Toyota Fuel Cell

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Sabe o que é e como funciona uma pilha de combustível?

Texto: Marco António
Data: 30 de Dezembro, 2021

O funcionamento de um carro a hidrogénio passa pela pilha de combustível pois é ela que produz a eletricidade necessária para pôr em funcionamento o motor elétrico. Vejamos então como é que este elemento tão simples consegue gerar eletricidade a bordo do veículo.

Uma pilha de combustível é um dispositivo eletroquímico no qual reagem dois elementos químicos, o hidrogénio e o oxigénio para produzir eletricidade.

Podemos dizer que é similar a uma pilha elétrica convencional com a salvaguarda que a substância que funciona como ânodo e cátodo não se encontra armazenada no interior da pilha, mas no seu exterior!

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Desta forma, uma pilha de combustível gera eletricidade enquanto se injeta hidrogénio e oxigénio.

Como se produz a energia numa pilha de combustível?

O processo começa quando o hidrogénio em estado gasoso H2 se dissocia para dar dois átomos de hidrogénio. Estes átomos cedem seu único eletrão e o seu núcleo (o protão) atravessa uma membrana de polímero porosa.

Do outro lado da membrana, o hidrogénio reage com o oxigénio para dar água e ao mesmo tempo reclama o seu eletrão cuja energia serviu para gerar a eletricidade necessária para o funcionamento do motor elétrico.

Quanto custa fazer uma pilha de combustível?

Para funcionar, a pilha de combustível utiliza catalisadores como a platina que é um material muito caro.

Atualmente uma pilha de combustível tem um custo de 200€/kW prevendo-se que desça para 160 € a curto prazo ou ainda menos. Isto quer dizer, por exemplo, que a pilha de combustível do Toyota Mirai custa qualquer coisa como 20 mil euros!

Ou seja, é uma solução ainda mais cara que a bateria de iões de lítio.  

É mais difícil fabricar um carro a pilha de combustível que um carro com baterias de iões de lítio?

Por tudo isso, construir um veículo a hidrogénio é uma tarefa mais complicada do que construir um veículo elétrico com baterias de iões de lítio pois não se resume apenas em montar sobre um chassis uma pilha de combustível e uns depósitos criogénicos para armazenar hidrogénio.

O Toyota Mirai é um dos poucos veículos a hidrogénio já existentes no mercado
O Toyota Mirai é um dos poucos veículos a hidrogénio já existentes no mercado

O seu fabrico é algo mais completo e por isso há que definir como resolver um complexo equilíbrio tecnológico, económico e prestacional de forma a produzir um carro economicamente viável, o que ainda não acontece.

As variáveis a considerar são as seguintes. Por um lado, temos a potência da pilha de combustível já que esta caraterística determina o seu peso, o volume e obviamente o seu custo.

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Por outro lado, temos de pensar na capacidade dos depósitos de hidrogénio que ocupam um volume considerável e afetam sobretudo a autonomia máxima além de serem muitos caros uma vez que para manter o hidrogénio em estado líquido é preciso que este se encontre a temperaturas negativas excessivamente baixas.

A terceira variável é a capacidade da bateria de apoio à pilha de combustível. Dessa capacidade dependem dois fatores: a autonomia em modo elétrico e a potência máxima do carro.

O custo por quilómetro é idêntico ao de um carro com baterias de iões de lítio?

O primeiro desses fatores é importante dado que o custo por quilómetro percorrido usando hidrogénio é mais caro se usarmos um combustível convencional, enquanto que o custo por quilómetro percorrido através da energia elétrica carregada em casa é várias vezes inferior.

Embora igualmente não poluente, o custo por quilómetro, num veículo com pilha de combustível, ainda é mais alto que o custo por quilómetro veículo 100% elétrico carregado em casa
Embora igualmente não poluente, o custo por quilómetro, num veículo com pilha de combustível, ainda é mais alto que o custo por quilómetro veículo 100% elétrico carregado em casa

O segundo fator é relevante porque quando queremos obter rapidamente a máxima prestação, não podemos depender da pilha de combustível, já que a entrega da potência não é imediata pois existe um certo atraso (lag). Além disso, dado que o kW de potência baseado nas baterias é sensivelmente mais barato que a obtida por uma pilha de combustível parece razoável entregar grandes intensidades de corrente a um destes dispositivos.

Finalmente, isso permitiria contar com uma potência de travagem regenerativa importante e da capacidade necessária para armazenar essa energia.

Que tipo de sistemas de propulsão podem adoptar a pilha de combustível?

O resultado de todo estes quebra-cabeças é que à volta de uma pilha de combustível podemos construir veículos a hidrogénio com várias configurações: PHEV de hidrogénio; com extensor de autonomia, ou simplesmente um veículo a hidrogénio sem função plug-in como acontece com os atuais exemplos da Honda (Clarity), Hyundai (Nexo) e Toyota (Mirai).

Sedan de imagem futurista, o Mirai tem sido, para a Toyota, o veículo de promoção da tecnologia de propulsão a hidrogénio
Sedan de imagem futurista, o Mirai tem sido, para a Toyota, o veículo de promoção da tecnologia de propulsão a hidrogénio

Mas sobre essas diferentes soluções falaremos noutro artigo.