Comparação de sistemas de energia de células de combustível de hidrogênio e motores de combustão interna de hidrogênio

O princípio básico de células de combustível de hidrogênio é converter a energia química encontrada no combustível em energia elétrica por meio de reações eletroquímicas. O princípio de funcionamento de uma célula de combustível de hidrogênio envolve a decomposição do hidrogênio em elétrons e íons de hidrogênio (prótons) por um catalisador (platina) no ânodo da célula de combustível. Os prótons passam pela membrana de troca de prótons até o cátodo, onde reagem com o oxigênio para formar água e calor. Os elétrons correspondentes fluem do ânodo para o cátodo por meio de um circuito externo, gerando energia elétrica. A estrutura das pilhas de células de combustível de hidrogênio consiste principalmente em placas bipolares, eletrodos de membrana (membrana de troca de prótons revestida com camada de catalisador), camadas de difusão de gás, placas isolantes, etc. Em seguida, com base na pilha, sistemas adicionais, como o sistema de ar, o sistema de hidrogênio, o sistema eletrônico e elétrico e o sistema de gerenciamento térmico-hídrico, são integrados para formar um sistema de energia de célula de combustível de hidrogênio, que é essencialmente um motor de célula de combustível de hidrogênio.

Os motores de combustão interna a hidrogênio obtêm energia pela queima de hidrogênio, e esse tipo de motor, como os motores de combustível convencionais, opera em quatro tempos: admissão, compressão, potência e exaustão, com o hidrogênio substituindo os combustíveis convencionais. Tomando o motor Cummins como exemplo, a estrutura do motor de combustão interna a hidrogênio é essencialmente semelhante à de um motor a gás natural, que inclui componentes como o bloco de cilindros, virabrequim, cabeçote, sistema de ignição e peças de montagem; peças de motores de combustão interna a hidrogênio e motores a diesel também são parcialmente intercambiáveis, como blocos de cilindros, virabrequins, suportes, carcaças de volante e outros componentes de montagem. O alto grau de similaridade e intercambiabilidade desses componentes pode utilizar as vantagens econômicas dos motores de combustão interna a hidrogênio Cummins, aumentar a confiabilidade do equipamento e fornecer suporte crucial na transição da indústria para práticas de baixo carbono.

As semelhanças entre ambos exigem que hidrogênio e oxigênio participem da reação; todas as unidades de armazenamento de combustível e tanques de armazenamento de hidrogênio são necessários; podem alimentar o veículo. A diferença é que os dois geram energia de maneiras diferentes, o que também leva a uma diferença significativa na eficiência, de modo que os veículos com células de combustível terão maior quilometragem com o mesmo consumo de hidrogênio; a forma como os motores são construídos também é completamente diferente; as células de combustível são mais ecológicas do que os motores de combustão a hidrogênio. Além disso, não há diferença na velocidade de liberação de energia, e tanto os motores de combustão interna quanto as células de combustível podem atingir alta potência em curto prazo.
Em comparação com as duas rotas, as vantagens de células de combustível de hidrogênio são alta eficiência de conversão, baixas emissões de poluição e alto grau de aplicação comercial, especialmente em termos de eficiência de conversão, a eficiência térmica dos motores de combustível de hidrogênio é difícil de exceder 45%, enquanto a eficiência de conversão das células de combustível de hidrogênio pode chegar a mais de 60%.
As vantagens dos motores a hidrogênio são o baixo custo (cerca de 10% das células de combustível), os baixos requisitos de pureza do hidrogênio e a possibilidade de adaptação aos motores a hidrogênio existentes. Além disso, os motores de combustão interna a hidrogênio são mais adequados para uso em veículos comerciais, como caminhões médios e pesados, devido à sua maior eficiência em condições de alta carga.