Vehículos de pila de combustible - Automóviles
Los vehículos de pila de combustible (FCV) utilizan pilas de combustible para alimentar el motor eléctrico del vehículo. Muchos FCV utilizan una celda de combustible combinada con una batería y un supercondensador para arrancar, alimentar y utilizar de manera eficiente la mejor fuente de energía para obtener una potencia máxima y constante. En los FCV, la pila de combustible utiliza oxígeno del aire e hidrógeno comprimido. Estos vehículos sólo emiten agua y calor como subproductos. La principal razón para desarrollar la tecnología de pilas de combustible para automóviles es su eficiencia, sus bajas o nulas emisiones y la producción de combustible a partir de fuentes locales en lugar de fuentes importadas.
Las pilas de combustible para automóviles pueden tener una o todas las siguientes características:
• Una pila de combustible tiene el tamaño necesario para proporcionar toda la potencia a un vehículo. Es posible que haya una batería presente para el inicio.
• Una pila de combustible normalmente suministra una cantidad constante de energía, por lo que, para la aceleración del vehículo y otros picos de energía, normalmente se encienden dispositivos adicionales, como baterías, ultracondensadores o supercondensadores, etc.
• Se puede utilizar una pila de combustible como fuente de energía secundaria. Se puede configurar un sistema en el que las baterías alimentan el vehículo y la pila de combustible recarga las baterías cuando es necesario.
• Una pila de combustible puede hacer funcionar parte o la totalidad del sistema eléctrico del vehículo. A veces se utiliza otro motor para la propulsión.
Los componentes principales de un sistema de pila de combustible se muestran en la Figura 1. La temperatura de funcionamiento de la pila de pila de combustible para un automóvil oscila entre 60 y 80 ºC. Temperaturas de funcionamiento superiores a 100 ºC mejorarían la transferencia de calor y simplificarían el enfriamiento de la chimenea, pero la mayoría de las pilas de combustible de automóviles utilizan PEMFC o DMFC, que tienen una membrana de polímero, lo que limita el funcionamiento a temperaturas inferiores a 100 ºC.
Figura 1. Un vehículo de pila de combustible alimentado con hidrógeno.
Un sistema de pila de combustible para automóviles puede utilizar una variedad de combustibles, y la selección de un combustible depende de factores como la infraestructura de suministro de combustible, el costo del combustible, la complejidad y el costo del almacenamiento, la seguridad, las implicaciones ambientales y la política energética nacional. . El almacenamiento adecuado de hidrógeno es fundamental para la comercialización masiva de vehículos de pila de combustible. El hidrógeno se puede almacenar en muchas formas, como gas comprimido, líquido o hidruros metálicos. Los tanques que contienen gases comprimidos son grandes y voluminosos. La eficiencia promedio de combustible de los autos nuevos es de entre 20 y 30 mpg; Los coches europeos y japoneses promedian incluso menos. Los vehículos actuales tienen capacidad para entre 10 y 16 galones de gasolina, o entre 30 y 45 litros de espacio. Dado que el hidrógeno tiene el doble de eficiencia que los vehículos de gasolina, en teoría pueden almacenar entre 5 y 8 kg de hidrógeno, lo que equivale a entre 200 y 400 L, una reducción considerable del espacio necesario para el combustible. Los tanques de hidrógeno líquido son menos voluminosos pero deben almacenarse a temperaturas extremadamente bajas.
Algunos fabricantes de automóviles han recurrido al uso de otros combustibles para las pilas de combustible, pero la mayoría de los fabricantes todavía eligen el hidrógeno puro como opción para el futuro. Otra opción para el hidrógeno es el reformado a bordo de varios combustibles o la alimentación directa de varios tipos de combustible a la pila de combustible. La reforma a bordo puede eliminar el problema del almacenamiento a bordo y la falta de infraestructura de hidrógeno. Sin embargo, los vehículos de pila de combustible con procesadores a bordo presentan varios problemas:
• Los vehículos no tienen cero emisiones.
• El hidrógeno reformado no es puro y, por tanto, disminuye la eficiencia de la pila de combustible.
• El reformado a bordo aumenta la complejidad, el tamaño, el peso y el coste de todo el sistema.
• Los efectos a largo plazo de las impurezas del combustible en la pila de combustible.
Son varias las empresas que actualmente están trabajando en estaciones domésticas de generación de hidrógeno basadas en energía solar, turbinas eólicas o biocombustibles. Estos métodos de generación de hidrógeno con bajas emisiones se prefieren a los métodos tradicionales de generación de hidrógeno, que generan diversos grados de contaminación. En definitiva, el objetivo es utilizar hidrógeno procedente de fuentes no contaminantes como reacciones químicas, paneles solares + electrólisis o energía eólica + electrólisis.
Vehículos comerciales de pila de combustible
La mayoría de los fabricantes de automóviles han estado desarrollando vehículos de pila de combustible durante al menos un par de décadas y han demostrado al menos un prototipo de vehículo. Estas empresas automotrices demostraron sus primeros prototipos de vehículos de pila de combustible a finales de los años 1990. Los FCV comerciales utilizan hidrógeno comprimido, aunque muchos fabricantes también demostraron un vehículo de pila de combustible con un tipo de combustible alternativo como el metanol. General Motors, Toyota y Honda han desarrollado sus propias pilas de combustible para sus vehículos de pila de combustible. Otros fabricantes de automóviles como Ford, Mazda, DaimlerChrysler, Mazda, Hyundai, Fiat y Volkswagen compraron sus pilas de combustible a empresas fabricantes de pilas de combustible como Ballard. De 2008 a 2014, se lanzaron al mercado más de 20 tipos de automóviles de pila de combustible en pequeñas cantidades, incluidos el Honda FCX Clarity, GM Hydrogen4 y el Mercedes-Benz F-Cell. Estos vehículos sólo se lanzaron en California, Nueva York, Japón y Europa.
La Tabla 1 muestra un resumen de los vehículos de pila de combustible actualmente en producción y disponibles comercialmente. El primer vehículo comercial de pila de combustible de hidrógeno fue el Hyundai Tucson FCEV, que se presentó en 2013. En 2015, Toyota presentó el Toyota Mirai en EE. UU., Japón y Europa. El Honda Clarity FCV comenzó a venderse en California en 2016. Como se muestra en la Tabla 1, tiene la clasificación de autonomía de conducción más alta de la EPA de cualquier vehículo de cero emisiones en los EE. UU., con una clasificación combinada en ciudad/carretera de 67 millas por galón de gasolina. equivalente (MPGe).
Tabla 1. Vehículos de pila de combustible disponibles comercialmente
Mejoras en vehículos de pila de combustible
Aunque se han dedicado esfuerzos considerables a las pilas de combustible para automóviles, aún es necesario abordar importantes desafíos antes de que se puedan producir en masa vehículos con pilas de combustible. Algunos de estos desafíos incluyen:
• Es necesario crear nuevas técnicas, métodos de fabricación en masa y materiales para reducir el costo de producción de pilas de combustible.
• Si se utilizan combustibles distintos del hidrógeno, el envenenamiento por CO del catalizador puede convertirse en un problema. Es posible que sea necesario reemplazar o actualizar el catalizador con el tiempo.
• El tamaño y peso de los tanques de combustible.
• La falta de infraestructura suficiente para el hidrógeno.
El mayor obstáculo para la introducción de vehículos de pila de combustible es la falta de infraestructura de hidrógeno. Establecer una nueva infraestructura de combustible es extremadamente costoso (pero no más costoso que establecer una infraestructura de metanol o etanol). Sin embargo, ya existen más de 150 estaciones de servicio de hidrógeno en todo el mundo. Como se muestra en la Tabla 2, Japón lidera el mundo con el número de estaciones de servicio de hidrógeno con 100, seguido por Estados Unidos con 44. El hidrógeno que se produce a partir de gas natural puede ser más barato que la gasolina. El hidrógeno producido a partir de agua y electricidad mediante hidrólisis es más caro que la gasolina utilizando métodos convencionales, a menos que se utilice electricidad de bajo coste fuera de las horas punta o se empleen paneles solares.
Tabla 2. Estaciones de recarga de hidrógeno en todo el mundo.
Muchos de estos países tienen actualmente el objetivo de aumentar rápidamente el número de estaciones de servicio de hidrógeno en su país para el año 2020.
Conclusión
Los vehículos de pila de combustible han avanzado mucho durante las últimas dos décadas, y el progreso parece estar aumentando nuevamente ante el interés de varios gobiernos. Para ser una fuente de energía deseable para el futuro, se deben seguir realizando mejoras en la pila de combustible y los procesos de fabricación, así como en la creación de una fuente de hidrógeno no contaminante que pueda crearse preferiblemente in situ o cerca de donde será utilizado.
