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importancia, como funcionan, ventajas y desventajas,vehículos a futuro....
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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
Vehículos de pila de hidrógeno
Pila: 90 kW / PEM
Fabricante: Nissan
Configuración Híbrida
Vel. Máx: 160 km/h
Depósito H2: Gas a 350 bares
Capacidad: 3.5 kg
Fabricante: -
Autonomía: 350 km
2008 – GENERAL MOTORS Equinox
FCEV
Vehículos de pila de hidrógeno
Pila: 93 kW / PEM
Fabricante: GM
Configuración Híbrida
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)
Vehículos de pila de hidrógeno
• Primer coche de hidrógeno fabricado en serie.
• Hidrógeno líquido comprimido.
• Pila de hidrógeno: General Motors 93kW.
• Velocidad punta: 170 km/h.
• Autonomía: 385 km.
Vehículos de pila de hidrógeno
• Primer vehículo de hidrógeno en venta.
• Hidrógeno comprimido a 350 bar.
• Pila de hidrógeno: Honda 100kW.
• Velocidad punta: 160 km/h.
• Autonomía: 570 km.
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