Deși dispozitivul numit mai sus ajută la realizarea uneia dintre cele mai impresionante moduri alternative de conducere dintre aplicațiile rutiere, utilizatorul obișnuit de mașină știe de fapt foarte puține despre cum funcționează. Acesta nu este o soluție comună și este nevoie de o explicație pentru a afla ce se întâmplă în interiorul unui vehicul cu pile de combustibil.

Prin acest articol dorim să clarificăm această întrebare.

Definiție

În primul rând, să începem de la faptul că pila de combustie nu este prezentă doar în industria auto. Industria militară, blocurile de încălzire ale centralelor electrice, cercetarea spațială și chiar microelectronica folosesc diferite tipuri de la această tehnologie. În acest articol examinăm în primul rând aspecte ale industriei vehiculelor, dar vom începe cu conceptul de bază și vom termina cu formele reale de utilizare.

Model de celule de combustibil DMFC (Sursă: www.wikipedia.org)

Pila de combustibil este un sistem care transformă energia chimică în energie electrică, din care -în cazul vehiculelor- obținem în cele din urmă energie cinetică. Energia folosită de celula de combustie se numește energie chimică, deoarece datorează sursa proceselor chimice.

Tipuri de celule de bază

Înainte de a trece complet la detaliile care sunt interesante pentru noi, trebuie să menționăm că celula de combustie nu este același concept cu cel cu hidrogen. Acesta din urmă este doar o versiune a primei variante.

În lista următoare, le descriem pe scurt pe cele mai importante.

•  AFC, celulă cu electrolit alcalin: Aceasta este celula de combustibil utilizată în industria auto, care necesită hidrogen și oxigen pentru a funcționa. Temperatura sa de funcționare este de 80 °C, eficiența sa teoretică este de 70%, în practică este mai mult de 62%.
• PEMFC, celulă cu membrană permeabilă la protoni: Principiul său de funcționare este foarte asemănător cu AFC, temperatura sa de funcționare este și ea de 80 °C, dar eficiența este mai proastă: 68% este teoretic, dar în practică ajunge cu greu la 50%. Se găsește și în industria vehiculelor, dar apare și în blocurile de încălzire ale centralelor electrice.
• PAFC, celula de acid fosforic: Această versiune este adesea folosită ca sursă de energie și în centrale electrice, care are o eficiență teoretică foarte bună de 65% și 60% în practică, iar temperatura sa de funcționare ajunge la 200 °C. Electrolitul este acid fosforic concentrat, dar aici combustibilul este și hidrogen și oxigen.
• MCFC, celulă de sare alcalină cu carbonat: una dintre celulele generale ale încălzitoarelor bloc cu două trepte cu turbine cu abur. Funcționează la 650 °C și poate fi utilizat cu o varietate de combustibili, de la hidrogen la gaze naturale și biogaz la oxigen. Eficiența teoretică este de 65%, cea practică de 62%.
• MCFC, celulă de sare alcalină cu carbonat: una dintre celulele generale ale încălzitoarelor bloc cu două trepte cu turbine cu abur. Funcționează la 650 °C și poate fi utilizat cu o varietate de combustibili, de la hidrogen la gaze naturale și biogaz la oxigen. Eficiența teoretică este de 65%, cea practică de 62%.

În cele ce urmează, ne vom ocupa de celulele utilizate în industria vehiculelor.

Operațiune

Procesul chimic menționat anterior care are loc în mașinile cu celule de combustibil se numește reacție redox.

Etapele producției de energie trebuie imaginate într-un mod similar ca și cum am examina interiorul unei baterii cu acid: avem un anod pe care se oxidează hidrogenul gazos. Aceasta este jumătatea procesului, când hidrogenul emite un electron, care trece printr-un circuit extern către catod, generând astfel un curent electric și efectuând lucrări electrice.

Diagrama  celulei de combustibil (Sursă: www.wikipedia.org)

Cealaltă jumătate a procedurii are loc la catod - aici are loc reacția redox - unde oxigenul, ionul de hidrogen și electronul încărcat pozitiv menționat anterior se combină și în final se transformă în apă.

O unitate de catalizator asigură că hidrogenul își pierde electronul. Alegerea materialului pentru anod și catod poate varia în funcție de scop - de exemplu, platina poate fi folosită pentru electrodul anodului, în timp ce nichelul poate fi folosit pentru catod. Trecerea ionilor de hidrogen de la anod la catod este asigurată de electrolitul dintre cei doi electrozi care permite trecerea doar ionilor, nu electronilor.

Aspecte ale industriei auto

Deși NASA a folosit în mod activ celulele de combustie încă din anii 1960, istoria dispozitivului în industria auto este mult mai tânără. Este un fapt că Chevrolet a venit cu Electrovan încă din 1966, dar producția de serie nu a avut loc niciodată. În septembrie 1999, Honda a lansat FCX-V1 și o mașină cu celule de combustibil ce a fost disponibilă publicului larg.

Hyundai Nexo (Sursă: www.wikipedia.org)

De atunci, mulți producători au încercat soluția, dar doar două modele sunt disponibile în prezent în producție în Europa: unul este Toyota Mirai (2015-) și celălalt este Hyundai Nexo (2018-). Vom discuta în capitolul următor de ce această listă este atât de modestă.

Avantaje și dezavantaje

Proprietățile benefice ale celulei de combustibil au devenit în curând clare pentru dezvoltatori:

• fără piese în mișcare - funcționare fiabilă
• insensibil la schimbările de temperature
• greutate redusă, dimensiune compactă
• fără emisii nocive

Din punct de vedere al industriei de vehicule, trebuie subliniat și faptul că tehnologia bateriilor ajunge acum la o autonomie de aproximativ 600 de kilometri pentru mașinile mai mari, de care Toyota Mirai era deja capabilă în 2015. Nu se pune problema că pila de combustie are încă mult potențial în acest domeniu. De asemenea, este interesant faptul că realimentarea nu necesită mult mai mult timp în comparație cu o mașină cu motor cu ardere internă. Acesta este un alt punct important pe lângă tehnologie.

Toyota Mirai (Sursă: www.wikipedia.org)

Întrebarea este: De ce vedem atât de puțini dintre ei?

Răspunsul: aceste avantaje nu există acum fără dezavantaje semnificative.

Stocarea hidrogenului nu este mult mai ușoară decât cea a energiei electrice și producția sa este, de asemenea, puțin complicată.

Cu toate acestea, o problemă mult mai urgentă decât acestea este că materiile prime ale celulelor de combustie au un preț uimitor de mare, astfel încât vehiculul în sine nu este competitiv pe piață. Celălalt punct nevralgic este lipsa unei rețele de încărcare. Astăzi s-au făcut mulți pași pentru instalarea puțurilor de hidrogen în majoritatea țărilor europene dar asta înseamnă un cost specific mult mai mare decât instalarea stațiilor de încărcare electrică, așa că procesul este lent.

Rezolvând ultimele două dezavantaje, răspândirea mașinilor cu celule de combustibil pe drumurile publice poate începe probabil mai spectaculos - va fi interesant de văzut cât de repede se poate dezvolta tehnologia.