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Analisi energetica del sistema di compressione dell'aria di una cella a combustibile PEM per la trazione terrestre

Informazioni tesi

  Autore: Fioravante Della Porta
  Tipo: Laurea liv.I
  Anno: 2003-04
  Università: Università degli Studi di Salerno
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria meccanica
  Relatore: Cesare Pianese
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 190

In data 17.05.2005 tale lavoro di tesi è risultato vincitore, nella categoria tesi di 1° livello, del cocnorso "tesi innovative nel settore automobilistico" indetto dall'ACI di Salerno.

Il capitolo introduttivo della tesi presenta una breve, ma accurata descrizione sullo scenario energetico-ambientale del nostro tempo al fine di motivare l’attenzione maturata nel corso degli ultimi anni verso sistemi energetici innovativi con particolare riferimento alle fuel cells, focalizzando l’attenzione sull’utilizzo indiscriminato dei combustibili fossili responsabili, nel lungo periodo di tempo, di compromettere l’equilibrio dell’ecosistema in cui viviamo ed, in modo più o meno diretto, la qualità della nostra salute. Inoltre le riserve di queste fonti energetiche, indipendentemente dalle previsioni più o meno ottimistiche che siano, sono destinare a finire e ciò contribuisce al clima di instabilità e tensione presente in alcune aree del mondo ove (sarà un caso) il petrolio, il combustibile attualmente più diffuso, è presente in abbondanza.
In tale scenario vengono presentate le fuel cells evidenziandone vantaggi e difficoltà di affermazione, con particolare riferimento al settore automotive, che ha contribuito in modo significativo alla diffusione dell’idea del combustibile pulito, l’idrogeno, e dei sistemi più efficienti in grado di utilizzarlo. Le celle a combustibile sono dei dispositivi elettrochimici che convertono direttamente l'energia chimica contenuta nei reagenti (combustibile ed ossidante) in energia elettrica senza che avvenga un normale processo di combustione, ovvero senza trasformare l'energia chimica in termica e successivamente in meccanica come avviene in un tradizionale motore a combustione interna. Ciò consente di ottenere, almeno teoricamente, rendimenti superiori ai M.C.I. perché non si è vincolati dal secondo principio della termodinamica che impedisce la conversione di tutta l'energia termica disponibile in energia meccanica limitando il rendimento del ciclo termodinamico e, quindi, il rendimento della macchina che lo realizza. Tuttavia i maggiori rendimenti teorici garantiti da un sistema di propulsione basato su tale tecnologia sono effettivamente conseguibili attraverso una integrazione ottimale tra lo stack di celle ed i relativi ausiliari.
Nel presente lavoro di tesi si è focalizzato l'attenzione sul sistema di compressione dell'aria ritenuto uno degli elementi più critici per il corretto funzionamento di uno stack di celle a combustibile; un incremento della pressione di alimentazione dell’aria, infatti, consente infatti di ottenere i seguenti vantaggi:
• aumento della pressione parziale dell’ossigeno che facilita le reazioni al catodo ed il trasporto di massa attraverso l’elettrodo, con un sensibile incremento della tensione fornita ed un aumento ancora più significativo della potenza erogata
• si riduce l'acqua richiesta per l'idratazione della membrana polimerica semplificando la gestione dei flussi d'acqua on-board.
Tuttavia la compressione dell'aria ha un costo: dal punto di vista energetico la potenza richiesta dal compressore aumenta repentinamente con la pressione fino a raggiungere il 25%, ed oltre, della potenza generata dalla pila di celle, ed inoltre macchine capaci di raggiungere rapporti di compressione più elevati sono caratterizzate da peso ed ingombri maggiori, aspetti non trascurabili nel campo delle applicazioni mobili.
Per tale motivo nel presente lavoro di tesi viene effettuata una comparazione energetica tra diverse macchine operatrici in relazione all'impiego citato mettendone in evidenzia le performance nelle diverse condizioni di funzionamento, al fine di individuare la soluzione più efficiente, o comunque individuare le caratteristiche del sistema di compressione dell’aria ideala per alimentare una uno stack di celle a combustibile.

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I SOMMARIO Sempre più spesso si sente parlare del binomio idrogeno e celle a combustibile, ma che cosa hanno in comune questi due elementi? Apparentemente nulla! Infatti l'idrogeno (dal greco ùdor ghènos generatore d'acqua), la molecola più semplice della tavola periodica di Mendeleev, sebbene sia l'elemento più abbondante nell'universo (ne è una conferma l'analisi spettrale delle stelle) a causa della sua bassissima massa volumica sfugge alla forza gravitazionale terrestre e pertanto non è presente sul nostro pianeta. Le celle a combustibile, invece, lontane dal poter essere considerate delle tecnologie emergenti, a parte qualche sporadica applicazione dimostrativa, sono entrate nel dimenticatoio delle scoperte scientifiche dal lontano 1839 quando Sir Grove ne sperimentò il primo modello funzionante. Probabilmente dal 1839 ad oggi qualcosa è cambiato. Esistono, oggi, due motivi fondamentali che spingono verso lo sviluppo dei dispositivi elettrochimici e dell’idrogeno. Uno di essi è di carattere ambientale: attualmente, ma purtroppo anche nel prossimo futuro (secondo le previsioni IEO), la domanda primaria di energia viene soddisfatta quasi esclusivamente mediante le fondi fossili, cioè petrolio, carbone e gas naturale, responsabili soprattutto mediante i processi di combustione, ma anche attraverso il trasporto e lo stoccaggio dell’incremento della concentrazione di CO 2 nell’atmosfera (a cui si addebita il riscaldamento globale del pianeta), dell’acidificazione dei suoli, dell’eutrofizzazione delle acque…insomma responsabili di, nel lungo periodo di

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Parole chiave

celle a combustibile
compressori
energia e ambiente
fuel cells
idrogeno

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