En primer lloc, entenem els fonaments de la pila de combustible, que és un dispositiu que genera electricitat mitjançant una reacció electroquímica, no combustió.
La tecnologia de les cèl·lules de combustible és anterior a l'automòbil almenys 50 anys, el 1838 un físic gal·lès va combinar hidrogen i oxigen en presència d'un electròlit i va produir un corrent elèctric, encara que no suficient per ser útil. A la dècada de 1960, la tecnologia s'utilitzava a les naus espacials nord-americanes Gemini i Apollo, on proporcionava electricitat i aigua a les tripulacions a partir d'hidrogen i oxigen emmagatzemats.
Les piles de combustible ja s'havien estudiat per al sector de l'automoció, però la tecnologia fa poc que s'ha tornat pràctica i econòmica. Toyota va començar el seu desenvolupament de piles de combustible al mateix temps que el desenvolupament del Prius, fa gairebé 25 anys, mentre que el Mirai, l'últim membre de la família de vehicles elèctrics, comparteix tecnologia del programa híbrid desenvolupat pel seu fabricant.
A la pila de combustible, l'hidrogen i l'oxigen es combinen per generar tres elements: electricitat, calor i aigua, a més, aquest sistema és una font d'energia neta, eficient, fiable i silenciosa, no cal que sigui es recarreguen periòdicament com les bateries, però continuen produint electricitat mentre hi hagi una font de combustible.
L'estructura de la pila de combustible està formada per un ànode, un càtode i una membrana electrolítica que funciona fent passar l'hidrogen a través de l'ànode d'una pila de combustible i l'oxigen a través del càtode.
Al lloc de l'ànode, un catalitzador divideix les molècules d'hidrogen en electrons i protons. Els protons travessen la membrana electrolítica porosa, mentre que els electrons són forçats per un circuit, generant un corrent elèctric i un excés de calor. Al càtode, els protons, els electrons i l'oxigen es combinen per produir molècules d'aigua. Com que no hi ha peces mòbils, les piles de combustible funcionen en silenci i amb una fiabilitat extremadament alta.
Les piles de combustible que utilitzen hidrogen pur com a combustible estan completament lliures d'emissions de carboni, amb alguns tipus de sistemes de piles de combustible que poden utilitzar combustibles d'hidrocarburs com el gas natural, el biogàs, el metanol i altres.
Com que les piles de combustible generen electricitat a través de la química en lloc de la combustió, poden aconseguir una eficiència molt més alta que els mètodes tradicionals de producció d'energia, com ara les turbines de vapor i els motors de combustió interna.
Per augmentar encara més l'eficiència, una pila de combustible es pot acoblar a un sistema combinat de calor i energia que utilitza la calor residual de la pila per a aplicacions de calefacció o refrigeració.
Les piles de combustible també són escalables, el que significa que es poden unir per formar bateries.
Al seu torn, aquestes bateries es poden combinar en sistemes més grans que varien àmpliament en mida i potència, des de substitucions de motors de combustió per a vehicles elèctrics fins a grans instal·lacions de diversos megawatts que proporcionen electricitat directament a la xarxa.
Fins i tot aquells que ja estan familiaritzats amb els vehicles elèctrics (VE), potser encara no sàpiguen com funciona un vehicle elèctric de pila de combustible (FCEV).
La manera més senzilla d'entendre un FCEV és que és un vehicle elèctric sense endoll, ja que no cal carregar la bateria, la qual cosa triga diverses hores en un EV, fins i tot amb una càrrega ràpida..
En canvi, el conductor de FCEV simplement omple el dipòsit d'hidrogen en uns cinc minuts, tal com ho fan cada dia amb els vehicles de GNC.
Un FCEV genera la seva pròpia electricitat a partir d'hidrogen, sent l'aigua l'única emissió. Una bateria de pila de combustible combina l'hidrogen emmagatzemat amb l'oxigen de l'aire i una reacció química que produeix corrent elèctric i aigua, que surt d'un tub de ventilació amagat sota el cotxe.
L'excés d'electricitat generada per la pila de combustible i la frenada regenerativa s'emmagatzema en una bateria d'ions de liti. Com a resultat, en prémer el pedal de l'accelerador s'allibera un flux d'energia elèctrica de la pila de combustible i la bateria al motor elèctric muntat a la part posterior, que acciona les rodes mitjançant una relació de canvi fixa.
Al Toyota Mirai, el combustible d'hidrogen comprimit s'emmagatzema en tres dipòsits d' alta pressió reforçats amb fibra de carboni que suporten una pressió nominal de 700 bar. Un dels cilindres està muntat longitudinalment al centre del cotxe, l' altre es munta transversalment sota el seient del darrere i un tercer està per sota de la bateria. Els tres dipòsits contenen junts uns 5,6 kg d'hidrogen.
La posició dels dipòsits d'hidrogen contribueix al centre de gravetat més baix del cotxe i no ocupa espai per a l'equipatge, a més d'una distribució del pes propera al 50% al davant i al 50% al darrere. Els dipòsits d'hidrogen lleugers tenen una construcció de diverses capes encara més resistent.
El benefici mediambiental de Mirai va més enllà de les emissions zero, podem utilitzar el terme emissions negatives, ja que el cotxe neteja l'aire de manera efectiva mentre es mou.
La innovació tecnològica està en el filtre tipus convertidor catalític instal·lat a l'entrada d'aire. A mesura que l'aire entra al vehicle, una càrrega elèctrica a l'element del filtre captura partícules microscòpiques de contaminants, com ara diòxid de sofre (SO2), òxids nitrósos (NOx) i partícules de 2,5 micres.
El sistema és eficaç per eliminar del 90 al 100% de les partícules de mides entre 0 i 2,5 micres de diàmetre de l'aire abans que arribin al sistema de pila de combustible. L'aire que s'allibera del sistema després de ser processat dins de la pila de combustible és més net que l'aire de l'entrada.
Per al funcionament del sistema de pila de combustible, un compressor d'aire elèctric pressiona l'aire d'admissió que passa per un intercooler refrigerat per aigua per reduir la temperatura de l'aire comprimit, abans d'entrar a la pila de combustible, passant per una reacció química i generar 650 volts d'energia molt neta.
El nou Mirai està equipat amb una petita bateria d'ió de liti (Li-ion) d' alt voltatge que només pesa 44,6 kg per recuperar i reutilitzar l'energia de frenada, consta de 84 cèl·lules i té una tensió nominal de 310, 8 volts amb una capacitat de 4 Ah, instal·lat darrere del seient del darrere i garantit per a una vida útil de 10 anys.
El funcionament del sistema de pila de combustible juntament amb la bateria està perfectament sincronitzat, a l'acceleració inicial utilitza energia de la bateria, com ho faria un vehicle elèctric amb bateria.
Després de l'acceleració inicial, passa sense problemes al funcionament FC + EV i després completament a la potència FC del tren de propulsió elèctric en ruta.
La pila de combustible envia electricitat per emmagatzemar-la a la bateria, i la bateria també la carrega el motor-generador durant la desacceleració. El corrent continu de la bateria es converteix en corrent altern trifàsic per al compressor d'aire de la pila de combustible i el motor elèctric.
