Vehiculos de Pila

VEHÍCULOS ELÉCTRICOS CON PILA DE COMBUSTIBLE

JORNADA SOBRE INNOVACIONES TECNOLÓGICAS EN EL SECTOR DEL

AUTOMÓVIL

INTRODUCCIÓN

La pila de combustible es una

pila galvánica en la que la

energía química del combustible

se convierte directamente en

energía eléctrica a través de un

proceso electroquímico. El

combustible y el oxidante se

suministran continuamente y de

forma separada a los dos

electrodos de la pila donde tiene

lugar una reacción. El electrolito

es necesario para conducir los

iones de un electrodo al otro.

TENSIÓN EN CIRCUITO ABIERTO

PILA DE

COMBUSTIBLE H2 ENERGÍA

O2

ENERGÍA

ELÉCTRICA:

CALOR

AGUA

testanreacfproductosff GGG

OHO2

1H 222

2Of2HfO2Hff g2

1ggg

2Ne 2F culombios

Trabajo eléctrico carga tensión 2FE julios

f2FE g

fgE

2F

La reacción química en una pila es similar a la que tiene lugar en una batería. La

tensión termodinámica de la pila está asociada con la energía liberada y el número de

electrones transferidos en la reacción. La energía liberada por la reacción en la pila

viene dado por el cambio en la energía libre de Gibbs

PILA DE MEMBRANA POLIMÉRICA

Temperatura trabajo: 60 – 100 ºC

Rendimiento: 40 – 50%

La más leve impureza del hidrógeno provoca daños en la pila.

DISPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE

VENTAJAS E INCONVENIENTES

VENTAJAS:

BAJO IMPACTO MEDIOAMBIENTAL: EMISIONES CERO EN EL

PUNTO DE USO.

RUIDO MUY REDUCIDO

NO ESTÁ SUJETA A CARNOT ELEVADO RENDIMIENTO

BAJO MANTENIMIENTO: NO PARTES MÓVILES

INCOVENIENTES:

PRODUCCIÓN Y ALMACENAMIENTO DEL HIDRÓGENO

ELEVADO COSTE DE OPERACIÓN Y FABRICACIÓN (4.000 €/kW)

PUESTA EN MARCHA MUY LENTA

TECNOLOGÍA EN FASE DE DESARROLLO

COMPORTAMIENTO DE LA PILA DE COMBUSTIBLE

Pérdidas por activación (pérdidas debidas a la reacción electroquímica) Pérdidas óhmicas (pérdidas debidas a la conducción iónica y electrónica) Pérdidas de concentración (pérdidas debidas al transporte de masa)

CONFIGURACIÓN

SUBSISTEMAS DE CONTROL DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE

PILA

HUMIDIFICADOR

BOMBA

RECIRCULACIÓN

TANQUES DE

COMBUSTIBLEREGULADOR

PRESIÓN170 kPa 80 % HR

35 MPa

SISTEMA DE PURGA

PILA

HUMIDIFICADOR

BOMBA

RECIRCULACIÓN

TANQUES DE

COMBUSTIBLEREGULADOR

PRESIÓN170 kPa 80 % HR

35 MPa

SISTEMA DE PURGA

SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE

DEPÓSITO

RADIADOR

AGUA DESIONIZADA

85 ºC

75 ºC PILA DE COMBUSTIBLE

BOMBA

CENFRÍFUGA

200 kPa

SENSORES T,P

SENSORES T,P

VÁLVULA

TERMOSTÁTICA BYPASS

BYPASS TEMP < 75ºC

DEL COMBUSTIBLE

AL COMBUSTIBLE

AL AIRE

DEL AIRE

SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

PILA DE COMBUSTIBLE

COMPRESOR

SENSORES T,P,HR

SEPARADOR

AGUA

SEPARADOR

AGUA

HUMIDIFICADOR

AL TANQUE RESERVA

PILA DE COMBUSTIBLE

COMPRESOR

SENSORES T,P,HR

SEPARADOR

AGUA

SEPARADOR

AGUA

HUMIDIFICADOR

AL TANQUE RESERVA

SISTEMA DE HUMIDIFICACIÓN DEL AIRE

SISTEMA DE COMPRESIÓN

CONFIGURACIONES HÍBRIDAS

Un vehículo híbrido de pila de combustible (VHPC) tiene una batería o ultracondensador en paralelo con el sistema de pila de combustible.

El funcionamiento del VHPC permite un uso más eficiente de la alta densidad de energía de la pila y de la alta densidad de potencia de la batería.

Cuando la demanda de potencia es alta, como en una aceleración, las baterías proporcionan la potencia necesaria.

Cuando la demanda de potencia es baja, como en condiciones de velocidad crucero, la pila proporciona la potencia. Las baterías se recargarán durante los periodos de baja potencia.

Así pues, dependiendo de los requerimientos de potencia y de energía, la pila se podría diseñar bajo el punto de vista de velocidad crucero, y la batería para proporcionar potencias pico.

SISTEMAS HÍBRIDOS PILA DE COMBUSTIBLE-BATERÍA

b)

a)

P

P

Tiempo

Tiempo

Potencia Media

VEHÍCULOS CON PILA DE COMBUSTIBLE: CONFIGURACIONES HÍBRIDAS

Iref

–

+

Ipila

220 V AC

300 V

72 V 250 A

H2

CO

NTRO

LAD

OR

D

E L

A P

ILA

PILA (STACK)

CONV. CC/CC INVERSOR

MOTOR ELÉCTRICO

TRANSMISIÓN

BATERÍA

CONTROLADOR DEL VEHÍCULO

REG. PI

MODOS DE OPERACIÓN

PILA

MOTOR

b) PILA

MOTOR

BATERÍA

a)

BATERÍA

PILA

MOTOR

d) PILA

MOTOR

c)

ALMACENAMIENTO DEL HIDRÓGENO

COMPRIMIDO (350 bar)

LICUADO (-253 ºC)

HIDRUROS METÁLICOS

GASOLINA

REFERENCIA

H2 COMPR.

(34 – 69 MPa)

H2 LÍQUIDO

(20 K)

M. HIDRURO

FeTi (1,2%)

Energía (MJ) 664 664 664 664

Peso

Combustible

(kg)

13,9 4,7 4,7 4,7

Peso Tanque

(kg)

6,3 63,3-86 18,6 547,5

Peso Sistema

Combustible

(kg)

20,4 67,9-90,5 23,3 552

Volumen (l) 18,9 409-227 178 189,3

2 2M H MH

SEGURIDAD DEL HIDRÓGENO

1937 HINDERBURG Experimento: M. Swain y Univ. Miami

• PRIMER vehículo de pila de combustible.

• Hidrógeno líquido subenfriado y oxígeno líquido.

• Pila de hidrógeno: Union Carbide 5kW.

• Velocidad punta: 112 km/h.

• Autonomía: 240 km.

Vehículos con pila de combustible

GM ElectroVan (1966)

2008 – VOLKSWAGEN Tiguan HyMotion

Vehículos de pila de hidrógeno

Pila: 80 kW / PEM

Fabricante: Volkswagen (HT-FC/ High Temperature)

Configuración Híbrida

Vel. Máx: 150 km/h

Depósito H2: Gas a 700 bar

Capacidad: 3.2 kg

Fabricante: -

Autonomía: 250 km

2008 – RENAULT Scenic ZEV H2


Pila: 90 kW / PEM

Fabricante: Nissan


Vel. Máx: 160 km/h

Depósito H2: Gas a 350 bares

Capacidad: 3.5 kg

Fabricante: -

Autonomía: 350 km

2008 – GENERAL MOTORS Equinox

FCEV


Pila: 93 kW / PEM

Fabricante: GM


Vel. Máx: 160 km/h

Depósito H2: Gas a 700 bar

Capacidad: 4.2 Kg

Fabricante: Quantum

Autonomía: 320 km

Mercedes B Fuel Cell (2010)


• Primer coche de hidrógeno fabricado en serie.

• Hidrógeno líquido comprimido.

• Pila de hidrógeno: General Motors 93kW.




• Primer vehículo de hidrógeno en venta.

• Hidrógeno comprimido a 350 bar.

• Pila de hidrógeno: Honda 100kW.



Honda FCX Clarity (2010)

PROYECTO CUTE: MERCEDES CITARO

PILA PEM FULLPOWER 205 kW, CGH2 350 bar

3 AUTOBUSES, 100.832 km recorridos, 391.713 pasajeros transportados, 29.201 kg de hidrógeno empleados

RESULTADOS PROYECTO CUTE (JUNIO 2003):

PROYECTO CITYCELL: IVECO CITYCLASS

HÍBRIDO CON PILA PEM 62 kW, CGH2 350 bar

EPISOL

Banco de ensayos

EPISOL

MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN

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