Des d'un punt de vista tècnic, el seu funcionament es basa en la utilització de l'hidrogen com a combustible primari, que és una font d'energia altament eficient i respectuosa amb el medi ambient.
L'hidrogen és l'element químic més lleuger i abundant a l'univers. El seu alt contingut energètic i la capacitat per generar energia elèctrica a través de processos d'oxidació el converteixen en una opció atractiva per a la propulsió de motors.
En el context dels motors d'hidrogen, hi ha principalment dos tipus de tecnologies: les piles de combustible d'hidrogen i els motors de combustió interna d'hidrogen.
Piles de combustible d'hidrogen
Les piles de combustible d'hidrogen són dispositius electroquímics que converteixen l'energia química de l'hidrogen i de l'oxigen en energia elèctrica i aigua sense generar emissions contaminants. Aquestes piles funcionen mitjançant una reacció química entre l'hidrogen i l'oxigen de l'aire, en què es produeix electricitat, calor i aigua com a subproductes.
Aquest procés es porta a terme en una estructura composta per cel·les individuals, on cada cel·la conté un ànode, un càtode i un electròlit. L'hidrogen entra en contacte amb l'ànode, mentre que l'oxigen de l'aire reacciona al càtode, generant electrons que són dirigits a través d'un circuit extern, produint electricitat que alimenta el motor elèctric del vehicle.
Els vehicles que fan servir motors de piles de combustible d'hidrogen es consideren cotxes elèctrics.
Comparació amb els vehicles elèctrics convencionals
Els cotxes elèctrics de bateria emmagatzemen l'electricitat en una bateria recarregable, la qual es carrega connectant-la a una font d'electricitat externa, com ara un endoll o una estació de càrrega.
D'altra banda, els cotxes de piles de combustible d'hidrogen no emmagatzemen electricitat directament en una bateria, sinó que produeixen electricitat a bord a partir de l'hidrogen emmagatzemat al vehicle, a través de la reacció electroquímica a la pila de combustible.
Motors de combustió interna d'hidrogen
D'altra banda, els motors de combustió interna d'hidrogen funcionen de manera similar als motors de combustió interna convencionals, però en lloc d'utilitzar benzina o dièsel com a combustible, fan servir hidrogen.
Aquests motors cremen l´hidrogen en presència d´oxigen de l´aire, generant calor i expandint els gasos resultants per impulsar un pistó. A diferència dels motors de combustió convencionals, els motors d'hidrogen no emeten gasos amb efecte d'hivernacle, ja que l'únic subproducte de la reacció és l'aigua.
Cicle de Brayton
Els motors de combustió interna d'hidrogen utilitzen un cicle termodinàmic similar als motors de combustió interna convencionals, com ara els motors de gasolina o dièsel.
Aquest cicle es coneix com el cicle de Brayton, també anomenat cicle de gas ideal, i consta de quatre processos principals: admissió, compressió, combustió/expansió i fuita. Tot i això, en el cas dels motors d'hidrogen, es produeixen algunes diferències significatives a causa de les propietats úniques de l'hidrogen com a combustible.
- Admissió: En aquest primer pas, s'introdueix una barreja d'hidrogen i aire al cilindre del motor. A diferència dels motors de gasolina, on es barreja aire amb un combustible líquid, als motors d'hidrogen, s'injecta directament hidrogen gasós al cilindre. L´hidrogen es barreja amb l´aire en proporcions adequades per permetre una combustió eficient.
- Compressió: Quan la barreja d'hidrogen i aire ha ingressat al cilindre, el pistó es mou cap amunt, comprimint la barreja. Aquest procés augmenta la temperatura i la pressió dins del cilindre, preparant la barreja per a la combustió.
- Combustió/Expansió: En aquesta etapa, s'inicia la combustió de l'hidrogen i l'aire comprimit mitjançant una espurna generada per les bugies del motor. La reacció química entre l'hidrogen i l'oxigen de l'aire produeix calor i expandeix els gasos resultants, empenyent el pistó cap avall i generant energia mecànica. A diferència dels motors de gasolina, on es produeix diòxid de carboni i vapor d'aigua com a productes de la combustió, als motors d'hidrogen, l'únic producte de la combustió és aigua.
- Escape: Un cop s'ha completat el procés d'expansió i el pistó ha arribat al punt més baix, els gasos d'escapament s'expulsen del cilindre cap al sistema d'escapament del vehicle. Aquests gasos consisteixen principalment en vapor d'aigua, juntament amb petites quantitats d'altres productes de la combustió, com ara òxids de nitrogen (NOx) en quantitats molt baixes.
Emmagatzematge i distribució d'hidrogen
Independentment del tipus de tecnologia utilitzada, lemmagatzematge i la distribució de lhidrogen són aspectes crítics a considerar en el funcionament dun motor dhidrogen. Atès que l'hidrogen és un gas altament inflamable i poc dens en la seva forma natural, l'emmagatzematge i el transport requereixen tecnologies específiques, com la compressió o la criogenització.
A més, la infraestructura de recàrrega ha d'estar desenvolupada adequadament per garantir un subministrament eficient i segur d'hidrogen als vehicles equipats amb aquest tipus de motor.
Eficiència energètica
En termes d'eficiència, els motors d'hidrogen tenen el potencial de superar els motors de combustió interna convencionals i, en alguns casos, fins i tot els vehicles elèctrics de bateria.
Això és perquè l'energia específica de l'hidrogen és considerablement més gran que la dels combustibles fòssils, cosa que permet una major densitat energètica i, per tant, una autonomia de conducció més gran.