vehículos de hidrógeno
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como trabaja dichas celdasTRANSCRIPT
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INSTITUTO TECNOLOGICO DE APIZACO
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA
INGENIERIA MECATRNICA
VEHCULOS ELCTRICOS
VEHICULOS DE HDROGENO , CELDAS DE HIDROGENO
07-05-14
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Vehculos de Hidrgeno
El Hidrogeno es el elemento ms abundante en el universo. Pero la mayora de los tomos del
hidrogeno (H2) estn unidos con otros tomos de carbono y/o oxgeno, si queremos tener
solo tomos de hidrogeno tendremos que separarlos y para ello necesitaremos gran cantidad
de energa.
En la Tierra el hidrogeno se encuentra mayormente como agua (lquida, vapor, hielo) o
combinado con otros elementos formando compuestos como el metano o gas natural (CH4),
metanol (CH3OH), etanol (CH3CH2OH) o hidrocarburos (CnHm).
La manera ms fcil y limpia de obtener hidrogeno es mediante la "electrlisis": se sumergen
dos electrodos en agua, se aplica electricidad y se obtiene gas hidrgeno del electrodo
negativo y oxgeno del positivo. Pero la electrlisis slo es econmica y limpia cuando la
electricidad que se utiliza sea obtenida por medios que no contaminen el medio ambiente, lo
que quiere decir que no lo es tanto actualmente, ya que la mayora de la energa elctrica que
se produce esta basada en la combustin de combustibles derivados del petrleo, carbn, etc.
Se llamara Hidrogeno "sucio" al generado por medio de combustibles derivados de
combustibles fsiles.
Sin embargo, el hidrgeno puro no es la panacea, pues presenta varios problemas. Para
empezar, su produccin (la electrlisis) es cara y contaminante, pues requiere mucho
consumo elctrico y la electricidad actualmente se produce a partir de fuentes de energa
convencionales, como el petrleo,elgas o las centrales atmicas.
Algunos investigadores sugieren el empleo de la energa elctrica producida por energa
elica, solar, hidrulica, etc, que es limpia. Se podran colocar equipos de electrlisis al pie de
estas centrales y aprovechar la electricidad excendentaria que producen. Lo malo es que estas
formas de generar energa todava son minoritarias para abastecer un futuro parque
automovilstico movido por hidrgeno.
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La otra forma de conseguir Hidrogeno en este caso el "sucio" seria a partir del proceso de
"reformado" (suministrando calor) a derivados del petrleo que tienen alto porcentaje de hidrogeno como citamos anteriormente: metano o gas natural (CH4), metanol (CH3OH),
etanol (CH3CH2OH) o hidrocarburos (CnHm).. Tambin se puede utilizar el proceso de
"reformado" con combustibles derivados de la Biomasa (Biogas, Bioalcohol), en este caso
teniendo en cuenta el medio ambiente, el aprovechamiento energtico de la biomasa no
contribuye al aumento de los gases de efecto invernadero, dado que el balance de emisiones
de CO2 a la atmsfera es neutro, ya que el CO2 generado en la combustin de la biomasa es
reciclado mediante la fotosntesis en el crecimiento de las plantas necesarias para su
produccin y, por lo tanto, no aumenta la cantidad de CO2 presente en la atmsfera. Podemos
decir que el "reformado" es mas barato que la electrlisis y en contra tiene, el ser mas
contaminante.
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En la figura inferior se esquematiza la forma de obtener H2 a partir de combustibles fsiles,
biomasa y agua, utilizando procesos de reformado (suministrando calor) o electrlisis
(suministrando energa elctrica). Desde el punto de vista ambiental, el aprovechamiento
energtico de la biomasa no contribuye al aumento de los gases de efecto invernadero, dado
que el balance de emisiones de CO2 a la atmsfera es neutro. En efecto, el CO2 generado en la
combustin de la biomasa es reciclado mediante la fotosntesis en el crecimiento de las
plantas necesarias para su produccin y, por lo tanto, no aumenta la cantidad de CO2 presente
en la atmsfera. En cambio, el carbono que se libera a la atmsfera al quemar combustibles
fsiles es el que est fijo a la Tierra desde hace millones de aos.
La obtencin de hidrgeno, la infraestructura correspondiente, la tcnica de respostaje y el
almacenamiento a bordo son costosos y en la actualidad estas cuestiones an no se han
resuelto de forma totalmente satisfactoria desde un punto de vista tcnico y economico. La
generacin de hidrgeno mediante electrlisis consume gran cantidad de energa elctrica
como hemos indicado anteriormente. Actualmente, el hidrgeno se obtiene a escala industrial
casi exclusivamente mediante un proceso de reformado con vapor (steamreforming) a partir
de gas natural, si bien ello implica liberar CO2 en dicho proceso.
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Celdas de combustible
La celda de combustible es una membrana en la que se mezclan el hidrgeno y el aire de la
atmsfera. De su unin surge una corriente elctrica que sirve para mover un motor elctrico
en el caso de los vehculos. El residuo de la reaccin es slo agua.
La primera celda de combustible fue construida en 1839 por Sir William Grove, un juez y
cientfico gals que demostr que la combinacin de hidrgeno y oxgeno
generaba electricidad adems de agua y calor. El verdadero inters por la utilizacin de celdas
de combustible como un generador prctico vino hacia comienzos de los aos sesenta de
nuestro siglo, cuando el programa espacial de los Estados Unidos seleccion las celdas de
combustible para proporcionar electricidad y agua a las naves espaciales Gemini y Apollo. Hoy
en da, la aplicacin espacial ya no es la nica de tipo prctico, puesto que las celdas de
combustible estn atravesando por un gran momento, al haber alcanzado una etapa
tecnolgica que les permite estar en posicin de competir cada da ms con las tecnologas
convencionales de generacin elctrica, ofreciendo enormes ventajas sobre ellas, sobre todo
en el tema medioambiental.
Una celda de combustible es un dispositivo electroqumico que convierte la energa qumica
de una reaccin directamente en energa elctrica. Por ejemplo,
puede generar electricidad combinando hidrgeno y oxgeno electroqumicamente sin
ninguna combustin.
Estas celdas no se agotan como lo hara una batera, ni precisan recarga, ya que producirn
energa en forma de electricidad y calor en tanto se les provea de combustible (hidrogeno). En
la prctica, la corrosin y la degradacin de materiales y componentes de la celda pueden
limitar su vida til. La manera en que operan es mediante una celda electroqumica
consistente en dos electrodos, un nodo y un ctodo, separados por un electrlito. El oxgeno
proveniente del aire pasa sobre un electrodo y el hidrgeno gas pasa sobre el otro.
Cuando el hidrgeno es ionizado en el nodo se oxida y pierde un electrn; al ocurrir esto, el
hidrgeno oxidado (ahora en forma de protn) y el electrn toman diferentes caminos
migrando hacia el segundo electrodo llamado ctodo. El hidrgeno lo har a travs del
electrlito mientras que el electrn lo hace a travs de un material conductor externo (carga).
Al final de su camino ambos se vuelven a reunir en el ctodo donde ocurre la reaccin de
reduccin o ganancia de electronesdel oxgeno gas para formar agua junto con el hidrgeno
oxidado. As, este proceso produce agua 100% pura, corriente elctrica y calor til, por
ejemplo, energa trmica.
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Tipos de celdas de combustible
Las celdas de combustible se clasifican segn el tipo de medio conductor de la carga inica
(electrolito) dentro de la celda. Tambin se pueden clasificar segn la temperatura de trabajo
a la que funcionen
La celda alcalina utilizada por la NASA en los aos 60 empleaba como electrolito una solucin
acuosa concentrada de hidrxido de potasio. En los aos 70, la empresa DuPont desarroll un
polmero conductor llamado Nafion. El esqueleto del Nafion es similar al del polmero neutro
conocido como tefln y, como este, posee una alta resistencia qumica y trmica. Las cargas
mviles positivas (M+) son protones que pueden moverse por el agua que absorbe el
polmero y esto hace que la conductividad de la membrana sea similar a la de un cido
concentrado.
El Nafion se usa desde entonces como electrolito en electrolizadores y en celdas de
combustible. Estas ltimas se denominan celdas de combustible de "membrana de
intercambio de protones" (PEM).
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Existen otros tipos de celdas de combustible que no tienen electrolito acuoso. Ellas son las
celdas de cido fosfrico (PAFC) que utilizan el cido concentrado (exento de agua), las celdas
de carbonato fundido (MCFC), que utilizan como electrolito una mezcla eutctica de
carbonatos de sodio, litio y potasio y las celdas de xido slido (SOFC), en donde el electrolito
es un cermico conductor de iones xido. Este tipo de celdas de combustible sobre todo las
que trabajan a alta temperatura se utilizan mas para la generacin estacionaria de
electricidad, o sea, estaciones de generacin elctricas para suministro de edificios de todo
tipo y otros servicios. Para la utilizacin en vehculos y dems elementos mviles se utilizan
las celdas del tipo PEM (Membrana de Intercambio Protonico) mencionadas anteriormente.
Los grandes desafos
Una de los desafos que enfrenta los desarrolladores de vehculos a hidrgeno es debido a su
gran densidad en estado lquido, lo que lleva a tener un volumen superior a la gasolina
llegando a ser un 400% mayor.
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Todo esto compromete la autonoma del vehculo, pero nuevos avances en los diseos de los
depsitos han ido aumentando la autonoma.
Otro aspecto a tener en cuenta en la infraestructura disponible para surtir los combustibles a
los automviles (estaciones de servicio), sin embargo este ser un aspecto que el mismo
mercado ir corrigiendo a medida de que el petrleo sea ms escaso y caro.
Motores de Hidrogeno
Cuando hablamos de motores a hidrgeno tenemos que distinguir bsicamente a dos tipos de
motores, el basado en "celdas de combustible" de hidrgeno que en s se trata de un "motor
elctrico" que recibe electricidad de las propias celdas, y el "motor de combustin interna",
similar a los motores convencionales, que logran la fuerza motriz gracias a la ignicin del
hidrgeno dentro de la cmara de combustin.
Motor de hidrogeno de combustin interna
Las celdas de combustible son todava caras y no son lo suficientemente fiables (tiempo de
funcionamiento limitado). As que hay fabricantes como BMW, Mazda, etc. que se han decidido
por quemar el hidrogeno dentro de los motores de combustin interna, estos motores son
muy similares a los convencionales. El H2 es altamente inflamable y se quema en
concentraciones que van desde el cuatro hasta el 74 por ciento, produciendo algunos xidos
de nitrgeno (NOx), pero slo algunas trazas residuales de emisiones de dixido de carbono e
hidrocarburos (debido a que quema la pelcula de aceite de las paredes de los cilindros). El
H2 se quema limpiamente, pero no a estndares de cero emisiones. BMW y Mazda creen que
se podran vender motores duales de combustible y H2 mientras se desarrolla la
infraestructura de surtidores de hidrogeno en los pases. BMW comenz a experimentar con
motores de H2 en 1978 y ha construido flotillas de demostracin. Mazda ha mostrado
numerosos conceptos de motor rotativo (RX8s) de hidrgeno desde 1991.
Los BMW 750hL V12 que se construyeron en 2000 producan 201 CV con H2, llegando de 0 a
100 km/h en 9.6 segundos y tenan una autonoma de 289 km con poco menos de 19L de H2
lquido. El nuevo Valvetronic V-8 genera 181 CV con autonoma y desempeo similares. (Las
variantes de gasolina de estos motores producen 326 y 325 CV, respectivamente.)
Mazda dice que su motor rotativo es inherentemente ms adecuado al funcionamiento con H2.
Debido a que la entrada, compresin y combustin suceden en reas distintas del rotor, la
cmara de entrada permanece ms fra, lo que evita las retroexplosiones. Tambin hay
suficiente espacio para instalar dos inyectores directos de H2. El motor RenesisHydrogen RE produce 110 CV con H2 y 210 con gasolina.
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BMW apoya la combustin de hidrgeno en motores convencionales; aunque es la ruta ms
rpida a la economa de hidrgeno, la eficiencia es menor, y la contaminacin, mayor al
compararse con las celdas de combustible y el motor elctrico.
El uso de hidrgeno extiende la vida del motor y reduce el mantenimiento, ya que no se
acumula carbn en la cmara de combustin ni en las bujas, y los gases resultantes son tan
limpios que casi no se necesita cambiar el aceite del motor (slo hay que rellenarlo
peridicamente). Estos motores arrancan y funcionan bien a bajas temperaturas, son
tolerantes al hidrgeno "sucio" y seran comparativamente fciles de mantener. Ahse acaban
las buenas noticias. Un estudio extenso de la Universidad Kelo en Japn demuestra que la
combustin interna de hidrgeno est entre las menos eficientes de todas las plantas motrices
de tecnologa avanzada, principalmente debido a la gran cantidad de energa que se requiere
para producir y comprimir, o licuar, el hidrgeno.
La ms reciente propuesta de BMW, es el Hydrogen 7, el primer automvil de hidrgeno de
lujo que prcticamente no tiene emisiones contaminantes y es apropiado para el uso diario,
pero sobretodo con la ventaja de contar con un motor de combustin bimodo de doce
cilindros, que funciona tanto con hidrgeno como con gasolina convencional, convirtindose
en un automvil que puede funcionar sin estar pendiente del poder repostar hidrogeno en
caso de falta de suministradores de este combustible.
Con motor, chasis y carrocera basados en los sedanes BMW 760i, el Hydrogen 7 incorpora un
motor de 260 caballos de potencia, con el que es capaz de acelerar en 9,5 segundos de 0 a 100
km/h, y alcanzar una velocidad punta de 230 km/h, limitada electrnicamente. Indicadores
que demuestran que este combustible no merma el desempeo de vehculos de altas
prestaciones.
El motor de combustin bimodo del BMW Hydrogen 7 (figura inferior) es el resultado de un
trabajo de desarrollo orientado al futuro pero que ya se torna real. Este impulsor se basa en el
propulsor de doce cilindros a gasolina de 6.000 cc, VALVETRONIC, de la serie 7. El torque o
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par mximo es de 390 Nm, disponible a 4.300 r.p.m. La peculiaridad del motor V12 del BMW
Hydrogen 7 consiste en que funciona de modo dual, lo que significa que sus doce cilindros
pueden funcionar indistintamente con hidrgeno o con gasolina, lo cual es posible gracias a
una nueva tecnologa de control que garantiza la misma potencia independientemente del tipo
de combustible disponible en el depsito. Uno de los depsitos ofrece capacidad para 8
kilogramos (unos 170 litros) de hidrgeno, y en un depsito convencional caben 74 litros de
gasolina.
Funcionando con hidrgeno, el BMW Hydrogen 7 puede recorrer ms de 200 kilmetros y
otros 500 kilmetros con el sistema de combustin convencional de gasolina, es decir que se
pueden recorrer muchos kilmetros hasta llegar a la siguiente gasolinera o a un surtidor de
hidrgeno.
Este revolucionario automvil tiene casi nicamente emisiones de vapor de agua cuando
funciona con hidrgeno, y la empresa considera que en un futuro se podrn ofrecer vehculos
con motores que nicamente utilicen hidrgeno.
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En principio, al repostar no se diferencia de la utilizacin del depsito convencional de
gasolina, pues tan solo hay que asegurarse de un acoplamiento hermtico, que evita prdidas
de presin y de fro. Este acoplamiento es similar al del surtidor de gasolina, lo que significa
que el usuario lo introduce en la boca del depsito aplicando una ligera presin. El bloqueo
del acoplamiento y el rellenado del hidrgeno se realizan de modo automtico. Para abrir y
cerrar la tapa del depsito, el conductor no tiene ms que pulsar una tecla que se encuentra en
el tablero de instrumentos. El proceso de repostar concluye en menos de 8 minutos.
El motor de combustin bimodo es ms alto debido a las vlvulas de inyeccin de H2. Utiliza
vlvulas de inyeccin (inyectores) especiales y un conducto de combustible de presin
variable.
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En el habitculo los cambios se ven en el tablero de instrumentos donde se encuentran
indicadores nuevos relacionados con la utilizacin de hidrgeno, como el smbolo H2, que
se enciende cuando el motor est funcionando con hidrgeno, adems hay un indicador en
kilogramos del nivel del depsito de H2 junto al indicador de gasolina. Adems, la autonoma
total y la reserva disponible se indican por separado para el hidrgeno y la gasolina.
Las modificaciones que ms saltan a la vista en el habitculo se encuentran en la parte
posterior, debido al montaje del depsito de hidrgeno (figura inferior) debajo de la bandeja
trasera y detrs del banco posterior.
Diversas partes de la carrocera, especialmente desarrolladas para el del BMW Hydrogen 7,
son de material sinttico reforzado con fibra de carbono combinada con acero, de peso
optimizado y, al mismo tiempo, ms resistente a los impactos. Esta solucin compensa el
mayor peso del motor y del sistema de alimentacin de combustible y cumple con los criterios
de seguridad especiales que plantea este innovador automvil. Entre otros, los bastidores
laterales estn reforzados con este material sinttico con fibra de carbono. De esta manera,
ante un choque el comportamiento del BMW Hydrogen 7 es exactamente igual al del BMW
760Li.
En cuanto a la seguridad, todos los componentes fueron concebidos de tal manera que
cumplan con los estndares ms estrictos. El depsito de hidrgeno lquido dispone del
sistema de gestin del vapor de hidrgeno boil-off y, adems, cuenta con dos vlvulas que
permiten la salida controlada del hidrgeno al entorno, por ejemplo en caso de haber una
presin excesiva en el depsito (lo que puede suceder en caso de un impacto fuerte). El
depsito como tal, pero tambin todos los dems componentes que se ocupan de la
alimentacin del hidrgeno al motor, son de doble pared.
Las funciones de seguridad, especialmente previstas para el BMW Hydrogen 7, consiguen
detectar con antelacin cualquier irregularidad y activar las funciones de proteccin
correspondientes. Por ello, el usuario siempre se mantiene informado sobre cualquier fallo en
el sistema, aunque ste an no represente peligro alguno.
Actualmente no existen estndares, normas y leyes generales que determinen el uso de
vehculos con motor de hidrgeno. Tambin hay diferencias entre los reglamentos que se
refieren al uso de garajes. Estas reglas varan de pas en pas, pero tambin difieren los
criterios aplicados por los propietarios de los estacionamientos pblicos. Para evitar
confusiones, el BMW Group no permite aparcar los vehculos movidos con hidrgeno en
garajes cerrados. S est permitido conducir y aparcar en espacios semicerrados, por ejemplo
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en estacionamientos pblicos o atravesando tneles. Tambin se admite el uso de tneles de
lavado y parar en garajes individuales no cerrados.
Motor elctrico con celdas de combustible
El fabricante Toyota ha logrado la homologacin en Japn de un vehculo hbrido alimentado
por celda de combustible que logra una autonoma de 830 kilmetros, frente a los 330 de la
generacin anterior.
El nuevo vehculo, FCHV-adv (Fuel CellHybridVehicle-Advanced) ha sido homologado con la
nueva celda de combustible, de nuevo diseo y alto rendimiento, que an ser mejorada en
una nueva fase de desarrollo.
El Toyota FCHV-adv ha sido probado rodando tanto a altas temperaturas como a bajas, a
partir de los resultados proporcionados por estas pruebas, Toyota ha perfeccionado el
sistema de celda de combustible de este vehculo para mejorar la autonoma y el arranque a
bajas temperaturas, que haban frenado hasta ahora el uso generalizado de los vehculos de
celda de combustible.
La unidad esencial de celda de combustible es el conjunto de electrodos y membrana (MEA, en
sus siglas en ingls), donde el principal problema para los ingenieros fue el agua que apareca
en el interior y que interfera con la generacin elctrica dentro del MEA a bajas temperaturas.
Se llev a cabo una importante labor de investigacin, que incluy pruebas de visualizacin
interna, para comprender el comportamiento y la cantidad del agua generada en la celda de
combustible, lo que permiti a los ingenieros optimizar el diseo del MEA para mejorar el
arranque a bajas temperaturas.
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Como consecuencia, el Toyota FCHV-adv puede arrancar y funcionar en zonas fras a
temperaturas de hasta 30 grados bajo cero, lo que significa que el vehculo se puede utilizar
en una mayor variedad de condiciones y climas.
Ello llev a una mejora de la eficiencia del combustible en un 25%, gracias al nuevo
rendimiento de la celda de combustible, el perfeccionamiento del sistema de frenado
regenerativo y la reduccin de la energa consumida por el sistema auxiliar.
Otras modificaciones introducidas en la versin avanzada del vehculo son la incorporacin de
un control de degradacin del catalizador del electrodo y la mayor duracin de la celda de
combustible.
Los depsitos desarrollados por Toyota estn fabricados en composite, un material muy ligero
y extremadamente resistente. Adems, van forrados por dentro con un lienzo de nylon que
evita cualquier filtracin del muy voltil hidrgeno. Este forro permite que el depsito sea
menos grueso, con lo que, en el de 35 megapascales, cabe hasta un 10 por ciento ms de
hidrgeno comprimido. As, la autonoma de los coches que empleen este tanque ser ms
alta.
Con estas soluciones tcnicas, Toyota logra solucionar dos de los principales problemas que
presentan los depsitos para hidrgeno: la porosidad y el excesivo peso que se produce
cuando se combate esa porosidad. Estos problemas, especialmente el del peso, haca que,
hasta ahora, los depsitos fuesen demasiado aparatosos y acabaran por lastrar las cualidades
dinmicas de los vehculos que los llevaban.
Toyota actualmente con los ltimos modelos ha conseguido depsitos de hidrgeno de alta
presin a 70 Mpa, con los que el vehculo puede recorrer unos 830 kilmetros sin repostar; es
decir, ms del doble que el antecesor del Toyota FCHV-adv, el Toyota FCHV.
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En la figura inferior podemos ver la seccin de un Toyota FCHV-5:
En la parte trasera se pueden ver los depsitos de hidrogeno a alta presin y la batera
secundaria.
En la parte delantera se puede ver la celda de combustible, la unidad de control, y el
motor elctrico.
Como conclusin se puede decir que Toyota apuesta por la celda de combustible, s, pero
alimentada directamente por el hidrgeno contenido en depsitos embarcados en el coche. Es
decir, descarta otras alternativas, como el "reformado" de combustible, que es la va que
emplean otras compaas. Con el reformado de combustible, lo que se hace es extraer el
hidrgeno de la gasolina u otro hidrocarburo y enviar el hidrgeno arrancado a la clula de
combustible. Este proceso, ms barato, tambin es ms contaminante que el empleo de
hidrgeno puro.