INDICE Indice

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-INDICE

INTRODUZIONE... 7

-Capitolo I...- 13 -

CARATTERISTICHE TECNOLOGICHE DELLE CELLE A COMBUSTIBILE AD ELETTROLITA POLIMERICO ...- 13 -

1.1 Generalità ...- 13 -

1.2 La cella a combustibile come sistema termodinamico...- 15 -

1.3 Struttura e caratteristiche delle celle a combustibile ad elettrolita polimerico...- 19 -

1.3.1 Elettrodi...- 19 -

1.3.2 Membrana elettrolitica ...- 19 -

1.3.3 MEA (Membrane Electrode Assembly) e Gas Diffusion Layer ...- 20 -

1.3.4 Piastre bipolari ...- 21 -

1.4 Tipologie di Voltaggio e Voltaggio operativo di una cella a combustibile...- 22 -

1.5 Limiti di Rendimento e confronto con il limite di Carnot per cicli termodinamici classici...- 26 -

1.6 Rendimento di una Cella a Combustibile...- 29 -

1.7 Parametri che influenzano il funzionamento delle celle a combustibile ad elettrolita polimerico - 31 - 1.7.1 Effetti della pressione e della concentrazione dei gas reagenti sul funzionamento della cella ...- 31 -

1.7.2 Effetti della temperatura operativa per il corretto funzionamento della cella ...- 33 -

1.7.3 Effetti del water management nelle celle a combustibile...- 35 -

1.8 Panoramica sul mercato delle celle a combustibile... 36

-Capitolo II ...- 39 -

THERMAL MANAGEMENT DI CELLE A COMBUSTIBILE AD ELETTROLITA POLIMERICO - 39 - 2.1 Origine del problema del controllo termico ...- 39 -

2.2 Tecniche di controllo termico delle celle a combustibile...- 41 -

2.2.1 Flusso di reagente maggiorato al catodo ...- 42 -

2.2.2 Flusso d’aria separato...- 43 -

2.2.3 Controllo termico con dissipatori...- 49 -

2.2.4 Controllo termico tramite circolazione forzata di liquido ...- 53 -

2.3 Considerazioni sulle tecniche di controllo termico ... 58

-Capitolo III ...- 61 -

MODELLO TERMO-ELETTRO-CHIMICO MONODIMENSIONALE STAZIONARIO PER UNA CELLA A COMBUSTIBILE AD ELETTROLITA POLIMERICO...- 61 -

3.1 Tipologie di modelli per lo studio di celle a combustibile ad elettrolita polimerico...- 62 -

Tab. 3.1 Sintesi della principale modellistica su celle PEM e DMFC ...- 64 -

3.2 Modello termo-elettrochimico monodimensionale per lo studio di celle a combustibile ...- 64 -

3.2.1 Modello dell’Anodo Gas Diffusion Layer ...- 65 -

3.2.2 Modello dell’Anodo Catalyst Layer...- 66 -

3.2.3 Modello della Membrana ...- 66 -

3.2.4 Modello del Cathode Catalyst Layer...- 67 -

3.2.5 Modello del Cathode Gas Diffusion Layer ...- 67 -

3.2.6 Modello delle Piastre Bipolari ...- 68 -

3.2.7 Modello degli End Block ...- 70 -

3.2.8 Condizioni al Contorno per la risoluzione del problema e strategia risolutiva ...- 71 -

3.3 Considerazioni sulla validità del modello ... 73

-Capitolo IV...- 75 -

ANALISI TERMO-ELETTRO-CHIMICA DELLO STACK DI CELLE A COMBUSTIBILE FC-019K-5 DELLA H2 ECOnomy...- 75 -

4.1 Caratteristiche della Cella a combustibile FC-019K-5...- 75 -

4.2.1 Calcolo della portata di Aria ...- 77 -

4.2.2 Calcolo della portata di idrogeno ...- 79 -

4.2.3 Calcolo della portata di acqua in uscita dalla cella a combustibile ...- 81 -

4.3 Caratteristiche geometriche dello stack di celle a combustibile...- 82 -

4.4 Parametri operativi del modello ...- 83 -

4.5 Prova del modello su una singola cella della FC-019K-5 della H2 ECOnomy ...- 84 -

4.6 Aumento del numero di celle: limiti dell’approccio fenomenologico ... 86

-Capitolo V ...- 88 -

ANALISI E SCHEMATIZZAZIONE CONCETTUALE DELLE TIPOLOGIE DI SISTEMI DI CONTROLLO TERMICO PER STACK DI CELLE A COMBUSTIBILE AD ELETTROLITA POLIMERICO ...- 88 -

5.1 Schematizzazione del sistema di controllo termico per circolazione forzata di fluido in canali ricavati all’interno delle piastre bipolari: modello del pacco alettato ...- 88 -

5.2 Metodologia di studio del problema di controllo termico per circolazione di fluido in canali ricavati nelle piastre bipolari ...- 92 -

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-5.2.1 Vincolo legato ai materiali di conformazione delle piastre bipolari ...- 94 - 5.2.2 Vincolo legato alla conduzione elettrica delle piastre bipolari ...- 95 - 5.2.3 Vincolo legato alla circolazione dei reagenti all’interno delle piastre bipolari...- 96 - 5.2.4 Linee guida per un’ottimizzazione multi obiettivo di stack di celle a combustibile

controllati termicamente da un fluido in circolazione forzata...- 97 - 5.4.5 Cenni ai metodi matematici di approccio a problemi multi obiettivo...- 99 - 5.3 Procedura di calcolo del coefficiente di scambio termico convettivo e delle perdite di carico nei canali di raffreddamento ... - 101 - 5.4 Caso studio: Stack di celle a combustibile FC-019K-5 della H2 ECOnomy ... - 104 - 5.4.1 Calcolo del coefficiente di scambio termico convettivo per lo stack di celle a combustibile FC-019K-5 della H2 ECOnomy... - 105 - 5.4.2 Analisi della variazione del coefficiente di scambio termico convettivo e delle perdite di carico nei canali della fuel cell FC-019K-5 al variare delle dimensioni caratteristiche del sistema ... - 107 - 5.4.3 Applicazione del modello del pacco alettato allo stack FC-019K-5 della H2 ECOnomy nella configurazione standard ... - 113 - 5.4.4 Effetto del materiale delle piastre bipolari e del coefficiente di scambio termico convettivo sulla capacità di asportazione del calore dal pacco alettato ... - 117 - 5.4.5 Effetto della variazione della lunghezza trasversale delle alette sull’asportazione di calore dallo stack ... - 121 - 5.4.6 Ottimizzazione multi-obiettivo dello stack di celle a combustibile FC-019K-5 della

H2ECOnomy... - 122 - 5.4.7 Variazione della dimensione fisica dei canali di raffreddamento a peso imposto e a flusso termico da asportare imposto: effetti sulle prestazioni del sistema... - 126 - 5.4.8 Considerazioni sul thermal management dello stack FC-019K-5 della H2ECOnomy- 130 -

5.5 Analisi generale del calore asportabile da dieci pacchi alettati di controllo termico a velocità del fluido di raffreddamento imposta... - 133 - 5.6 Analisi generale del calore asportabile da dieci pacchi alettati di controllo termico a lunghezza caratteristica delle alette imposta ... - 141 -

5.6.1 Calore asportabile da dieci pacchi alettati di controllo termico a interspazio delle alette imposto c ... - 142 - 5.6.2 Calore asportabile da dieci pacchi alettati di controllo termico a numero di alette imposto n ... - 150 - 5.6.3 Influenza della conducibilità termica sul significato fisico della lunghezza caratteristica dell’aletta... - 157 - 5.7 Considerazioni Conclusive... 165

-Capitolo VI... - 168 -

PROSPETTIVE DELLA TECNOLOGIA: ANALISI DELLE CELLE A COMBUSTIBILE AD ELETTROLITA POLIMERICO AD ELEVATE TEMPERATURE (120°-150°C) ... - 168 -

6.1 Perché alte temperature? ... - 168 -

6.2 Argomenti aperti sulle celle a combustibile PEM ad elevate temperature... - 169 -

6.2.1 Limiti dei materiali convenzionali ... - 169 -

6.2.2 Umidità relativa e pressione operativa ... - 170 -

6.2.3 Membrane innovative... - 172 -

6.3 Ottimizzazione multi obiettivo per uno stack di cinque celle a combustibile ad elevate prestazioni con membrana di Nafion modificata con il 15% di

S

−

ZrO

/Nafion

6.4 Analisi del calore asportabile da dieci pacchi alettati al variare della lunghezza caratteristica dell’aletta per celle ad elevate densità di potenza funzionanti a 80°C ... 183

-Capitolo VII ... - 192 -

TECNOLOGIE DI CONTROLLO TERMICO AVANZATE PER CELLE A COMBUSTIBILE AD ELETTROLITA POLIMERICO AD ELEVATE PRESTAZIONI: SISTEMI BIFASE... - 192 -

7.1 Esigenza di una tecnologia di controllo termico bifase... - 192 -

7.2 Tipologie di sistemi bifase ... - 193 -

7.3 Heat Pipes ... - 194 -

7.4 Loop Heat Pipes ... - 195 -

7.5 Closed Loop Pulsating Heat Pipes ... - 199 -

7.6 Two-Phase Loop Thermosyphon ... - 203 -

7.4 Conclusioni ... 211

-Capitolo VIII ... - 213 -

LAYOUT DEL SISTEMA NECESSARIO ALLA SPERIMENTAZIONE DELLA CELLA A COMBUSTIBILE FC-019K-5 DELLA H2 ECOnomy E TIPOLOGIE DI PROVE ... - 213 -

8.1 Problematiche da affrontare nella realizzazione dell’apparato sperimentale ... - 213 -

8.2 Schema complessivo del sistema di sperimentazione ... - 214 -

8.3 Strumentazione da utilizzare lato idrogeno... - 214 -

8.3.1 Alimentazione Idrogeno... - 214 -

8.3.2 Misuratori di portata-pressione e Umidificatori... - 222 -

8.3.3 Back Pressure Regulator ... - 224 -

8.3.4 Modalità di ricircolo dell’idrogeno ... - 225 -

8.4 Strumentazione da utilizzare lato Aria ... - 225 -

8.4.1 Misuratori di portata e di pressione e Umidificatori ... - 225 -

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CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI ... 230