Confronto tra sistemi di alimentazione a celle a combustibile a idrogeno e motori a combustione interna a idrogeno

Il principio di base di celle a combustibile a idrogeno consiste nel convertire l'energia chimica presente nel combustibile in energia elettrica attraverso reazioni elettrochimiche. Il principio di funzionamento di una cella a combustibile a idrogeno prevede che l'idrogeno venga scomposto in elettroni e ioni idrogeno (protoni) da un catalizzatore (platino) presente nell'anodo della cella. I protoni attraversano la membrana a scambio protonico fino al catodo, dove reagiscono con l'ossigeno formando acqua e calore. Gli elettroni corrispondenti fluiscono dall'anodo al catodo attraverso un circuito esterno, generando energia elettrica. La struttura delle pile di celle a combustibile a idrogeno è costituita principalmente da piastre bipolari, elettrodi a membrana (membrana a scambio protonico rivestita con uno strato di catalizzatore), strati di diffusione del gas, piastre isolanti, ecc. Successivamente, sulla base della pila, sistemi aggiuntivi come il sistema dell'aria, il sistema dell'idrogeno, il sistema elettronico ed elettrico e il sistema di gestione termica dell'acqua vengono integrati per formare un sistema di alimentazione a celle a combustibile a idrogeno, che è essenzialmente un motore a celle a combustibile a idrogeno.

I motori a combustione interna a idrogeno ottengono energia bruciando idrogeno e, come i motori a combustibile convenzionale, funzionano in quattro tempi: aspirazione, compressione, potenza e scarico, con l'idrogeno che sostituisce i combustibili convenzionali. Prendendo ad esempio il motore Cummins, la struttura del motore a combustione interna a idrogeno è essenzialmente simile a quella di un motore a gas naturale, che include componenti come il blocco cilindri, l'albero motore, la testata, il sistema di accensione e i componenti di montaggio; anche alcune parti dei motori a combustione interna a idrogeno e dei motori diesel sono parzialmente intercambiabili, come blocchi cilindri, alberi motore, supporti, carter del volano e altri componenti di montaggio. L'elevato grado di similarità e intercambiabilità di questi componenti consente di sfruttare i vantaggi economici dei motori a combustione interna a idrogeno Cummins, migliorare l'affidabilità delle apparecchiature e fornire un supporto cruciale nella transizione del settore verso pratiche a basse emissioni di carbonio.

Le somiglianze tra i due richiedono che idrogeno e ossigeno partecipino alla reazione; sono necessarie tutte le unità di accumulo del carburante e i serbatoi di idrogeno; possono alimentare il veicolo. La differenza è che i due generano energia in modi diversi, il che porta anche a una differenza significativa in termini di efficienza, quindi i veicoli a celle a combustibile avranno un chilometraggio maggiore a parità di consumo di idrogeno; anche il modo in cui i motori sono costruiti è completamente diverso; le celle a combustibile sono più ecologiche dei motori a combustione interna a idrogeno. Inoltre, non vi è alcuna differenza nella velocità di rilascio dell'energia e sia i motori a combustione interna che le celle a combustibile possono raggiungere un'elevata potenza a breve termine.
Rispetto ai due percorsi, i vantaggi di celle a combustibile a idrogeno sono elevata efficienza di conversione, basse emissioni inquinanti ed elevato grado di applicazione commerciale, soprattutto in termini di efficienza di conversione, l'efficienza termica dei motori a idrogeno difficilmente supera il 45%, mentre l'efficienza di conversione delle celle a combustibile a idrogeno può superare il 60%.
I vantaggi dei motori a idrogeno sono il basso costo (circa il 10% delle celle a combustibile), i bassi requisiti di purezza dell'idrogeno e la possibilità di essere adattati a motori a combustibile esistenti. Inoltre, i motori a combustione interna a idrogeno sono più adatti all'uso in veicoli commerciali come autocarri medi e pesanti, grazie alla loro maggiore efficienza in condizioni di carico elevato.