Con l'avanzamento 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 cella a combustibile a idrogeno è composta principalmente 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 cella a combustibile a idrogeno:
Cella combustibile a idrogeno: Nel pacco di cella combustibile, avviene una reazione chimica tra l'idrogeno e l'ossigeno, che porta al trasferimento della 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 fotocamera 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 gli elettroni può passare attraverso i piccoli pori nella membrana verso l'altro lato. Tuttavia, mentre l'idrogeno che trasporta gli 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 uno 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 bombole 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 cella 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 colorato, 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.
