Toyota Mirai e il sistema Fuel Cell, come funziona?




Sempre più dimenticata dal pubblico degli appassionati di motori, la Toyota Mirai è un’auto che avrebbe meritato un po’ più di attenzione. E’ figlia di un progetto rivoluzionario che cerca di anticipare un futuro che tanto futuro non è dato che la stessa vettura offre caratteristiche perfettamente adeguate ai nostri tempi. Dite che è troppo facile ripetere le solite frasi che accompagnano ogni articolo o video riguardante auto a idrogeno o elettriche? Ma come realmente funziona un’auto a idrogeno?

In quest’articolo mi proporrò di fare un approfondimento per raccogliere e concretizzare molte delle informazioni che ho ricercato sul web negli scorsi mesi per offrire una semplice descrizione del funzionamento di un’auto a idrogeno.

“È vero che nel mondo siamo 6 miliardi di persone e stiamo aumentando. Ciò nonostante, quello che fai, fa la differenza. Fa la differenza in termini materiali, fa la differenza per le altre persone e crea un precedente. […] Insomma, io credo che non dobbiamo mai chiamarci fuori, e credere di essere vittime di una concomitanza di eventi. Siamo sempre noi a decidere chi siamo.”

Questa è un’affascinante frase tratta dal film “Waking Life” che ha ovvi riferimenti all’esistenzialismo (una filosofia nata in ambito bellico e postbellico con al centro una riflessione sull’esistenza). Perché partire da quest’ultima per spiegare in che modo funzionano le auto protagoniste di quest’articolo? Semplice, perché è un manifesto di quello che Toyota ha fatto (e sta facendo) con la sua Mirai (sottolineamo che questa parola vuol dire futuro in giapponese). Sembrerebbe stupido e sicuramente poco produttivo investire in un’auto “con così poche speranze” sul mercato ma non è così. Toyota con questa vettura pone concretamente le basi per un futuro ad idrogeno creando un grande precedente nella scena automobilistica mondiale. L’approccio di quest’enorme colosso dell’automobile a progetti di questo tipo (come sappiamo anche con le ibride si rivoluzionò il mercato) dovrebbe essere di forte ispirazione per qualunque casa produttrice, soprattutto per quelle che si limitano a seguire la corrente senza cercare di offrire quel pizzico di pazzia ingegneristica che è il vero spirito di cambiamento e rinnovamento che da sempre spinge a mutare il panorama automobilistico.

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Come da tradizione Toyota, ogni particolare nello stile e più in generale nel design esterno della vettura è funzionale all’efficienza aerodinamica. Il tutto deve sicuramente essere giudicato soggettivamente ma è bene sapere che quelle forme apparentemente “fuori dal comune” hanno un perché. Non è detto che voi lettori abbiate avuto l’opportunità di vedere e osservare dal vivo una Mirai. Posso assicurarvi che l’impatto che da è quello di una vettura “fresca” con forme moderne e uno stile che mi azzarderei a definire aggressivo ( una piccola curiosità che mi piacerebbe raccontarvi è che i fari anteriori hanno molto in comune con quelli della nuova Bugatti Chiron, un’osservazione strana ma spontanea derivata dal fatto di aver visto entrambe le vetture nella stessa giornata al Salone di Ginevra 2016).

Partiamo con l’analisi del funzionamento di un’auto a idrogeno utilizzando l’immagine appena qui sotto. Quest’ultima ci permette di avere una visione globale degli organi della vettura. Al centro dell’auto troviamo il pacco di celle a combustibile (il cuore di ogni auto a idrogeno chiamato STACK). Possiamo semplicemente dire che è collegato a quattro circuiti principali. Il primo è quello di alimentazione dell’idrogeno che comprende anche il sistema di ricircolo per il recupero del gas in eccesso, il secondo è quello elettrico che trasferisce l’energia elettrica prodotta nelle celle a combustibile e quella immagazzinata nella batteria al motore elettrico. Infine abbiamo il circuito di alimentazione dell’aria (quindi dell’ossigeno) e quello di espulsione dell’aria in eccesso e dell’acqua prodotta nel processo di produzione di energia elettrica nelle celle a combustibile.

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Toyota Mirai alle basse velocità (e quindi in determinati contesti come quello urbano) funziona come una normale auto elettrica utilizzando l’energia accumulata nelle batterie. Proprio per questo, anche Toyota Mirai rallentando trasforma il motore in un generatore che ricarica la batteria in frenata. Quando si passa a viaggiare a velocità più elevate il motore elettrico viene alimentato esclusivamente dal pacco di celle a combustibile. Se si deve richiedere più potenza (per esempio per effettuare un sorpasso o più in generale per un’accelerazione improvvisa) la batteria torna a supportare il sistema.

Passando al funzionamento in sé diremo che la produzione dell’energia elettrica da parte del sistema parte con l’azione di un compressore che spinge l’aria prelevata dall’esterno prima in un filtro per eliminare le polveri e poi nello STACK. Contemporaneamente si apre anche il circuito dell’idrogeno che ha lo scopo di far confluire il gas in questione nelle celle. Quando ossigeno e idrogeno raggiungono lo STACK si inizia produrre energia elettrica per alimentare il motore elettrico che fisicamente fa muovere la vettura. L’aria in eccesso e l’acqua prodotta dal processo vengono espulse dalla vettura mentre l’idrogeno che non è stato utilizzato nelle reazioni nelle celle a combustibile viene nuovamente portato nei serbatoi dell’auto.toyotamirai5-gallerybn

L’unità di controllo della potenza di Toyota Mirai ha due funzioni: gestisce l’energia prodotta dal pacco di celle a combustibile e dalla batteria e garantisce la scorta per il motore. Nella parte posteriore della vettura troviamo due serbatoi in fibra di carbonio ad alta pressione che raccolgono l’idrogeno (compresso a 700 bar) come carburante.

Questo è il modo in cui si “muovono” i principali organi dell’auto. Ma in che modo viene effettivamente prodotta l’energia elettrica nel cuore di Toyota Mirai e cioè nelle celle a combustibile?

Innanzitutto possiamo affermare che l’efficienza teorica di questo sistema dipende esclusivamente dalla temperatura della cella e dal tipo di combustibile utilizzato. Nel caso di Toyota Mirai viene utilizzato l’idrogeno come combustibile e l’ossigeno come comburente.

La reazione complessiva è:

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Che nello STACK è possibile suddividere nei due step di reazione al catodo e all’anodo:

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La struttura delle celle è caratterizzata da due elettrodi separati da un elettrolita. Gli elettrodi hanno una struttura porosa a base di carbone su cui è disperso un catalizzatore costituito da leghe di platino. L’elettrolita è invece una membrana ad alta conducibilità protonica in grado di far passare i protoni ma non gli elettroni. Negli elettrodi avvengono due reazioni separate ma che, grazie alle migrazioni di protoni ed elettroni, combinano idrogeno ed ossigeno in assenza di fiamma ottenendo corrente elettrica continua, acqua e poco calore rispetto ad una normale combustione.

I due gas vengono messi a contatto ciascuno con uno dei due elettrodi. L’idrogeno si scinde in protoni ed elettroni grazie all’azione del catalizzatore. A questo punto i protoni passano attraverso la membrana polimerica, gli elettroni migrano verso il catodo generando una corrente elettrica. Nel catodo ossigeno ed elettroni reagiscono prima tra loro generando due ioni di ossigeno negativi e poi con i protoni (di idrogeno) formando così una molecola d’acqua.

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“Io venero i ritrovati della sapienza e coloro che li hanno inventati. E mi piace appropriarmene come di un’eredità di molti. Per me sono stati acquisiti, per me sono stati elaborati. Comportiamoci dunque come il buon padre di famiglia, accresciamo i beni che abbiamo ricevuto e questa eredità passi accresciuta da me ai posteri. Molto resta ancora da fare e molto resterà, e neppure a uno che sia nato dopo mille generazioni sarà preclusa l’occasione di aggiungervi qualcosa.”

Così scriveva Seneca nelle “Epistulae ad Lucilium”. Per questo motivo ringraziamo il progetto “Zero Regio”, per averci aiutato a raccogliere le informazioni utili alla stesura di quest’editoriale sperando che quest’articolo sia di ispirazione e di aiuto per tutti coloro che vorranno appropriarsi di tali dati. Mi auguro inoltre che il mio lavoro venga apprezzato più di quanto non lo sia stato in passato.

 

 

Alessandro Fruni

 




Cresciuto assieme alle automobili con le quali ha stabilito un legame del tipo "Linus-coperta", da piccolo si addormentava con riviste d'auto fra le braccia. Ora ha grandi capacità e conoscenze, tutte al servizio degli articoli di AIE.

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