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Marcello ROMAGNOLI

Professore Ordinario
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"

Insegnamento: Celle a Combustibile

Ingegneria Civile e Ambientale (D.M.270/04) (Offerta formativa 2020)

Obiettivi formativi

Il corso ha i seguenti obiettivi principali: fornire le conoscenze fisiche ed elettrochimiche specifiche delle celle a combustibile; descriverne i principi di funzionamento, la struttura e i materiali che compongono le celle a combustibile di maggiore interesse scientifico e industriale; discutere le prestazioni di questi dispositivi da un punto di vista energetico. Inoltre, la presentazione di diversi metodi di produzione dell'idrogeno e di altri combustibili impiegati nelle reazioni di cella costituirà un ulteriore obiettivo formativo, insieme alla descrizione quantitativa di tecniche di produzione dei singoli elementi che compongono la cella o un dispositivo basato su celle a combustibile.

Prerequisiti

Il corso richiede una conoscenza di base di termodinamica, chimica dei materiali ed elettrochimica

Programma del corso

Richiami di elettrochimica e termodinamica: reazioni di ossido-riduzione, tensione, corrente, entalpia di reazione, energia libera di Gibbs, degradazione dell'energia, legge di Nernst, energia di attivazione e catalisi.

Principi di funzionamento: elettrodi ed elettrolita, circuito elettrico, perdite di polarizzazione (attivazione, Ohmiche e di concentrazione), refrigerazione, bilanci energetici e di massa su reagenti e prodotti, rendimento elettrico e termico di cella e di stack, strategie di scarico delle sostanze prodotte.

Struttura e componenti di celle a combustibile e stack di celle a combustibile: MEA (Membrane Electrode Assembly) e catalizzatori, GDL (Gas Diffusion Layer), piatti bipolari, guarnizioni, ausiliari (compressori, pompe, serbatoi, inverter, valvole).

Descrizione dei principali tipi di celle a combustibile (PEMFC, PAFC, AFC, DMFC, DCFC, MCFC, SOFC, celle microbiologiche) con relativi punti di forza e debolezza: materiali impiegati nella loro struttura, esempi di applicazione.

Produzione dell'idrogeno: principali combustibili utilizzati per generare idrogeno, reforming, elettrolisi, rendimenti di produzione e strategie di ottimizzazione degli stessi. Cenni sulla produzione di altri combustibili che partecipano direttamente alle reazioni nelle celle a combustibile.

Metodi di produzione di MEA per celle a combustibile: inchiostri, pressatura, stampa (getto d'inchiostro, rotocalco, serigrafia), ricoprimento (colata, spincoating, slot-die coating, immersione, tape casting).

Metodi didattici

Il corso si svolge principalmente attraverso lezioni che seguono presentazioni preparate dal docente. Il materiale viene fornito in anticipo sul sistema Dolly di Ateneo. Ad esse si aggiunge la proiezione di filmati esplicativi. Campioni esemplificativi delle celle a combustibile trattate nelle lezioni sono portati in aula e messi a disposizione degli studenti. Sono forniti link a siti web per gli approfondimenti. Il docente sono disponibili a colloqui di approfondimento con gli studenti che lo richiedono.

Testi di riferimento

J. Larminie, A. Dicks, Fuel cell systems explained, Wiley, Chichester, UK, 2003.

M. Noro, Celle a combustibile. Tecnologia e possibilità applicative, Dario Flaccovio, Palermo, Italia, 2010.

Verifica dell'apprendimento

La verifica dell’apprendimento consiste in un esame orale che, partendo da un argomento a scelta dello studente, spazia su tutto il programma del corso. Enfasi viene messa non sull'apprendimento mnemonico, ma sulla comprensione profonda degli argomenti. Lo studente potrà aiutarsi con disegni, riportando grafici o scrivendo formule. La durata sarà di circa 30 minuti.

Risultati attesi

-Conoscenza e capacità di comprensione.
Tramite lezioni in aula, letture guidate e discussioni collegiali lo studente
apprende: le basi sui principi fisici e chimici su cui si basa il funzionamento delle celle a combustibile; la struttura e il funzionamento specifico dei tipi di cella a combustibile presentate, con relativi vantaggi e svantaggi; le prestazioni energetiche e dei problemi di utilizzo e produzione dell'idrogeno o altro combustibile impiegati nelle reazioni; i campi di utilizzo, con alcuni esempi di applicazione e i metodi di produzione delle celle a combustibile. Acquisisce la capacità di comprendere la letteratura specifica relativa all’argomento.

-Capacità di applicare conoscenza e comprensione. Tramite domande poste durante le lezioni il docente sollecita lo studente ad applicare le conoscenze acquisite per risolvere problematiche relative alla produzione, stoccaggio dell’H2 e alle caratteristiche delle celle a combustibile. Gli studenti devono valutare anche aspetti economici in modo da avere un approccio professionale al loro lavoro.

-Autonomia di giudizio.
Tramite la discussione in aula, la risposta alle domande poste dal docente durante le lezioni frontali lo studente è in grado di comprendere, discutere criticamente ed esporre le proprie valutazioni.

-Abilità comunicative.
Le discussioni in aula permettono di sviluppare la capacità a presentare le proprie valutazioni sui quesiti proposti dal docente in modo efficace e conciso; di esprimere i concetti appresi con linguaggio appropriato e di sostenere una discussione in merito agli argomenti trattati.

-Capacità di apprendimento.
Le attività descritte consentono allo studente di acquisire gli strumenti metodologici per
proseguire gli studi e per potere provvedere autonomamente al proprio aggiornamento.