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

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.