Najprej, razumejmo osnove gorivne celice, ki je naprava, ki proizvaja elektriko z elektrokemično reakcijo, ne z izgorevanjem.
Tehnologija gorivnih celic je pred avtomobilom vsaj 50 let. Leta 1838 je valižanski fizik združil vodik in kisik v prisotnosti elektrolita in proizvedel električni tok, vendar ne dovolj, da bi bil uporaben. V šestdesetih letih prejšnjega stoletja so tehnologijo uporabljali na ameriških vesoljskih plovilih Gemini in Apollo, kjer je posadkam zagotavljala elektriko in vodo iz shranjenega vodika in kisika.
Gorivne celice so že preučevali za avtomobilski sektor, vendar je tehnologija šele pred kratkim postala praktična in ekonomična. Toyota je svoj razvoj gorivnih celic začela sočasno z razvojem Priusa, pred skoraj 25 leti, medtem ko Mirai, najnovejši član družine električnih vozil, deli tehnologijo iz hibridnega programa, ki ga je razvil njen proizvajalec.
V gorivni celici se vodik in kisik združita, da proizvedeta tri elemente: elektriko, toploto in vodo, poleg tega pa je ta sistem čist, učinkovit, zanesljiv in tih vir energije, ni ga treba občasno polnijo kot baterije, vendar še naprej proizvajajo elektriko, dokler obstaja vir goriva.
Struktura gorivne celice je sestavljena iz anode, katode in elektrolitske membrane, ki deluje tako, da prehaja vodik skozi anodo gorivne celice in kisik skozi katodo.
Na mestu anode katalizator razcepi molekule vodika na elektrone in protone. Protoni prehajajo skozi porozno elektrolitsko membrano, medtem ko so elektroni prisiljeni skozi tokokrog, ki ustvarja električni tok in odvečno toploto. Na katodi se protoni, elektroni in kisik združijo v molekule vode. Ker ni gibljivih delov, gorivne celice delujejo tiho in izjemno zanesljivo.
Gorivne celice, ki kot gorivo uporabljajo čisti vodik, so popolnoma brez emisij ogljika, nekatere vrste sistemov gorivnih celic pa lahko uporabljajo ogljikovodikova goriva, kot so zemeljski plin, bioplin, metanol in druga.
Ker gorivne celice proizvajajo elektriko s kemijo in ne z zgorevanjem, lahko dosežejo veliko večjo učinkovitost kot tradicionalne metode proizvodnje energije, kot so parne turbine in motorji z notranjim zgorevanjem.
Za nadaljnje povečanje učinkovitosti je mogoče gorivno celico povezati s sistemom kombinirane toplote in električne energije, ki uporablja odpadno toploto celice za ogrevanje ali hlajenje.
Gorivne celice so prav tako prilagodljive, kar pomeni, da jih je mogoče združiti v baterije.
Te baterije je mogoče združiti v večje sisteme, ki se zelo razlikujejo po velikosti in moči, od nadomestkov motorjev z notranjim zgorevanjem za električna vozila do velikih naprav z več megavati, ki dovajajo elektriko neposredno v omrežje.
Tudi tisti, ki že poznajo električna vozila (EV), morda še vedno ne vedo, kako deluje električno vozilo na gorivne celice (FCEV).
FCEV je najlažje razumeti, da gre za električno vozilo brez vtičnice, saj ni potrebe po polnjenju baterije, kar pri EV traja več ur, tudi s hitrim polnjenjem.
Namesto tega voznik FCEV preprosto napolni rezervoar z vodikom v približno petih minutah, tako kot to počnejo vozniki vsak dan z vozili na CNG.
FCEV proizvaja lastno elektriko iz vodika, pri čemer je edina emisija voda. Baterija na gorivne celice združuje shranjeni vodik s kisikom iz zraka in kemično reakcijo, ki proizvaja električni tok in vodo, ki izhaja iz prezračevalne cevi, skrite pod avtomobilom.
Odvečna elektrika, ki jo ustvarita gorivna celica in regenerativno zaviranje, se shrani v litij-ionski baterijski paket. Zaradi tega pritisk na pedal za plin sprosti pretok električne energije iz gorivne celice in baterije v zadaj nameščen električni motor, ki poganja kolesa prek fiksnega prestavnega razmerja.
V Toyoti Mirai je stisnjeno vodikovo gorivo shranjeno v treh visokotlačnih rezervoarjih, ojačanih z ogljikovimi vlakni, ki prenesejo nazivni tlak 700 barov. Eden od valjev je nameščen vzdolžno na sredini avtomobila, drugi je nameščen prečno pod zadnjim sedežem, tretji pa pod akumulatorjem. Trije rezervoarji skupaj vsebujejo približno 5,6 kg vodika.
Položaj posod za vodik prispeva k nižjemu težišču v avtomobilu in ne zavzema prostora za prtljago, poleg tega je porazdelitev teže blizu 50 % spredaj in 50 % zadaj. Lahki vodikovi rezervoarji imajo še močnejšo večplastno konstrukcijo.
Korist Miraija za okolje presega ničelne emisije, lahko uporabimo izraz negativne emisije, saj avtomobil med premikanjem učinkovito čisti zrak.
Tehnološka inovacija je v filtru katalizatorja, ki je vgrajen v dovod zraka. Ko zrak sesa v vozilo, električni naboj na filtrskem elementu zajame mikroskopske delce onesnaževal, vključno z žveplovim dioksidom (SO2), dušikovim oksidom (NOx) in 2,5 mikronskimi trdnimi delci.
Sistem je učinkovit pri odstranjevanju od 90 do 100 % delcev s premerom med 0 in 2,5 mikrona iz zraka, preden dosežejo sistem gorivnih celic. Zrak, ki se sprosti iz sistema po obdelavi v gorivni celici, je čistejši od zraka v dovodu.
Za delovanje sistema gorivnih celic električni zračni kompresor stisne vstopni zrak, ki prehaja skozi vodno hlajen vmesni hladilnik, da zmanjša temperaturo stisnjenega zraka, preden vstopi v gorivno celico, gre mimo kemične reakcije in ustvari 650 voltov zelo čiste energije.
Novi Mirai je opremljen z majhno visokonapetostno litij-ionsko (Li-ion) baterijo, ki tehta le 44,6 kg za rekuperacijo in ponovno uporabo zavorne energije, sestavljena je iz 84 celic in ima nazivno napetost 310,8 voltov s kapaciteto 4Ah, nameščen za zadnjim sedežem in z garancijo za življenjsko dobo 10 let.
Delovanje sistema gorivnih celic v povezavi z baterijo je popolno sinhronizirano, pri začetnem pospeševanju porablja baterijsko moč, kot bi jo baterijsko električno vozilo.
Po začetnem pospeševanju gladko preide na delovanje FC + EV in nato v celoti na FC moč električnega pogonskega sklopa na poti.
Gorivna celica pošilja elektriko, ki se shrani v baterijo, baterijo pa med zaviranjem polni tudi motor-generator. Enosmerni tok baterije se pretvori v trifazni izmenični tok za zračni kompresor gorivne celice in električni motor.
