INSTITUTO TECNOLOGICO DE

APIZACO

ING. MECATRÓNICA

VEHÍCULOS ELÉCTRICOS

DR. ROBERTO MORALES CAPORAL

UNIDAD III

CELDAS DE COMBUSTIBLE Y

VEHÍCULOS DE HIDROGENO

JONATHAN JADHIR CORONA MORENO

FECHA: 06 DE MAYO 2014

ContenidoTECNOLOGÍA DEL HIDROGENO...................................................................................................................3

CELDA DE COMBUSTIBLE (DEFINICIÓN)........................................................................................4

BENEFICIOS.................................................................................................................................................5

VENTAJAS....................................................................................................................................................5

CLASIFICACIÓN DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE....................................................................................6

TIPOS.......................................................................................................................................................7

TABLAS DE DATOS SOBRE LAS C. C...........................................................................................................11

VEHÍCULOS DE HIDROGENO.....................................................................................................................13

COMPONENTES DE UN MOTOR DE HIDROGENO.................................................................................14

TIPOS DE MOTORES DE HIDROGENO....................................................................................................15

REFERENCIAS ELECTRÓNICAS...........................................................................................................16

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TECNOLOGÍA DEL HIDROGENO El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro, insípido, inflamable y no tóxico; en la

actualidad, su empleo más importante tiene lugar en la hidrogenación de

moléculas pesadas –generadoras de hidrocarburos más ligeros–, las cuales se

destinan a la producción de combustibles más limpios (gasolinas, diésel, etc.), y

en la fabricación de amoniaco, un importante fertilizante. En la industria

aeroespacial, este elemento tiene aplicación como combustible para cohetes.

Fig.0 Esquema representativo del uso del hidrogeno como tecnología futura

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Fig.1 Electrolisis del agua (demostración William Grove 1839)

CELDA DE COMBUSTIBLE (DEFINICIÓN)

Una celda de combustible es un dispositivo que convierte la energía química en

eléctrica; en ella, el hidrógeno se combina con el oxígeno (O2) del aire y, tras una

descarga eléctrica, también se produce agua (H2O) y calor. Este tipo de celda

tiene por lo general tres partes

fundamentales (un ánodo, un cátodo y

un electrolito) y, según sus materiales

será el proceso de producción de energía

eléctrica.

Fig.2 Diseño y construcción de una celda de combustible

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Fig.3 Esquema y diagrama representativo del funcionamiento de una celda de combustible

La celda de combustible es un dispositivo que se alimenta, en el ánodo, con un

combustible (hidrogeno) y en el cátodo, con oxígeno o aire. La reacción

electroquímica global da como resultado la producción de agua y la generación de

corriente eléctrica.

BENEFICIOS

Las celdas de combustible ofrecen mayor eficiencia eléctrica que los procesos

tradicionales, su operación es silenciosa y la emisión de contaminantes es nula o

mínima, ya que depende del combustible que se haya usado para producir

hidrógeno. Además, su diseño modular permite flexibilidad en el tamaño y mayor

confiabilidad en la manufactura a causa de un menor número de piezas móviles;

pueden utilizarse en aplicaciones de calor y potencia, y tienen capacidad para

múltiples combustibles: hidrógeno, gas natural, metanol, gasolina y otros.

La eficiencia de vehículos con base en hidrógeno podría ser el doble de la de un

motor de combustión interna.

VENTAJAS La eficiencia que alcanza una celda de combustible puede ser muy elevada

rozando el 80% cuando además de electricidad se recupera calor.

La energía producida es 100% limpia, ya que el único producto que se

obtiene es agua o vapor de agua.

Pueden conectarse en paralelo para suplir cualquier requerimiento

energético.

Pueden ser fabricadas de distintos tamaños y para distintas aplicaciones

que van desde su uso en telefonía celular, hasta el uso de éstas para

impulsar automóviles.

Permiten obtener energía a partir de combustibles corrientes

como alcoholes, gas natural y combustibles de origen fósil, así como

también a partir de biomasa.

El combustible más conveniente termina siendo el hidrógeno, ya que es el

que más energía entrega por unidad de masa (141 mJ/Kg). Estos equipos

de electrólisis se pueden alimentar de energía eléctrica obtenida por

paneles fotovoltaicos o aerogeneradores.

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Los precios de las celdas de combustible no son altos cuando se los

compara con los gastos anuales de electricidad y gas natural, con lo que su

compra se amortiza en pocos meses.

Fig.4 Aplicación en V.E.

CLASIFICACIÓN DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLEUna gran variedad de celdas están en etapa de desarrollo, y pueden ser

clasificadas de acuerdo a diversas características como las siguientes:

Por el tipo de uso.

Por el tipo de combinación de combustible y oxidante.

Por el tipo de procesamiento del combustible (interno o externo).

Por el tipo de electrolito usado.

Por el tipo de temperatura de oxidación.

Por su potencia (alta, media, baja).

La clasificación más generalizada es la relacionada con el tipo de electrolito

usado.

Se debe destacar que los electrolitos acuosos están limitados para operar hasta

200°C, esto debido a la presión del vapor de agua y a una rápida degradación a

altas temperaturas.

Las dos principales características que imperan en las celdas de combustible son:

A) temperatura de operación.

B) tiempo de vida

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Tabla 1. Clasificación de C.C. según el electrolito usado

TIPOS

• PEMFC 

(Membrana de intercambio protónico). Actúa a temperaturas algo bajas (alrededor de 80 grados Celsius) y sus ventajas son mayor densidad de potencia y vida útil. Es la tecnología que más se usa en aplicaciones de transporte: por ejemplo: en general, los fabricantes automotrices la utilizan en sus aplicaciones para vehículos ligeros.

Fig.5 Estructura de una celda PEMFC

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• DMFC 

(Metanol directo). Consiste en una pequeña celda tipo PEMFC, la cual funciona con metanol sin reformar; es decir, la fuente del hidrógeno. Es utilizada para aplicaciones portátiles y de microelectrónica (computadoras portátiles, teléfonos celulares).

Fig.6 Esquema básico de funcionamiento de una C.C. DMFC

• SOFC 

(Óxido sólido). Opera a una alta temperatura (arriba de 650 y hasta 1000 °C) y produce vapor, CO2y electricidad. No requiere metales preciosos para el catalizador, ni del proceso de reformación (obtención de H2 a partir de hidrocarburos ligeros). Puede, en sistemas de alta potencia, incluyendo estaciones de generación de energía eléctrica para edificios o conjuntos habitacionales. 

Fig.7 Esquema básico de funcionamiento de una C.C. de SOFC

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• AFC 

(Alcalina). Es uno de los diseños más viejos: se usaba desde 1960 en los Estados Unidos, en programas espaciales. Su costo es muy alto y requiere hidrógeno y oxígeno puros comprimidos, por lo cual es muy poco comercial. Trabaja a temperaturas entre 150 y 200 °C. Tiene alrededor de 70% de eficiencia.

Fig.8 Estructura de una C.C. de tipo AFC

• PAFC 

(Ácido fosfórico). Se puede aplicar en pequeños sistemas de potencia o estacionarios. Trabaja a temperaturas medias (de 150 a 250 °C) por eso no es recomendable su uso en automóviles. Requiere de un reformador externo y soporta hasta 1.5% de concentración de monóxido de carbono (CO) en el cátodo.

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Fig.9 Estructura de funcionamiento de una C.C. tipo PAFC

• MCFC

(Carbonatos fundidos). Es la más adecuada para grandes sistemas de potencia. Actúa a temperaturas aproximadas a 650 °C; tanto su construcción como su operación son más económicas, ya que usa níquel como catalizador, y como combustible, hidrocarburos.

Fig. 10 Esquema de funcionamiento de una C.C. tipo MCFC

Voltaje ideal de operación para los diferentes tipos de C.C.

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TABLAS DE DATOS SOBRE LAS C. C.

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Tabla 2. Comparación entre distintos tipos de C.C.

Tabla 3 comparación de emisiones

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Tabla 4 Aplicaciones de las C.C. y estado del desarrollo actual

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VEHÍCULOS DE HIDROGENOLos coches de hidrógeno utilizan generalmente este gas (H2) incoloro, inodoro,

insípido, no metálico y altamente inflamable. En uno de estos dos métodos:

 1. Motores de hidrógeno de combustión interna:

Características constructivas similares a los motores de combustión interna

convencionales que desarrollan sus prestaciones potenciales por la ignición del

hidrógeno dentro de la cámara de combustión.

2. Motores eléctricos con celdas de hidrogeno

De combustible: Características constructivas diferenciales con motor eléctrico

alimentado por medio de “celdas de combustible” que generan la carga eléctrica

por la aportación de hidrogeno acumulado en depósitos de alta presión.

Toyota PRIUS con C.C. de Hidrogeno

Detalle de la combustión del Hidrogeno

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COMPONENTES DE UN MOTOR DE HIDROGENO Tanque de hidrógeno: almacena el hidrógeno líquido a 700 bares de

presión y 253 grados bajo cero. Los principales problemas que se deben

resolver son tanto la seguridad del depósito como su peso.

Células de combustible: una caja que reúne hasta 400 unidades. Otro de

los retos de esta tecnología, mejorar el rendimiento y reducir el número y

peso de las células.

Batería: almacena la electricidad de las células de combustible y la que se

genera en el frenado del vehículo. Se utiliza para los sistemas eléctricos y

electrónicos del vehículo: luces, radio, etc.

Unidad de control de energía: sistema electrónico que gestiona la

producción y consumo de energía según las necesidades.

Motores eléctricos: Puede ser uno central o uno en cada rueda. Son los

únicos elementos mecánicos.

El núcleo de la pila de combustible es el PEM (Polymer Electrolyte

Membrane) un “sándwich” formado por una membrana situada entre un

ánodo (electrodo negativo) y un cátodo (electrodo positivo) hechos de

carbono y platino. La membrana permite el paso de protones, pero no de

electrones.El PEM se encuentra a su vez insertado entre dos pletinas

acanaladas. Por una de ellas llega el hidrógeno hasta el ánodo,

produciéndose una reacción que separa los protones y electrones del gas.

Los primeros pueden atravesar la membrana hasta el cátodo.

No así los electrones, que tienen que “dar un rodeo” por la propia pletina

externa hasta alcanzar el polo positivo generando así la corriente eléctrica.

Por la otra parte de la pletina circula el oxígeno llegando hasta el cátodo.

Las moléculas de oxígeno se encuentran allí con los protones de hidrógeno

que han atravesado la membrana y los electrones que han llegado a través

de la pletina. El cátodo produce la reacción química que une las moléculas

de hidrógeno y oxígeno con sus electrones generando agua y calor. 

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TIPOS DE MOTORES DE HIDROGENO

Motor alternativo de 4 tiempos

El diseño y configuración constructiva de este tipo de motor es básicamente

similar a un motor de OTTO (gasolina), tanto en sus elementos estáticos: bloque,

culata y colectores como en sus elementos dinámicos: cigüeñal, bielas, pistones y

válvulas.

Fases de combustión

Motor rotativo tipo Wankel

Este tipo de motor rotativo es muy característico de la marca MAZDA y parece ser

el motor ideal para la combustión del hidrógeno como combustible, según

resultados obtenidos principalmente, debido a la propia a la configuración de este

motor, respecto de las dificultades de combustión que se presentan en los motores

alternativos.

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REFERENCIAS ELECTRÓNICAS

1. http://autoblog.com.ar/2013/12/wankel-medio-siglo-de-un-auto- redondo/

2. http://cocheshidrogeno.es/

3. http://www.centrozaragoza.com:8080/web/sala_prensa/ revista_tecnica/hemeroteca/articulos/R42_A6.pdf

4. http://www.cyd.conacyt.gob.mx/194/Articulos/ Tecnologiadelhidrogeno/Tiposdeceldas03.html

5. http://www.cenidet.edu.mx/subaca/webmktro/submenus/

investigacion/tesis/9%20Nestor%20Ramirez%20Morales.pdf

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