instituto tecnologico de apizaco
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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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