Quando si parla di mezzi pesanti, di grandi tonnellaggi e di lunghe percorrenze, l’utilizzo dell’idrogeno per l’alimentazione di celle a combustibile sembra essere una delle soluzioni migliori per ridurre drasticamente l’inquinamento atmosferico. Che l’idrogeno sia una valida soluzione alla decarbonizzazione del trasporto lo dimostra anche il fatto che nel PNRR, così come nel piano energetico europeo del 2020, largo spazio è dato a questo tipo di alimentazione. UFI Filters, azienda leader nella filtrazione e nella produzione di scambiatori di calore per veicoli a combustione, ibridi ed elettrici, già a partire dal 2017, analizzando i possibili scenari futuri legati alle diverse forme di alimentazione, ha iniziato a investigare le nuove sfide legate all’utilizzo di idrogeno nelle celle a combustibile e le problematiche correlate alla filtrazione, focalizzandosi sul filtro aria catodo fuell cell, elemento che gioca un ruolo strategico e fondamentale nel purificare l’aria immessa nel sistema come comburente della cella, dove l’ossigeno presente reagisce con l’idrogeno mediante una reazione elettrochimica in grado di produrre energia elettrica.
IL CONTESTO
Filtrare l’aria, mai così determinante
L’aria immessa nel sistema, prima di arrivare al compressore e poi alla cella, necessita di essere efficacemente filtrata non solo dal particolato, ma anche da gas nocivi come SOX, NOX, H2S, CO, O3 e NH3 e dai VOC (Composti Organici Volatili), quali ad esempio, benzene e toluene. Tali gas nocivi per la fuel cell sono generalmente composti antropogenici, originati da attività umane (prodotti di combustione tradizionale e derivati dal petrolio), la cui concentrazione nell’aria varia in funzione del contesto geografico. La filtrazione dell’aria nelle celle a combustibile gioca un ruolo ancora più importante rispetto a quanto accade nei tradizionali motori endotermici per la filtrazione aria motore. Perché? Vari studi condotti nel tempo hanno dimostrato che anche quantità estremamente basse di particelle gassose (si parla non solo di PPM – parti per milione, ma addirittura di PPB – parti per miliardo) possono drasticamente ridurre le prestazioni e la durata di una cella. Questo a causa di diversi fattori tra i quali, determinante, risulta la contaminazione del catalizzatore, che è il promotore della reazione necessaria a convertire l’idrogeno e l’ossigeno in energia elettrica ed acqua. Il catalizzatore, componente fondamentale della fuel cell, è costituito essenzialmente dal costoso Platino (o altri metalli preziosi). La presenza di impurezze può comprometterne la funzionalità prestazionale con effetti irreversibili e progressivo deterioramento temporale tali da pregiudicare la durata della cella. Nel circuito aria non bisogna inoltre dimenticare il compressore, molto sensibile ai contaminanti solidi dell’aria che possono comprometterne le prestazioni.
Ma c’è aria e aria…
Le celle usano aria ambiente che fornisce l’ossigeno necessario alla reazione elettrochimica con l’idrogeno. Ma l’aria, come ben sappiamo, non è ovunque uguale e le sue caratteristiche dipendono da numerosi fattori quali temperatura, altitudine, inquinamento locale, ecc. Della sua qualità, e quindi di dove verrà impiegato il veicolo, bisogna perciò tenere conto nello sviluppo di un filtro aria catodo, perché quello che si dimostra efficace in una data regione non necessariamente lo è in un’altra.
La Soluzione di UFI Filters
Il filtro aria catodo sviluppato da UFI Filters e destinato ad applicazioni OE con celle a combustibile è a duplice funzione (filtrazione particolato solido ed adsorbimento contaminati gassosi) con doppio layer, con i due strati contenuti in un unico box la cui forma e posizionamento all’interno del veicolo variano a seconda delle richieste dell’OEM. Tale configurazione consente di specializzare e customizzare ogni layer del filtro aria catodo in funzione di un dato veicolo, della regione in cui questo sarà impiegato, della percorrenza e della vita utile prevista, garantendo così prestazioni ottimali.
Il primo layer ha una funzione di barriera fisica, ovvero di separazione delle particelle solide, e si presenta simile nella struttura a quello impiegato per la filtrazione aria motore dei veicoli a combustione interna. È realizzato con media sintetico che si distingue per una matrice e uno spessore diversi rispetto ai filtri tradizionali, portando a caratteristiche di accumulo differenti e a basse perdite di carico del sistema. Ha la funzione di trattenere le polveri, anche estremamente sottili; trattiene inoltre le particelle di sale, composto utilizzato in inverno per sghiacciare le strade, e presente nelle aree costiere, e dannoso per la fuel cell. Il suo posizionamento, a monte del secondo layer, risulta strategico in quanto consente la protezione dei carboni attivi presenti in quest’ultimo, molto sensibili alla presenza di particolato che ne limita la capacità di adsorbimento dei gas.
Il secondo layer ha invece una funzione chimica, ovvero il compito di rimuovere, tramite adsorbimento, i contaminanti gassosi. È realizzato con media filtrante con matrice non-woven (tessuto non tessuto) in cui sono miscelati carboni attivi di varie tipologie. Grazie all’esperienza di UFI Filters nella produzione di materiali filtranti, i carboni attivi utilizzati per questa specifica applicazione non sono quelli tradizionali, ma sono modificati con particolari trattamenti termici e reazioni chimiche con sali inorganici. In questo modo, oltre ad avere dimensioni fisiche dei fori diverse (grazie al trattamento superficiale), i carboni attivi acquisiscono la capacità di adsorbire i gas a cui si accoppiano anche grazie a legami chimici di vario genere. UFI Filters può così offrire al cliente, per una data applicazione, una gamma diversificata di uno stesso filtro, dove la variabile è rappresentata dai mix di carboni attivi differenti, per tenere proprio conto delle diverse regioni in cui il veicolo sarà venduto.
Ciò che differenzia UFI Filters nell’innovativa proposta per i filtri aria catodo è il consolidato know-how nei media filtranti, studiati e prodotti in-house. Tale conoscenza non risiede solamente nei materiali impiegati per i media filtranti, ma anche nell’applicazione di geometrie diverse e nella loro lavorazione per migliorare le performance del prodotto. La pieghettatura ne è un esempio: le prestazioni di un filtro plissettato sono strettamente legate a come vengono realizzate le pieghe. In UFI Filters, un reparto altamente specializzato lavora infatti per ricercare i parametri ottimizzati, che sono quindi trasmessi ai diversi stabilimenti globali dell’azienda, per assicurare ovunque lo stesso, elevato, livello di prestazioni.
E c’è di più
Per talune applicazioni, oltre ai due layer, UFI Filters propone la presenza di elementi di pre-separazione per il trattamento preliminare dell’aria che in zone molto polverose contengono particolato solido in grandi quantità prima che questa arrivi al filtro aria catodo.
Primi prototipi funzionali
Alcuni prototipi funzionali di UFI Filters, destinati ad applicazioni di OEM globali in ambito truck, autobus e veicoli commerciali leggeri sono già in fase di test in varie regioni del mondo e i materiali quasi definitivi, per una produzione in serie prevista tra il 2025-26.
Grazie al suo know-how, al suo pedigree OE e al footprint industriale globale, UFI Filters è quindi pronta per il futuro della mobilità sostenibile.
