Fuel Cell vehicles: can be the future of the automotive industry?

Today, the growing concerns on air pollution and the need to reduce dependence on fossil fuels have awakened the interest in hydrogen as a "energy carrier" for vehicles, which until now was only used in restricted applications, for example in the space programs.

Will ever be possible to see on our roads vehicles powered by hydrogen?

The answer is coming from the Japan and precisely by Toyota. In fact, the Japanese automaker is launching Mirai, which in Japanese means "future", a new type of hydrogen vehicle. Mirai has an electric motor capable of providing 113 kW of power and it can reach a maximum speed of 180 km / h.

Toyota Mirai (left) and its interior (right)

Toyota will bet on a considerable autonomy (more than 480 km with full hydrogen) and a recharging speed greatly reduced (less than 5 minutes).

The "engine" that moves a hydrogen vehicle is the fuel cell and at the base of its operation there is an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air, which provides the electron free. These electrons, in certain conditions, are able to circulate in an external circuit, producing an electrical current. Unlike batteries, the Fuel Cells are open systems, and are able to function until the fuel (hydrogen) and the reactant (oxygen) are provided.

In a very first future sales will be located in Japan and specifically in areas where there is a hydrogen refueling station (Tokyo, Nagoya, Osaka, Fukuora), but Mirai will be the first model of hydrogen cars in the world, commercialized on a large scale. The Toyota group hopes to sell at least 400 units in Japan by the end of 2015 (200 already have been ordered!!), and then from 50 to 100 per year in Europe; in the US instead involves a sale of about 3,000 vehicles by 2017. The estimated cost in Europe is around EUR 66 000 plus taxes, and of course it is still very high.

Fuel Cell system (left) and Toyota Mirai layout (right)

The goal of Toyota is ambitious and far-sighted, as the words of Bob Carter Senior Vice President of Toyota Automotive reveal: "We're not reinventing the wheel, just everything you need to make it move. There is no doubt that the success of this technology depends more on the user experience and not on the individual vehicle. "

Toyota, is primarily aiming to change the conception of the car that today we all have. Mirai may also be used as a source of temporary energy, in fact, there will be an optional device that, when installed, will provide electricity to a dwelling in case of emergency. Thanks to the Fuel Cell technology, Mirai may exceed 3 times the power generated by a system of back-up batteries, and compared to a generator, would solve the problem of the exhaust gas. Even the car, ensures Uchiyamada (Chairman of Toyota Motor Corporation), can be used as a buffer for houses with alternative energy sources, providing power when renewables (wind, solar etc.) are not able to do so.

Although hydrogen requires many security precautions, today seems to be the leading candidate as the future energy vector.

Power Take-Off, for grid-house connection

However, the Toyota project was born from the partnership of several universities, including the University of California. This fact proves that “the academic imprint” is always the starting point of technological and social revolutions, as can be considered a hydrogen vehicle.

The H₂politO Team, supported by the Polytechnic of Turin, has embraced this philosophy for about 7 years, in order to develop vehicles with low CO₂ emission. The Team purpose is to sensitize the new generation of engineers and users on issues as pollution and low consumption vehicles.

IDRApegasus is a hydrogen prototype designed, developed and built entirely by students for the Shell Eco-Marathon competition. In such events the winner is the vehicle that consumes less.

Although the shape and the technical solutions of IDRApegasus are different from Toyota Mirai FCV, the two projects have the same inspiration: dare to change.

The Team H₂politO and Toyota believe in this challenge; how about you?

Veicoli a Fuel Cell: possono essere la risposta per un futuro sostenibile in campo automotive?

Oggi, le crescenti preoccupazioni sull’inquinamento atmosferico e la necessità di ridurre la dipendenza dalle fonti fossili hanno risvegliato l’interesse verso l’idrogeno come “mezzo energetico” per gli  autoveicoli, che fin’ora era utilizzato soltanto in applicazioni “di nicchia”, per esempio nei programmi spaziali.

Sarà mai possibile vedere sulle nostre strade veicoli alimentati ad idrogeno?

La risposta sta arrivando dal paese del Sol Levante e precisamente da Toyota. Infatti la casa automobilistica nipponica sta lanciando Mirai, che in giapponese significa “futuro”  un nuovo tipo di autoveicolo alimentato ad idrogeno. Ha un motore elettrico in grado di erogare una potenza di 113 kW e può raggiungere una velocità massima di 180 km/h.

La nuova Toyota Mirai (sinistra) e il suo interno (destra)

Toyota punterà su una notevole autonomia (più di 480 km con un pieno di idrogeno) e una velocità di ricarica decisamente ridotta (meno di 5 minuti).

Il “motore” che muove il veicolo ad idrogeno è la cella a combustibile (o Fuel Cell) e alla base del suo funzionamento c’è una reazione elettrochimica, dell’idrogeno con  l’ossigeno dell’aria, che mette a disposizione degli elettroni liberi. Questi elettroni, in determinate condizioni, sono in grado di circolare in un circuito esterno producendo una corrente elettrica. A differenza delle batterie, le Fuel Cell sono sistemi aperti, cioè in grado di funzionare fin quando viene provveduto il combustibile (idrogeno) e reagente (ossigeno).

In un primissimo futuro le vendite saranno “concentrate” in Giappone e precisamente nelle zone in cui è disponibile una stazione di rifornimento ad idrogeno (Tokyo, Nagoya, Osaka, Fukuora), ma la Mirai  sarà il primo modello di auto ad idrogeno al mondo, commercializzata su vasta scala . Il gruppo Toyota spera di vendere almeno 400 esemplari in Giappone entro la fine 2015 (200 già sono state ordinate!!),  e successivamente tra 50 e 100 ogni anno in Europa; negli USA invece prevede una vendita di circa 3000 veicoli entro il 2017. Il costo previsto in Europa è di circa 66 mila euro più tasse, e naturalmente è ancora decisamente elevato.

Vano motore (sinistra) e layout (destra) della Toyota Mirai

L’obiettivo di Toyota è ambizioso e lungimirante, come si può intendere dalle parole di Bob Carter Senior Vice President di Toyota Automotive:  “ Non stiamo reinventando la ruota, solo tutto il necessario per farla muovere. Non ci sono dubbi che il successo di questa tecnologia al momento dipende più dall’esperienza dell’utente nel suo complesso che non dalla singola auto”.

Toyota ,infatti, sta puntando soprattutto a cambiare la concezione di auto che oggi noi tutti abbiamo. Mirai potrà essere anche utilizzata come fonte di energia temporanea, infatti ci sarà un dispositivo opzionale che, se installato, potrà fornire l’energia elettrica ad un’abitazione in caso di emergenza. Grazie alla tecnologia Fuel Cell, Mirai può superare di 3 volte la potenza generata da un sistema di back-up a batterie e, rispetto ad un gruppo elettrogeno, risolverebbe il problema dei gas di scarico. Addirittura la vettura, garantisce Uchiyamada (Chairman di Toyota Motor Corporation), potrà essere usata come buffer per case dotate di fonti energetiche alternative; fornendo energia quando le rinnovabili (eolico, solare ecc.) non sono in grado di farlo.

Sebbene l’idrogeno richieda molti accorgimenti in materia di sicurezza, ad oggi, sembra essere il principale candidato come vettore energetico del futuro.

Il Power Take Off, ovvero la connessione all'abitazione in caso di emergenza 

Il progetto Toyota comunque nasce da collaborazioni con diverse Università e non solo nipponiche, tra cui spicca l’Università della California, proprio ad indicare che “l’impronta accademica” è sempre la base di rivoluzioni tecnologiche e sociali, come può essere considerato un veicolo ad idrogeno.

Il Team H₂politO, supportato dal Politecnico di Torino, da circa 7 anni ha abbracciato questa filosofia di vita a basse emissioni di CO₂, ovvero sviluppare veicoli a basso impatto ambientale sensibilizzando i futuri ingegneri e utilizzatori su queste tematiche.

IDRApegasus è un prototipo ad idrogeno progettato e realizzato interamente da studenti per partecipare alla Shell Eco-Marathon, competizione in cui vince il veicolo che consuma di meno.

Anche se la forma e le soluzioni tecnologiche di IDRApegasus differiscono dalla Toyota Mirai FCV, alla base dei due progetti c’è la medesima filosofia: il cambiamento e la stessa propulsione: una fuel cell a idrogeno. Un cambiamento in campo automotive e un cambiamento del modo in cui le persone concepiscono la mobilità su strada. Il Team H₂politO e Toyota ci credono. E voi?

Il nostro prototipo a Fuel Cell IDRApegasus pronto a partire
alla Shell Eco-marathon 2014

Da Torino a Mosca: 3023 km con un litro di benzina. Impossibile? No, IDRApegasus!

Iniziamo a raccontare i nostri veicoli, e partiamo da  IDRA.

Proprio in questi giorni, infatti, IDRApegasus ha ceduto il testimone alla sua “mamma” IDRA11 in quanto non più conforme al regolamento tecnico della SEM del 2015 ed è andata in esposizione al Museo dell’Automobile di Torino. Ci piace l’idea di “celebrarla” cercando di fare conoscere cosa si nasconde “dentro” un prototipo ad alto contenuto tecnologico.

IDRApegasus e IDRA11 Si passano il testimone al Museo dell'Automobile di Torino

IDRApegasus ha partecipato alla SEM nella categoria prototype, dedicata a veicoli molto spinti a livello di progettazione, soprattutto in termini di ingombri e alleggerimenti, e, in particolare, nella categoria “a idrogeno”, il che vuol dire utilizzare una Fuel Cell.  

IDRApegasus ha infatti una fuel cell da 1 kW alimentata da idrogeno gassoso, la cui corrente elettrica prodotta alimenta un motore elettrico da soli 200 W ed è stata capace di ottenere un consumo di 3023 km con l’equivalente energetico di un litro di benzina. I risultati della competizione vengono infatti convertiti da km/kWh a km/L in modo da essere più comprensibili a tutti. 

L’elettronica di controllo del motore elettrico e della fuel cell è stata sviluppata all’interno del Team, con una scheda di attuazione che gestisce il flusso di corrente dalla cella al motore elettrico, ventola di reazione e raffreddamento e una scheda di sicurezza che è in grado di monitorare il livello di idrogeno, ai fini della sicurezza, eventualmente presente nel vano motore e, in condizioni di emergenza, è in grado di spegnere il veicolo. A questo si aggiunge un’interfaccia HMI (Human Machine Interface) montata nell'abitacolo che è in grado di fornisce al pilota le informazioni necessarie durante la competizione e un sistema di telemetria.

La strategia di gara è una componente molto importante ai fini del risultato e proprio per ridurre i consumi è stato sviluppato un sistema che permette di disaccoppiare il motore e la ruota motrice per ridurre gli attriti durante delle fase di Coast-Down, in cui si spegne il motore e si procede grazie alle azioni di inerzia. Sempre per la riduzione degli attriti, e quindi avere un’elevata efficienza del veicolo, i cuscinetti e tutti i componenti rotanti sono ottimizzati.

IDRApegasus nella sua ultima apparizione alla SEM 2014

La massa complessiva di IDRApegasus è di soli 33 kg, traguardo raggiunto grazie alla realizzazione di una monoscocca portante in fibra di carbonio sulla quale sono integrati i diversi sottosistemi del veicolo. La scocca è divisa in tre parti, una centrale e due coperture, anteriore e posteriore, che permettono di accedere alle ruote e al vano posteriore dove è posizionato il powertrain. Naturalmente sono presenti superfici “vetrate” in grado di assicurare una buona visibilità al pilota,  richiesta per superare i check tecnici prima della competizione.

L’aerodinamica esterna è stata concepita per minimizzare il Cx e la sezione frontale e cercando di generare una deportanza nulla E proprio in quest’ottica le ruote anteriori sono state carenate all'interno del corpo vettura e montate con un angolo di camber di -8°.

La ruota sterzante è posteriore e il pilota controlla il veicolo attraverso uno sterzo ad asse verticale. Il regolamento SEM 2015 prevede tuttavia un sistema sterzante sulle ruote anteriori, rendendo appunto non più conforme IDRApegasus.

Si riparte quindi da qui per cercare di migliorarsi ancora come Team e sviluppare un altro veicolo per il 2015 altrettanto competitivo, implementando il know-how acquisito fino ad adesso e ponendoci nuove sfide e obbiettivi, ma per iniziare abbiamo riportato a “casa” dal Museo IDRA11, la “mamma” di IDRApegasus.

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