e 402 il modulo di scambio termico 403, le aperture 502 e 503 di primo e secondo piatto 501 e 502 definiscono:
- un condotto 601 percorribile in ingresso dal flusso del fluido termovettore di servizio; - un condotto 602 percorribile in uscita dal flusso del fluido termovettore di servizio; - un condotto 603 percorribile in ingresso alla testata dal flusso del fluido termovettore di raffreddamento; e
- un condotto 604 percorribile in uscita dalla testata dal flusso del fluido termovettore di raffreddamento.
Nella fattispecie illustrata in Figura 4, in virtù della geometria dei campi di flusso 510A e 510B ricavati nei piatti 501 e 502 del modulo di scambio termico, il condotto 601 e il condotto 602 sono disposti nelle porzioni laterali della prima testata 210, mentre il condotto 603 e il condotto 604 sono disposti rispettivamente nella parte superiore ed inferiore della prima testata 210 dello stack 200.
Il primo e il secondo piatto 501 e 502 sono realizzati in un materiale avente buone proprietà di conduzione termica al fine di facilitare lo scambio termico tra i due flussi di fluido termovettore di raffreddamento e di servizio.
In questo modo, il flusso di fluido termovettore di raffreddamento viene alimentato in ingresso in corrispondenza della prima testata 210 attraverso l’ingresso 302, attraversa sostanzialmente le celle a combustibile 100 asportando almeno parte del calore in eccesso sviluppato localmente dalla reazione elettrochimica per poi ritornare alla prima testata 210 stessa attraverso l’uscita 305. Da qui, tale flusso percorre in ingresso il condotto 603, attraversa il campo di flusso 510A tra il primo piatto 500 ed il secondo piatto 501 ed infine percorre il condotto 604 per lasciare la prima testata 210 attraverso l’uscita 412. Si noti che, una volta lasciata la prima testata 210, il flusso del fluido termovettore di raffreddamento in uscita può essere ricircolato, mediante una pompa, all’ingresso 302.
Inoltre, in questo modo, il flusso di fluido termovettore di servizio viene alimentato in ingresso in corrispondenza della prima testata 210 attraverso l’ingresso 410, percorre il condotto 601, attraversa il campo di flusso 510B tra il secondo piatto 501 e il secondo piatto di estremità 402, per poi proseguire in uscita lungo il condotto 602 e lasciare la prima testata 211 attraverso l’uscita 411.
Si ottiene in questo modo l’accoppiamento termico tra i flussi di fluido termovettore di raffreddamento e fluido termovettore di servizio, i quali lambiscono da facce opposte il secondo piatto 501, attraverso il quale si realizza lo scambio termico per cui almeno parte del calore in eccesso sviluppato dalla reazione ed asportato dal fluido termovettore di raffreddamento viene ceduto al fluido termovettore di servizio.
Il collettore di corrente 212 (Figura 4) comprende un elemento a piastra (non illustrato) elettricamente conduttivo, collegato elettricamente allo stack 200 stesso e sostanzialmente contenuto al suo interno. Più particolarmente, il collettore di corrente 212 à ̈ collegato elettricamente ad una cella 100 di estremità dello stack 200 ed à ̈ sostanzialmente alloggiato all’interno dello stack 200, ad eccezione che per una porzione 215 di collegamento che sporge (si veda la Figura 4) all’esterno del guscio 213 dello stack 200. Più particolarmente il suddetto elemento a piastra del collettore 212 ha una sua superficie affacciata e a contatto con il MEA della cella 100 più prossima alla seconda testata 211.
All’esterno del guscio 213 dello stack 200, la porzione di collegamento 215 à ̈ collegata elettricamente e fissata in modo rilasciabile ad un convertitore DC/DC 216, il quale à ̈ convenientemente montato fissato in modo rilasciabile alla seconda testata 211.
La corrente in uscita dallo stack viene solitamente indirizzata ad un induttore avente lo scopo di smorzare le armoniche di corrente generate dal convertitore DC/DC 216, in modo da diminuire complessivamente la componente armonica della corrente prelevata dallo stack 200.
Vantaggiosamente, la porzione di collegamento 215 suddescritta svolge la funzione di un avvolgimento di un induttore necessario allo smorzamento delle armoniche di corrente.
In questo modo, rispetto ad altre soluzioni note, viene sensibilmente limitata la lunghezza delle connessioni elettriche tra stack e induttore e, di conseguenza, l’entità delle armoniche irradiate dallo stesso.
Poiché il convertitore DC/DC 216 sviluppa, in uso, calore, esso viene provvisto tipicamente di mezzi dissipatori di calore.
Vantaggiosamente, il convertitore DC/DC 216 à ̈ anch’esso accoppiato termicamente con il flusso del fluido termovettore di servizio. In particolare, la parete sulla quale il convertitore DC/DC 216 à ̈ fissato à ̈ convenientemente lambita internamente, da parte opposta a quella di fissaggio del convertitore, dal flusso del fluido termovettore di servizio che percorre il campo di flusso 170 o 170’ della cella di combustibile 100 più prossima alla seconda testata 211.
Lo stack 200 comprende inoltre, vantaggiosamente, una pluralità di mezzi sensori (non illustrati nelle Figure) di corrispondenti parametri rilevanti per il processo di produzione di potenza elettrica, quali, in particolare, temperatura, pressione e conducibilità per il fluido termovettore di raffreddamento (che percorre i campi di flusso tra le celle 100); temperatura, pressione e grado di umidità per le correnti gassose di reagenti e prodotti in ingresso/uscita dallo stack 200; eccetera.
Preferibilmente, tali mezzi sensori sono alloggiati direttamente all’interno dello stack 200, in modo da ottenere una elevata accuratezza delle misure. Più particolarmente, tali mezzi sensori possono essere convenientemente alloggiati in prossimità degli alloggiamenti delle guarnizioni 150, oppure in corrispondenza dei campi di flusso 170. Tali mezzi sensori sono collegati operativamente ad una unità di controllo (non illustrata), la quale à ̈ programmata per regolare, sulla base dei valori delle grandezze rilevate dai mezzi sensori e di parametri di set-point i quali possono essere prefissati, oppure selezionati dall’utente di volta in volta, il valore della portata dei flussi di fluido termovettore di raffreddamento e fluido termovettore di servizio all’interno dello stack. A tale scopo, l’unità di controllo à ̈ operativamente collegata, oltre che ai mezzi sensori alloggiati nello stack, ad opportuni mezzi di regolazione di portata disposti sui rispettivi condotti descritti in precedenza.
In uso, mediante opportuna regolazione dei flussi di fluido termovettore di raffreddamento e fluido termovettore di servizio all’interno dello stack, la temperatura del sistema viene così vantaggiosamente mantenuta entro un intervallo prefissato che à ̈ ottimale per il funzionamento dello stack.
Da un esame delle caratteristiche dello stack secondo la presente invenzione sono evidenti i vantaggi che esso consente di ottenere.
In particolare, lo stack 200 secondo la presente invenzione consente un condizionamento dell’energia termica particolarmente efficace. La realizzazione di un circuito idraulico interno allo stack 200, percorso da un fluido termovettore di raffreddamento e condiviso, sostanzialmente, tra lo stack 200 stesso ed il convertitore DC/DC 216, consente di ridurre il tempo di avvio di un generatore di potenza elettrica che utilizzi lo stack 200. Inoltre, riducendo il numero di componenti strutturalmente indipendenti e la distanza fisica tra i componenti stessi, risulta possibile minimizzare le derive termiche ed i gradienti termici tra le diverse parti del generatore di potenza che, in uso, sviluppano calore.
Inoltre, lo stack 200 secondo la presente invenzione favorisce un più efficace condizionamento dell’energia elettrica. Poiché l’induttore 214 à ̈ inserito all’interno dello stack 200, risulta possibile limitare l’ingombro ed aumentare la compattezza del sistema, riducendo il numero di componenti strutturalmente indipendenti e la distanza fisica tra le parti responsabili della generazione di potenza elettrica e le parti che, invece, ne realizzano e gestiscono la conversione. Inoltre, con lo stack 200 dell’invenzione, risulta possibile ridurre le emissioni di armoniche per irraggiamento legate alle connessioni, e vengono sensibilmente limitate le perdite ohmiche. Risulta, inoltre, fortemente ridotta la necessità di ricorrere a materiali isolanti e si migliora in maniera consistente l’efficienza del convertitore, dato che l’eliminazione di contatti e connessioni ne aumenta l’affidabilità generale.
La possibilità di misurare i parametri di processo direttamente all’interno dello stack 200, infine, migliora sensibilmente la precisione e l’affidabilità delle misure e, di conseguenza, consente uno sfruttamento più razionale e vantaggioso dei componenti, perseguendo l’obiettivo di una maggiore densità di potenza limitando, al contempo, i rischi associati a eventuali sovra-riscaldamenti localizzati.
Risulta, infine, chiaro che al sistema descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti che non escono dall'ambito di protezione delle rivendicazioni indipendenti.

Claims (11)

  1. RIVENDICAZIONI 1.- Stack (200) comprendente: - una prima testata (210); - una pluralità di celle (100) a combustibile impilate tra loro, fissate e collegate fluidicamente a detta testata (210); la detta prima testata (210) comprendendo: - un ingresso di alimentazione (301) per un flusso di combustibile ed una corrispondente uscita (302); - un ingresso di alimentazione (303) per un flusso di comburente ed una corrispondente uscita (306); - un ingresso di alimentazione (302) ed una corrispondente uscita (412) per un flusso di un fluido termovettore di raffreddamento termicamente accoppiato con le dette celle (100) a combustibile in modo da asportare almeno parte del calore di reazione in corrispondenza delle celle (100) a combustibile stesse; caratterizzato dal fatto che la detta prima testata (210) comprende un ingresso di alimentazione (307) ed una corrispondente uscita (308) per un flusso di un fluido termovettore di servizio, la detta prima testata (21) definendo internamente un volume (510B) percorribile da detto flusso di fluido termovettore di servizio, detto volume essendo termicamente accoppiato con detto flusso di fluido termovettore di raffreddamento, così che il fluido termovettore di raffreddamento ceda almeno parte del calore asportato dalle celle (100) a combustibile al fluido termovettore di servizio.
  2. 2. Stack secondo la rivendicazione 1, in cui detta prima testata (210) comprende almeno un modulo di scambio termico (403) comprendente un primo (500) e un secondo (501) piatto del modulo; detti primo (500) e secondo (501) piatti del modulo definendo il detto volume (510B) percorribile da detto flusso di fluido termovettore di servizio ed un volume (510A) percorribile da detto flusso di fluido termovettore di raffreddamento, i detti volumi (510A, 510B) essendo termicamente accoppiati tra loro.
  3. 3. Stack secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente una seconda testata (211) opposta alla detta prima testata (210), le dette celle (100) a combustibile essendo comprese tra le dette prima (210) e seconda (211) testata.
  4. 4. Stack secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, comprendente un condotto (201; 204; 140) percorribile dal combustibile e collegato fluidicamente all’ingresso di alimentazione (301) del combustibile e alla corrispondente uscita (304).
  5. 5. Stack secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, comprendente un condotto (203; 206; 140’) percorribile dal comburente e collegato fluidicamente all’ingresso di alimentazione (303) del comburente e alla corrispondente uscita (306).
  6. 6. Stack secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, comprendente un condotto (202; 204; 170) percorribile dal fluido termovettore di raffreddamento e collegato fluidicamente all’ingresso di alimentazione (302) del fluido termovettore di raffreddamento e alla corrispondente uscita (305).
  7. 7. Stack secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, comprendente un collettore di corrente (212) comprendente: un elemento a piastra elettricamente conduttivo, collegato elettricamente allo stack (200) stesso e sostanzialmente contenuto al suo interno; ed una porzione (215) di collegamento che sporge all’esterno dello stack (200).
  8. 8. Stack secondo la rivendicazione 7, in cui la detta porzione di collegamento (215) Ã ̈ collegata elettricamente ad un convertitore DC/DC (216) fissato in modo rilasciabile allo stack (200).
  9. 9. Stack secondo la rivendicazione 8, in cui detto convertitore DC/DC Ã ̈ termicamente accoppiato con detto flusso di fluido termovettore di raffreddamento.
  10. 10. Stack secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, comprendente inoltre una pluralità di mezzi sensori alloggiati all’interno dello stack (200) stesso per la rilevazione di almeno una grandezza relativa ad un flusso percorrente lo stack (200), ed una unità di controllo collegata operativamente con detti mezzi sensori e con opportuni mezzi di regolazione delle portate dei flussi di fluido termovettore di raffreddamento e fluido termovettore di servizio.
  11. 11. Generatore di potenza elettrica comprendente uno stack (200) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
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