Pinceladas sobre mi trabajo de investigación, (3 parte)

Finalizamos estos breves resumenes del estudio sobre celdas de combustible, exponiendo las modificaciones que debemos introducir en un vehículo para que sea propulsado por éstas.
Espero que haya servido de algo estos tres días de intensa teoría sobre estos dispositivos electroquímicos, y con ello, daremos paso a otros artículos científicos, igual de interesante.

En este apartado se procede a analizar las modificaciones a introducir en un vehículo diseñado en su totalidad mediante el sistema de propulsión de pilas de combustible respecto a un vehículo convencional que funcione con un motor alternativo de combustión interna.


Componentes

Para empezar, se enumerará los elementos más significativos que el coche propulsado por pila de combustible tendrá:

- Sistema de propulsión mediante pila de combustible.

- Sistema de almacenamiento de combustible.

- Sistema eléctrico de tracción.

- Sistema de disipación del calor.

- Sistema de control.

- Unidad de control X-Drive.

- Puerto de conexión.

Para hacer más comprensible el tipo de automóvil que se intenta exponer, en la figura siguiente se presenta un esquema donde se muestra la composición del chasis de un coche propulsado mediante la pila de combustible,

[[Fotografía: Esquema de los componentes de un prototipo que funciona mediante pilas de combustible de hidrógeno. Fuente: General Motors.]]

Sistema de propulsión mediante pila de combustible.

El sistema de propulsión está compuesto por un sistema de almacenamiento de hidrógeno, la pila de combustible y un motor eléctrico, encargado de impulsar al vehículo. El peso de este sistema de propulsión es de 300 kg, cantidad que todavía supera al peso de un motor de combustión interna convencional en unos 100 kg aproximadamente.

En la figura siguiente se refleja el esquema en planta de un vehículo propulsado mediante un sistema de pilas de combustible.

[[Fotografía: Esquema en planta de un vehículo que funcione mediante la tecnología de pila de combustible. Fuente: General Motors.]]

Descripción del sistema de pila de combustible.

El tipo de pila de combustible utilizado en este automóvil son las pilas de intercambio de protones (PEMFC) anteriormente expuestas.

El uso de las PEMFC implica que la propulsión del vehículo sobre el que van montadas es eléctrica y, por tanto, no es preciso un motor de combustión. Tampoco son necesarias las baterías para almacenar energía, como ocurre en algunos coches híbridos debido a que la pila de combustible suministra tanta electricidad, dentro de sus límites, como requiera el conductor en cada momento. No obstante, este sistema de propulsión necesita baterías para calentar la pila hasta su temperatura de funcionamiento.

La pila de combustible tiene aproximadamente el tamaño de una CPU (Central Processor Unit) de un ordenador, está situada en la parte trasera del chasis tubular de aluminio y consiste en una agrupación de 200 células de combustible individuales conectadas en serie. El proceso que tiene lugar en cada célula es el siguiente: Si el ánodo recubierto por un catalizador queda sumergido en hidrógeno, se eliminan del mismo sus electrones. Los iones de hidrógeno, los protones, pasan a través de los electrolitos, es decir, la membrana de polímero, en dirección al cátodo y se combinan con el oxígeno atmosférico, transformándose en agua. Es decir, el hidrógeno y el oxígeno reaccionan de forma separada en un proceso electroquímico, con la ayuda de catálisis, para producir agua. La mayoría de la energía química generada durante esta reacción se convierte en energía eléctrica, proporcionada por los electrones surgidos en el ánodo en su desviación hacia el cátodo. De este modo, cuando agrupaciones de células individuales son conectadas en serie en una pila, son capaces de generar la suficiente potencia como para propulsar un motor eléctrico.

La pila de combustible produce, a una temperatura de proceso de 80º C, una potencia nominal de 94 kW (128 CV) con un pico de potencia máxima de 129 kW y, dependiendo de las condiciones de carga, genera un voltaje de corriente eléctrica continua comprendido entre 125 y 200 V y a una presión comprendida entre 1,5 y 2,7 bar. Esta corriente continua es impulsada mediante un transformador de 250/380 V y convertida después a una corriente alterna que circula por cada uno de los motores eléctricos ubicados en las ruedas del vehículo.

La densidad de energía de la pila de combustible es de 0,94 o 1.6 . Las dimensiones de la pila de combustible son las siguientes: 472 mm de longitud, 496 mm de altura y 251 mm de anchura. Su ubicación se encuentra junto al depósito de almacenamiento de combustible.

El hidrógeno se obtiene de dicho sistema de almacenamiento de combustible, situado en el chasis del vehículo. Un catalizador permite la conexión física entre el depósito de combustible y la pila. Cabe señalar que por el tubo de escape no sale ningún gas nocivo, apenas un poco de aire tibio y vapor de agua.

La pila de combustible se distingue por una excelente capacidad de arranque en frío: a una temperatura de - 20º C, tan sólo hay que esperar 30 segundos para poder disponer de toda la potencia; éste es un factor a tener en cuenta en cuanto a la utilización diaria de la tecnología de pila de combustible en automóviles. Se ha de destacar que la pila de combustible se refrigera mediante un radiador convencional.


Alternativas para el sistema de almacenamiento del hidrógeno.

En lo que se refiere al sistema de almacenamiento del hidrógeno, se están estudiando dos alternativas: la primera de ellas consiste en unos depósitos extraordinariamente aislados para el frío extremo del hidrógeno líquido (que se encuentra a – 253º C). La capacidad de almacenamiento de los depósitos permite una autonomía de 400 km (cada tanque permite una autonomía de 133 km ); mientras que otra alternativa sería utilizar tres tanques de alta presión cilíndricos fabricados con fibra de carbono y materiales compuestos para almacenar el hidrógeno en estado gaseoso comprimido a una presión de 350 bars; si bien en un corto período de tiempo, la capacidad de estos sistemas de almacenamiento aumentará considerablemente, pudiendo llegar a alcanzar una presión máxima de 700 bars, hecho que incrementará notablemente la autonomía del automóvil. Estos tanques tienen capacidad para almacenar 2 kg de hidrógeno y el peso del depósito de combustible es de 75 kg . La longitud total de cada tanque es de 1.150 mm y su diámetro es de 250 mm. La capacidad de almacenamiento de los tanques permite una autonomía de 270 km (cada tanque permite una autonomía de 90 km ).

Sin embargo, estos dos sistemas presentan aún algunos inconvenientes, como los elevados costes de las válvulas criogénicas del depósito para el almacenamiento líquido, o de la estructura de fibra de carbono que recubre los depósitos de alta presión.

A continuación, se va a exponer otro tipo de problemática que puede derivarse de estos sistemas de almacenamiento de hidrógeno planteados.


Problemática del sistema de almacenamiento de hidrógeno líquido.

En estado líquido, el hidrógeno tiene una densidad relativamente alta. El tamaño de un depósito determina, lógicamente, la cantidad de combustible que va a alojar y, por tanto, la autonomía del vehículo. Sin embargo, debido a la inevitable incursión del calor en el depósito, una pequeña cantidad de hidrógeno se evapora siempre. Estas pérdidas – también conocidas como evaporación – no tienen importancia cuando se recorren distancias largas porque el hidrógeno evaporado se puede utilizar durante el uso diario. Sin embargo, si el vehículo no se conduce durante un largo periodo de tiempo, el hidrógeno evaporado va causando lentamente una mayor presión en el depósito. Si se supera la presión permitida, parte del hidrógeno se libera.

Para aquellas personas que sólo conducen ocasionalmente, este efecto es inaceptable, razón por la cual se está desarrollando y probando la tecnología de hidrógeno comprimido como un proceso alternativo. Aunque el vehículo tiene menor autonomía, no se producen pérdidas por evaporación.


Características del depósito de almacenamiento de hidrógeno líquido.

La boca de llenado de este depósito de combustible es de acero inoxidable, y en ella se almacena el hidrógeno en estado líquido a una temperatura de -253º C. El depósito de doble pared tiene una capacidad de 68 litros o 4,6 kg de hidrógeno. Su interior está aislado de la conductividad térmica por vacío entre las paredes exteriores e interiores. Existen unas finas capas de láminas de aluminio que protegen adicionalmente de la radiación de calor.

[[Fotografía: Boca de llenado del BMW Hydrogen 7 propulsado por hidrógeno. Fuente: BMW]]

Características del sistema de almacenamiento de hidrógeno comprimido en depósitos presurizados.

El sistema de depósito de alta presión destaca por no incluir juntas, por su revestimiento interior impermeable al hidrógeno, su cubierta de fibra de carbono de altas prestaciones en material compuesto de carbono, así como por su blindaje protector patentado.


Costes de un automóvil propulsado mediante la pila de combustible.

En este apartado, se pretende realizar un análisis del coste del sistema de propulsión del vehículo, conformado por el sistema de pila de combustible y compararlo finalmente con el coste de un motor de combustión interna de un automóvil convencional. No se pretende, por tanto, estudiar el coste de todos los componentes principales del vehículo propuesto debido a la extensión que dicho análisis implicaría.

Una de las grandes problemáticas que presenta este tipo de automóvil es el coste que representa la producción, el transporte y el almacenamiento del hidrógeno necesario para la producción de energía eléctrica mediante las células de combustible.

Los mayores costes de este automóvil derivan de la utilización de materiales de precio elevados, como el platino en las células de combustible, la fibra de carbono para el tanque de hidrógeno y algunos componentes de la unidad de propulsión. Si se extrapolan los costes actuales para una producción anual de 100.000 unidades, la tecnología de pila de combustible sigue costando hoy en día unas diez veces más que un sistema con motor de combustión interna comparable. La fabricación en serie de este vehículo permitirá abaratar su precio desde los 80.000 € que cuesta actualmente este prototipo hasta los 18.000 €.

[[Fotografía: Imagen del Toyota Fuel Cell Hydrogen Vehicle. (Fuente: Toyota)]]

Fuentes utilizadas:

- Toyota.

- General Motors.

- Handbook of fuel cells.