Inicialmente vamos entender os fundamentos da célula de combustível, que é um dispositivo que gera eletricidade por meio de uma reação eletroquímica, não de combustão.
A tecnologia da célula de combustível é anterior ao automóvel em pelo menos 50 anos, em 1838, um físico galês combinou hidrogênio e oxigênio na presença de um eletrólito e produziu uma corrente elétrica, embora não o suficiente para ser útil. Na década de 1960, a tecnologia estava sendo usada nas espaçonaves americanas Gemini e Apollo, em que fornecia às tripulações eletricidade e água a partir de hidrogênio e oxigênio armazenados.
As células a combustível já haviam sido estudadas para o setor automotivo, mas a tecnologia só recentemente se tornou prática e econômica. A Toyota começou seu desenvolvimento de célula de combustível na mesma época do desenvolvimento do Prius, quase 25 anos atrás, já o Mirai, o mais recente membro da família de veículos elétricos, compartilha tecnologia do programa híbrido desenvolvida por seu fabricante.
Na célula de combustível, o hidrogênio e o oxigênio são combinados para gerar três elementos: eletricidade, calor e água, além do que, este sistema é uma fonte de energia limpa, eficiente, confiável e silenciosa, não precisam ser recarregadas periodicamente como as baterias, mas continuam a produzir eletricidade enquanto houver uma fonte de combustível.
A estrutura da célula de combustível é composta por um anodo, um catodo e uma membrana eletrolítica que funciona passando o hidrogênio pelo anodo de uma célula a combustível e o oxigênio pelo catodo.
No local do anodo, um catalisador divide as moléculas de hidrogênio em elétrons e prótons. Os prótons passam pela membrana eletrolítica porosa, enquanto os elétrons são forçados por um circuito, gerando uma corrente elétrica e um excesso de calor. No catodo, os prótons, elétrons e oxigênio se combinam para produzir moléculas de água. Como não existem peças móveis, as células de combustível operam silenciosamente e com uma confiabilidade extremamente alta.
As células de combustível que usam o hidrogênio puro como combustível são completamente livres de emissões de carbono, sendo que em alguns tipos de sistemas de células de combustível são capazes de usar combustíveis de hidrocarbonetos como gás natural, biogás, metanol e outros.
Como as células de combustível geram eletricidade por meio da química em vez da combustão, elas podem atingir eficiências muito mais altas do que os métodos tradicionais de produção de energia, como turbinas a vapor e motores de combustão interna.
Para aumentar a eficiência ainda mais, uma célula de combustível pode ser acoplada a um sistema combinado de calor e energia que usa o calor residual da célula para aplicações de aquecimento ou resfriamento.
As células de combustível também são escaláveis, isso significa que podem ser unidas umas às outras para formar baterias.
Por sua vez, essas baterias podem ser combinadas em sistemas maiores que variam muito em tamanho e potência, desde substituições de motores de combustão para veículos elétricos a instalações de grande porte com vários megawatts, fornecendo eletricidade diretamente para a rede elétrica.
Mesmo para quem já está familiarizado com veículos elétricos (EVs), podem ainda não conhecer o funcionamento de um veículo elétrico com célula de combustível (FCEVs).
A maneira mais fácil de entender um FCEV é que ele é um veículo elétrico sem tomada, pois não há necessidade de carregar a bateria, o que leva várias horas em um EV, mesmo com carregamento rápido.
Em vez disso, o motorista do FCEV simplesmente enche o tanque com hidrogênio em cerca de cinco minutos, assim como os motoristas fazem todos os dias com veículos a GNV.
Um FCEV gera sua própria eletricidade a partir do hidrogênio, sendo a água a única emissão. Uma bateria de célula de combustível combina o hidrogênio armazenado com o oxigênio do ar e uma reação química que produz corrente elétrica e água, que sai de um tubo de ventilação escondido embaixo do carro.
O excesso de eletricidade gerado pela célula de combustível e pela frenagem regenerativa é armazenado em uma bateria de íon de lítio. Como resultado, ao pressionar o pedal do acelerador libera um fluxo de energia elétrica oriunda da célula de combustível e da bateria para o motor elétrico montado na traseira, que aciona as rodas por meio de uma relação de transmissão fixa.
No Toyota Mirai, o combustível de hidrogênio comprimido é armazenado em três tanques de alta pressão reforçados com fibra de carbono que suportam uma pressão nominal de 700 bar. Um dos cilindros é montado longitudinalmente no centro do carro, o outro é montado transversalmente sob o banco traseiro e um terceiro fica abaixo da bateria. Os três tanques juntos contêm cerca de 5,6Kg de hidrogênio.
A posição dos tanques de hidrogênio contribui para o centro de gravidade mais baixo no carro e não ocupa espaço de bagagem, além de uma distribuição de peso próxima de 50% na dianteira e 50% na traseira. Os tanques de hidrogênio leves têm uma construção multicamadas ainda mais forte.
O benefício ambiental do Mirai vai além de zero emissões, podemos fazer uso do termo emissões negativas, pois o carro efetivamente limpa o ar enquanto se move.
A inovação tecnológica está no filtro do tipo catalisador instalado na entrada de ar. Conforme o ar é puxado para dentro do veículo, uma carga elétrica no elemento do filtro captura partículas microscópicas de poluentes, incluindo dióxido de enxofre (SO2), óxidos nitrosos (NOx) e material particulado de 2,5 microns.
O sistema é eficaz na remoção de 90 a 100% das partículas de tamanhos entre 0 e 2,5 microns de diâmetro do ar, antes de chegar no sistema da célula de combustível. O ar liberado do sistema após ser processado dentro da célula de combustível é mais limpo do que o ar na admissão.
Para o funcionamento do sistema de célula de combustível, um compressor de ar elétrico pressuriza o ar de admissão que passa por um intercooler resfriado a água para reduzir a temperatura do ar comprimido, antes de entrar na célula de combustível, passar por uma reação química e gerar 650 volts de energia muito limpa.
O novo Mirai está equipado com uma pequena bateria de alta tensão de íon de lítio (Li-ion) de apenas 44,6 Kg para recuperar e reutilizar a energia de frenagem, é composta por 84 células e tem uma voltagem nominal de 310,8 volts com capacidade de 4Ah, instalada atrás do banco traseiro e a garantia de vida útil dela é de 10 anos.
O funcionamento do sistema de célula de combustível em conjunto com a bateria está em perfeita sincronia, na aceleração inicial usa a energia da bateria, como faria um veículo elétrico de bateria.
Após a aceleração inicial, ele faz uma transição suave para a operação FC + EV e, em seguida, totalmente para a potência FC do trem de força elétrico durante o percurso.
A célula de combustível envia eletricidade para ser armazenada na bateria, e a bateria também é carregada pelo motor-gerador durante a desaceleração. A corrente contínua da bateria é convertida em corrente alternada trifásica para o compressor de ar da célula de combustível e o motor elétrico.