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Análisis de vehículos [Seleccionar fecha]
Departamento de Ingeniería Energética. Grupo de
Termotecnia
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
2014
Autor: Andrés Alberto Blanco Alba
Tutor: Francisco Javier Pino Lucena
Proyecto fin de carrera
Ingeniería Industrial
Análisis de vehículos basados en pila de
combustible alimentados por
hidrógeno.
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
2
Índice. 1. Introducción ........................................................................................... 4
1.1 Situación energética mundial actual. ................................................ 4
1.2 Limitaciones de los motores de combustión interna ......................... 6
1.3 Hidrógeno como solución de futuro .................................................. 8
1.4 Pilas de combustibles como alternativa a los motores de combustión
interna en automóviles. ........................................................................ 11
1.5 PEMFC. Pila de combustible de membrana de intercambio protónico
.............................................................................................................. 13
2. Descripción funcional de un vehículo con pila de combustible ............. 15
2.1 Sistema de alta tensión. .................................................................. 23
3. Análisis de vehículos movidos por pila de combustible. ....................... 27
3.1 Listado de vehículos. ....................................................................... 27
3.1.1 Honda ....................................................................................... 28
3.1.2 Opel y General Motors. ............................................................. 31
3.1.3 Volkswagen ............................................................................... 33
3.1.4 Fiat ............................................................................................ 36
3.1.5 Audi .......................................................................................... 37
3.1.6 Mercedes-Daimler .................................................................... 39
3.1.7 Mitsubishi ................................................................................. 42
3.1.8 Toyota ....................................................................................... 43
3.1.9 Suzuki ....................................................................................... 45
3.1.10 Hyundai .................................................................................. 45
3.1.11 Chevrolet ................................................................................ 48
3.1.12 Kia ........................................................................................... 51
3.1.13 Peugeot .................................................................................. 52
3.1.14 Ford ........................................................................................ 54
3.1.15 Nissan ..................................................................................... 56
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
3
3.2 Clasificación de vehículos. ............................................................... 57
3.3 Ratios comparativos. ....................................................................... 57
4. Conclusiones y resumen. ...................................................................... 65
4.1 Balance de los ratios. ...................................................................... 65
4.2 Estado de la hibridación .................................................................. 66
4.3 Tecnologías competidoras............................................................... 67
4.4 Perspectivas de las PEMFC .............................................................. 68
4.5 Hidrógeno frente a la gasolina ........................................................ 69
4.6 Otras limitaciones. .......................................................................... 70
5. Referencias. .......................................................................................... 72
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
4
1. Introducción.
1.1 Situación energética mundial actual. La población del planeta así como el desarrollo tecnológico de los países está en
continuo crecimiento. Esta evolución lleva consigo el correspondiente aumento del
consumo energético. Las fuentes energéticas masivas son, en la actualidad, los
combustibles fósiles (carbón, gas y petróleo) y la energía nuclear. Hay una clara
oposición social y política al empleo de esta última y por otro lado; el carácter
aleatorio de las energías renovables su y elevado coste de producción, pueden llevar al
planeta a una situación crítica. [1]
Este aumento constante de la demanda energética a nivel mundial está claramente en
contraposición con los deseos mostrados a escala mundial en el Protocolo de Kioto. Es
claramente conocido cuál es la evolución de la temperatura en el planeta, y cómo
desde la época industrial la temperatura no ha dejado de crecer debido a las emisiones
de CO2. Este es el principal problema del empleo de combustibles fósiles en la
producción de energía ya que históricamente nunca se había llegado a las 300 ppm de
CO2 en la atmósfera. Si se aprecia la situación actual y se observa los treinta últimos
años, se puede ver muy claramente cuál es la variación de las concentraciones de CO2
y su relación con el empleo de combustibles fósiles. En la actualidad se sobrepasan las
400 ppm de concentración de CO2. Esto provoca una mayor absorción de la energía de
la radiación solar y, por tanto un incremento de temperatura. Este incremento de la
temperatura del planeta implica actualmente una disminución de la superficie de los
glaciares, una retirada de los hielos polares y un aumento del nivel del mar. [1]
En la figura 1 se puede ver la evolución de la concentración de CO2 y la temperatura en
los próximos años.
Figura 1. Evolución de la temperatura y concentración de . [3]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
5
Prescindiendo del aspecto medioambiental hay otra circunstancia importante para
tener en cuenta: las reservas existentes de los combustibles fósiles. A pesar del
optimismo de consumo actual y de la tranquilidad de los expertos por el continuo
descubrimiento de nuevos yacimientos, es evidente, que el petróleo y el gas natural
podrían llegar a desaparecer antes de mediados de este siglo si no se introduce una
nueva cultura de consumo. El uso del carbón puede ser distinto y alargar su vida
durante un par de siglos más. En cualquier caso, el abastecimiento de energía primaria
puede sufrir una crisis importante si no se produce un cambio drástico en este primer
cuarto de siglo [1]. En la figura 2 se observa cómo ha sido la evolución de este
consumo desde la década de los 60 y la dependencia energética hacia los combustibles
fósiles en el consumo de energía primaria.
Figura 2. Consumo mundial de energía primaria por tipo. [3]
Son las energías renovables y la energía nuclear las soluciones de futuro y son dos
culturas distintas de producir la energía. Las primeras, son energías distribuidas por
todo el territorio, con producción de baja intensidad, alternantes y de tecnologías
relativamente sencillas. La segunda, la nuclear, es una energía que tiene que utilizarse
de forma concentrada, con una producción lo más constante posible y con tecnología
compleja. Ambos recursos primarios tienen una necesidad común: responder a las
fluctuaciones de la demanda de forma eficiente. Si el futuro se orientase a las energías
renovables, su propia aleatoriedad en su generación complicaría este ajuste,
requiriendo el empleo de sistemas de almacenamiento energético más potentes y
flexibles que los empleados en la actualidad. [1]
La legislación española, a partir de la década de los 80 potenció un sector industrial de
energías renovables que ha conseguido con dificultad un importante liderazgo a escala
internacional, como queda de manifiesto en la energía eólica, la fotovoltaica y la
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termoeléctrica. En la figura 3 se puede ver el empleo de la energía en un día de
octubre del 2013 en España, claramente se puede apreciar la importancia de las
centrales de carbón en el consumo energético (13,8%) y de las centrales de ciclo
combinado (19,8%) seguido de la energía nuclear (20,5%), en este día la eólica fue el
12,5%, la solar 1,3% y la hidráulica el 13,5%. También hay que decir que la situación
geográfica de la península ibérica favorece el aprovechamiento de los recursos
renovables con mayor facilidad que otros países de Europa. [1]
Figura 3. Demanda real de energía eléctrica en España. Red Eléctrica española
1.2 Limitaciones de los motores de combustión interna. Se han visto dos inconvenientes que presenta el uso de combustibles fósiles en el
sistema energético mundial y por lo tanto en el sector del transporte. Al agotamiento
inminente del petróleo y a la creciente contaminación y calentamiento global se une la
limitación de Carnot.
Carnot demostró hace más de un siglo que todos los motores que convierten el calor
en trabajo mecánico operan mediante la transferencia de calor entre dos fuentes a
diferente temperatura, y que su rendimiento o eficiencia será siempre menor del
100%. El Teorema de Carnot proporciona el límite superior de esa eficiencia entre dos
focos de temperatura. Este ciclo es una idealización ya que está constituido por
transformaciones reversibles, el intercambio de calor de la sustancia de trabajo con los
focos se produce a través de isotermas y las variaciones de temperaturas de forma
adiabática, para que no haya pérdidas de calor.
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
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Figura 4. Ciclo P-V de Carnot. [4]
- Expansión isoterma (A-B): el gas absorbe una cantidad de calor
manteniéndose a la temperatura del foco caliente
- Expansión adiabática (B-C): el gas se enfría sin pérdida de calor hasta la
temperatura del foco frío
- Compresión isoterma (C-D): el gas cede el calor al foco frío, sin variar la
temperatura.
- Compresión adiabática (D-A): el gas se calienta hasta la temperatura del foco
caliente , cerrando el ciclo.
El trabajo en las transformaciones isotermas es el siguiente:
La relación de los volúmenes son los siguientes:
De manera que la expresión del rendimiento queda:
El teorema de Carnot es una consecuencia de que todas las transformaciones son
reversibles, por lo que ninguna máquina podrá funcionar mejor, es decir, tendrá mayor
rendimiento.
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
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Está limitación es intrínseca; es decir no se puede mejorar introduciendo
perfeccionamiento en el diseño de los motores.
En un motor real con partes móviles no ideales aparecerán perdidas extrínsecas que
reducirán el rendimiento a valores inferiores al rendimiento máximo teórico para un
motor térmico. Así en la práctica, la mayoría de los motores de combustión interna
tienen rendimientos comprendidos entre el 17% y el 23%. [4]
1.3 Hidrógeno como solución de futuro. Viendo la situación energética actual por la que pasan todos los países incluidos
España, surge la necesidad de buscar una fuente de energía limpia, renovable, con
capacidad de contribuir a la demanda eléctrica, de fácil almacenamiento, sin introducir
problemas medioambientales. Con todas estas características podríamos hablar del
hidrógeno, que, siendo abundante en la naturaleza su consumo sólo produciría agua,
compuesto químico del cual se obtiene. En relación con el otro gran problema de la
energía, su almacenamiento, se puede afirmar que el hidrógeno jugará un importante
papel en la economía energética del futuro.
El empleo del hidrógeno en forma molecular como portador y almacén energético no
se ha planteado hasta la segunda mitad del siglo pasado, entre otras cosas por el
desconocimiento de la electroquímica y por el insuficiente conocimiento de los
materiales.
El hidrógeno es el elemento más abundante en la naturaleza y también es el más
ligero. Este elemento químico cuando se quema con el oxígeno produce una energía
de 241,82 Kj por cada mol de hidrógeno consumido y el producto de dicha combustión
es agua. Si esta reacción química en lugar de producirse como una combustión se
maneja en condiciones de reversibilidad mediante reacciones electroquímica que se
dan lugar en una pila de combustible, no se libera energía térmica, sino eléctrica. [1]
El hidrógeno no es un recurso energético sino un portador de energía. Esto significa
que puede obtenerse a partir de varias fuentes de energía conteniendo una cierta
cantidad de energía una vez producido. En la figura 4 se aprecia que el hidrógeno es
capaz de almacenar aproximadamente el triple de energía por unidad de masa que los
demás, pero al ser tan ligero es el que menor energía almacena por unidad de
volumen. Esto implica problemas en el transporte, almacenamiento y distribución del
hidrógeno, comparado con la gasolina o el butano, especialmente en aplicaciones de
transporte. [2]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
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Tabla 1. Densidad y energía almacenada por cada combustible. [2]
Actualmente se producen en el mundo aproximadamente 41 millones de toneladas de
hidrógeno, que representa un valor energético de . La demanda de energía
primaria en el año 2003 fue de Esto significa que el hidrógeno producido en
el mundo cubriría tan solo 12 ppm de las necesidades mundiales de energía primaria.
Resulta evidente, por tanto, que si se desea alcanzar un escenario de economía del
hidrógeno es preciso producirlo de manera masiva y a partir de una elevada diversidad
de fuentes en aras a poder garantizar el abastecimiento de hidrógeno. [2]
En la figura 5 se representan las fuentes energéticas de las que se obtiene el hidrógeno
actualmente, produciéndose casi la mitad a partir del gas natural. En concreto, el 96%
del hidrógeno requiere como energía primaria combustibles fósiles, utilizándose el
95% de la producción para consumo propio de la industria que lo necesite. [2]
Figura 5. Fuentes energéticas de las que se obtiene el hidrógeno. [2]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
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En la figura 6 se muestran los usos que actualmente se dan al hidrógeno, siendo de
tipo químico el 72% y nada para fines energéticos. Estas cifras demuestran que los
sistemas productivos actuales no están preparados para satisfacer las demandas
energéticas.
Figura 6. Consumo de hidrógeno. [2]
La economía del hidrogeno se basa en poder utilizar fundamentalmente energía de
origen renovable, tratar los recursos que contienen el hidrógeno en su composición,
separar ese hidrógeno y, a partir de ahí utilizarlo, tanto para la producción de
electricidad como para la producción de calor. El panorama de producción de
hidrogeno es muy amplio, ya que se pueden utilizar fuentes fósiles, fuentes renovables
o agua para obtenerlo. La figura 7 muestra diferentes alternativas que se pueden
seguir para producir hidrógeno. En resumen, el hidrógeno se puede producir a partir
de: [1]
a) Combustibles fósiles( carbón o gas natural): utilizando su energía, o utilizando
el propio hidrógeno que pudiera tener el gas natural en su composición
b) Energías renovables, como la biomasa, que contiene hidrógeno.
c) Energía térmica, que se puede conseguir a través de la energía solar
d) Energía nuclear
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
11
Figura 7. Métodos de producción de hidrógeno. [1]
1.4 Pilas de combustibles como alternativa a los motores
de combustión interna en automóviles. Este proyecto tiene como finalidad analizar los diferentes modelos de automóviles
movidos por pila de combustible que utilizan hidrógeno como fuente de energía que
hayan salido y estén saliendo al mercado, así como las expectativas de futuro para este
tipo de tecnología. Para ello se desarrollará una explicación de qué es una pila de
combustible, cómo funciona y cómo se mueve un automóvil propulsado con pila de
combustible.
Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico capaz de convertir
directamente la energía química de un combustible en energía eléctrica. La conversión
electroquímica asegura un alto rendimiento de la transformación frente al que se
obtiene en la conversión con máquinas térmicas, ya que como hemos visto presentan
la limitación impuesta por el ciclo de Carnot, este rendimiento está comprendido entre
el 40% y 50%. Las pilas de combustible presentan más ventajas además del alto
rendimiento que la hacen especialmente apropiadas para ser utilizadas en vehículos. El
impacto ambiental es nulo cuando el combustible es hidrógeno, la ausencia de ruidos
por no tener partes móviles y los cortos tiempos de montaje debido a que se fabrican
en módulos de no muy alta potencia fácilmente conectables donde no se pierde
rendimiento.[3]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
12
En la tabla inferior están esquematizadas los diferentes tipos de pilas de combustible:
MODELO VENTAJAS DESVENTAJAS COMENTARIOS
AFC(Pila de
combustible alcalina)
Mecánicamente
recargable, bajo
coste para el
electrolito KOH
Vida útil limitada,
necesidad de operar
con hidrógeno muy
puro
Opera a
temperaturas
alrededor de los
80 .
Rendimiento en
torno al 80% y
potencia por encima
de 20Kw
PEMFC(Pila de
combustible de
membrana de
intercambio
protónico)
Electrolito no volátil,
Alta densidad de
energía, permite
arranque rápidos y
buena respuesta a la
demanda de
potencia
Gestión del agua y
del calor, muy
sensible a las
impurezas.
Catalizador caro
Opera a
temperaturas que
rondan los 80 .
Rendimiento entre
40% y 50%. Potencia
de 250Kw
DMFC( Pila de
combustible de
metanol)
Conversión directa
del combustible.
Pequeñas
dimensiones. Sistema
sencillo de
almacenamiento del
combustible
Baja eficiencia, baja
densidad de energía.
Alto precio y
combustible tóxico.
Temperatura de
operación entre 60-
90 . Rendimiento
en torno al 35-45%
PAFC(Pila de
combustible de
ácido fosfórico)
Tecnología antigua y
fiable, Gestión fácil
del agua, buena
tolerancia a los
contaminantes
Baja densidad de
energía. Gran
tamaño. Catalizador
caro y posibles
pérdidas de ácido.
Opera a
temperaturas
superiores a 200 .
Potencias de hasta
250Kw y rendimiento
en torno al 40%
MCFC(Pila de
combustible de
carbonato fundido)
Alto rendimiento,
buena tolerancia a
las impurezas, menor
exigencia de
materiales
Lenta puesta en
funcionamiento, baja
densidad de energía,
corrosión de las
partes metálicas
Temperatura de
operación sobre
550 .Rendimiento
en torno al 50%.
SOFC(Pila de
combustible de
óxido sólido)
Alto grado de calor
disponible, buena
tolerancia a
impurezas. Alto
rendimiento
Alto coste de
fabricación, alta
conductividad del
electrolito. Exigencia
alta de los materiales
a usar
Temperatura de
operación en torno a
los 900 .
Rendimiento cercano
al 60%
Tabla 2. Descripción de cada modelo de pila de combustible. [5], [6]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
13
De todas las pilas de combustibles vistas, las PEMFC entregan una alta densidad de
energía, además de presentar características como su poco peso, coste y volumen. La
membrana electrolítica reduce la corrosión y mantiene una larga vida de las celdas y
de la pila. Las PEMFC operan a baja temperatura permitiendo rápidos arranques y
respuestas inmediatas a los cambios de potencia.
Debido a la naturaleza intrínseca de los materiales usados, es posible su
funcionamiento a una temperatura de 80 . La celda es también capaz de mantener su
funcionamiento a muy altas densidades de corriente. Estos atributos la conducen hacia
una rápida capacidad de arranque y hacia la posibilidad de su construcción en forma
compacta y ligera. Otra característica beneficiosa de este tipo de celda es la
eliminación de fluidos corrosivos y su baja susceptibilidad a la orientación de la pila.
Como resultado de todo lo anterior, la PEMFC es particularmente apropiada para su
aplicación en los vehículos. [4]
1.5 PEMFC. Pila de combustible de membrana de
intercambio protónico. En las PEMFC, el hidrógeno se descompone por catálisis en protones y electrones. El
protón pasa a través de la membrana mientras que el electrón es forzado a fluir al
circuito externo y generar electricidad. El electrón pasa entonces de nuevo al cátodo
para interactuar con el oxígeno y los protones para formar agua. Las reacciones
químicas ocurren en cada electrodo.
Básicamente la PEMFC se compone de placas bipolares y el conjunto membrana-
electrodo (MEA). Una MEA consiste en una membrana polimérica situada entre los dos
electrodos y dos capas de difusión de gases.
La membrana es para el transporte de protones del ánodo al cátodo y bloquear el paso
de electrones y reactivos. La capa de difusión de gas se utiliza para acceder a la de
combustible de manera uniforme. Los electrones en el ánodo pasan a través de un
circuito externo y generan electricidad.
El coste total de una FEMFC de un vehículo es de 500-600 $/Kw, es decir 10 más que
un coche de combustión interna. [7]
Figura 8. Funcionamiento de una pila de combustible. [7]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
14
Una vez estudiada la reacción electroquímica en la que se basa la pila de combustible
se estudiarán los componentes internos de una sola celda.
Figura 9. Componentes internos de una celda de pila de combustible. [14]
Como se vio, la MEA (membrana de intercambio protónico) permite a los protones
desplazarse desde el ánodo hasta el cátodo y es una película protectora entre las
reacciones de oxidación y reducción.
La capa de difusión de gases (“Gas diffusion layer”) permite una difusión directa y
uniforme del hidrógeno y del oxígeno hacia el catalizador y permite el desplazamiento
de electrones desde y hacia el catalizador. También facilita la expulsión del agua
formada en el cátodo y la evacuación del calor generado en el proceso al mismo
tiempo que sirve de soporte estructural a la MEA.
Las juntas (“Gasket”) ayudan a mantener los gases reactivos en sus respectivas
regiones de la celda, estas juntas tienen que soportar altas temperaturas. El colector
de corriente (“Current collector”) recoge la corriente y la dirige hacia el circuito
externo. La placa final (“end plate”) que presiona y proporciona el contacto suficiente
en la celda para prevenir fugas de los reactivos y minimiza el contacto que se produce
entre las diferentes capas. La placa bipolar (“Graphite Plate”) guía al hidrógeno y al
oxígeno hacía los electrodos a través de canales a la vez que ayuda a evacuar el calor y
el agua fuera de la celda. La placa bipolar también constituye la estructura interna para
la celda de pila de combustible. [6]
Los siguientes puntos de este trabajo consisten en una explicación de cómo funciona
internamente un coche con una pila de combustible, sus componentes y sus modos de
operación. En el apartado 3 se detallan las prestaciones de varios modelos y prototipos
desarrollados hasta ahora por los fabricantes y se harán ratios comparativos. El
resumen y las conclusiones por un lado analizan estos ratios y hacia dónde evoluciona
el mercado y por otro lado presentan las limitaciones más importantes que tienen los
vehículos movidos por hidrógenos para su expansión.
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
15
2. Descripción funcional de un vehículo
con pila de combustible. Un sistema de pila de combustible diseñado para aplicaciones de propulsión de
vehículos debe tener un peso, un volumen, una densidad de energía, un arranque y
una respuesta transitoria similar a la de un vehículo de combustión interna de hoy en
día. El resto de ventajas son:
1) Un rendimiento muy alto.
2) Una aceleración rápida
3) Ahorro de combustible.
4) Un fácil acceso y buena seguridad con respecto a manejo del combustible. [8]
El valor de la tensión de salida de una sola celda está comprendido entre 0,5V y 0,8V.
Este valor es muy pequeño para la aplicación en un vehículo, por eso; se conectan en
serie varias celdas para formar lo que se llama una célula de pila de combustible. [6]
Figura 10. Esquema de una célula de pila de combustible. [13]
Esta célula de pila de combustible necesita una gestión adecuada del agua, del calor y
de los gases para su correcto funcionamiento.
Un correcto tratamiento del agua asegura que todas las partes de la pila de
combustible estén lo bastante hidratadas, humidifica los gases de entrada,
especialmente en el ánodo y garantiza una correcta evacuación del agua en el cátodo.
Para la gestión y evacuación del calor generado se usan ventiladores para mover el aire
de refrigeración, también se usan bombas para la circulación del líquido refrigerante a
través de las placas de refrigeración.
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
16
Para la gestión del combustible se usan un mecanismo de almacenamiento de
hidrógeno con reguladores de presión. Y se instalan compresores para mover el
hidrógeno y el aire que harán falta para alimentar la célula de pila de combustible.
El ajuste de la tensión de salida también es fundamental. A la salida de la pila de
combustible se instala un convertidor DC/DC para poder modificar la tensión de salida
baja y variable en corriente continua útil. Mediante un inversor de corriente continua a
corriente alterna se convierte la tensión de salida de la pila de combustible. También
se suele utilizar una batería secundaria o un condensador de gran tamaño para
alcanzarlos picos de potencia necesarios y para aprovechar la energía de frenado y
almacenarla. [6]
Un sistema típico de propulsión del vehículo de pila de combustible se muestra en la
figura 11. La tensión de salida de la pila de células de combustible se ajusta para que
sea compatible con la tensión de la batería utilizando un acondicionador de potencia,
que podría ser un inversor “up” o “down” dependiendo de los niveles de voltaje de la
pila de combustible y la batería.
Se utiliza un inversor para convertir la corriente continua de tensión variable y de
frecuencia variable para alimentar el motor de propulsión. [8]
Figura 11. Sistema de propulsión de alta tensión de una pila de combustible. [10]
Aunque el estudio de cada uno de los bloques del dibujo anterior no es el propósito de
este trabajo, vamos a analizar el bloque de los equipos auxiliares. Vemos que en la
práctica las pilas de combustible necesitan sistemas auxiliares para su funcionamiento.
Estos sistemas o accesorios auxiliares incluyen una bomba de circulación de aire, una
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
17
bomba de circulación de refrigerante, un ventilador, y una bomba de alimentación del
combustible. La potencia consumida por la bomba de circulación de aire puede ser el
10% de la potencia total de salida de la célula de pila de combustible. Los otros
accesorios consumen mucho menos comparado con esa bomba. [8]
Figura 12. Cargas auxiliares en el sistema de pila de combustible. [9]
Vamos a ver con más detalle la figura superior, que define el funcionamiento de una
pila de combustible dentro de un vehículo.
Figura 13. Componentes del sistema de pila de combustible. [6]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
18
En la figura 13 se observa los componentes del sistema de pila de combustible, la
función de cada uno de los componentes se ha explicado arriba y se basan en el
tratamiento y gestión del agua, del calor y de los gases que intervienen en el proceso.
El bloque de cargas eléctricas “Electrical Load” corresponde en el caso de un vehículo
al motor de tracción y sus dispositivos. Aunque no está representado en la figura 13,
tanto el hidrógeno como el oxígeno tienen que entrar humidificados en el cátodo y en
el ánodo respectivamente. Para ello aprovechan la corriente de salida del agua.
Una vez visto el componente central de los vehículos movidos por pila de combustible,
se verá ahora el esquema y el funcionamiento general de uno de estos modelos de
coches. La compañía japonesa Honda lleva desde la década de los 80 apostando por
esta tecnología mediante el desarrollo de varios prototipos. En 2002 Honda se
convirtió en la primera compañía automovilística en producir un coche de pila de
combustible para clientes de Japón y de Estados Unidos. Su membrana electrolítica así
como el diseño de los componentes internos de la pila de combustible permitía el
arranque del vehículo incluso en climas fríos de -20 grados. En la figura se aprecia el
esquema de aquel primer vehículo desarrollado por Honda.
Figura 14.Esquema interno de Honda basado en pila de combustible. [6]
Los componentes principales de un vehículo movido por pila de combustible son la
propia pila de combustible, los sistemas de refrigeración para la célula, el motor y la
transmisión. También son importantes los tanques de alta presión para el
almacenamiento del hidrógeno, un motor eléctrico, una unidad central inteligente
para el control del sistema de potencia y un sistema de almacenamiento de energía
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
19
que bien puede ser un supercondesador o una batería que funcione a alta tensión.
Además la batería o los supercondensadores tienen la capacidad de aprovechar y
almacenar energía en la frenada. Esta energía podría incrementar la autonomía del
vehículo entre un 5% y un 20%. En la caja del sistema de pila de combustible
encontraríamos todo lo necesario para el buen funcionamiento de la pila, es decir los
sistemas de gestión del calor, agua y gases. [6]
El tren de potencia consiste en la célula de pila de combustible, que es la fuente
primaria de potencia del vehículo, una batería o supercondensador, un motor
eléctrico, un sistema de control del vehículo y una interfaz electrónica que actúa entre
la batería o fuente secundaria de potencia y el sistema de pila de combustible. En
función de la potencia o del par requerido por el usuario cuando acelera o frena el
control del vehículo se encarga de transmitirle esa orden a las fuentes de potencia.
Para picos de valores de la potencia tanto la pila de combustible como la fuente
secundaria de potencia se encargan de proporcionar la energía necesaria al motor
eléctrico. En la frenada, el motor eléctrico trabaja como generador y convierte parte
de la energía de la frenada en energía eléctrica y la almacena en la batería o
supercondensador, representado en la figura por “Peaking power source”. Cuando el
vehículo está en marcha, se pueden dar tres situaciones diferentes: [9]
1) Si la potencia requerida por el motor es mayor que potencia máxima que es
capaz de dar la pila de combustible, el vehículo se encuentra en el modo
híbrido de tracción, es decir; el sistema de pila de combustible opera a su
potencia nominal y el resto que hace falta lo proporciona el PPS. La potencia
nominal de la pila de combustible debería situarse en la región de máximo
rendimiento.
2) En este segundo caso la potencia que demanda el motor es menor que la
máxima potencia nominal que es capaz de dar el sistema de pila de
combustible. Además, nos hace falta cargar el PPS porque el nivel de energía de
la batería está por debajo de su valor mínimo. La pila de combustible funciona a
su potencia nominal, yendo una parte de esta al motor eléctrico y otra parte al
PPS. Por otro lado, en el caso de que la batería no necesitara ser cargada la pila
de combustible funciona a ralentí y es el PPS el que proporciona la potencia
necesaria para hacer mover el vehículo. En este caso, el pico de potencia que la
PPS puede producir es mayor que la potencia de entrada al motor.
3) Ahora suponemos que la potencia que necesita el coche en un momento es
menor que la potencia nominal de la pila de combustible. Suponemos que el
PPS no necesita cargarse, es este caso la pila de combustible es la única que
alimenta al tren de potencia. En el caso de que el PPS necesitara cargarse la pila
de combustible trabaja a potencia nominal y una parte va al tren de potencia y
otra se utiliza para cargar el PPS [8].
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
20
El modo de operación explicado arriba corresponde al modo paralelo, que es el
representado tanto en la figura 12 como en la figura 13. En el modo en paralelo tanto
la pila de combustible como la fuente secundaria de energía se encargan de alimentar
el motor, según corresponda a cada uno de los tres casos vistos arriba esto se hará de
varios modos. En el modo en serie la batería es la encargada de alimentar el motor
eléctrico, y la pila de combustible tiene como única misión cargar la batería, pero no da
energía directamente al motor. Hoy en día los vehículos de pila de combustible utilizan
la configuración en paralelo para dar potencia al motor eléctrico.
En siguiente figura se puede ver un esquema del modo en paralelo. [9]
Figura 15. Esquema del tren de potencia de un vehículo con pila de combustible. [9]
El motor eléctrico tiene que ser capaz de proporcionar la aceleración y la velocidad que
el usuario del vehículo necesita. El coche de nuestro ejemplo para acelerar de 0-100
Km/h en 12 segundos necesita 70 KW de potencia. Sin embargo para llevar una
velocidad constante de crucero por ejemplo a 100 km/h necesita mucha menos
potencia, del orden de 20 KW como se observa en la figura inferior. [9]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
21
Figura 16. Aceleración y velocidad frente a la potencia del motor en el Honda FXC. [9]
Alimentar con hidrógeno a la pila de combustible es uno de los retos que tiene el
desarrollo del vehículo eléctrico movido por pila de combustible. Hay tres formas de
almacenar hidrógeno a bordo: Hidrógeno comprimido en un contenedor a
temperatura ambiente, hidrógeno líquido criogenizado a baja temperatura y
almacenarlo mediante hidruro metálico.
Figura 17. Energía contenida en el hidrógeno y su equivalente en litros de gasolina. [9]
La figura 17 muestra la masa y la energía de un litro de hidrógeno y su equivalente en
litros de gasolina bajo diferentes valores de presión a temperatura ambiente. Los litros
equivalentes de gasolina se definen como la cantidad de litros de gasolina que
contienen la misma energía que un litro de hidrógeno. A una presión de 350 bar, la
energía por litro del hidrógeno es menor de 1 KWh y su equivalente es 0,1L de
gasolina. Incluso si la presión fuera de 700 bar, la cual de momento es la mayor presión
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
22
de almacenaje de hidrógeno a bordo de un vehículo la energía por litro es menor de 2
KWh y su equivalente en gasolina es del orden de 0,2L.
En la figura también se puede ver la energía que hace falta para comprimir el
hidrógeno hasta la presión deseada. Teniendo en cuenta el rendimiento del compresor
y del motor eléctrico, se estima que se consume alrededor de un 25% de la energía del
hidrógeno. Almacenar un gas a varios cientos de bar requiere un depósito o un tanque
muy resistente. Con el fin de que este tanque pese lo menos posible y su volumen
también sea razonablemente bajo hoy día los tanques de hidrógeno para aplicaciones
automovilísticas se hacen de materiales compuestos tales como la fibra de carbono.
Los peligros de llevar un tanque de hidrógeno comprimido a bordo también se deben
valorar. Además del riesgo que supone fugas sobre las grietas del depósito, existe el
problema de la difusión a través de algunos materiales.
Otra alternativa para almacenar hidrógeno es llevarlo hasta su temperatura criogénica,
alrededor de -259.2 grados. La mayoría de fabricantes optan por el hidrógeno
comprimido debido a la mayor densidad de energía contenida en 1L de gas, y los
efectos perjudiciales que tendría una fuga de líquido a tan baja temperatura. El
principal inconveniente de almacenar hidrógeno líquido a -253 grados es la dificultad
que supone aislar el tanque de manera efectiva. Las ganancias de calor son debidas a
la conducción, la convección y la radiación a través del tanque. Para reducir estas
ganancias de calor ese utiliza de nuevo el depósito o tanque cilíndrico debido a lo cerca
que está del óptimo su ratio área-volumen. El ideal sería el depósito esférico. [9]
La opción de almacenar hidrógeno gas comprimido a 350 bar o 700 bar o hidrógeno
líquido son las elegidas por la mayoría de fabricantes. El modelo HydroGen3 de
General Motors es capaz de almacenar tanto 3,1 Kg de hidrógeno a 700 bar como 4,6
Kg de hidrógeno líquido. Estos valores corresponden a rangos de autonomía de 270Km
y 400 Km respectivamente. El Chevrolet Equinox utiliza una pila de combustible de
cuarta generación e incorpora 4,2 Kg de hidrógeno comprimido a 700 bar. El Chevrolet
Sequel del año 2005 no tiene una estructura típica de almacenar hidrógeno, fue
diseñado. Lleva integrado un sistema que le permite almacenar 8 kg de hidrógeno a
700 bar. [37]
En todos los casos descritos arriba. Los vehículos llevan, uno, dos y tres depósitos de
hidrógeno comprimido respectivamente. El diseño de tales depósitos se puede ver en
la siguiente figura. [37]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
23
Figura 18. Sistema de almacenamiento de hidrógeno comprimido dentro de un vehículo. [37]
2.1 Sistema de alta tensión. En este apartado se podrá ver el desarrollo que han tenido los diferentes modelos de
las marcas comerciales que desde finales de los ochenta y principio de los años
noventa apostaron por esta tecnología. El funcionamiento interno de este tipo de
vehículos ha seguido un desarrollo muy parecido en todos los fabricantes. Tanto la
disposición de los componentes como las especificaciones de los mismos las vamos a
analizar a través de ratios comparativos. Esto permitirá hacer un balance sobre el
grado de desarrollo de esta tecnología hoy día y hacer predicciones sobre lo que se
espera en el futuro. [10]
En el apartado anterior se han analizado cada uno de los componentes fundamentales
del coche de hidrógeno movido por pila de combustible. Ahora, a través de un modelo
Nissan del año 2005 se verá la disposición del sistema de alta tensión que llevan
instalados debajo estos vehículos. Ambos vehículos vistos para explicar cómo funciona
por dentro estos vehículos son de la misma generación, por lo que incorporan los
mismos avances como son la batería secundaria y el aprovechamiento de la energía de
frenado.
Aunque Nissan ya lanzó el primer modelo en 2003, en el año 2005 presentó unas
mejoras que han servido como modelo para el resto de fabricantes. Los componentes
del sistema de alta tensión se encuentran en el espacio para el motor, debajo del
suelo, y debajo del maletero como se representa en las dos figuras de abajo. [10]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
24
Figura 19. Componentes del sistema de alta tensión de Nissan 2005 [10]
Motor de tracción
Depende del modelo, en este vehículo puede proporcionar una potencia de 61 KW y
alcanzar picos de 90 KW. La relación entre revoluciones por minuto del motor y par
que entrega el motor para este modelo, que es indicativo para los vehículos de pila de
combustible de la década de los 2000s; se puede ver en la siguiente imagen.
Figura 20. Gráfico par-revoluciones por minuto del motor de tracción.[10]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
25
Módulo de suministro de energía (PDM)
El PDM es una unidad de conversión de la electricidad que invierte un convertidor
unidireccional de corriente DC/DC. (Uno es un inversor de 90 KW para el motor de
tracción y el otro es para el motor del aire comprimido) cada uno de los cuales puede
convertir 1.6 KW. Esta unidad es un 30% más pequeña que el modelo del año 2003
debido al nuevo desarrollo de los elementos eléctricos y a la óptima disposición de los
componentes. El sistema de conversión DC/DC se instala para 12 voltios para
suministrar electricidad a las luces, audio, etc.…Al igual que los vehículos
convencionales. En un vehículo convencional, el alternador movido por el motor carga
una batería de 12 voltios. Pero en un vehículo de pila de combustible la batería de 12
voltios se carga por una conversión en la línea de alta tensión. [10]
Convertidor UP/DOWN
Esta unidad se utiliza para ajustar la tensión de salida de la celda de pila de
combustible a la de entrada de la batería secundaria. Funciona como “down
converter” cuando la pila genera baja tensión y como “up converter” cuando genera
alta tensión. Esto es debido a que mientras más potencia genere la celda, menor es la
tensión de salida. Los circuitos dentro del inversor tienen que tener la capacidad de
convertir la máxima salida de la celda de pila de combustible a la mayor tensión. [10]
Batería Secundaria
Este modelo del 2005, al igual que su predecesor del 2003 lleva instalada una batería
iónica de litio de tipo laminado y base de manganeso. Esta batería es de 346 V y de 3.7
Ah. La mayoría de los modelos cuentan con esta batería para alcanzar los picos de
potencia que hacen falta durante el arranque y aceleración. [10]
Al igual que vimos en el apartado anterior para el Honda, el motor puede funcionar
como también como generador durante la frenada. En este caso se cargará la batería.
El esquema de funcionamiento en una operación normal será la mostrada en la figura
de la izquierda. La celda de pila de combustible y la batería proporcionan potencia al
motor de tracción. En la figura de la derecha al igual que ocurre con los motores de
combustión interna la batería se recarga cuando el usuario frena.
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
26
Figura 21.Esquema de sistema de recuperación de la energía en la frenada. [11]
Sistema de pila de combustible
El sistema de pila de combustible proporciona el control de flujo de hidrógeno y las
condiciones de los gases reactivos (hidrógeno y aire). La potencia de salida se basa en
la demanda y la humidificación se mantiene para conservar el funcionamiento de la
membrana de intercambio protónico. [10]
Uno de los costes más importante de una pila de combustible es el del material que se
utiliza para la catálisis en la celda de pila de combustible. Hoy la tecnología incorpora el
platino como el catalizador tanto en el ánodo como en el cátodo. Como ya hemos visto
en el capítulo anterior en el lado del ánodo, el hidrógeno se difunde en el catalizador
donde se disocia en iones hidrógeno y electrones. Mientras que en el lado del cátodo,
las moléculas de oxígeno reaccionan con los electrones y los iones de hidrógeno para
formar agua. El platino representa el 40% del coste de la pila de combustible. En el año
2009 la relación platino potencia era de 0,7g/KW. Actualmente la reducción a niveles
de 0,2g/KW ha sido un avance decisivo para que esta tecnología sea competitiva con la
de los vehículos tradicionales. [10]
El esquema del sistema de alta tensión se puede ver en la figura 11 anteriormente
puesta. El sistema de alta tensión está formado por los componentes, conectados
entre ellos por una línea (harnees) de alta tensión.
Igual que pasa con los vehículos híbridos, aumentar la tensión del sistema es un
método para reducir el tamaño y el peso del sistema de alta tensión de la pila de
combustible. Esto es porque mientras más alta sea la tensión del sistema, la intensidad
necesaria será menor lo cual es ventajoso para reducir la unidad y el tamaño de los
arneses. [10]
Conforme a la “Normativa técnica para la protección de pasajeros contra la alta
tensión en vehículos de pila de combustible” (Japón) la disposición de la disposición
estratégica del sistema de alta tensión debe satisfacer lo siguiente.
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
27
1) La línea bus de alta tensión no se puede tocar con herramientas.
2) La caja de la unidad conductora debe estar conectada al cuerpo
Además, la línea de alta tensión no debería sufrir daño alguno después de una prueba
de choque del coche, así como una exposición del bus de alta tensión o un fallo de
aislamiento entre la línea de alta tensión y el chasis del coche. [10]
3. Análisis de vehículos movidos por
pila de combustible.
3.1 Listado de vehículos. En los últimos años, el mercado de vehículos movidos por pila de combustible ha
estado dirigido por Honda, Toyota, “General Motors” principalmente y Hyundai más
recientemente. Honda empezó a comercializar su modelo “FXC Clarity” en California ya
que está zona de Estados Unidos estaba equipada con estaciones para repostar
hidrógeno. En 2007 “General Motors” a través de su “Project Driveway” puso en el
mercado más de 100 unidades de su Chevrolet Equinox en California, Washington DC y
Nueva York. Hyundai-Kia presentó su Kia Borrego y Daimler su clase B y su clase A.
Toyota está desarrollando su FCHV-adv desde principio de los 2000s y Volkswagen está
haciendo lo mismo con el modelo Passat y Tiguan. La mayoría de estos modelos se
prueban en California que es la ciudad del mundo que mejor está equipada en cuanto
a infraestructuras de Hidrógeno [15].
Son muchos los modelos y los prototipos de vehículos que se han desarrollado con pila
de combustible. No solo existen vehículos para usuarios particulares, también
autobuses, cuyo principal comerciante ha sido Mercedes-Benz y Volkswagen con su
marca de camiones y autobuses Man. También en el ámbito militar se ha empezado a
trabajar con este tipo de tecnología. Abajo presentamos una lista de los modelos de
vehículos que se han desarrollado y los desarrollos presentes, así como algunas
expectativas de futuro [15].
FABRICANTE MODELO
HONDA HONDA FXC(2002),HONDA FXC(2005),
HONDA FXC CLARITY(2008)
OPEL Y GENERAL MOTOS HYDROGEN3(2003) , HYDROGEN4(2007),
VOLKSWAGEN BORA HYMOTION(2000), TOURAN
HYMOTION(2004), TIGUAN
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
28
HYMOTION(2008)
FIAT PANDA HIDROGEN(2006)
AUDI A2H2(2004), Q5 FCEV(2009)
MERCEDES-Daimler NECAR 4(1999),CLASE A F-CELL(2002),
CLASE B F-CELL(2010)
MITSUBISHI FCV GRANDIS(2003)
TOYOTA FCHV(2002), FCHV-ADV(2008),
SUZUKI SX4-FCV(2008)
HYUNDAI TUCSON FCEV(2005), IX35 FC (2010), IX35
FC (2013)
GENERAL MOTORS Hy-Wire(2003), SEQUEL(2005),EQUINOX
FUEL CELL (2006)
KIA BORREGO FCEV(2008)
PEUGEOT H2ORIGIN(2008)
FORD EDGE HYSERIES DRIVE, EXPLORER
FCV(2008)
NISSAN X-TRAIL(2005)
Tabla 3. Modelos de vehículos de hidrógeno. Elaboración propia
3.1.1 Honda El coche de primera generación de Honda es del año 2002. Honda presentó los
vehículos de pila de combustible FCX-V1 y FCX-V2 en septiembre de 1999. Un año más
tarde, el FCX-V3 aumentó su capacidad hasta los cuatro pasajeros. Durante el pasado
año, vio la luz el FCX-V4, por último, Honda ha logrado con el FCX el prototipo
definitivo de este modelo de pila de combustible. [41]
MODELO HONDA FXC (2002)
Longitud 4,165 m
Altura 1,645 m
Peso 1680 Kg
Velocidad máxima 150 km/h
Autonomía 355 Km
Aceleración 0-100 Km/h
Potencia de la pila de combustible 80KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Dos depósitos separados que contienen
156L
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
350 bar
Potencia auxiliar
Par máximo 272 Nm
Potencia del motor eléctrico 62 KW
Tabla 4. Especificaciones Honda FXC 2002. [41]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
29
Figura 22. Honda FXC 2002. [41]
El coche de pila de combustible de segunda generación del 2005. Este fue el vehículo
que vimos en el ejemplo arriba cuando explicamos el funcionamiento interno de un
coche de pila de combustible. Las especificaciones del modelo del año 2005 las
podemos ver en la figura de abajo.
MODELO HONDA FXC (2005)
Longitud 4,165 m
Altura 1,645 m
Peso 1670 Kg
Velocidad máxima 150 km/h
Autonomía 430 km
Aceleración 0-100 Km/h 11 segundos
Potencia de la pila de combustible 86 KW (2003)
Sistema almacenamiento del hidrógeno Dos depósitos separados que contienen 4
kg de hidrógeno en total
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
350 bar
Potencia auxiliar Supercondensadores
Par máximo 272 Nm
Potencia del motor eléctrico 80 KW
Tabla 5. Especificaciones Honda FXC 2005. [16]
La figura 14 antes vista representa el esquema interno del Honda FXC del 2005.
Honda añadió algunas mejoras a su modelo del 2006, pero su gran logro fue en el año
2008. Que como ya hemos dicho consiguió poner en la calle el primer vehículo de pila
de combustible.
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
30
Figura 23. Honda FXC Clarity 2008. [16]
Las pilas de combustible normalmente traen una configuración en el que el aire entra
en la pila de manera horizontal. Este Honda presenta un desarrollo de flujo en “V”.
Esta configuración aprovecha la fuerza de la gravedad para incrementar la capacidad
de drenar agua. También se emplearon separadores con un canal de flujo con forma
ondulada. El uso de una fase diferente para el hidrógeno y para el aire ha permitido al
refrigerante fluir de forma horizontal a través de los espacios que hay entre los dos
fluidos. Esto dió como resultado el enfriamiento uniforme dentro de las celdas. Al usar
menos celdas de enfriamiento se logró una reducción del peso y un incremento de la
compacidad. Este modelo del 2008 ha sustituido los supercondensadores del 2005 por
una batería de litio que aprovecha la energía de la frenada, gracias a esto el “Clarity”
consigue un rendimiento del 60 %, que es tres veces mayor que la de un vehículo
convencional de combustión interna. Las mejoras del “Clarity” consisten en un
aumento del rendimiento de la pila de combustible, de la autonomía, del par y de la
velocidad reduciendo incluso un poco el tamaño total del vehículo.
Las especificaciones se muestran abajo. El tiempo de repostaje de hidrógeno es
alrededor de 3 o 4 minutos y gracias a la batería instalada la potencia total puede
alcanzar los 100 KW, es decir en términos automovilísticos unos 136 CV.
MODELO HONDA FXC CLARITY (2008)
Longitud 4,835 m
Altura 1,47 m
Peso 1625 Kg
Velocidad máxima 160 km/h
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
31
Autonomía 450 km
Aceleración 0-100 Km/h 11 segundos
Potencia de la pila de combustible 100 KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Depósito de hidrógeno gas comprimido
de 171 L
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
350 bar
Potencia auxiliar Batería de litio
Par máximo 256 Nm
Potencia del motor eléctrico 100 KW
Tabla 6. Especificaciones Honda FXC Clarity 2008. [16]
Hay instalados sensores de seguridad para proporcionar una advertencia en el caso
(improbable) de una fuga de hidrógeno. Si ocurriera esta fuga, el sistema de
ventilación se activa y un sistema automático cierra las principales válvulas de corte en
el del depósito de hidrógeno o de las líneas de abastecimiento si fuera necesario. Las
líneas de alta tensión están aisladas eléctricamente. En el caso de colisión del vehículo,
el sistema automáticamente corta el flujo de hidrógeno y la corriente eléctrica. [16]
3.1.2 Opel y General Motors. El primer prototipo de esta compañía fue el Opel Zafira Hydrogen1 del año 2001. Para
su época fue el vehículo de pila de combustible que mejor prestaciones tenía en
cuanto a autonomía, velocidad y resistencia. El siguiente modelo del 2003, presentó
varias mejoras. La pila de combustible de General Motors del año 2000 instalada en el
Hydrogen3 está formada por 200 pilas de combustible individuales colocadas en serie,
de menor tamaño pero de mayor potencia específica. De valores de 1.1 KW/litros o
0,47 KW/Kg ha pasado a 1.6 KW/litros o 0.94 kw/Kg. La tensión de la pila de
combustible alcanza valores de entre 250 y 380 V y llega hasta un motor de alterna,
asíncrono y trifásico de 60 KW. Este motor alcanza un par de 215 Nm a 12000 r.p.m. La
arquitectura del sistema de pila de combustible permite que con la producción de
agua, resultado de la reacción química sea suficiente para humidificar la membrana
protónica, al eliminar la necesidad de un componente externo adicional que
humidifique la membrana en total se ha recortado hasta 100 kg de peso del Hydrogen1
al Hydrogen3. El rendimiento de este último puede alcanzar valores de entre 36-40%.
[17].
MODELO Opel Zafira HydroGen3 (2003)
Longitud 4,317 m
Altura 1,684 m
Peso 1750 Kg
Velocidad máxima 160 km/h
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
32
Autonomía 400 km
Aceleración 0-100 Km/h 16 segundos
Potencia de la pila de combustible 94 KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Dos depósito de hidrógeno gas
comprimido de 77.4 L o 3.1 Kg
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
700 bar
Potencia auxiliar Batería de litio
Par máximo 215 Nm a 12000 r.p.m
Potencia del motor eléctrico 60 KW
Tabla 7. Especificaciones Opel Zafira HydroGen3 (2003). [17]
Figura 24. Opel Zafira HydroGen3. [17]
El modelo más actual del General Motors es el siguiente al visto anteriormente. El
HydroGen4 del 2007 saldrá al mercado entre el 2015 y el 2020. A diferencia del Honda
Clarity, la caja donde contiene la pila de combustible la lleva instalada en la parte
delantera del vehículo, y los tanques de hidrógeno en el suelo del mismo.
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
33
Figura 25. GM HydroGen4. [17]
MODELO GM HydroGen4 (2007)
Longitud 4,796 m
Altura 1,760 m
Peso 2000 Kg
Velocidad máxima 160 km/h
Autonomía 320 km
Aceleración 0-100 Km/h 12 segundos
Potencia de la pila de combustible 93 KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Dos depósito de hidrógeno gas
comprimido de 4.2 Kg
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
700 bar
Potencia auxiliar Batería de Níquel de 1.8 KWh/35 KW
Par máximo 320 Nm
Potencia del motor eléctrico 73 KW
Tabla 8. Especificaciones Opel Zafira. [18]
3.1.3 Volkswagen El desarrollo de las pilas de combustible hecho por Volkswagen se remonta a
1997, cuando apostaron por un modelo de pila de combustible basado en el diseño del
Golf. Tenía una potencia de 20KW, cuatro años más tarde fue el turno del “Bora”
basado en el modelo del Jetta, fue el primer vehículo de la gama “Hymotion”.
MODELO Volkswagen Bora HyMotion (2000) Longitud 4,376 m
Altura 1,446 m
Peso 1300 Kg
Velocidad máxima 140 km/h
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
34
Autonomía 350 km
Aceleración 0-100 Km/h
Potencia de la pila de combustible 75 KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Depósito de hidrógeno líquido de 50 L
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
-
Potencia auxiliar -
Par máximo 240 Nm
Potencia del motor eléctrico 75 KW
Tabla 9. Especificaciones VW Bora HyMotion. [19]
Figura 25. VW Bora Hymotion. [19]
En 2004 Volkswagen introdujo varias novedades en su modelo de Touran. Esta vez
apostaron por hidrógeno gas comprimido en lugar de líquido, además; instalaron un
batería de níquel para que el coche tuviera una mejor respuesta a una aceleración. En
operación normal la pila de combustible carga la batería, pero también puede cargarse
mediante la energía de la frenada.
MODELO Volkswagen Touran HyMotion (2004)
Longitud 4,405 m
Altura 1,635 m
Peso 1526 Kg
Velocidad máxima 140 Km/h
Autonomía 161 km
Aceleración 0-100 Km/h 14 segundos
Potencia de la pila de combustible 80 KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Depósito de hidrógeno gas comprimido
de 1,9 kg
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
350 bar
Potencia auxiliar Batería de níquel de 1,9KWh
Par máximo 240 Nm
Potencia del motor eléctrico 80 KW
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
35
Tabla 10. VW Touran HyMotion 2004. [19], [45]
Figura 26. VW Touran HyMotion 2004. [45]
En 2008 Volkswagen presentó el Tiguan HyMotion con la pila de combustible en el
compartimento donde suele ir el motor de combustión, es decir debajo del capó. Este
modelo es más pesado que el anterior, sin embargo la aceleración y la velocidad son
prácticamente los mismos, y el par máximo es menor. La presión de almacenamiento
es mayor que el Touran y la misma que los mismos modelos del resto de fabricantes
por lo que la autonomía es claramente mayor.
MODELO Volkswagen Tiguan HyMotion (2008)
Longitud 4,400 m
Altura 1,686 m
Peso 1700Kg
Velocidad máxima 150 Km/h
Autonomía 230 km
Aceleración 0-100 Km/h 14 segundos
Potencia de la pila de combustible 80KW o 100 KW combinada con la batería
Sistema almacenamiento del hidrógeno Depósito de hidrógeno gas comprimido
de 3,2 kg
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
700 bar
Potencia auxiliar Batería de litio
Par máximo 220 Nm
Potencia del motor eléctrico 100 KW
Tabla 11. VW Tiguan HyMotion. [19]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
36
Figura 27. VW Tiguan HyMotion 2008. [19]
3.1.4 Fiat El Fiat Panda de pila de combustible del año 2006 no lleva instalada ninguna batería. La
pila de combustible le proporciona toda la potencia que necesita el motor de alterna
de tres fases que le permite al coche alcanzar los 130Km/h. El motor eléctrico y la
transmisión se encuentran en el compartimento donde normalmente va el motor de
combustión. El hidrógeno se almacena a 350 bar en un depósito de material
compuesto instalado debajo del suelo. La reducción del espacio sigue permitiendo que
vayan 4 personas en el coche.
MODELO Fiat Panda (2006) Longitud 3,538 m
Altura 1,590 m
Peso 1365 Kg
Velocidad máxima 130 Km/h
Autonomía 200 km
Aceleración 0-100 Km/h 10 segundos
Potencia de la pila de combustible 60 KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Hidrógeno gas comprimido
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
350 bar
Potencia auxiliar -
Par máximo
Potencia del motor eléctrico 60 KW
Tabla 12. Especificaciones Fiat Panda. [20]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
37
Figura 28. Fiat Panda. [20]
3.1.5 Audi El coche de pila de combustible desarrollado por Audi llamado A2H2 es un pequeño
coche deportivo. Utiliza una pila de combustible y un motor eléctrico de 66 KW que
alcanza un par motor de 425 Nm, que lo pueden proporcionar conjuntamente la pula
de combustible y la batería de Níquel de 38KW. Con la combinación de los dos el Audi
A2H2 tiene una potencia pico durante periodos cortos de tiempo de 110KW. Utiliza la
energía cinética de la frenada para recargar la batería. [20]
MODELO Audi A2H2(2004) Longitud 3,826 m
Altura 1,553 m
Peso 1100 Kg
Velocidad máxima 175 Km/h
Autonomía 220 km
Aceleración 0-60 Km/h 10 segundos sin batería
Potencia de la pila de combustible 66KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Hidrógeno gas comprimido, 1,8Kg
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
350 bar
Potencia auxiliar Batería de NiMH de 38KW
Par máximo 425Nm
Potencia del motor eléctrico 66 KW
Tabla 13. Especificaciones A2H2. [21]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
38
Figura 29. Audi A2H2. [21]
El segundo prototipo de vehículo de hidrógeno desarrollado por Audi es el Q5. Como
en la mayoría de los fabricantes las mejoras de este vehículo han consistido en el
almacenamiento del hidrógeno para aumentar la autonomía. Presenta una
peculiaridad, tiene dos motores eléctricos colocados en las ruedas delanteras que
proporcionan una potencia combinada de 90Kw y par de 420Nm.
MODELO Audi Q5 FCEV(2009)
Longitud 4,63 m
Altura 1,65 m
Peso
Velocidad máxima
Autonomía
Aceleración 0-60 Km/h
Potencia de la pila de combustible 98KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Dos tanques Hidrógeno gas comprimido
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
700 bar
Potencia auxiliar Batería de Litio de 1.3 KWh
Par máximo 420 Nm
Potencia del motor eléctrico 90 KW
Tabla 14. Especificaciones Audi Q5 FCEV. [22]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
39
Figura 30. Audi Q5 FCEV. [22]
3.1.6 Mercedes-Daimler Los esfuerzos de esta compañía por el coche de hidrógeno empezaron en 1993.
Durante la década de los 1990s realizaron varios prototipos de la Serie NECAR basados
en el Clase-A. El NECAR 1 y 2 utilizaron hidrógeno comprimido y el NECAR 3 y 4
optaron por hidrógeno líquido. El último de este tipo fue el NECAR 4 que llevaba
instalado en el maletero un depósito cilíndrico de 5 kg de hidrógeno líquido a -253 .
MODELO NECAR 4 (1999)
Longitud 3,785 m
Altura 1,615 m
Peso 1600Kg aprox.
Velocidad máxima 145Km/h
Autonomía 450Km
Aceleración 0-100 Km/h
Potencia de la pila de combustible 70KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Hidrógeno líquido a -253
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
Potencia auxiliar
Par máximo
Potencia del motor eléctrico 55 KW
Tabla 15. Especificaciones NECAR 4 1999. [49]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
40
Figura 30. NECAR 4 1999. [49]
En el año 2002 lanzaron otro modelo de clase-A y más recientemente el clase B del año
2010. Durante tantos años de investigación Mercedes ha mejorado muchos aspectos
del modelo del 2002. El motor eléctrico del Mercedes clase B genera 100 Kw de
potencia, que son 35 Kw más que el modelo anterior. Debido a la disminución en el
consumo de hidrógeno y al incremento de la capacidad de almacenaje de hidrógeno.
La autonomía se en el clase B de 400 Km. El modelo del 2010 es al igual que el del 2002
un coche híbrido, utilizan una batería que les sirve para arrancar el vehículo y durante
los periodos de aceleración del vehículo. La batería es recargable por la pila de
combustible y por la energía cinética de la frenada. [23]
MODELO Mercedes Clase-A (2002)
Longitud 3,785 m
Altura 1,615 m
Peso 1400Kg aprox.
Velocidad máxima 140 Km/h
Autonomía 160 Km
Aceleración 0-100 Km/h
Potencia de la pila de combustible 85KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Hidrógeno gas comprimido
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
350 bar
Potencia auxiliar Batería de NiMh de 20 KW
Par máximo 210 Nm
Potencia del motor eléctrico 65 KW
Tabla 16. Especificaciones Mercedes Clase-A 2002. [23]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
41
Figura 31. Mercedes Clase-A 2002. [23]
MODELO Mercedes Clase-B (2010)
Longitud 3,840 m
Altura 1,593 m
Peso 1400Kg aprox.
Velocidad máxima 180 Km/h
Autonomía 400 Km
Aceleración 0-60 Km/h
Potencia de la pila de combustible 90 KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Tres tanques de hidrógeno gas
comprimido de 3,8 kg
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
700 bar
Potencia auxiliar Batería de NiMh de 1,4 KWh
Par máximo 320 Nm
Potencia del motor eléctrico 65 KW
Tabla 17. Especificaciones Mercedes Clase-B 2010. [23]
Figura 32. Mercedes Clase-B 2010. [23]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
42
3.1.7 Mitsubishi El esfuerzo conjunto de Mitsubishi y Daimler-Chrysler dió como resultado el desarrollo
del modelo “Grandis” del 2003 movido por pila de combustible. Este vehículo es un
prototipo y aún posee mucho potencial de mejora sobretodo en cuanto a autonomía,
que se encuentra lejos de poder competir con uno de combustión interna. Este
programa tuvo el apoyo del Ministerio de Economía, Comercio e Industria de Japón. El
proyecto tiene como objetivo llevar hasta la fase de comercialización la pila de
combustible.
El sistema de propulsión consiste en una célula de pila de combustible y una fuente de
energía supletoria, una batería de NiMH. El hidrógeno se guarda comprimido en varios
tanques con una capacidad total de 117 Litros. [25]
Figura 33. Mitsubishi Grandis FCV. [25]
MODELO Mitsubishi Grandis FCV (2003)
Longitud 4,755 m
Altura 1,690 m
Peso 2000 Kg
Velocidad máxima 140 Km/h
Autonomía 150 Km
Aceleración 0-60 Km/h
Potencia de la pila de combustible 68KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Tanques de hidrógeno gas comprimido de
117L
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
350 bar
Potencia auxiliar Batería de NiMh
Par máximo 210 Nm
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
43
Potencia del motor eléctrico 65 KW
Tabla 18. Especificaciones Mitsubishi Grandis FCV. [26]
3.1.8 Toyota Toyota comenzó a trabajar con los FCHV (“Fuel cell hibrid vehicles”) en 1992 con el
desarrollo de sus propias celdas de combustible de hidrógeno y los depósitos de
almacenamiento de hidrógeno en sus instalaciones. La empresa aplica su tecnología de
conducción híbrida al desarrollo de los FCHV sustituyendo los motores de gasolina por
celdas de combustible y sus pilas de combustible presentan mejor rendimiento como
ya se vió. El primer vehículo con celdas de combustible del mundo, el Toyota FCHV, se
lanzó al mercado en 2002 y obtuvo la certificación en 2005.
La siguiente generación de vehículo híbrido con celdas de combustible, el FCHV-adv,
que contaba con una pila FC de Toyota totalmente renovada y de alto rendimiento,
obtuvo la certificación del Ministerio japonés de Territorio, Infraestructuras y
Transporte el 3 de junio de 2008.
La eficiencia en el consumo de combustible del Toyota FCHV-adv se ha incrementado
en un 25 % gracias al uso de los depósitos de almacenamiento de hidrógeno a alta
presión de 700 bar desarrollados por Toyota. Además, este modelo cuenta con una
autonomía a velocidad constante de aproximadamente 830 km. El Toyota FCHV-adv es
capaz de arrancar incluso a -30 ºC, lo que mejora enormemente su rendimiento en
climas fríos. [27]
A velocidades bajas el coche puede funcionar solo con la batería hasta 50 Km. Pero
cuando acelera o para velocidades mayores tanto la batería como la pila de
combustible funcionan juntas. La batería se puede recargar cuando el coche frena. [27]
MODELO Toyota FCHV (2002)
Longitud 4,735 m
Altura 1,685 m
Peso 1880 Kg
Velocidad máxima 155 Km/h
Autonomía 330 Km
Aceleración 0-100 Km/h
Potencia de la pila de combustible 90KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Tanques de hidrógeno gas comprimido
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
350 bar
Potencia auxiliar Batería de Níquel
Par máximo 260 Nm
Potencia del motor eléctrico 90 KW
Tabla 19. Especificaciones Toyota FCHV 2002. [28]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
44
Figura 34. Toyota FCHV 2002. [28]
MODELO Toyota FCHV-adv (2008)
Longitud 4,735 m
Altura 1,685 m
Peso 1880 Kg
Velocidad máxima 155 Km/h
Autonomía 760 Km
Aceleración 0-100 Km/h 11 segundos
Potencia de la pila de combustible 90KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Tanques de hidrógeno gas comprimido de
156 L
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
700 bar
Potencia auxiliar Batería de Níquel
Par máximo 260 Nm
Potencia del motor eléctrico 90 KW
Tabla 20. Especificaciones Toyota FCHV-adv 2008. [29]
Figura 35. Toyota FCHV-adv. [29]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
45
3.1.9 Suzuki El modelo SX4-FCV desarrollado en 2008 es hasta la fecha el único vehículo de pila de
combustible de la compañía nipona. Posee una pila de combustible propiedad de
General Motors. Cuenta con un depósito de hidrógeno comprimido a 700 bar, propio
de los coches de pila de combustible de su generación.
MODELO Suzuki SX4-FCV (2008)
Longitud 4,190 m
Altura 1,585 m
Peso 1350 Kg
Velocidad máxima 150 Km/h
Autonomía 250 Km
Aceleración 0-100 Km/h
Potencia de la pila de combustible 80 KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Tanques de hidrógeno gas comprimido
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
700 bar
Potencia auxiliar Supercondensador
Par máximo 230 Nm
Potencia del motor eléctrico 68 KW
Tabla 21. Especificaciones Suzuki SX4-FCV. [30]
Figura 36. Suzuki SX4-FCV 2008. [31]
3.1.10 Hyundai En 1998 Hyundai estableció su primera unidad de pila de combustible. En el año 2000
desarrollaron el primer vehículo de esta tecnología, basado en el modelo Santa Fe. En
2003 empezaron el proyecto “Polaris”, consistía en el desarrollo y mejora del coche de
pila de combustible sin depender de ningún otro fabricante. [31]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
46
En 2005 Hyundai sacó al mercado su coche de pila de combustible de segunda
generación, creado a partir del modelo Tucson. Incluyó mejoras prácticamente en
todos los aspectos respecto al modelo Santa Fe. La pila de combustible del modelo del
2005 se encuentra en el capó delantero, mientras que en el Santa Fe estaba debajo del
suelo. El Tucson también posee mayor autonomía, 300 km; gracias a su depósito de
hidrógeno de 152 litros, en el anterior modelo era solo de 72 litros. Es también un
poco más ligero y tiene 5 KW más de potencia gracias al cual logra picos de potencia de
hasta 80 KW. También la velocidad máxima es mayor en el Tucson, 150Km/h frente a
los 124km/h del Santa fe. [32]
MODELO Hyundai Tucson FCEV (2005)
Longitud 4,325 m
Altura 1,730 m
Peso 1462 Kg
Velocidad máxima 150 Km/h
Autonomía 300 Km
Aceleración 0-100 Km/h
Potencia de la pila de combustible 80 KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Tanques de hidrógeno gas comprimido de
152 litros
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
350 bar
Potencia auxiliar
Par máximo
Potencia del motor eléctrico 80KW
Tabla 22. Especificaciones Hyundai Tucson FCEV. [33]
Figura 37. Hyundai Tucson FCEV 2005. [33]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
47
En el año 2007 introdujeron en el modelo Tucson del 2005 varias mejoras que
permitieron al vehículo desarrollar una potencia de hasta 100 KW y una autonomía de
320 Km. En el año 2010 el vehículo en el cual instalarían un sistema de pila de
combustible fue el ix35. La autonomía de este modelo alcanzó los 560 Km.
MODELO Hyundai Tucson Ix35 SUV (2010)
Longitud 4,719 m
Altura 1,670 m
Peso
Velocidad máxima 160 Km/h
Autonomía 560 Km
Aceleración 0-100 Km/h
Potencia de la pila de combustible 100 KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno 2 Tanques de hidrógeno gas comprimido
de 5,6 Kg
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
350 bar
Potencia auxiliar Batería de litio de 21 KW
Par máximo 300 Nm
Potencia del motor eléctrico 100 KW
Tabla 23. Especificaciones Hyundai Tucson ix35 SUV 2010. [34]
Figura 38. Hyundai Tucson ix35 SUV 2010. [34]
En 2013 Hyundai logra que su coche de pila de combustible basado en el ix35 se
convierta en el primer vehículo de esta tecnología en producirse en serie. La compañía
coreana tiene en mente producir 1000 unidades de este vehículo en 2015 y 10,000
más en los próximos años. [32]
El ix35 del año 2013 tarda un total de 3 minutos es repostar el hidrógeno y tener los
tanques llenos de nuevo. Estos tanques le proporcionan una autonomía de casi 600
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
48
Km. Hyundai está desarrollando este vehículo junto con el “London Hydrogen Project”
y otras instituciones para crear infraestructuras de repostaje de hidrógeno. [32]
MODELO Hyundai Tucson Ix35 SUV (2013)
Longitud 4,410 m
Altura 1,650 m
Peso 2290Kg
Velocidad máxima 160 Km/h
Autonomía 594 Km
Aceleración 0-100 Km/h 12,5 segundos
Potencia de la pila de combustible 100 KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Tanques de hidrógeno gas comprimido de
5,64 Kg
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
700 bar
Potencia auxiliar Batería de litio de 24KW
Par máximo 300 Nm/1000 rpm
Potencia del motor eléctrico 100 KW
Tabla 24. Especificaciones Hyundai ix35 SUV 2013. [35]
Figura 39. Hyundai Tucson ix35 SUV 2013. [35]
3.1.11 Chevrolet El primer prototipo de coche de hidrógeno diseñado por General Motors, además del
HydroGen3 fue el Hy-Wire, del mismo año; cuyas especificaciones se encuentran en la
siguiente tabla. La pila de combustible consiste en 200 celdas conectadas en serie que
proporcionan una tensión de entre 125V y 200V. EL hidrógeno se almacena en tres
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
49
depósitos que contienen un total de 2 Kg. El peso de estos tres depósitos es de 75 Kg.
[40]
MODELO GM Hy-Wire (2003)
Longitud 4,300 m
Altura
Peso 1898 Kg
Velocidad máxima 160 Km/h
Autonomía 200Km
Aceleración 0-100 Km/h
Potencia de la pila de combustible 125V-200V/94KW hasta 129KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Tres Tanques de hidrógeno gas
comprimido de 2Kg
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
350bar
Potencia auxiliar
Par máximo 215Nm
Potencia del motor eléctrico 250V-380V/60KW
Tabla 25. Especificaciones GM Hy-Wire. [40]
Figura 40. GM Hy-wire 2003. [40]
El chevrolet Sequel del año 2005 utiliza una pila de combustible de cuarta generación
desarrollada por el grupo General Motors y Opel. La pila de combustible del Sequel
tiene un rango de potencia de 73 KW y una fuente secundaria de energía, una batería
de litio de 65 KW. Posee un motor eléctrico de 65KW en las ruedas delanteras y un
motor eléctrico para cada una de las ruedas traseras de 25KW cada uno, lo que otorga
una potencia de tracción total de 115KW.
El Sequel contiene 8 Kg de hidrógeno comprimido almacenados en tres tanques
cilíndricos de material compuesto a 700 bar. Este depósito permite al Sequel recorrer
hasta 480Km sin necesidad de repostar. [36]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
50
MODELO Chevrolet Sequel (2005)
Longitud 4,994 m
Altura
Peso 2070 Kg
Velocidad máxima 145 Km/h
Autonomía 480 Km
Aceleración 0-100 Km/h 10 segundos
Potencia de la pila de combustible 73 KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Tres Tanques de hidrógeno gas
comprimido de 8 Kg
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
700 bar
Potencia auxiliar Batería de litio
Par máximo
Potencia del motor eléctrico 115 KW
Tabla 26.Especificaciones Chevrolet Sequel 2005. [36]
Figura 41. Chevrolet Sequel 2005. [36]
Chevrolet desarrolló su segundo coche de pila de combustible unos años después del
Sequel. El sistema de almacenamiento de hidrógeno es diferente, tiene menos
capacidad lo que le da un rango de kilómetros recorridos sin repostar. Utiliza al igual
que el Sequel una pila de combustible de cuarta generación. Esta célula tiene una vida
operativa de 2 años y medio y puede recorrer con ella hasta 80,000 Km. Permite
arranque en frío hasta -25 grados y en un ambiente cálido de hasta 45 grados. [36]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
51
MODELO Chevrolet Equinox (2006) Longitud 4,796 m
Altura
Peso 2010 Kg
Velocidad máxima 160 Km/h
Autonomía 320 Km
Aceleración 0-100 Km/h 12 segundos
Potencia de la pila de combustible 93 KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Tres Tanques de hidrógeno gas
comprimido de 4,2Kg
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
700 bar
Potencia auxiliar Batería de NiMh de 35 KW
Par máximo 320 Nm
Potencia del motor eléctrico 73KW y picos de 94KW
Tabla 27. Especificacines Chevrolet Equinox 2006. [37]
Figura 42. Chevrolet Equinox 2006. [37]
3.1.12 Kia Kia desarrolló su primer coche de pila de combustible en el 2006 con el Kia Sportage
FCEV, dos años más tarde lanzaría otro prototipo basado en el modelo del Kia Borrego.
La pila de combustible que utiliza es capaz de dar 115KW de potencia. Utiliza un
supercondensador de 450V y 100KW como fuente de energía supletoria. El motor
eléctrico que emplea es de 109KW y se encuentra en la parte delantera del vehículo.
La combinación de la pila de combustible y de los supercondensadores el Kia Borrego
es capaz de arrancar a temperaturas de -30 grados. El Kia Borrego al igual que la
mayoría de los prototipos de vehículos de pila de combustible aprovecha la energía
cinética de la frenada para recuperar energía. Lo que le permite una aceleración de 0 a
100Km/h en 12,8 segundos.
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
52
El consumo del Kia Borrego se estima en 5,23 litros de hidrógeno cada 100 Km. [38]
MODELO Kia Borrego FCEV (2008)
Longitud 4,879 m
Altura 1,811 m
Peso 1926 Kg
Velocidad máxima 160 Km/h
Autonomía 686 Km
Aceleración 0-100 Km/h 12,8 segundos
Potencia de la pila de combustible 115 KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Tanques de hidrógeno comprimido
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
700 bar
Potencia auxiliar Supercondesador 450 V/100 KW
Par máximo
Potencia del motor eléctrico 109 KW
Tabla 28. Especificaciones Kia Borrego FCEV. [38]
Figura 43. Kia Borrego FCEV. [38]
3.1.13 Peugeot El Peugeot H2Origin fue el resultado de tres años de investigación entre las compañías
Peugeot y Citroen. “British company Intelligent Energy” fue la encargada de
suministrar a este vehículo la pila de combustible. Este modelo de coche eléctrico
anteriormente era impulsado solamente con una batería, lo que le permitía recorrer
100km sin necesidad de recarga. Con la pila de combustible y un depósito de 350 bar
de hidrógeno comprimido esta autonomía subió hasta los 288Km.
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
53
Una de las novedades introducidas por Peugeot en este coche de hidrógeno del año
2008 es que los depósitos de hidrógeno se pueden quitar fácilmente cuando estén
vacios ya que están montados sobre raíles deslizantes. Esto hace que el H2Origin no
dependa de estaciones de repostaje de hidrógeno para funcionar.
La pila de combustible instalada en este vehículo permite arrancar el coche a
temperaturas de hasta -20 grados. Su potencia de 10KW tiene una fuente supletoria de
energía, una batería de níquel de 180V que proporciona 47 caballos de potencia, es
decir 34KW. Lo que le da al Peugeot una velocidad máxima de 100Km/h. [39]
MODELO Peugeot H2Origin (2008)
Longitud 4,137 m
Altura 1,960 m
Peso
Velocidad máxima 100 Km/h
Autonomía 290 Km
Aceleración 0-100 Km/h
Potencia de la pila de combustible 10 KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Tanques de hidrógeno comprimido
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
350 bar
Potencia auxiliar Batería 180 V/34 KW
Par máximo
Potencia del motor eléctrico
Tabla 29. Especificaciones Kia Borrego FCEV. [39]
Figura 44. Peugeot H2Origin. [39]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
54
3.1.14 Ford El primer prototipo que fue probado en carretera hecho por Ford fue en 1999 con un
prototipo llamado “P2000”.En 2006 lanzó un vehículo basado en su Explorer. [42]
MODELO Ford Explorer FCV (2006)
Longitud
Altura
Peso 2580 Kg
Velocidad máxima
Autonomía 560 Km
Aceleración 0-100 Km/h
Potencia de la pila de combustible 65 KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Tanques de hidrógeno comprimido de 4,5
Kg de hidrógeno
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
700 bar
Potencia auxiliar Batería de NiMH de 50 KW
Par máximo
Potencia del motor eléctrico 130 KW
Tabla 30. Especificaciones Ford Explorer FCV. [42]
Figura 45. Ford Explorer FCV. [42]
Posteriormente el siguiente modelo se llamó Edge Hyseries Drive. Es un coche
eléctrico pensado más en la batería como fuente primaria de energía más que la pila
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
55
de combustible. Esto es debido a que la pila de combustible instalada tiene un rango
muy pequeño para reducir los gastos. Esta es una apuesta hecha por Ford en este
prototipo que lo diferencia de otros vehículos que hemos vistos. La compañía
americana considera que debido a que esta tecnología aún no es muy madura, al no
contar con las instalaciones e infraestructuras necesarias; no merece la pena que el
coche dependa en su mayoría del hidrógeno. Este prototipo puede llevar depósitos de
hidrógeno de 350 bar o 700 bar. [12]
MODELO Edge Hyseries Drive (2007)
Longitud
Altura
Peso
Velocidad máxima 140 Km/h
Autonomía 320 Km/450 Km
Aceleración 0-100 Km/h 9,4 segundos
Potencia de la pila de combustible
Sistema almacenamiento del hidrógeno Tanques de hidrógeno comprimido de 4,5
Kg de hidrógeno
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
350 bar/700 bar
Potencia auxiliar Batería de litio
Par máximo 230 Nm
Potencia del motor eléctrico 130 KW
Tabla 31. Especificaciones Edge Hyseries Drive. [12]
Figura 46. Edge Hyseries Drive. [12]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
56
En ese mismo año, el prototipo “Hydrogen 999” basado en un coche de carreras
alcanzó la velocidad de 331Km/h lo que se convirtió en el coche de pila de combustible
más rápido del mundo. [12]
3.1.15 Nissan El primer coche que presentamos es el que ya vimos cuando presentamos el sistema
de alta tensión en la figura 19. Sus especificaciones las incluimos a continuación. Su
predecesor del 2003 llevaba el hidrógeno almacenado a 350 bar. Ahora en el modelo
del 2005, podemos encontrarlo de las dos versiones, bien de 350 bar, bien de 700 bar.
Con el correspondiente aumento de su autonomía. [10]
MODELO Nissan X-Trail FCV (2005)
Longitud 4,485 m
Altura 1,745 m
Peso 1790 Kg/1860 Kg
Velocidad máxima 150 Km/h
Autonomía 370 Km/500 Km
Aceleración 0-100 Km/h
Potencia de la pila de combustible 90KW
Sistema almacenamiento del hidrógeno Tanques de hidrógeno comprimido de 4,5
Kg de hidrógeno
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
350 bar/700 bar
Potencia auxiliar Batería de litio
Par máximo 270 Nm
Potencia del motor eléctrico 90 KW
Tabla 32. Especificaciones Nissan X-Trail FCV 2005. [10]
Figura 47. Nissan X-Trail FCV 2005. [10]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
57
El último modelo que Nissan ha desarrollado es el Nissan Terra SUV. Es un vehículo
híbrido de tracción a las 4 ruedas del que no se tienen todavía datos.
3.2 Clasificación de vehículos. Se van a clasificar los modelos vistos anteriormente según el tipo y el tamaño del
vehículo. Los fabricantes han desarrollado sus vehículos de hidrógeno basándose en
modelos de combustión interna que ya existían anteriormente, de manera que la
clasificación sería la siguiente:
URBANO COMPACTO BERLINA SUV
Honda FXC (2005) Opel HydroGen3 Honda FXC Clarity Opel HydroGen4
Fiat Panda Mercedes Clase-B Volkswagen Bora Volkswagen Touran
Audi A2H2 Suzuki SX4-FCV Mitsubishi Grandis Volkswagen Tiguan
Necar 4 GM Hy-wire Renault Scenic FCH Audi Q5
Mercedes Clase-A Peugeot H2Origin Toyota FCHV
Ford Focus Toyota FCHV-adv
Ford Focus-adv Hyundai Tucson
Hyundai ix35
Chevrolet Sequel
Chevrolet Equinox
Kia Borrego
Edge Hyseries Drive
Ford Explorer
Nissan X-Trail
Hyundai Santa fe
Kia Sportage
Toyota FCV-R
Tabla 33. Clasificación de los vehículos de hidrógeno por tipo. Elaboración propia.
Se puede ver que los fabricantes han optado la mayoría por coches tipo SUV debido a
que tienen mayor espacio para poder almacenar los contenedores de hidrógeno y la
pila de combustible.
3.3 Ratios comparativos. Varios modelos presentados arriba son sólo prototipos y algunas de sus
especificaciones no están disponibles. A continuación se presenta una tabla resumen
con los datos más importantes de un coche movido por pila de combustible. En rojo se
incluyen otros modelos que no se han presentado en detalle anteriormente pero
tienen en cuenta a la hora de realizar los ratios.
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
58
MODELO AÑO POTENCIA
DE LA
PEM(KW)
AUTONOMÍA(KM) ALMACENAMIENTO
DE HIDRÓGENO
Honda FXC 2002 80 355 156L. 350 bar
Honda FXC 2005 86 430 4Kg. 350 bar
Honda FXC
Clarity
2008 100 450 171L. 350 bar
Opel
HydroGen3
2003 94 400 77.4 L /3.1 Kg. 700
bar
Opel
HydroGen4
2007 93 320 4,2Kg. 700 bar
VW Bora
Hymotion
2000 75 350 50L. líquido
VW Touran Hymotion
2004 80 161 1,9Kg. 350 bar
VW Tiguan Hymotion
2008 100 230 1,9Kg. 700 bar
Fiat Panda Hidrogen
2006 60 200 350 bar
Audi A2H2 2004 66 220 1,8Kg. 350 bar Audi Q5 FCEV 2009 98 - 700 bar
NECAR 4 1999 70 450 50Kg. Líquido Mercedes
Clase-A 2002 85 150 350 bar
Mercedes Clase-B
2010 90 400 3,8Kg. 700 bar
Mitsubishi Grandis FCV
2003 68 160 117L. 350 bar
Toyota FCHV 2002 90 330 350 bar Toyota FCHV-
adv 2008 760 156L. 700 bar
Suzuki SX4-FCV
2008 80 250 700 bar
Hyundai Tucson FCEV
2005 80 300 152L. 350 bar
Hyundai Tucson ix35
2010 100 560 5,6Kg. 350 bar
Hyundai Tucson ix35
2013 100 594 5,64Kg. 700 bar
GM Hy-Wire 2003 94 200 2Kg. 350 bar Chevrolet
Sequel 2005 73 480 8Kg. 700 bar
Chevrolet Equinox
2006 93 320 4,2Kg. 700 bar
Kia Borrego 2008 115 686 700 bar
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
59
FCEV Peugeot H2Origin
2008 10 290 350 bar
Edge Hyseries
Drive
2007 Hyseries drive
320/450 4,5 Kg. 350/700 bar
Ford Explorer FCV
2006 65 560 4,5 Kg. 700 bar
Nissan X-Trail FCV
2005 90 370/500 4,5 Kg. 350/700 bar
Ford Focus FCV
2000 85 160 252 bar
Ford Focus FCV adv.
2002 85 290 4Kg. 350 bar
Ford P2000 1999 75 160 Comprimido Hyundai
Santa Fe SUV 2000 75 160 Comprimido
Kia Sportage 2004 80 300 350 bar Renault
Scenic FCH 2008 90 240 -
Toyota FCV-R 2011 - 700 700 bar Daihatsu
Move FCV 2001 30 120 252 bar
Tabla 34. Lista de vehículos y año de producción. [43]
En la tabla siguiente aparece la densidad del hidrógeno en función de la presión de
almacenamiento.
Figura 48. Densidad del hidrógeno para cada presión de almacenamiento. [44]
Los datos que interesan son los siguientes:
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
60
De manera que ya se sabe la masa de hidrógeno que es capaz de albergar cada
vehículo visto anteriormente salvo la de aquellos de los que no se dispone datos.
Lo primero que se va a ver es la evolución de la autonomía, de los kilogramos de
hidrógeno almacenados y de la presión de almacenamiento del hidrógeno en los
vehículos vistos anteriormente a lo largo del tiempo. Se van a dividir todos los
modelos en cinco grupos. Vehículos fabricados hasta el 2002, 2004, 2006, 2008 y hasta
el 2013.
Gráfico 1. Autonomía del vehículo. Elaboración propia.
Esta tabla recoge los datos de autonomía de todos los vehículos de hidrógenos vistos.
Se comprueba que hasta el año 2006 no se consigue una autonomía de más de 500
km, posteriormente se ve cómo va evolucionando progresivamente la autonomía del
coche de hidrógeno. Aunque los datos son dispares la tendencia es que el vehículo sea
capaz de recorrer 600 kilómetros sin necesidad de repostar. El NECAR 4 de 1999
consigue una autonomía de 450km con su depósito de hidrógeno líquido. El que mayor
autonomía tiene es el Toyota-FCHV del año 2008 con 760km. Este Toyota recordemos
tiene almacenado casi 7,5Kg de hidrógeno a 700 bar lo que le permite ser el que más
kilómetros hace.
El gráfico de abajo muestra la cantidad de kilogramos que almacena cada vehículo.
NECAR 4 Opel HydroGen3
Ford Explorer
Toyota-FCHV-adv
Hyundai ix35
0
100
200
300
400
500
600
700
800
1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015
Km
re
corr
ido
s
Año de lanzamiento del vehículo
Autonomía del vehículo
2002
2004
2006
2008
2013
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
61
Gráfico 2. Cantidad de hidrógeno a bordo del vehículo. Elaboración propia.
Durante los primeros años un valor común de todos los fabricantes ha sido almacenar
entre 3 y 5 kilogramos de hidrógeno, recordemos que debido a la densidad del
hidrógeno a presión 3 kg de hidrógeno a 350 bar ocupan 125L y a 700 bar ocupan 63L,
que son valores superiores en volumen a lo que ocupa un depósito normal de gasolina.
A partir del 2007 se amplía esta cantidad de hidrógeno almacenado debido al uso más
frecuente de 700 bar lo que dio como resultado un aumento de la autonomía del
vehículo.
Para entender los gráficos anteriores hace falta el gráfico de presión de
almacenamiento del hidrógeno a bordo. De los modelos vistos, solo el Volkswagen
Bora y el Daimler NECAR 4 almacenan hidrógeno líquido, el resto lo hacen a presión;
bien a 252 bar, 350 bar o 700 bar.
NECAR 4
Chevrolet Sequel
Toyota FCHV-adv
Hyundai ix35
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015
Kg
de
hid
róge
no
Año de lanzamiento del vehículo
Kg de hidrógeno almacenado
2002
2004
2006
2008
2013
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
62
Gráfico 3. Presión de almacenamiento del hidrógeno a bordo. Elaboración propia.
El siguiente ratio muestra cuál es el vehículo que más kilómetros hace por kilogramo
de hidrógeno. Sabiendo la cantidad de masa que puede transportar cada vehículo y la
autonomía proporcionada por cada fabricante podemos calcular el ratio Km/Kg de
hidrógeno.
Gráfico 4. Kiómetros recorridos por cada kilogramo a bordo. Elaboración propia.
Ford Focus FCV
VW Bora.M. Clase-A, Toyota FCHV
Opel HydroGen3
Mitsubishi, VW Touran, Audi A2H2,
Kia Sportage
C.Equinox
Honda FXC, Hyundai Tucson,
Fiat Panda
Nissan X-TRAIL VW Tiguan
Peugeot H2Origin, Honda Clarity
Opel HydroGen 4
Mercedes Clase-B
Hyundai ix35
0
100
200
300
400
500
600
700
800
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
bar
de
hid
róge
no
Año de lanzamiento del vehículo
Presión de almacenamiento
2002
2004
2006
2008
2013
VW Bora
Opel HydroGen3
Ford Explorer
Honda Clarity Hyundai ix35
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1999 2004 2009 2014
Rat
io K
m/K
g d
e h
idró
gen
o
Año de lanzamiento del vehículo
Km recorridos por Kg de hidrógeno almacenado
2002
2004
2006
2008
2013
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
63
Del gráfico anterior se observa que a principio de los 2000s la tendencia es muy dispar.
Se puede ver que la tendencia es que el vehículo sea capaz de recorrer 100 Km con
cada kilogramo de hidrógeno. Basándonos en los datos de los fabricantes el coche que
tiene mayor ratio es el Opel HydroGen3 del año 2003 que almacena hidrógeno a 350
bar. En los siguientes años los que tienen mayor ratio son el Ford Explorer FCV del año
2006, el Honda FCX Clarity del 2008 y el Hyundai ix35 del año 2013. Solo el Ford y el
Hyundai almacenan el hidrógeno a 700 bar.
En el siguiente ratio se analiza la potencia de la PEM de cada vehículo por masa total
del mismo. En el siguiente gráfico vemos que el que tiene mejor ratio es el Mercedes
Clase-B del año 2010. Aunque le hemos dado un valor aproximado de 1400 kg, igual
que su versión en diesel, el conjunto motor eléctrico-pila de combustible hace que su
peso sea mayor, por lo tanto no podemos decir que el Mercedes Clase-B tenga el
mayor ratio de todos, lo mismo pasa con el Mercedes Clase-A del año 2002. El
siguiente es el Honda FXC Clarity del año 2008 que tiene un peso de 1625Kg y una pila
de combustible de 100KW. Del año 2003 el que mejor ratio tiene es el Opel HydroGen3
y en el año 2006 el Hyundai Tucson.
Gráfico 5. Potencia de la PEM por masa total del vehículo. Elaboración propia
El siguiente ratio que vamos a analizar es la velocidad máxima de cada vehículo entre
la potencia que da su pila de combustible.
VW Bora
Mercedes Clase-A Opel HydroGen3
Hyundai Tucson
Honda Clarity Mercedes CLase-B
Hyundai ix35
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015
Rat
io K
W d
e la
PEM
/Kg
veh
ícu
lo
Año de lanzamiento del vehículo
KW de la PEM por masa total del vehículo
2002
2004
2006
2008
2013
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
64
Como vemos el coche que tiene mayor ratio es el Audi A2H2 del año 2004 que con sus
66KW es capaz de llegar a los 175Km/h, esto es debido al poco peso del Audi (apenas
1100Kg) y a que tiene una batería de 38KW como fuente de potencia supletoria. El
siguiente modelo con mejor ratio es el Fiat Panda del 2006 que con su pila de
combustible de 60KW llega a una velocidad de 130km/h, además este Fiat no lleva
ninguna batería secundaria que acompañe a la pila de combustible con lo que su
motor eléctrico consume todo lo que le proporciona la pila de combustible.
El Mitsubishi Grandis del año 2003 fue hasta la fecha el mejor de su gama. Alcanzando
una velocidad de 140Km/h con una pila de combustible de 68KW y más de 2000Kg de
peso. De entre los vehículos del 2008 el que mayor ratio tiene es el Suzuki SX4-FCV con
una velocidad de 150Km/h, una pila de combustible de 80KW y un peso de 1350Kg. En
el año 2010 Mercedes-Daimler consiguió que su Clase-B alcanzara una velocidad de
180Km/h. Fue el coche de pila de combustible más rápido después del Ford P2000 y
algún otro prototipo de carreras. El Mercedes utiliza una pila de 90KW y una batería de
1,4KWh.
No se ha incluido en el gráfico el Peugeot H2Origin que con una pila de combustible de
10KW es capaz de llegar a los 100Km/h. Debería ser el que mejor ratio tuviera sin
embargo, lleva instalada una batería de 34KW que da más potencia que la propia pila
de combustible por lo tanto no se puede comparar con el resto en este sentido.
Gráfico 6. Máxima velocidad por KW de la PEM. Elaboración propia
Honda FXC
Mitsubishi
Audi A2H2
Fiat Panda
Suzuki SX4 Mercedes Clase-B
Hyundai ix35
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
1999 2004 2009 2014
Rat
io K
m/h
/KW
Año de lanzamineto del vehículo
Km/h por KW de la PEM
2002
2004
2006
2008
2013
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
65
4. Conclusiones y resumen.
4.1 Balance de los ratios. Los ratios anteriores sirven para analizar cómo de bueno es el coche de hidrógeno, es
decir; cómo de bien aprovecha el fabricante cada kilogramo de hidrógeno, la potencia
de su pila de combustible y cómo de bien está construido. Sin embargo hay otros
factores que pueden repercutir en la decisión de lanzar al mercado un vehículo de pila
de combustible.
En los años 2006, 2007 y 2008 fueron muchos los coches de pila de combustibles que
se desarrollaron. El que más éxito tuvo y por eso el que comenzó a comercializarse en
Los Ángeles fue el Honda FCX Clarity. Esto es debido a que fue el primer coche con pila
de combustible de 100KW y con motor eléctrico de 100KW. Además lleva almacenado
un total de 4kg de hidrógeno a 350bar lo que le otorga una autonomía de 450Km. Si lo
comparamos con uno de sus competidores, el Volkswagen Tiguan del 2008 podemos
ver que aunque la pila de combustible es también de 100KW, la cantidad de hidrógeno
que puede almacenar es menor, 3,2Kg de hidrógeno y sólo 230Km de autonomía. En
cuanto al par que desarrolla, el Clarity da uno de 256Nm y el Tiguan 220Nm.
Del análisis hecho anteriormente, podemos ver cómo Toyota cada año ha ido
mejorando sus vehículos, reduciendo su peso e incrementando las prestaciones hasta
que vio en el Clarity una oportunidad sin precedente para poner su coche de pila de
combustible en el mercado.
Año 2008 Honda FCX Clarity VW Tiguan
Velocidad máxima 160 km/h 150 Km/h Autonomía 450 km 230 km
Aceleración 0-100 Km/h 11 segundos 14 segundos Potencia de la pila de
combustible 100 KW 80KW o 100 KW
combinada con la batería Sistema almacenamiento
del hidrógeno Depósito de hidrógeno gas comprimido de 171 L o 4Kg
Depósito de hidrógeno gas comprimido de 3,2 kg
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
350 bar 700 bar
Potencia auxiliar Batería de litio Batería de litio Par máximo 256 Nm 220 Nm
Potencia del motor eléctrico
100 KW 100 KW
Tabla 35. Comparación de dos vehículos del año 2008. Elaboración propia
Como ya se ha visto Hyundai ha desarrollado el último modelo en vehículo movido por
pila de combustible, el ix35. Tienen pensado poner en el mercado 1000 coches en el
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
66
año 2015 a un precio aproximado de 50.000€. El principal motivo de que se haya
conseguido poner en el mercado este modelo es la bajada de precio con una
autonomía, una velocidad, un par y una aceleración comparada con la de un coche
movido por pila de combustible. Comparemos ahora el Hyundai ix35 de gasolina en el
2013 con el de pila de combustible.
Año 2013 Hyundai ix35 FCEV Hyundai ix35 ICE CRDI 2.0
Velocidad máxima 160 Km/h 182 Km/h Autonomía 594 Km 900 Km aprox.
Aceleración 0-100 Km/h 12,6 segundos 10,8 segundos Potencia de la pila de
combustible 100 KW 136 CV (100 KW)
Sistema almacenamiento del hidrógeno
Tanques de hidrógeno gas comprimido de 5,64 Kg o
75L
58L de diesel
Presión de almacenamiento del
hidrógeno
700 bar -
Potencia auxiliar Batería de litio de 24KW - Par máximo 300 Nm 320 Nm/1800 rpm
Potencia del motor eléctrico
100 KW -
Precio 50000 € 28.250 € Peso 2290 Kg 1458 Kg
Tabla 36. Comparación un mismo modelo de coche, de FC y de diesel. Elaboración propia
Podemos ver que además de en el precio, el vehículo de hidrógeno tiene que mejorar
todavía mucho en cuanto autonomía. Claro está que, a largo plazo el modelo de pila de
combustible puede ser más rentable, esto dependerá del precio al que se encuentre el
litro de combustible hidrógeno.
4.2 Estado de la hibridación. La membrana electrolítica de protones (PEM) se ha estado desarrollando a un ritmo
muy alto en los últimos años, sin embargo tiene dos limitaciones todavía; el precio y la
duración. El coste de un motor de combustión interna se estima entre 25 y 30 $/KW;
ahora mismo los sistemas de pila de combustible son cinco veces más caros que estos.
Esto es debido a que los materiales y los costes de fabricación por catálisis, placas
bipolares y membranas son todavía muy caros. Por otro lado, se espera que las células
de pila de combustible sean tan fiables y duraderas como un coche de combustión
interna, por ejemplo de 5000 horas. Incluyendo rangos de operación a diferentes
condiciones de temperaturas y climas. [46]
Las pilas de combustible prefieren trabajar a régimen constante y lograr su máximo
rendimiento a cargas parciales. Sin embargo, un vehículo requiere una amplia gama de
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
67
valores de potencia para adaptarse a las condiciones a las que lo somete el usuario. La
hibridación de los vehículos con pila de combustible es una buena solución a este
problema. Es decir, el usar batería o supercondensadores cuando la demanda de
potencia es grande, como en las aceleraciones. Una configuración en hibridación como
se ha visto que presentan la mayoría de los vehículos estudiados presenta las
siguientes ventajas. [46]
1) Una pila de combustible más pequeña significa menor coste
2) La pila de combustible podría operar en su punto de rendimiento óptimo la
mayor parte del tiempo
3) La vida útil de las pilas de combustible sería mayor
4) Los diseñadores de pilas de combustible sería capaces de optimizar las celdas
según la potencia y no según los ciclos de vida
5) Se eliminaría la descarga completa de las baterías lo que mejoraría la vida de
estas.
6) Permitiría un arranque más rápido del vehículo
7) Permitiría recuperar la energía cinética de la frenada para cargar la batería
Las desventajas de la hibridación sería un vehículo más complejo, incremento del peso,
complejidad del sistema de control del vehículo y un mayor coste total del coche. [46]
4.3 Tecnologías competidoras. Las previsiones de duración de los supercondensadores son excelentes, tienen una
vida útil de décadas y pueden cargarse y descargarse sin problema cuantas veces se
quiera. La vida de las baterías, por ejemplo las de litio es todavía un problema. Se
estima en 7 años y una pérdida de su capacidad de un 5% anual. Esta esperanza de
vida se estima en 2000 ciclos al 80% de su profundidad de descarga antes de que haya
perdido el 20% de su energía. El número de ciclos es inversamente proporcional a la
profundidad de descarga, es decir que podría durar 4000 ciclos al 40%. [46]
Las pilas de combustible se evalúan en función del número de horas que están
funcionando hasta que pierden el 10% de su potencia. La última generación de pilas de
combustible de Ford, Daimler y General Motors tienen una duración de entre 800h y
1100h, esto corresponde a recorrer entre 33600km y 44800Km. La fiabilidad de los
vehículos de pila de combustible también tiene que seguir mejorado ya que algunos
pueden perder entre el 10-25% de su potencia en las primeras 300 horas de uso, es de
decir en sus primeros 13000km. [46]
El precio del coche de hidrógeno es el factor fundamental para que tenga una
aceptación por parte del usuario. Toyota ha reducido el precio de sus vehículos de pila
de combustible desde 2005 de 1 millón de dólares a 100.000 dólares y esperan seguir
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
68
reduciéndolo hasta tener beneficios en el 2015. El precio de los coches de batería se
espera que se reduzca menos, un 50% en los próximos 10 años frente al 75% de las
pilas de combustible. Se espera que para 2020 un coche con una batería de 25KWh
cueste entre 6000$ y 10.000$ dando unas prestaciones similares a los de pila de
combustible. Estos costes están lejos de compararse con los de un coche de
combustión interna. Sin embargo una bajada del precio de los vehículos eléctricos
podría suscitar el desarrollo masivo de estos en el mercado. [46]
En la siguiente figura comparamos los diferentes tipos de vehículos en términos de su
coste, su funcionamiento y sus emisiones de . Los modelos elegidos son los
representativos de su clase y representan las tecnologías más avanzadas hasta el año
2010.
Tabla 37. Comparación de los modos de propulsión de los coches actuales. [46]
4.4 Perspectivas de las PEMFC En cuanto a rendimiento; un alto rendimiento de conversión es muy importante y
afecta al rendimiento total. Se debe maximizar el rendimiento a expensas de otros
retos, como pudieran ser tener rangos altos de densidad de energía; ya que el
rendimiento afecta al tamaño, peso y coste. [46]
Los supercondensadores actualmente son los más eficientes, ya que tienen un
rendimiento de entre el 90% y el 98% dejando poco margen de mejora. El rendimiento
de las baterías se ha mejorado sustancialmente. Se ha pasando de las de ácido (con un
rendimiento de entre el 75%-85%) y las de NiMH (65%-85%) a las de litio (90%-94%)
que compiten con los supercondensadores. Por eso los últimos modelos de vehículos
de hidrógeno incluyen este tipo de baterías. El rendimiento de las pilas de
combustible se estima que sea en 2015 del 60% y es muy posible que se consiga ya que
el rendimiento medio de los fabricantes de pila de combustible es del 52% y el mayor
de todos es del 57%. [46]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
69
4.5 Hidrógeno frente a la gasolina Ahora vamos a comparar el hidrógeno líquido y gaseoso como combustible con la
gasolina. Las densidades energéticas de la gasolina son y
mientras las del hidrógeno ya vimos que eran y . Suponemos un
depósito de 50 litros de gasolina, el material del tanque ocupa un volumen
despreciable y pesa 40 kg. Se puede apreciar que un sistema de hidrógeno líquido
ocuparía 3,8 veces más que uno de gasolina y pesaría 3,7 veces más, mientras que uno
gaseoso a 700 bares ocuparía 6,5 veces más y pesaría 5,5 veces más. Es importante
notar que en el caso del hidrógeno líquido el 93% del peso del sistema se debe al
tanque y el 7% al hidrógeno que contiene, mientras que en el caso del hidrógeno
gaseoso a 700 bares, el 95,3% del peso se debe al depósito y sólo el 4,7% al hidrógeno.
En cuanto al volumen, tanto para el hidrógeno gaseoso a 700 bares como para el
hidrógeno líquido, aproximadamente el 56% del volumen se debe al hidrógeno y el
44% al espesor del cilindro y al espacio perdido en los extremos del cilindro. Por otro
lado, sólo el hidrógeno, sin el sistema de almacenamiento, supone 6,1 veces más en
volumen en el caso del hidrógeno gaseoso a 700 bares y 3,7 veces más en el caso del
hidrógeno líquido que un sistema de gasolina. [44]
De este ejemplo se pueden sacar varias conclusiones en cuanto a utilizar hidrógeno en
los vehículos.
Por sus propiedades físicas, el hidrógeno como combustible de vehículos,
almacenado como gas o como líquido, no podrá ofrecer las mismas
prestaciones que la gasolina en cuanto a volumen.
En cuanto al peso, el problema se debe a los tanques de almacenamiento y no
al propio hidrógeno.
Por ello, el almacenamiento condicionará fuertemente el diseño de los
vehículos de hidrógeno o éstos sólo podrán ofrecer autonomías sensiblemente
inferiores a los actuales.
Económicamente hablando, unos valores habituales y orientativos para almacenar
hidrógeno serían los siguientes: para presión de 200 bar puede costar 250 €/kg de
hidrógeno de capacidad, mientras que uno de tipo III puede costar 1.000 €/kg si es
para 350 bar y hasta 1.700 €/kg si es para 700 bar. Por lo que se puede sacar otra
conclusión.
El coste de los sistemas de almacenamiento de hidrógeno es muy elevado,
sobre todo gaseoso, por la necesidad de utilizar materiales como fibras de
vidrio o de carbono. [44]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
70
4.6 Otras limitaciones. Ya hemos hablado de las limitaciones y las desventajas que hoy en día presenta un coche de hidrógeno. Para que el sistema energético de los países desarrollados se base en el hidrógeno es fundamental la introducción del vehículo de pila de combustible. Como ya vimos en la introducción de este trabajo la economía basada en el hidrógeno requiere que éste se empiece a producir a partir de fuentes renovables de energía. Una solución sería que la electricidad sobrante de las horas de baja demanda se utilizara para generar hidrógeno, que se almacenará y se utilizará posteriormente, bien para generar electricidad durante las horas de alta demanda, bien para la propulsión de vehículos. [44] Son varios los países que participan activamente en la creación de infraestructuras de
hidrógeno, como los países del Norte de Europa, Alemania, Italia y los Estados Unidos.
Hasta la fecha en Europa hay 80 estaciones de hidrógeno, en Norte América 72, y en
Corea 13. [47]
Noruega, Suecia y Dinamarca forman la “Scandinavian Hydrogen Highway Partenrship
(SHHP)” que colaborando con otros países del Norte de Europa están fomentando la
creación de redes de hidrógeno para los vehículos de pila de combustible. Su objetivo
es crear 27 estaciones de hidrógeno que permitan a los consumidores de la zona el
poder usar esos vehículos y adquirir hidrógeno combustible más fácilmente.
El “Italian Hydrogen Highway Project” está trabajando con el SHHP para crear una red
de hidrógeno que conecte Escandinavia, Italia y Alemania. El objetivo de este proyecto
es crear infraestructuras de hidrógeno que permita a los vehículos de pila de
combustible desplazarse libremente por toda Europa. [47]
En la imagen de abajo se puede ver en verde las estaciones de hidrógeno que están
operando, en amarillo las que se están construyendo y en gris las que no están
operativas.
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
71
Figura 49. Hidrogeneras europeas actuales. [48]
Si en España se quiere la introducción del coche de hidrógeno es imprescindible que
haya infraestructuras preparadas para dos cosas, una; la producción de hidrógeno y
dos las estaciones de servicio donde estos vehículos puedan repostar.
En el mapa de arriba se observan las estaciones que están operando actualmente.
1) En Sevilla con el “Proyecto Hércules” desde el año 2006. Permite recarga de
vehículos de hidrógeno con tanques de 350 bar.
2) Estación Don Quijote situada en Albacete. Tiene capacidad para repostar
vehículos y autobuses a 350 bar.
3) Estación “Walqa” en Huesca permite recargar el depósito de un vehículo o de
un autobús de hidrógeno a 350 bar. [48]
En los años venideros se seguirán creando hidrogeneras, puesto que muchos países
están poco a poco preparándose para la futura comercialización de los vehículos de
pila de combustible.
Actualmente, el hidrógeno es más caro que las fuentes de energía tradicionales. La
eficiencia en la producción debe mejorar, y la infraestructura para transportar y
distribuir el hidrógeno de forma eficiente debe ser desarrollada. [50]
Análisis de vehículos basados en pila de combustible alimentados por hidrógeno
72
5. Referencias.
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