Con l’avanzare della tecnologia e l’impulso dato dalle politiche internazionali, i veicoli a nuove energie stanno diventando sempre più popolari, tra cui le auto ibride, i veicoli completamente elettrici e persino i veicoli a celle a combustibile a idrogeno che, sebbene non ancora comuni, stanno lentamente guadagnando attenzione. Se non sei familiare con i veicoli a celle a combustibile a idrogeno, la seguente introduzione ti aiuterà a capirli meglio.
Diamo prima un’occhiata ai diagrammi strutturali di base delle auto tradizionali, delle auto completamente elettriche e delle auto a energia a idrogeno.
La struttura dei veicoli a celle a combustibile a idrogeno è principalmente composta da un pacco di celle a combustibile a idrogeno, un convertitore di tensione delle celle a combustibile, un sistema di alimentazione a idrogeno, un pacco batteria di alimentazione, un motore di trazione e un’unità di controllo della potenza, tra gli altri.
Principio di funzionamento dei veicoli a celle a combustibile a idrogeno:
1. Reazione elettrochimica: L’ossigeno dall’aria e l’idrogeno dai serbatoi ad alta pressione subiscono una reazione elettrochimica nel pacco di celle a combustibile, dove un catalizzatore genera energia elettrica.
2. Aumento di tensione e distribuzione: L’energia elettrica viene inviata al DCF (convertitore di tensione) per aumentare la tensione e ridurre la corrente. L’energia elettrica aumentata viene quindi trasferita al PDU (scatola di distribuzione ad alta tensione), che assegna potenza al motore di trazione.
3. Propulsione del veicolo: Il motore di trazione converte l’energia elettrica in energia meccanica per spingere il veicolo in avanti.
4. Stoccaggio e conversione dell’energia: Il BMS (Sistema di Gestione della Batteria) immagazzina energia nella batteria di potenza. I convertitori DC/DC e DC/AC riducono la tensione alta per l’uso nei vari sistemi elettrici DC/AC a bassa tensione in tutto il veicolo.
Di seguito è riportata una spiegazione dei principi di funzionamento dei principali componenti nei veicoli a celle a combustibile a idrogeno:
Cella a combustibile a idrogeno: Nel pacco di celle a combustibile, avviene una reazione chimica tra l’idrogeno e l’ossigeno, che porta al trasferimento di carica elettrica generando così una corrente elettrica. Allo stesso tempo, la reazione chimica tra l’idrogeno e l’ossigeno produce acqua come sottoprodotto, che viene poi scaricata. Questo è uno dei motivi per cui i veicoli a celle a combustibile a idrogeno sono considerati più ecologici.
Il pacco di celle a combustibile funziona come una camera di reazione chimica, con la sua tecnologia più critica che è la “membrana a scambio protonico”. Su entrambi i lati di questa membrana ci sono strati di catalizzatore, dove l’idrogeno viene decomposto in ioni carichi. Poiché le molecole di idrogeno sono piccole, l’idrogeno che trasporta elettroni può passare attraverso i piccoli pori nella membrana verso l’altro lato. Tuttavia, mentre l’idrogeno che trasporta elettroni attraversa i pori della membrana, gli elettroni vengono strappati dalla molecola, lasciando solo i protoni di idrogeno carichi positivamente a passare attraverso la membrana verso l’altro lato.
I protoni di idrogeno sono attratti dall’elettrodo opposto della membrana, dove si combinano con le molecole di ossigeno. Le piastre degli elettrodi su entrambi i lati della membrana decompongono l’idrogeno in ioni di idrogeno carichi positivamente ed elettroni, mentre l’ossigeno viene decomposto in atomi di ossigeno per catturare elettroni e diventare ioni di ossigeno carichi negativamente.
Il flusso di elettroni tra le piastre degli elettrodi crea una corrente elettrica. Questa corrente può essere utilizzata per alimentare i motori elettrici del veicolo. Nel frattempo, due ioni di idrogeno e un ione di ossigeno si combinano per formare acqua, che è l’unico “rifiuto” prodotto da questa reazione. In sostanza, l’intero processo è una forma di generazione di energia. Mentre la reazione di ossidazione continua, il costante trasferimento di elettroni crea la corrente elettrica necessaria per spingere il veicolo.
Sistema di alimentazione a idrogeno a bordo: Il sistema di alimentazione a idrogeno ad alta pressione a bordo è progettato per fornire carburante a idrogeno per i veicoli a celle a combustibile. È principalmente composto da cilindri di stoccaggio dell’idrogeno ad alta pressione leggeri, varie valvole, tubazioni ad alta pressione, un bocchettone di rifornimento di idrogeno, un sistema di monitoraggio della sicurezza e un sistema di raccolta dei segnali di pressione/temperatura. Il diagramma di flusso del processo è il seguente:
Precauzioni di sicurezza:
Rischio di temperatura: Durante il normale funzionamento, la temperatura del sistema di celle a combustibile e del sistema di raffreddamento può raggiungere circa 80 °C, mentre la temperatura del sistema di alimentazione dell’aria può arrivare fino a 150 °C. Pertanto, durante il funzionamento del sistema o poco dopo l’avvio, evitare di toccare qualsiasi componente del sistema o superficie esposta per prevenire ustioni.
Idrogeno ad alta pressione: L’uso di idrogeno ad alta pressione come reagente presenta un certo livello di rischio durante il funzionamento. Prima di smontare qualsiasi tubo o collegamento, assicurarsi che il gas ad alta pressione all’interno del sistema sia stato depressurizzato a un livello sicuro. Inoltre, l’idrogeno è un gas incolore, inodore e altamente infiammabile. Sebbene non sia tossico, può spostare l’ossigeno nell’aria, potenzialmente causando asfissia.
Rischio di alta tensione: Anche dopo che il sistema di celle a combustibile è stato spento, l’uscita ad alta tensione può persistere per un certo periodo di tempo. Durante questo periodo (almeno 5 minuti), esiste il rischio di scosse elettriche. Le operazioni di riparazione o altre operazioni correlate non sono consentite fino a quando l’alta tensione non è dissipata.