Come funziona la tecnologia a celle combustili

Focus sul funzionamento della pila di trasformazione dell’idrogeno in elettricità e acqua, l’unica emissione nell’atmosfera dal processo elettrochimico

Guidare in elettrico, conservando le abitudini di sempre. Nessuna ansia da autonomia residua né tempi lunghi per ricaricare le batterie. La frontiera tecnologica che rende possibile il mix del meglio dei due mondi, zero emissioni dell’elettrico e rapidità di rifornimento delle auto con motore endotermico, è nelle auto a fuel cell.

Toyota Fuel Cell

Elettriche a celle di combustibile, è l’altra visione dell’auto elettrica, che prescinde da grandi e pesanti pacchi batterie da ricaricare con un collegamento alla rete elettrica.

Il motore di trazione elettrico è alimentato dall’elettricità generata all’interno della fuel cell stack. La pila a combustibile, “motore” che attua la trasformazione dell’idrogeno, immagazzinato in un serbatoio ad alta pressione, circa 700 bar, in elettricità e acqua, unica emissione allo scarico: niente CO2, niente Nox.

Schema auto elettrica a idrogeno

È il processo di trasformazione fondamentale, che avviene mediante una reazione elettrochimica tra idrogeno allo stato gassoso e aria. La compattezza della pila a combustibile è tale da poter essere ospitata al di sotto dei sedili anteriori. Si tratta di un elemento di circa 56 kg di peso e ingombro, in volume, di 37 litri, nel sistema adottato da Toyota Mirai, uno dei pochi modelli prodotti in serie.

LE CELLE DELLA PILA A COMBUSTIBILE

fuel cell stack

La fuel cell stack si compone di singole celle, che operano in serie e, ciascuna, con una tensione di 1 volt. La tensione prodotta dalle 370 celle è amplificata fino a 650 volt, con un booster esterno alla pila a combustibile. Ma come funziona in concreto una cella a combustibile?

È composta da due elettrodi, anodo e catodo, separati da una membrana elettrolitica. Un duplice strato di GDL – Gas Diffusion Layer è posto esternamente agli elettrodi, si tratta di un materiale poroso, composto da un insieme di fibre di carbonio che operano a protezione degli elettrodi dalla corrosione, permettono il passaggio del combustibile (l’idrogeno) sull’elettrodo negativo e dell’elemento reagente sull’elettrodo positivo, nonché rappresentano un supporto meccanico per gli elettrodi.

L’IMPORTANZA DELL’ARIA E DEL CANALIZZATORE

Esternamente allo strato di diffusione, sul polo positivo, è applicato il canalizzatore d’aria ed estrattore dell’acqua prodotta dalla reazione elettrochimica tra idrogeno e ossigeno.

La conformazione della superficie esterna è fondamentale perché si abbia una diffusione uniforme dell’aria sull’intera cella e vengano eliminati residui d’acqua che, in presenza di temperature molto rigide, renderebbero problematico estrarre tutta la potenza dalla cella.

COME AVVIENE LA REAZIONE CHE PRODUCE ELETTRICITÀ

L’idrogeno, dal serbatoio alimenta la fuel cell stack. Sull’elettrodo in platino dell’anodo avviene la scissione in elettroni e protoni: i primi vanno ad alimentare il motore elettrico, gestiti da un’unità di controllo che può, anche, immagazzinare l’elettricità nel pacco batterie.

cella a combustibile

I protoni attraversano la membrana elettrolitica – tale da consentire solo ed esclusivamente il passaggio dei protoni – e, sul catodo (+), si legano nuovamente con gli elettroni e reagiscono con l’ossigeno presente nell’aria aspirata dallo strato di diffusione: il prodotto di scarto della reazione è l’acqua, estratta dal convogliatore d’aria ed emessa nell’atmosfera attraverso lo scarico.

IL RENDIMENTO AL GELO

Toyota Mirai è tra i pochi modelli di auto elettrica a idrogeno disponibili sul mercato. Uno sviluppo continuo della tecnologia della pila a combustibile ha visto ridursi gli ingombri, migliorare la resistenza della membrana elettrolitica e ridurne lo spessore, così da ottenere una conduttività superiore; sviluppo mirato anche al superamento delle sfide dettate dalle temperature di funzionamento in presenza di climi molto rigidi.

L’efficienza della pila a combustibile nell’ultima generazione presentata su Mirai è tale che in 70 secondi dall’avvio, con temperatura ambientale di -30° C e dopo un’esposizione dell’auto lunga 17 ore, la pila a combustibile eroga il 100% dell’energia disponibile.

IDROGENO VETTORE D’ENERGIA

Toyota Mirai

Il “come” funziona la fuel cell è in un processo elettrochimico alimentato da un vettore d’energia, l’idrogeno. Il limite alla diffusione delle auto a idrogeno è sì nella diffusione delle stazioni di rifornimento ma anche nella produzione dell’idrogeno da fonti energetiche rinnovabili che risolvano la dipendenza da una produzione derivata da gas naturale, biomasse e sistemi che richiedono, comunque, una quantità di “lavoro” per l’ottenimento dell’idrogeno allo stato gassoso.

LA SICUREZZA DEI SERBATOI

Toyota Mirai a idrogeno

Lo stato dell’arte della tecnica prevede un sistema, su Toyota Mirai, con due serbatoi di idrogeno, nei quali è stoccato a pressioni molto elevate, 700 bar, con tutti i sistemi di sicurezza necessari perché le operazioni di rifornimento avvengano riducendo i rischi di una fuoriuscita di idrogeno.

Diversi sensori di misurazione della pressione e della temperatura verificano la presenza di eventuali perdite nella fase del rifornimento, dalla pompa al serbatoio. Quest’ultimo è realizzato in fibra di carbonio, plastica e fibra di vetro, impiegata per rilevare con un’ispezione visiva eventuali danni alla struttura.

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