Riassunto analitico
Lo scopo di questo documento è descrivere i passaggi seguiti per la progettazione e il dimensionamento di un sistema di alimentazione a celle a combustibile a idrogeno. Il powerpack a celle a combustibile in questo caso è specificamente progettato e modellato per l'applicazione su carrelli elevatori.
La necessità di modellare questo tipo di sistema deriva dall'evidenza che il modo in cui i veicoli vengono alimentati deve cambiare. Ovviamente il tipo di alimentazione dei veicoli non è l'unica cosa da cambiare, bisogna cambiare molte altre abitudini partendo dalle abitudini quotidiane. In sintesi, dobbiamo diventare "più verdi" e più sostenibili. Per questo motivo abbiamo deciso di iniziare a studiare qualcosa di diverso nel modo di fornire energia elettrica ai carrelli elevatori. Mentre l'elettrificazione è un argomento ben noto nel campo dei carrelli elevatori, le celle a combustibile sono un argomento abbastanza nuovo e quindi piuttosto impegnativo.
Un veicolo per la movimentazione di materiali alimentato a idrogeno con un sistema a celle a combustibile combina i vantaggi dei veicoli diesel/GPL e dei veicoli alimentati a batteria. L'idrogeno fornisce la stessa potenza costante e capacità di rifornimento rapido del diesel e del GPL, mentre le celle a combustibile forniscono una propulsione elettrica a emissioni zero ed efficiente dal punto di vista energetico delle batterie. I vantaggi più importanti della tecnologia delle celle a combustibile sono: genera solo acqua e calore che potrebbero essere utilizzati per aumentare il comfort all'interno del veicolo, ma non sarà il caso di questo documento, poiché la nostra soluzione sarà una soluzione plug and play, non direttamente integrato con la cabina. Il rumore e le vibrazioni sono praticamente inesistenti consentendo un'affidabilità molto elevata poiché il sistema a celle a combustibile non ha parti mobili importanti.
L'ambiente di lavoro è stato stabilito all'interno di L.T.E. (Lift Truck Equipment Italy s.p.a.), società con sede a San Giovanni di Ostellato (FE) del gruppo Toyota. Dovendo ricominciare da zero, abbiamo basato i nostri passi seguendo il libro 'Engineering Desing - A Systematich Approach', G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen e K.-H. Autori Grotte.
Per iniziare, è stato impiegato molto tempo per analizzare a fondo il mercato e il web al fine di raccogliere quante più informazioni possibili sui fornitori di celle a combustibile e altri attori di sottosistemi necessari. Per trovare i giusti componenti è stata progettata una prima bozza del sistema e confrontata con quanto si può trovare in letteratura. Pertanto, ogni sottocomponente è stato meglio analizzato per ottenere un layout definitivo.
Il lavoro svolto nella seguente tesi vede, innanzitutto, nell'introduzione le basi della tecnologia delle celle a combustibile. Si passa quindi ad analizzare lo stato dell'arte di un sistema di propulsione a celle a combustibile. Pertanto, una parte importante sarà dedicata all'analisi delle normative e delle regole, mentre verranno spiegate in dettaglio le procedure di progettazione e dimensionamento. Infine, passeremo alle conclusioni con un accenno di sviluppi futuri.
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Abstract
The purpose of this document is to describe the steps followed for the design and sizing of a hydrogen fuel cell power system. The fuel cell powerpack in this case is specifically designed and modeled for application on forklifts.
The need to model this type of system stems from the evidence that the way vehicles are powered must change. Obviously, the type of power supply of the vehicles is not the only thing that needs to be changed, we have to change several other habits starting from daily habits. In summary, we need to become "greener" and more sustainable. For this reason, we have decided to start studying something different in the way of supplying electric power to forklifts. While electrification is a well-known topic in the forklift field, fuel cells are quite new and therefore quite challenging topic.
A hydrogen powered material handling vehicle with a fuel cell system combines the advantages of diesel / LPG vehicles and battery powered vehicles. Hydrogen provides the same constant power and fast refueling capability as diesel and LPG, while fuel cells provide energy-efficient, zero-emission electric propulsion as batteries. The most important benefits of fuel cell technology are: it only generates water and heat which could be used to increase comfort inside the vehicle, but that will not be the case of this paper, as our solution will be a plug and play solution, not directly integrated with the cabin. Noise and vibrations are virtually non-existent allowing for very high reliability as the fuel cell system has no major moving parts.
The working environment was established within L.T.E. (Lift Truck Equipment Italy s.p.a.), a company based in San Giovanni di Ostellato (FE) of the Toyota group. Having to start from scratch, we based our steps following the book 'Engineering Desing - A Systematich Approach', G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen and K.-H. Authors Grotte.
To begin, a substantial amount of time was taken to thoroughly analyze the market and the web in order to gather as much information as possible regarding fuel cell suppliers and other necessary subsystem players. In order to find the right components, a first draft of the system was designed and compared with what can be found in the literature. Therefore, each sub-component was better analyzed to obtain a definitive layout.
The work carried out in the following thesis sees, first of all, in the introduction the basics of fuel cell technology. We then move on to analyze the state of the art of a fuel cell propulsion system. Therefore, an important part will be dedicated to the analysis of regulations and rules, while the design and sizing procedures will be explained in detail. Finally, we will move on to the conclusions with a hint of future developments.
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