RICERCA ITALIANA     

Materiali adsorbenti per lo stoccaggio di idrogeno a bordo di veicoli a celle a combustibile

Università degli Studi di Napoli "Federico II"

Abstract

Nell'attuale scenario mondiale le scelte di politica economica e sociale, che sia i paesi industrializzati che quelli in via di sviluppo devono affrontare, sottendono in maniera sempre più incisiva e decisiva gli aspetti energetici. Grande attenzione è rivolta in particolare agli aspetti relativi alle emissioni di inquinanti e, specificamente, a quelle dovute al trasporto su strada. L'utilizzo di sistemi di trazione con celle a combustibile (fuel cell), alimentate con idrogeno, per il trasporto stradale rappresenta pertanto un'interessante alternativa ai motori a combustione interna, visti i vantaggi connessi con l’azzeramento delle emissioni nocive e l’elevata efficienza di conversione dell’energia.
Un aspetto critico nell'uso dei sistemi fuel cell per il trasporto stradale è rappresentato dalla difficoltà di immagazzinamento dell'idrogeno, a causa della sua bassissima densità.
Negli Stati Uniti, al fine di stimolare la ricerca in questo settore, il Department of Energy (DOE) ha fissato alcune specifiche che un efficace sistema di accumulo deve possedere, e tra queste: (a) capacità di stoccaggio; (b) temperature e pressioni di esercizio; (c) tempi, velocità e modalità di rifornimento/ricarica; (d) autonomia di percorrenza; (e) costi.
I sistemi di stoccaggio “on-board” per la realizzazione di prototipi hanno finora preso in considerazione l'uso di serbatoi con idrogeno (i) gassoso e compresso ad alte pressioni, (ii) liquido >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Domenico Caputo Università degli Studi di NAPOLI "Federico II"

Obiettivo del Programma di Ricerca

L’obiettivo principale del Progetto consiste nella individuazione di materiali innovativi per l’adsorbimento di idrogeno finalizzato all’immagazzinamento in serbatoi per veicoli a celle a combustibile. Il raggiungimento di tale obiettivo prevede lo studio di materiali adsorbenti microporosi di nuova formulazione -inorganici (zeolite-type) e metallo-organici (metal organic frameworks, MOF)- mediante metodologie sperimentali e di modellazione. Inoltre sarà considerata la finalità applicativa di tale studio di base, mediante lo sviluppo di un sistema di propulsione ibrido elettrico-fuel cells di piccola potenza (2-4 kW), idoneo ad utilizzi su ciclomotori, alimentato con un dispositivo di accumulo di idrogeno basato sui materiali adsorbenti selezionati. Il raggiungimento dell’obiettivo finale sarà quindi perseguito con la collaborazione di più Unità di Ricerca, con specifiche competenze nelle diverse discipline coinvolte.

Gli obiettivi specifici dell’attività sperimentale relativa alla ricerca sui materiali sono di seguito elencati.
1. Messa a punto di protocolli di sintesi e modificazione di materiali microporosi di nuova generazione sia con struttura inorganica (zeo-type) che metallo-organica (MOF).
2. Caratterizzazione strutturale dei materiali adsorbenti (dopo sintesi e/o modificazione) mediante analisi diffrattometrica a raggi X su polveri (PXRD), analisi termica (DTA e DSC), analisi spettroscopiche a raggi X (XANES ed EXAFS) e raggi infrarossi >>>

Risultati parziali attesi

I risultati della ricerca consisteranno nell’individuazione di un materiale adsorbente idoneo per l’immagazzinamento di idrogeno a bordo di un veicolo stradale, e nella realizzazione di un sistema di propulsione ibrido di piccola potenza per applicazioni su ciclomotori, basato su fuel cells alimentate con un serbatoio contenente idrogeno adsorbito sui solidi di nuova generazione identificati.
Dalla ricerca sui materiali ci si attende la messa a punto di protocolli per la sintesi e/o modificazione di materiali adsorbenti microporosi di nuova formulazione sia inorganici (zeolite-type) che metallo-organici (metal organic frameworks, MOF), con elevate capacità di adsorbimento e rapide velocità di adsorbimento/desorbimento, caratteristiche imprescindibili per lo stoccaggio di idrogeno a bordo di veicoli stradali.
Tale sistema, studiato in laboratorio,dovrà sviluppare una potenza fino a 2 kW, dimensionando opportunamente i diversi sottosistemi necessari: stack a membrane polimeriche di potenza 100-500 W, compressore d’aria, pompa per il circuito di raffreddamento, dispositivo di umidificazione delle membrane, convertitore DC-DC, sistema di accumulo dell’energia elettrica, azionamento elettrico. L’alimentazione dell’idrogeno dovrà essere effettuata mediante un dispositivo di storage per adsorbimento su materiali solidi.
Per quanto riguarda il sistema di celle a combustibile i componenti ausiliari dovranno essere integrati con lo stack per consentire il collaudo >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Nell'attuale scenario mondiale le scelte di politica economica e sociale che i Paesi industrializzati e quelli in via di sviluppo devono affrontare sottendono in maniera sempre più incisiva e decisiva gli aspetti energetici. Grande attenzione è rivolta in particolare agli aspetti relativi alle emissioni di inquinanti e, specificamente, a quelle dovute al trasporto su strada.
In Italia nel 2005 i mezzi di trasporto hanno consumato 43 Mtep, di cui oltre il 50% imputabile alle auto private ed ai veicoli a 2 ruote, contribuendo al 29% delle emissioni totali di anidride carbonica in atmosfera. L'utilizzo dei sistemi di trazione con celle a combustibile (fuel cell) di tipo polimerico (PEFC) per il trasporto stradale rappresenta un'interessante alternativa ai motori a combustione interna [1-3]. I principali vantaggi di un sistema di propulsione a fuel cell sono infatti i seguenti: a) le celle PEFC alimentate ad idrogeno costituiscono un sistema di conversione dell’energia molto efficiente, quindi contribuiscono alla realizzazione di sistemi di propulsione ad elevata efficienza; b) i prodotti della reazione elettrochimica sono acqua, energia termica ed energia elettrica, quindi le emissioni nocive sono nulle.
Lo stoccaggio di idrogeno a bordo di veicoli è il principale problema da superare per una concreta prospettiva di impiego delle celle a combustibile nel settore dei trasporti. Negli Stati Uniti, al fine di stimolare la ricerca in questo settore, il >>>