Come funzionano i veicoli elettrici a celle di combustibile con l'idrogeno?

Chiamati (FCEV) usano l'elettricità per alimentare un motore elettrico. A differenza di altri veicoli elettrici, gli FCEV producono l'elettricità utilizzando una pila a combustibile alimentata ad idrogeno, anziché prelevare elettricità dalla sola batteria. 

Durante il processo di progettazione del veicolo, il costruttore del veicolo definisce la potenza del veicolo in base alle dimensioni dei motori elettrici che ricevono energia elettrica dalla combinazione di celle a combustibile e batterie di dimensioni adeguate. Sebbene le case automobilistiche possano progettare un FCEV con funzionalità plug-in per caricare la batteria, la maggior parte degli FCEV oggi utilizza la batteria per recuperare l'energia di frenata e fornire energia extra durante le brevi fasi di accelerazione e per gestire al meglio la potenza erogata dalla cella a combustibile; regolando al minimo o spegnere del tutto la cella a combustibile quando si presentano esigenze di bassa potenza. 

La quantità di energia immagazzinata a bordo è determinata dalle dimensioni del serbatoio di idrogeno. Questo è diverso da un veicolo completamente elettrico, in cui la quantità di potenza ed energia disponibile sono entrambe strettamente correlate alle dimensioni della batteria. 

Componenti chiave di un'auto elettrica a celle a combustibile a idrogeno

• Batteria (ausiliaria): fornisce elettricità per avviare l'auto ed alimenta anche gli accessori del veicolo.
• Pacco batteria: questa batteria immagazzina l'energia generata dalla frenata rigenerativa e fornisce energia supplementare al motore di trazione elettrico.
• Convertitore CC/CC: questo dispositivo converte l'alimentazione CC ad alta tensione dal pacco batterie di trazione all'alimentazione CC a tensione inferiore necessaria per far funzionare gli accessori del veicolo e ricarica la batteria ausiliaria.
• Motore di trazione elettrico (FCEV): sfrutta l'alimentazione della cella a combustibile e del pacco batterie di trazione, questo motore aziona le ruote del veicolo. Alcuni veicoli utilizzano generatori di motori che svolgono entrambe le funzioni di guida e di rigenerazione.
• Stack di celle a combustibile: un insieme di singoli elettrodi a membrana che utilizzano idrogeno e ossigeno per produrre elettricità.
• Riempitrice(Full Filler): un ugello di un erogatore ad alta pressione, si collega alla presa sul veicolo per riempire il serbatoio.
• Serbatoio carburante (idrogeno): immagazzina idrogeno a bordo del veicolo per la cella a combustibile.
• Regolatore dell'elettronica di potenza (FCEV): questa unità gestisce il flusso di energia elettrica erogata dalla cella a combustibile e dalla batteria di trazione, controllando la velocità del motore di trazione elettrico e la coppia che produce.
• Sistema termico (raffreddamento) - (FCEV): questo sistema mantiene un adeguato intervallo di temperatura di funzionamento della cella a combustibile, del motore elettrico, dell'elettronica di potenza e di altri componenti.
• Trasmissione (elettrica): la trasmissione trasferisce potenza meccanica dal motore di trazione elettrico per guidare le ruote.

Veicoli elettrici a celle a combustibile

I veicoli elettrici a celle di combustibile alimentati ad idrogeno (FCEV) sono più efficienti dei tradizionali veicoli con motore a combustione interna e non producono emissioni di gas di scarico: emettono solo vapore acqueo e aria calda. 

Il mondo delle FCEV e le infrastruttura di ricarica ad idrogeno sono ancora nelle prime fasi di attuazione. Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti guida gli sforzi nella ricerca per rendere i veicoli alimentati ad idrogeno un'opzione di trasporto economica, rispettosa dell'ambiente e sicura.

L'idrogeno è considerato un combustibile alternativo ai sensi dell'Energy Policy Act del 1992 e si qualifica per crediti d'imposta sui veicoli a combustibile alternativo.

Cos'è un veicolo elettrico a celle a combustibile?

Gli FCEV utilizzano un sistema di propulsione simile a quello dei veicoli elettrici, in cui l'energia è immagazzinata come idrogeno e viene convertita in elettricità dalla cella a combustibile. A differenza dei tradizionali veicoli con motore a combustione interna, non producono emissioni nocive di scarico. Altri vantaggi includono l'aumento della autonomia urbana energetica degli Stati Uniti.

Gli FCEV sono alimentati con idrogeno gassoso puro immagazzinato nel serbatoio del veicolo. Analogamente ai tradizionali veicoli a motore a combustione interna, possono rifornirsi in meno di 5 minuti ed avere una autonomia per oltre 300 miglia. Gli FCEV sono dotati di altre tecnologie avanzate per aumentare l'efficienza, come i sistemi di frenata rigenerativa, che catturano l'energia persa durante la frenata immagazzinandola in una batteria. 

Le principali case automobilistiche offrono al pubblico un numero limitato ma crescente di FCEV ed ad oggi la loro produzione è per determinati mercati ed in sintonia con l'infrastruttura di ricarica può supportare.

Come funzionano le pile a combustibile

Il tipo più comune di cella a combustibile sui veicoli è la cella a combustibile di membrana elettrolitica polimerica (PEM). In una cella a combustibile PEM, una membrana elettrolitica è inserita tra un elettrodo positivo (catodo) e un elettrodo negativo (anodo). L'idrogeno viene introdotto nell'anodo e l'ossigeno (dall'aria) viene introdotto nel catodo. Le molecole di idrogeno si rompono in protoni ed elettroni a causa di una reazione elettrochimica nel catalizzatore di celle a combustibile. I protoni quindi viaggiano attraverso la membrana fino al catodo.

Gli elettroni sono costretti a viaggiare attraverso un circuito esterno per eseguire il lavoro (fornendo energia all'auto elettrica), quindi ricombinarsi con i protoni sul lato del catodo, dove i protoni, gli elettroni e le molecole di ossigeno si combinano per formare l'acqua.