Development, modeling and technical analysis of polymeric Fuel Cell propulsion systems for Hybrid Electric Vehicles

Abstract

Uno dei maggiori settori di consumo di petrolio e combustibili fossili è il settore dei trasporti. Questo comporta conseguenze negative per ciò che riguarda l’inquinamento ambientale ed i cambiamenti climatici. Le previsioni di un aumento mondiale del numero di veicoli a due ruote ed a quattro ruote, implicano una speciale attenzione per i combustibili alternativi e sostenibili dal punto di vista ambientale. In questo contesto l’idrogeno gioca un ruolo chiave. Le celle a combustibile, infatti, ad elettrolita polimerico si presentano come la più promettente tecnologia nel lungo periodo per produrre energia a bordo dei veicoli. Tale tecnologia trova applicazione nei veicoli ibridi in cui i flussi energetici sono ottimizzati. L’attività di ricerca svolta ha avuto come principale obiettivo l’analisi numerica di sistemi a propulsione innovativa equipaggiati con celle a combustibile. Questi studi sono stati condotti attraverso la definizione di modelli matematici di simulazione numerica in ambiente Matlab/Simulink®. I risultati consentono una dettagliata analisi delle celle a combustibile e delle configurazioni di veicoli ibridi con particolare riferimento ai flussi di potenza, al bilancio energetico, ai consumi, alla logica di controllo, all’umidificazione della membrana, al controllo termico, all’efficienza, ecc., al fine di dimensionare correttamente i vari componenti. L’utilizzo della simulazione numerica consente un’analisi più veloce ed economica rispetto alla realizzazione dei prototipi. Pertanto, essa può essere considerata come il primo passo nella progettazione e nella sperimentazione di questi veicoli. Il modello in Matlab/Simulink® consiste in un modello a blocchi dove i vari parametri operativi sono stimati in diverse condizioni operative nel rispetto di alcuni vincoli predefiniti. Le simulazioni sono svolte per diverse applicazioni per una vasta gamma di veicoli che comprendono veicoli a due ruote ed automobili di diversi segmenti per tragitti, definiti teoricamente, urbani, misti ed extra-urbani. Nel caso specifico di una veicolo a due ruote, derivato da una bicicletta elettrica con l’aggiunta di una cella a combustibile, i cicli di guida presi in considerazione non sono teorici, ma reali, in quanto ottenuti direttamente tramite misurazioni a bordo del veicolo