E' possibile individuare due obiettivi principali nel lavoro svolto: il primo concerne la verifica sperimentale della possibilità di ottenere prestazioni elevate operando a bassa pressione; il secondo obiettivo riguarda la progettazione di un generatore a celle a combustibile per azionare un veicolo elettrico ibrido.
La sperimentazione è stata condotta, con le stesse modalità operative, su tre stack realizzati con tecnologia differente.
Le prove condotte in laboratorio hanno messo in evidenza i continui miglioramenti ottenuti dagli stack prodotti da De Nora, dei quali si è apprezzato il notevole livello di affidabilità raggiunto, in particolar modo dallo stack con tecnologia ottimizzata. E' importante sottolineare come, per quest'ultimo prodotto, le modalità operative consentano di realizzare un impianto particolarmente semplice ed efficiente.
· La pressione di alimentazione dell'aria è infatti di 1,5 bar abs, valore che consente non solo di ridurre l'incidenza del compressore dell'aria sul rendimento complessivo del generatore, ma anche di operare con maggiori margini di sicurezza. Questo risultato è stato ottenuto con un attento studio della fluidodinamica dei manifold al fine di limitare le perdite di carico all'interno dello stack e conseguentemente le perdite per diffusione.
· L'alimentazione dell'idrogeno in Dead-End consente un coefficiente di utilizzo del combustibile superiore al 90 % ed allo stesso tempo notevoli semplificazioni impiantistiche non essendo più necessario eseguire il controllo e la regolazione della portata dello stesso.
L'aspetto più critico emerso dalla sperimentazione consiste nel basso valore della densità di corrente che determina una densità di potenza ancora inadeguata per l'utilizzo nella trazione automobilistica.
Esiti della progettazione
Utilizzando i dati ricavati in laboratorio, per lo stack con tecnologia ottimizzata, è stato possibile individuare i parametri per il dimensionamento di un generatore di corrente da inserire in un veicolo ibrido.
Il progetto che ne è scaturito ha dimostrato che con la tecnologia di cui si dispone è già possibile realizzare veicoli competitivi sia dal punto di vista delle emissioni inquinanti che per quanto riguarda il rendimento complessivo.
Gli aspetti più critici riguardano ancora una volta la scarsa densità di potenza e soprattutto l'autonomia fortemente vincolata dalla capacità di stoccare idrogeno.
Sono stati analizzati in dettaglio problemi quali il water management e il dimensionamento del sistema di raffreddamento che, per lo stack in questione, era particolarmente delicato.
Nel calcolo del rendimento netto del generatore è stato confermato come, tra gli ausiliari, il compressore dell'aria sia quello che incide maggiormente sull'efficienza complessiva del sistema. E' stata condotta un'attenta indagine di mercato e sono state contattate circa cinquanta ditte per verificare l'esistenza in commercio di una macchina con le specifiche richieste.
Purtroppo non è stato possibile individuare un compressore che avesse un rendimento superiore al 25%; l'incidenza percentuale, rispetto alla potenza elettrica prodotta, risulta quindi essere del 21%.
I risultati della progettazione portano a considerare tecnicamente realizzabile un progetto di questo tipo; tuttavia evidenziano come la scarsa capacità dei sistemi di accumulo dell'idrogeno, attualmente disponibili in mercato, non consentano, al veicolo, un autonomia adeguata.
L’attività di ricerca, soprattutto per quanto riguarda le applicazioni nel campo dell’autotrazione, è diretta principalmente verso l’aumento delle densità di potenza sia della sezione di produzione di potenza, cioè lo stack, sia del sistema di trattamento del combustibile per ottenere idrogeno.
Alla De Nora, per quello che riguarda lo stack di celle a combustibile, grazie soprattutto al nuovo sistema di raffreddamento, sono stati già raggiunti valori della densità di potenza di 0,4 kW/kg, e, grazie a miglioramenti ancora possibili nel sistema di umidificazione e raffreddamento, sembra possibile raggiungere nell’arco di un paio di anni, la densità di potenza di 1 kW/kg, raggiungendo l’obiettivo fissato dal DOE (Department Of Energy USA) che renderebbe le PEMFC competitive con un motore a combustione interna. Contemporaneamente, l’attività di ricerca è diretta alla semplificazione dei componenti e delle procedure di costruzione e assemblaggio dello stack, al fine di ridurre i costi.
Per quanto riguarda gli elettrodi l’obiettivo è quello di ridurre la quantità di platino e contemporaneamente sviluppare dei catalizzatori che tollerino fino a 100 ppm di CO, per applicazioni in sistemi con generazione di idrogeno da altri combustibili. Parallelamente la ricerca è indirizzata alla realizzazione di membrane polimeriche dalle caratteristiche ancora migliori. Il raffreddamento laterale ha già permesso di ridurre i costi di realizzazione dei piatti bipolari; ai piatti bipolari raffreddati internamente, realizzati con una serpentina interna per il passaggio del fluido refrigerante, sono stati sostituiti dei piatti dalla superficie liscia, con solamente dei fori per il passaggio dei gas reagenti e dell’acqua. Il funzionamento a bassa pressione permetterà poi di semplificare le tenute dello stack, contribuendo alla semplificazione del sistema.