Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible

Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 1 RESUMEN. Este proyecto realiza un estudio sobre la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno como sistema energético capaz de sustituir a las fuentes de energía convencionales, afrontar la disminución de las reservas existentes de combustibles fósiles y disminuir los efectos del cambio climático reduciendo la emisión de contaminantes tóxicos a la atmósfera. Se analiza la metodología de funcionamiento de las pilas de combustible, sus principales componentes y las diversas tipologías existentes. Una vez efectuado este análisis, se expone la situación actual en la que se encuentra dicha tecnología y se analizan las implicaciones de la conversión de una economía basada en los combustibles fósiles a una economía basada en el hidrógeno y las pilas de combustible. La implantación de esta tecnología requiere grandes infraestructuras físicas y económicas, especialmente en el transporte y la distribución del hidrógeno, aunque un cambio demasiado radical podría originar importantes perturbaciones económicas. Resulta necesaria una estrategia para beneficiarse al máximo de tecnologías de transición y permitir que las pilas de combustible puedan utilizar las infraestructuras actuales. Se estudiarán los campos de aplicación de esta tecnología, tales como aplicaciones estacionarias en los sectores doméstico e industrial, aplicaciones portátiles y generación autónoma de electricidad, y se profundizará en el sector de la automoción, a causa de la gran cantidad de emisión de contaminantes y de gases de efecto invernadero que este sector produce. Mediante una comparativa entre la implantación de las pilas de combustible como sistema propulsor de un vehículo y la tecnología convencional de motores alternativos de combustión interna, se deduce que las pilas de combustible son adecuadas para introducirse en el sector de la automoción y que mejoran globalmente a la tecnología existente en la actualidad. Finalmente, se realiza un estudio de los componentes principales de un prototipo que funcione mediante esta tecnología, realizando un especial énfasis en el sistema de propulsión, el sistema de control y transmisión de datos y en el diseño del chasis. Pág. 2 Memoria Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 3 ÍNDICE. GLOSARIO........................................................................................................7 PREFACIO........................................................................................................21 INTRODUCCIÓN..............................................................................................23 Objetivo del proyecto...........................................................................23 Alcance del proyecto............................................................................23 1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE..25 2. DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA DE PILAS DE COMBUSTIBLE........30 2.1. Generalidades............................................................................................30 2.2. Partes integrantes de un sistema de pila de combustible..........................32 3. COMPARATIVA ENTRE LA TECNOLOGÍA DE PILAS DE COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO APLICADA A LA AUTOMOCIÓN (PCHA) Y LOS MOTORES ALTERNATIVOS DE COMBUSTIÓN INTERNA (MACI)...................................................................36 3.1. Parámetros fundamentales de un sistema de pilas de combustible.........37 3.1.1. Cálculo de las pérdidas de polarización por activación.............49 3.1.2. Cálculo de las pérdidas por polarización óhmica......................49 3.1.3. Cálculo de las pérdidas de polarización por concentración......50 3.1.4 Variables que influyen en el comportamiento de una célula de combustible..................................................................................................................52 Pág. 4 Memoria 3.2. Metodología de diseño a aplicar para la comparativa de tecnologías..................54 3.3. Conclusiones del QFD.........................................................................................55 4. MODIFICACIONES A INTRODUCIR EN UN VEHÍCULO PROPULSADO MEDIANTE PILAS DE COMBUSTIBLE....................................................................................................56 4.1. Componentes.......................................................................................................56 4.2. Sistema de propulsión mediante pila de combustible...........................................58 4.2.1. Descripción del sistema de pila de combustible...................................58 4.2.2 Elementos de la pila...............................................................................60 4.2.3. Alternativas para el sistema de almacenamiento del hidrógeno...........62 4.2.4. Problemática del sistema de almacenamiento de hidrógeno líquido....63 4.2.5. Características del depósito de almacenamiento de hidrógeno líquido.64 4.2.6. Características del sistema de almacenamiento de hidrógeno comprimido en depósitos presurizados................................................................................................64 4.3. Sistema eléctrico de tracción...............................................................................64 4.3.1. Alternativas para el sistema de tracción..............................................64 4.3.2. Descripción del sistema de tracción escogido.....................................65 4.4. Sistema de control.................................................................................................65 4.4.1. Funcionalidad.......................................................................................65 Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 5 4.4.2. Tecnología de control por cable................................................66 4.4.3. Puerto de conexión...................................................................66 4.4.4. Descripción de la tecnología by wire........................................67 4.4.5. Seguridad..................................................................................67 4.4.6. Descripción del sistema de transmisión de datos.....................67 4.5. Unidad de control X-Drive.........................................................................79 4.5.1. Descripción...............................................................................79 4.5.2. Funcionamiento........................................................................79 4.5.3. Aplicaciones..............................................................................81 4.6. Chasis, carrocería y estructura.................................................................82 4.6.1. Descripción del chasis..............................................................82 4.6.2. Descripción de la carrocería.....................................................84 4.7. Nivel sonoro..............................................................................................86 4.8. Integrantes del diseño y desarrollo del vehículo.......................................86 4.9. Costes...........................................................................................................87 4.9.1. Coste del sistema de pila de combustible....................................87 Pág. 6 Memoria Conclusiones........................................................................................................91 Agradecimientos...................................................................................................93 Bibliografía............................................................................................................95 Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 7 GLOSARIO. En este apartado se adjunta la normativa vigente de aplicación sobre la pilas de combustible de hidrógeno, además de un listado con el significado de símbolos, unidades, acrónimos y términos presentes en el proyecto que pueden ser de dificil comprensión para los lectores de este documento. Normativa vigente de aplicación sobre las pilas de combustible de hidrógeno. • ANSI Z21.83 Centrales de células de combustible de gas natural y propano. • ANSI CSA FC 1 Sustituye a la ANSI Z21.83 incluyendo la mayor parte de combustibles gases y líquidos (vigencia: mayo, 2.003). • ANSI CSA FC 3 Generadores portátiles. • NFPA 70 Artículo 692, National Electrical Code. • NFPA 54 National Fuel Gas Code. • NFPA 31 Instalación de equipos quemadores de fuel. • NFPA 853 Instalación de centrales de pilas fijas mayores de 50 kW . • UL 1741 Inversores, convertidores y controladores de sistemas de energía independientes. • IEEE P 1547 Interconexión de fuentes distribuidas con la red. Pág. 8 Memoria SIMBOLOGÍA. c carrera del cilindro, expresada en ( ) m. ce consumo específico, expresado en       kJ kg . m C velocidad media del pistón, expresada en       s m. d diámetro del cilindro, expresado en ( ) m. adm ρ densidad del aire en la admisión a la cámara de combustión, expresada en       3 m kg . dg diferencial de la función Energía Libre de Gibbs, expresada en         kg kJ . O dg diferencial de la función Energía Libre de Gibbs en condiciones estándar (T=298 K y p=1 atm ), expresada en         kg kJ . dh diferencial de la función Entalpía, expresada en         kg kJ . O dh diferencial de la función Entalpía en condiciones estándar (T=298 K y p=1 atm ), expresada en         kg kJ . Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 9 du diferencial de la función Energía Interna, expresada en         kg kJ . ds diferencial de la función Entropía, expresada en         ⋅kgK kJ . dp diferencial de presión, expresado en ( ) Pa . Su equivalencia es      =2 m N Pa . dT diferencial de temperatura termodinámica, expresado en ( ) K. dV diferencial de potencial eléctrico, expresado en ( ) V. Su equivalencia es      =A W V. − e ión electrón. o E potencial estándar en condiciones estándar (T=298 K y p=1 atm ), expresado en () V. f o g∆ variación de la función Energía Libre de Gibbs de formación en condiciones estándar (T=298 K y p=1 atm ), expresada en         kg kJ . f o h∆ variación de la función Entalpía de formación en condiciones estándar (T=298 K y p=1 atm ), expresada en         kg kJ . o s∆ variación de la función Entropía en condiciones estándar (T=298 K y p=1 Pág. 16 Memoria pulgada unidad de longitud. Su equivalencia es ( ) cmadapu 5,2lg1 = . rpm unidad de velocidad angular, expresada en revoluciones por minuto. Su equivalencia es      ⋅ ⋅ =s rad rpm 60 2 1 π . tm unidad de masa, expresada en toneladas métricas. Su equivalencia es ( ) kgtm 3 101 =. T unidad de temperatura termodinámica, expresada en grados Kelvin () K. W unidad de trabajo, expresado en joules ( ) J. Su equivalencia es () mNJ ⋅= . € unidad monetaria oficial de la Unión Europea, denominada euro. ACRÓNIMOS. AC Alternating Current. Es el sistema de corriente alterna. Es aquella corriente eléctrica de sentido alterno, cuya intensidad varía periódicamente con el tiempo y tiene un valor medio nulo. ACEA Asociación de Constructores Europeos de Automóviles. AFC Alcaline Fuel Cell. Son las células de combustible alcalinas. APU Auxiliar Power Unit. Son las unidades auxiliares de potencia. CEA Comisariado Europeo del Automóvil. CIEMAT Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas. Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 17 CPU Central Processor Unit. Es la unidad de procesamiento central. DC Direct Current. Es el sistema de corriente continua. Es aquella corriente eléctrica cuya intensidad no varía de sentido y se mantiene constante en un circuito que no tenga derivaciones. DSC Dynamic Stability Control. Es el control dinámico de estabilidad. HTR High Temperature Reactor. Es el reactor nuclear de alta temperatura. MACI Motor Alternativo de Combustión Interna. MCFC Son las células de combustible con carbonato fundido. MEA Membrane Electrode Assembly. Es la membrana de ensamblaje de electrodos. MEC Motor de Encendido por Compresión. MEP Motor de Encendido Provocado. PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell. Son las células de combustible de ácido fosfórico. PC Personal Computer. Es el ordenador personal. PEMFC Polymer Electrolite Membrane Fuel Cell o Proton Exchange Membrane Fuel Cell, se conoce con ambas terminologías. Son las células de combustible con membrana de intercambio de protones o polímero sólido. PTFE Politetrafluoretileno. QFD Quality Function Deployment. Es el desplieque de la función de calidad. SAI Sistema de Alimentación Ininterrumpida. Pág. 18 Memoria SOFC Solid Oxid Fuel Cell. Son las células de combustible con óxidos sólidos. UITP Unión Internacional de Transporte Público. TERMINOLOGÍA. Ánodo electrodo por donde entra la corriente eléctrica en el electrolito. Autoblocante sistema de bloqueo automático de un elemento o mecanismo. Catalizador cuerpo que provoca una acción por la que una sustancia aumenta o disminuye la velocidad de una reacción química encontrándose inalterada al final del proceso. Cátodo electrodo de salida de la corriente eléctrica en el electrolito. Composite sustancia constituida por dos o más elementos diferentes. Criogénica conjunto de dispositivos destinados a la producción de bajas temperaturas. Destilación separación por medio del calor de una sustancia volátil en otras, en un dispositivo adecuado, y posterior condensación por enfriamiento. Drive by wire sistema de conducción por cable. Dosado proporción establecida entre la masa de combustible y de aire que se introduce en el interior de la cámara de combustión. Efecto invernadero fenómeno natural, causado por la presencia de gases en la atmósfera, principalmente vapor de agua y gas carbónico que retienen parte de la energía recibida del sol, manteniendo la temperatura de la atmósfera en unos 15º C de promedio. La actividad humana tiende a aumentar la concentración de 2 CO y otros gases en la atmósfera y, por lo tanto, a retener una mayor cantidad de energía solar, elevando la temperatura promedio del planeta. Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 19 Electrodo cada uno de los conductores que ponen en comunicación los polos de un electrolito con el circuito. Los electrodos pueden emitir electrones (cátodo) o bien absorberlos (ánodo). Electrólisis descomposición química producida por una corriente eléctrica. Electrolito cuerpo que en estado líquido puede ser descompuesto por una corriente eléctrica. Electrolizador sistema de producción de hidrógeno por electrólisis del agua. Energía eólica energía producida por el viento. Energía renovable clases de energía que se regeneran de manera natural y que son prácticamente inagotables en el tiempo(biomasa, eólica, solar, hidráulica, geotérmica, oceánica). EU15 grupo constituido por los 15 países más poderosos económicamente de la Unión Europea. Hidrólisis reacción del tipo ácido-base, que tiene por efecto el desdoblamiento de una molécula por acción del agua. Hidruro metálico forma ideal de almacenamiento a presiones comprendidas entre 6 y 10 atmósferas que liberan lentamente el hidrógeno en un proceso endotérmico al calentar suavemente. Inversor conversor de la corriente continua que generan las placas a corriente alterna para adaptarse a la corriente alterna de la red eléctrica de 220 V50 H z . Ión partícula cargada eléctricamente y formada por un átomo o grupo de átomos que han ganado o perdido uno o varios electrones. D I + Investigación y Desarrollo. Pág. 20 Memoria Joystick palanca de mando. Laptops ordenador portátil. Licuefacción transformación de un gas en líquido. MEA conjunto electrodo-membrana de 1 mm de espesor, que está estructurado en forma de sandwich, consistiendo en una membrana conductora de iones polimérica recubierta de electrodos planos con capas interpuestas de catalizador de platino y que incorporan una hoja de papel de carbón o una tela de fibra de carbón formando capas de difusión de gas. Osmótica tipo de presión ejercida sobre una membrana semipermeable por una disolución. Protocolo de Kyoto convención marco de las Naciones Unidas sobre el cambio climático del 11/12/1.997 que estableció las bases para la limitación de producción de gases de efecto invernadero en la atmósfera en las actividades humanas. Reacción oxidación proceso anódico por el cual se extraen electrones o se añaden cargas positivas a átomos o a iones. Reacción reducción proceso catódico por el que se incorporan electrones o se añaden cargas negativas a los átomos o a los iones. Reformador componente de las pilas de combustible que extrae el hidrógeno de los hidrocarburos combustibles, mediante un catalizador. Voladizo parte de una estructura que no reposa directamente sobre una base o que sobresale de un plano vertical. X-Drive denominación de una unidad de conducción por cable. Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 21 PREFACIO. Orígen del proyecto. La demanda mundial de energía está creciendo a un ritmo alarmante. Se predice un crecimiento medio de la energía primaria en el mundo del 1,8% anual durante el período 2.0002.030. Este incremento de demanda se satisface fundamentalmente utilizando las reservas de combustibles fósiles, que emiten gases de invernadero y otros contaminantes. Estas reservas, por otra parte, irán encareciéndose a medida que vayan disminuyendo. El abastecimiento seguro de energía constituye un problema importante. Los combustibles fósiles, en particular el petróleo, se producen sólo en determinadas zonas del mundo, por lo que la continuidad del abastecimiento se ve gobernada por factores políticos, económicos y ecológicos. Estos factores conspiran para que los precios del combustible resulten volátiles, y a menudo elevados, al tiempo que la política de medio ambiente exige una reducción de los gases de invernadero y de las emisiones tóxicas. Los países industrializados deberían liderar el desarrollo de nuevos sistemas energéticos que puedan contrarrestar esta tendencia. Resulta necesaria una estrategia energética coherente que tenga en cuenta el ciclo de vida completo de la energía, incluyendo la producción, transmisión y distribución del combustible y la conversión energética, así como el impacto sobre los fabricantes de equipos energéticos y los usuarios finales de los sistemas de energía. A la vista de los avances de la tecnología, los fabricantes de vehículos y componentes, los transportistas, la industria de la energía e incluso los particulares están pensando seriamente en adoptar combustibles y fuentes de energía alternativas y en tecnologías más eficientes y limpias, en particular, el hidrógeno y las pilas de combustible alimentadas por hidrógeno. Por este motivo, el presente proyecto trata de analizar las bases en las que se fundamenta la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno, como alternativa a las fuentes de energía concebidas mediante combustibles fósiles. Pág. 22 Memoria Motivación. Conseguir una calidad de vida elevada y sostenible constituye la justificación básica para desear un suministro de energía limpio, seguro, fiable y estable a nivel mundial. Para garantizar un marco económico competitivo, los sistemas energéticos han de satisfacer a precios asequibles las siguientes necesidades sociales: • Mitigar los efectos del cambio climático. • Reducir la producción de contaminantes tóxicos. • Hacer frente a la disminución de las reservas de petróleo. El hecho de no satisfacer estas necesidades tendrá importantes consecuencias adversas para la economía, el medio ambiente y la salud pública. Por consiguiente, es necesario introducir medidas que fomenten un uso más eficiente de la energía y el suministro de energía a partir de una proporción creciente de fuentes libres de carbono. Una de estas posibles medidas es la aplicación de nuevos vectores energéticos y de una nueva tipología de combustibles. Ambos factores se reúnen en las pilas de combustible de hidrógeno. Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 23 INTRODUCCIÓN. Objetivos del proyecto. Este proyecto pretende estudiar la tecnología basada en las pilas de combustible, que en la actualidad se presenta como uno de los dispositivos más eficientes para producir electricidad y fomentar el desarrollo de la energía sostenible. Se pretende analizar su funcionamiento, sus principales componentes, sus diferentes tipologías y sus campos de aplicación. Posteriormente, se pretende determinar la situación actual y realizar una previsión de la evolución que experimentarán en las próximas décadas. Este estudio se complementa mediante tablas, fórmulas, esquemas y gráficos. El proyecto se centra en la aplicación de las pilas de combustible al sector de la automoción realizando inicialmente una comparativa entre la tecnología convencional existente en este sector y la tecnología basada en las pilas de combustible y finalmente una descripción de las modificaciones que se deberían introducir en un vehículo para que éste pudiera albergar un sistema de propulsión impulsado por pilas de combustible. Esta fase destaca por el uso de abundante formulación, que permite deducir las variables más destacadas de cada tecnología, y de imágenes y esquemas de los componentes de la propuesta realizada para facilitar su interpretación. Alcance del proyecto. Se pretende incidir especialmente en el funcionamiento de las pilas de combustible, en sus diversas tipologías, en sus aplicaciones, en el proceso evolutivo que están experimentando y en el proceso comparativo de tecnologías aplicadas a la automoción. Debido a la diversidad temática que se han pretendido abarcar en este proyecto, se ha realizado una descripción general de los componentes principales del vehículo para que funcione mediante pilas de combustible, en lugar de analizar en profundidad dichos componentes, ya que ello habría implicado aumentar considerablemente la extensión del análisis de este proyecto. El diseño del vehículo planteado pretende ofrecer una idea general más intuitiva del prototipo. Cabe mencionar que no se ha pretendido efectuar un diseño exhaustivo de todos los elementos Pág. 24 Memoria del vehículo, sino que se ha pretendido dar una idea general del diseño y la ubicación de los componentes principales en el chasis y la carrocería del automóvil. Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 25 1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE. Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que transforman energía química directamente en energía eléctrica, sin existir combustión y con un elevado rendimiento. Sin partes móviles internas, las pilas de combustible requieren el suministro continuo de combustible (normalmente 2 H) para la producción de electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde fuera de la pila. En cambio, las pilas de combustible se asemejan a las baterías, ya que ambas están compuestas de dos electrodos (uno positivo, el cátodo, y otro negativo, el ánodo) con un conductor electrolítico entre ellos. El sistema opera con dos tipos de gases, combustible y oxidante, que pasan a través de las superficies del ánodo y cátodo opuestas al electrolito respectivamente, como se puede apreciar en la Fig. 1.1, y generan energía eléctrica por oxidación electroquímica del combustible, generalmente hidrógeno, y por reducción electroquímica del oxidante, normalmente oxígeno. Se transforma entonces la energía química, almacenada en el enlace H H − de la molécula 2 H, en energía eléctrica y vapor de agua. Este concepto nuevo ofrece ventajas sustanciales sobre la tecnología convencional de combustión, no solamente por el aumento de la eficiencia hasta niveles de 30-40% sino también porque la única emisión producida es vapor de agua. El combustible y el oxidante se combinan en forma química mediante una reacción del tipo isotérmica para producir un trabajo eléctrico. En este tipo de operación, al realizarse isotérmicamente, las limitaciones termodinámicas para el rendimiento no existen. El combustible y el oxidante no se colocan juntos, sino que la operación se realiza mediante un electrodo, ya que en general, al juntar un combustible y un oxidante, las reacciones no son del tipo isotérmico. Existen dos reacciones que ocurren en electrodos separados. En la superficie de un electrodo, se ioniza el combustible y envía los electrones liberados a un circuito externo. En la superficie del otro electrodo ocurre una reacción que acepta los electrones que le son enviados por el circuito eléctrico externo y éstos, cuando se combinan con el electrolito, crean iones. Los iones de cada reacción se combinan en el electrolito para completar la reacción total. Pág. 32 Memoria 2.2. Partes integrantes de un sistema de pila de combustible. Las partes integrantes de un sistema de pila de combustible son las siguientes: • Procesador de combustible. • Pila de células de combustible. • Acondicionador de potencia. En el procesador de combustible, el combustible puede ser hidrógeno, gas o líquido reformado. El elemento de potencia es una pila formada por células y placas de electrodo interconectadas. El número de células puede variar entre 10 y 100 y su superficie está comprendida entre 100 y 300 2 cm . La potencia generada varía de 1 kW a 100 kW . En el caso de pilas operando con aire a 2 H, la densidad de potencia más alta es del orden de 1         kg kW . La corriente continua de salida es convertida a corriente alterna mediante el acondicionador de potencia. La alimentación continua de aire e hidrógeno y la eliminación del calor producido, se consiguen mediante los siguientes dispositivos: • Sistema de alimentación del combustible. • Cilindro de 2 H a presión y controlador de presión. • Procesador de combustible (reformador y purificador de gas). • Sistema de reserva para picos de potencia a arranque. • Compresor o ventilador de aire para el cátodo. • Circuito de refrigeración. Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 33 • Separador de agua de los gases de salida del cátodo. • Bomba opcional para reinyectar el gas de escape del ánodo. El acondicionador de potencia se compone de los siguientes dispositivos: • Convertidor CC/CA. • Inversor CC/CA. • Filtro de líneas de CA. • Carga de red eléctrica de CA. Estos inversores, convertidores y controladores empleados en sistemas de potencia independientes conectados a la red eléctrica están regidos por la norma UL 1741. Fig. 2.4. Esquema de un sistema de pila de combustible. Fuente: Departamento de Energía de Estados Unidos. Pág. 34 Memoria Fig. 2.5. Flujo de un sistema de pila de combustible. Fuente: Departamento de Energía de Estados Unidos. En las figuras Fig. 2.4 y Fig. 2.5 se aprecian el esquema y el flujo de un sistema de pila de combustible, respectivamente. El estudio de las pilas de combustible realizado en este proyecto se complementa en el Anexo A, en el cual se analizan las diferentes tipologías de pilas de combustible, sus componentes principales, se efectúa un análisis más exhaustivo del tipo de pila de combustible aplicado a la automoción y se destacan las ventajas y los inconvenientes de esta tecnología. En el Anexo B de este proyecto se adjunta la documentación referente al estudio del proceso de expansión que están desarrollando las pilas de combustible, así como un estudio de las aplicaciones que presentan en la actualidad y en un futuro cercano las pilas de combustible. 2.3. Conclusión. • Las células de combustible presentan numerosas ventajas respecto a los sistemas de producción energética basados en combustibles fósiles y/o derivados del petróleo. Algunas de estas ventajas son: Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 35  Las células pueden combinarse mediante una distribución modular en serie y en paralelo para producir el voltaje y la potencia deseados.  Permiten la admisión de distintos combustibles para su funcionamiento.  Admiten la posibilidad de la cogeneración.  El rendimiento en el proceso de producción y transformación de energía que tiene lugar es mayor que mediante el procedimiento de combustión directa de los hidrocarburos.  Capacidad de producción de energía eléctrica a partir de un combustible de manera continua.  Ínfimo nivel de emisión de contaminantes.  Surgen como una nueva fuente energética constituyendo uno de las principales sustitutivos de las combustibles fósiles y posibilitan una diversificación de las fuentes de energía existentes.  Tienen un extenso ciclo de vida debido a que no contienen elementos móviles. Pág. 36 Memoria 3. COMPARATIVA ENTRE LA TECNOLOGÍA DE PILAS DE COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO APLICADA A LA AUTOMOCIÓN (PCHA) Y LOS MOTORES ALTERNATIVOS DE COMBUSTIÓN INTERNA (MACI). Se procede a realizar un estudio comparativo entre la tecnología innovadora de las pilas de combustible de hidrógeno aplicadas a la automoción (PCHA) y la tecnología predominante desde finales del siglo XIX hasta la actualidad en el campo de la automoción, que son los motores alternativos de combustión interna (MACI). Esta comparativa permitirá deducir con argumentos objetivos y consistentes si las PCHA son potencialmente capaces de actuar como un producto sustitutivo de los MACI en un futuro inminente debido a la escasez de reservas a nivel mundial de los combustibles necesarios para el funcionamiento de este tipo de motores (combustibles fósiles). Para proceder al estudio comparativo de ambas tecnologías, y dado que sus principios de funcionamiento, características y propiedades son muy diferentes, se ha procedido a analizar las variables y magnitudes que influyen de forma más determinante en el funcionamiento desarrollado por ambas tecnologías, argumentando cómo las posibles modificaciones de estas variables y los parámetros que las condicionan pueden repercutir en las prestaciones obtenidas en cada tecnología, hecho que permitirá adquirir un mayor conocimiento del comportamiento de ambas concepciones tecnológicas. Una vez analizadas las principales variables que influyen en el comportamiento de cada tecnología, se realizará una ponderación de las cualidades que presenta cada tecnología en los diferentes ámbitos posibles de estudio que permitirán extraer unas conclusiones sobre las ventajas y limitaciones de cada tecnología. En primer lugar, se procede al análisis de los parámetros más determinantes para el funcionamiento de la tecnología de los motores alternativos de combustión interna (MACI) (este estudio se realiza en el Anexo C). Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 37 Una vez analizados los MACI, se realiza el estudio de los parámetros más determinantes para el funcionamiento de las PCHA. 3.1. Parámetros fundamentales de un sistema de pilas de combustible. La determinación del funcionamiento real de una pila de combustible se realiza delimitando en primer lugar su funcionamiento ideal y calculando posteriormente las pérdidas que tienen lugar en ella. Las ecuaciones de Nernst (ver Tabla 3.1) permiten determinar el funcionamiento ideal de una pila de combustible, obteniendo de este modo el valor del voltaje teórico para determinadas condiciones de trabajo. Las variables que afectan a este voltaje ideal son la temperatura, la composición de los gases y la presión de trabajo. Tabla 3.1. Ecuaciones de Nernst. El funcionamiento ideal de una pila de combustible depende de las reacciones electroquímicas que se producen con los diferentes combustibles y con el oxígeno. Este hecho implica que las diversas tipologías de pilas de combustible presenten un funcionamiento ideal diferente. Para calcular las prestaciones ideales de las pilas de combustible, se ha de tener en cuenta que cada electrodo tiene un potencial diferente del de la tierra (potencial cero por convenio) OHOH 222 2 1→⋅+ [] 2 20 2 0ln 2 ln 2O H HP F TR P P F TR EE ⋅       ⋅ ⋅ +       ⋅       ⋅ ⋅ += () () ac COOHCOOH 22222 2 1+→+⋅+ () [] 22 220 2 0ln 2 ln 2COO COH HPP F TR PP P F TR EE ⋅⋅       ⋅ ⋅ +       ⋅ ⋅       ⋅ ⋅ += 22 2 1COOCO →⋅+ [] 2 2 0ln 2 ln 2O CO CO P F TR P P F TR EE ⋅       ⋅ ⋅ +       ⋅       ⋅ ⋅ += 2224 22 COOHOCH +⋅→⋅+ ()() () [] 2 2 2 2 20 4 0ln 8 ln 8O COH CH P F TR PP P F TR EE ⋅       ⋅ ⋅ +         ⋅ ⋅       ⋅ ⋅ += Pág. 38 Memoria y la fuerza electromotriz (fem) de la pila será la diferencia entre los potenciales de los electrodos. A partir de la teoría de Nernst de la presión de disolución electrolítica se pueden determinar estos potenciales electródicos. Se denomina presión de disolución a la tendencia de un metal a desprender iones en una solución. A la presión de disolución se opone la presión osmótica de los iones de la solución, que tienden a depositarse de nuevo sobre el metal. El efecto de la concentración iónica sobre el potencial electródico, en voltios, viene dado, según Nernst, por la ecuación Ec. 3.1.              ⋅         ⋅ ⋅ =P p Fy TR Eln (Ec. 3.1) donde p es la presión osmótica del ión, P la presión de disolución del metal, R la constante de los gases, T la temperatura absoluta, 1 = F Faraday, e y la valencia del ión. El desarrollo de esta expresión para las distintas reacciones que tienen lugar en las diferentes pilas de combustible permite obtener las expresiones de la Tabla 3.1, donde 0 E es el potencial estándar (1 atm , 25º C) para una concentración igual a 1. El potencial estándar ideal de una reacción         2 2 O H es de 1,229 V (este valor se muestra en los textos referentes a electroquímica como el potencial de oxidación del 2 H). Este potencial ideal para esta reacción decrece con la temperatura. A continuación, se va a obtener la expresión del primer parámetro importante de este estudio: el voltaje ideal en circuito abierto que genera la célula. Para ello, se ha de partir de la expresión del trabajo eléctrico realizado por una célula de combustible. Dicho trabajo eléctrico es el producto de la cantidad de carga ( ) e Q que pasa por la célula por mol de combustible, y del potencial electrostático ideal i V que desarrolla la célula de combustible. Cuando se conecta una carga a los dos polos o terminales, se produce una corriente que puede calcularse mediante la ley de Ohm. Los voltajes teóricos que producen las Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 39 reacciones de estas células normalmente se hallan entre 1,0 V y 1,3 V (de corriente continua) con 1 kW a 2 kW por metro cuadrado de electrodo. Por tanto, tenemos que: ieelec VQW ⋅−= (Ec. 3.2) El signo negativo indica que el trabajo eléctrico lo hace el sistema sobre los alrededores. La cantidad de carga e Q es igual al número de moles de electrones ( ) e N producidos por la reacción de la célula de combustible, por mol de combustible, multiplicado por el número de coulombios por mol de electrones, F ( F: constante de Faraday). Por tanto, FNQ ee ⋅ = (Ec. 3.3) Donde queda, dgVFNW ieelec = ⋅⋅−= (Ec. 3.4) o bien, FN dg V e i⋅ − = (Ec. 3.5) La cantidad dg es negativa en las reacciones de las células de combustible, por lo que el voltaje ideal i V tiene un valor positivo. El valor de la constante de Faraday es:       =⋅= − )( 487.96 10602,1 )( 10023,6 1923 electronesgmol Coulomb electrón Coulombx electronesgmol electronesx F Si este valor se multiplica por la identidad, CoulombVoltJoule 111 ⋅ = , entonces F es igual a       ⋅⋅ )( 487.96 electronesgmolKiloVolt KiloJoule . Pág. 40 Memoria Así, la ecuación (Ec. 3.5) se convierte en: 96487⋅ − = e iN dg V (Ec. 3.6) Donde dg se expresa en kilojoules por kilogramos-mol y i V se expresa en voltios. El valor de e N se puede determinar si se conocen las reacciones que ocurren en cada uno de los electrodos. El número de moles de electrones e N que se producen durante la reacción de la célula de combustible por mol de combustible se puede determinar como sigue. En las células de combustible que funcionan con cualquier hidrocarburo yx HC y oxígeno 2 O, se deben considerar las semirreacciones. En el ánodo los reactivos son yx HC y el agua del electrolito, y los productos son dióxido de carbono gaseoso, iones hidrógeno y electrones. Ánodo: () ( ) ( ) −+ ++++→+ eyxHyxxCOOHxHC yx 442 22 En el cátodo, los electrones y los iones hidrógeno reaccionan con el oxígeno que se introduce en la célula para formar agua. Cátodo: ()() OH y xeyxHyxO y x22 2 244 4     +→++++      +−+ La reacción química total se puede escribir como: OH y xCOO y xHC yx 222 22       +→      ++ Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 41 Esto es simplemente la suma de las reacciones en el ánodo y en el cátodo. En cualquier hidrocarburo que no contenga oxígeno en su fórmula, el número de electrones e N liberados por moléculas de combustible yx HC es: () yxNe+= 4 Una vez obtenido el voltaje ideal que genera la célula, se procede a calcular la eficiencia ideal de una célula de combustible. La eficiencia térmica se define como la suma de la energía producida relativa al cambio en la energía química almacenada que ocurre cuando el combustible reacciona con el oxidante. La siguiente expresión lo resume:       =dh E h (Ec. 3.7) En el caso de un convertidor electroquímico, como es el caso de una pila de combustible, la energía libre de Gibbs es la energía disponible a la temperatura a la que se produce la conversión. Por lo tanto, su eficiencia ideal viene determinada por la siguiente ecuación:       =dh dg h (Ec. 3.8) La relación entre dg y dh viene dada por la expresión: dsTdhdg ⋅ − = . Es decir, asociada a toda reacción se produce una variación de entropía en el sistema que se traduce en calor al medio. Dado que la reacción electroquímica no puede aprovechar este calor para generar trabajo, el rendimiento máximo teórico se encuentra acotado por este concepto. Trabajando con los valores estándar (T=298 K y p=1 atm ) para la reacción         2 2 O H se obtienen los siguientes valores: Pág. 48 Memoria ( ) ( ) ∑∑ ∆−∆= ii reactivos ifi productos ifi gvgvdg ,, (Ec. 3.22) Una vez obtenidos los parámetros más importantes para el funcionamiento ideal de la célula, se procede a considerar los factores que influyen en el comportamiento de las células de combustible reales ya que en la operación real, existen varios efectos irreversibles dentro de la célula que reducen en gran medida su voltaje terminal. Para ello, se calculan las pérdidas que tienen lugar en dichas células, que son debidas a tres tipos de polarización: polarización por activación (o polarización química), polarización óhmica y polarización por concentración. La magnitud de cada uno de estos efectos es función de la densidad de corriente () i J. En la Fig. 3.1. se aprecia mediante una gráfica estos tres tipos de pérdidas que ocurren en las células de combustible. Estas pérdidas determinan el voltaje real del sistema, que viene definido por: PérdidasEV −= (Ec. 3.23) Conviene incrementar el potencial del ánodo y disminuir el del cátodo, para lograr una diferencia de potencial lo mayor posible. Sin embargo, las pérdidas afectan de manera que el potencial en cada electrodo es el teórico menos las pérdidas en el electrodo: electrodoelectrodoelectrodo hEV ± = (Ec. 3.24) siendo electrodo h la suma de las pérdidas por activación y por concentración. Por lo tanto, el voltaje de la célula quedará según la expresión siguiente: óhmicaánodocátodocélula hVVV −−= (Ec. 3.25) Desarrollando esta expresión, se obtiene: óhmicaánodocátodoánodocátodocélula hhhEEV − +−−= (Ec. 3.26) A continuación, se procede a calcular cada una de estas pérdidas de forma específica. Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 49 3.1.1. Cálculo de las pérdidas de polarización por activación. Este fenómeno se produce cuando el índice de la reacción electroquímica en la superficie del electrodo está controlado por la cinética de éste. Cuando hay una baja densidad de corriente, estas pérdidas son las que predominan. Este tipo de pérdida expresa el descenso del voltaje a partir de una ecuación semiempírica denominada de Tafel:                 ⋅       ⋅⋅ ⋅ = o i i Fna TR hln (Ec. 3.27) donde a es el coeficiente de transferencia de los electrones de la reacción en el electrodo mientras que el valor de o i es el intercambio de densidad de corriente. La activación de polarización surge de los cambios químicos que ocurren en la superficie de los electrodos así como de los efectos de adsorción y deserción sobre la superficie. 3.1.2. Cálculo de las pérdidas por polarización óhmica. Se trata de la resistencia del flujo de iones en el electrolito y la resistencia de los electrones a través de los materiales de los electrodos. Las pérdidas en el electrodo se reducen por la disminución de la separación del electrodo y por el aumento de la conductividad iónica del electrolito. Ambos, tanto el electrodo como el electrolito, obedecen la ley de Ohm, por lo que las pérdidas vienen descritas por la siguiente expresión: I R P ⋅= (Ec. 3.28) donde I es el flujo de corriente a través de la célula y R es la resistencia total de la célula, incluyendo la electrónica, iónica y la resistencia de contacto. Estas pérdidas son proporcionales a la corriente, por lo que aumentan al incrementar la intensidad de corriente. Pág. 50 Memoria 3.1.3. Cálculo de las pérdidas de polarización por concentración. Debido a que el reactivo es consumido en el electrodo por la reacción electroquímica existe una pérdida de potencial debida a la incapacidad del material de alrededor de mantener la concentración inicial del volumen de fluido, es decir, se forma un gradiente de concentración. La polarización por concentración se origina por dichos gradientes de concentración que se establecen en el electrolito y en las corrientes de gas que tienen lugar alrededor de los electrodos. A este problema, pueden contribuir diversos procesos como son: • Lenta difusión en la fase gas en los poros de los electrodos. • Solución o disolución de los reactivos o productos dentro o fuera del electrolito. • Difusión de los reactivos o productos a través del electrolito del lugar de la reacción oxidante al lugar de reacción reductora. Este fenómeno se puede describir mediante la siguiente expresión:      −⋅       ⋅ ⋅ =il i tn TR h1ln (Ec. 3.29) donde i es el índice de transporte de masa en la superficie del electrodo y il es la medida del índice máximo en que un reactivo puede ser administrado al electrodo. Operando con los valores de i y de il se obtiene la siguiente relación, donde Cs es la concentración superficial y Cb el volumen de concentración:      −=       il i Cb Cs 1 (Ec. 3.30) Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 51 La ecuación de Nernst para las especies reactivas en condiciones de equilibrio o cuando no hay corriente fluyendo es la siguiente: () Cb Fn TR EEiln0 0⋅       ⋅ ⋅ +== (Ec. 3.31) Cuando la corriente fluye, la concentración superficial es menor que el volumen de concentración y la ecuación de Nernst se transforma en la siguiente: () Cs Fn TR EE ln 0⋅       ⋅ ⋅ += (Ec. 3.32) La diferencia de potencial dE producida por el cambio de concentración en los electrodos es la llamada concentración de polarización:       ⋅       ⋅ ⋅ =Cb Cs tn TR hln (Ec. 3.33) A partir de esta ecuación y sabiendo la relación existente entre Cs y Cb se obtiene la expresión (Ec. 3.30). En este análisis de la polarización por concentración, la hipótesis inicial es que la polarización por activación se mantiene despreciable. La reacción de transferencia de carga tiene un alto intercambio de densidad de corriente que hace que la polarización por activación sea despreciable en comparación con la polarización por concentración. Una vez analizados los parámetros más destacados de la célula de combustible, se procede a calcular la expresión de la potencia obtenida mediante una célula. De este modo, la potencia P proporcionada por una célula de combustible es ( ) ε ⋅ I, por tanto, se obtiene la expresión: () () () f Fz TRI RIIP se ln 2 2⋅       ⋅ ⋅⋅⋅ +⋅−⋅= ε (Ec. 3.34) Pág. 52 Memoria donde el primer término de la derecha sería la potencia producida por la célula si ésta retuviese su fem de equilibrio al producir corriente. El segundo término es la potencia generada normalmente en forma de calor por la resistencia del electrolito. El tercer término es el descenso de la diferencia de potencial en los electrodos debido a la producción de corriente. 3.1.4 Variables que influyen en el comportamiento de una célula de combustible. El funcionamiento de las células se ve afectado por las variables de operación (temperatura, presión, composición de los gases, reactivos utilizados y densidad de corriente) y por otros factores (impurezas, ciclo de vida) que influyen en el potencial ideal de la célula y en las pérdidas de voltaje descritas anteriormente. Algunos parámetros afectan de forma positiva en un sentido y negativa en otro. Un ejemplo lo es la densidad de corriente, que puede aumentarse para lograr una pila menor, pero esto implica una disminución del voltaje, afectando también al rendimiento. Por lo tanto, es importante adecuar los parámetros a la aplicación que se dará a la pila. Por otro lado, modificar ciertos parámetros puede hacer más eficiente la pila pero puede generar costes asociados que se deben valorar, como puede ser el aumento de presión de los gases. • Temperatura y presión. La influencia de la presión y la temperatura sobre el comportamiento de la célula se analiza mediante la variación de la energía libre de Gibbs ( ) dg . Esta variación viene determinada por la derivada de esta variable en función de o la temperatura o la presión, obteniendo las siguientes expresiones:       ⋅ =       Fn ds dT dE P (Ec. 3.35)       ⋅ − =         Fn dV dp dE T (Ec. 3.36) Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 53 Debido a que la variación de la entropía para la reacción         2 2 O H es negativa, el potencial para dicha reacción disminuye con un incremento de la temperatura. Un incremento de la temperatura es beneficioso para el funcionamiento de la célula, ya que incrementa el índice de la reacción, baja la resistencia de la célula presentando una conductividad iónica en el electrolito mayor y presenta un mayor índice de transferencia de masa. Pero este incremento de temperatura también presenta algunos problemas en los componentes de la célula. En el ánodo, los problemas están relacionados con el material, ya que se produce corrosión, mientras que el electrolito presenta problemas de degradación y pérdidas por evaporación. Finalmente, los catalizadores presentan problemas de recristalización. Debido a que la temperatura es una variable termodinámica de real importancia para el estudio de las células, se presentan en las figuras Fig. 3.4 y Fig. 3.5 dos gráficas importantes que justifican la variación del potencial respecto a la temperatura: Fig. 3.4.. Gráfica del potencial ideal vs. la temperatura. Fuente: Fuel Cells 2.000. Fig. 3.5. Dependencia del voltaje inicial de operación de las diversas tipologías de pilas de combustible respecto a la temperatura. Fuente: Fuel Cells 2.000. Pág. 54 Memoria Por otra parte, al aumentar la presión mejoran aspectos como la solubilidad del gas y un aumento en los índices de transferencia de la masa, además de paliar el problema de la evaporación en el electrolito. Por lo tanto, aumenta la eficiencia de la célula. Sin embargo, aumentar la presión también implica problemas de materiales, de fugas, de resistencia o de deposición de carbono, entre otros. En conclusión, los parámetros de temperatura y presión mejoran el rendimiento de la célula al aumentar su valor, pero implican problemas tecnológicos importantes, que deben valorarse. • Composición de los gases. Los reactantes utilizados y su composición tienen un gran impacto sobre el comportamiento de la célula. De las expresiones de Nernst se deduce que una pila con mayor concentración de combustible y oxidante produce un mayor voltaje. La modificación de la composición del gas entre la entrada y la salida significa una reducción del voltaje debido a que el potencial del electrodo queda determinado por el menor potencial para las diferentes composiciones del gas, dado que los electrodos son superficies equipotenciales. Los cambios en la composición del gas afectan más a alta temperatura que a baja temperatura. 3.2. Metodología de diseño a aplicar para la comparativa de tecnologías. A continuación, una vez descritos los parámetros y componentes más determinantes y representativos en un MACI y en una PCHA, se procede a analizar cual es el diseño que mejor optimiza las necesidades de los clientes en la actualidad, hecho que permitirá conocer si la incorporación de la tecnología de pilas de combustible a la automoción es adecuada. Para realizar dicho análisis, se aplicará un proceso de diseño denominado QFD (Quality Function Deployment) a cada uno de los dos sistemas de estudio y se valorarán los resultados obtenidos. Los resultados del QFD realizado a los MACI y a las PCHA se muestran en el Anexo C. Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 55 3.3. Conclusiones del QFD. En función del análisis del QFD realizado a cada tecnología a comparar, se extrae como conclusión global que la tecnología de PCHA, tanto en términos de satisfacer mejor las necesidades del cliente y reflejarlo así en el diseño final del automóvil como en optimizar las especificaciones técnicas para el desarrollo y fabricación final del producto, mejora a la tecnología de los MACI y es más adecuada para la elaboración de automóviles en el presente y en un futuro inminente, debido a que iguala y mejora muchas de las prestaciones de los vehículos actuales, dotados de tecnología MACI, y se muestra como una solución aceptable para resolver la problemática de la escasez de recursos de combustibles fósiles existentes en la naturaleza, que son la base de los combustibles empleados en la tecnología MACI. Así pues, una vez determinado que la tecnología de pilas de combustible es una buena solución para el diseño de un automóvil, a continuación, se procede al estudio de los sistemas y elementos de los que debería componerse un vehículo que estuviera alimentado mediante pilas de combustible de hidrógeno. Pág. 56 Memoria 4. MODIFICACIONES A INTRODUCIR EN UN VEHÍCULO PROPULSADO MEDIANTE PILAS DE COMBUSTIBLE. En este apartado se procede a analizar las modificaciones a introducir en un vehículo diseñado en su totalidad mediante el sistema de propulsión de pilas de combustible respecto a un vehículo convencional que funcione con un motor alternativo de combustión interna. 4.1. Componentes. En primer lugar, se procede a enumerar los componentes esenciales de un automóvil que incorpore la tecnología de pilas de combustible. Dichos elementos son los siguientes: • Parachoques frontal o zona delantera de absorción. • Parachoques trasero o zona trasera de absorción. • Sistema de propulsión mediante pila de combustible. • Sistema de almacenamiento de combustible. • Sistema eléctrico de tracción. • Sistema de disipación del calor. • Sistema de control. • Unidad de control X-Drive. • Puerto de conexión. Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 57 • Dispositivo de sujeción. • Chasis. • Carrocería configurable. Para hacer más comprensible el esquema del vehículo que se está exponiendo, se adjunta un gráfico en la Fig. 4.1 que refleja la composición del chasis de un automóvil prototipo que se impulse mediante pilas de combustible. Fig. 4.1. Esquema de un los componentes de un prototipo que funciona mediante pilas de combustible de hidrógeno. Fuente: General Motors. A continuación, se procede a describir los principales componentes de este automóvil. 4.2. Sistema de propulsión mediante pila de combustible. El sistema de propulsión está compuesto por un sistema de almacenamiento de hidrógeno, la Pág. 64 Memoria 4.2.5. Características del depósito de almacenamiento de hidrógeno líquido. La boca de llenado de este depósito de combustible (ver Fig. 4.5) es de acero inoxidable, y en ella se almacena el hidrógeno en estado líquido a una temperatura de -253º C. El depósito de doble pared tiene una capacidad de 68 litros o 4,6 kg de hidrógeno. Su interior está aislado de la conductividad térmica por vacío entre las paredes exteriores e interiores. Existen unas finas capas de láminas de aluminio que protegen adicionalmente de la radiación de calor. Fig. 4.5. Visualización de la boca de llenado del depósito de combustible de un vehículo que posea un sistema de almacenamiento de hidrógeno. Fuente: Asociación Española de Hidrógeno. 4.2.6. Características del sistema de almacenamiento de hidrógeno comprimido en depósitos presurizados. El sistema de depósito de alta presión destaca por no incluir juntas, por su revestimiento interior impermeable al hidrógeno, su cubierta de fibra de carbono de altas prestaciones en material compuesto de carbono, así como por su blindaje protector patentado. 4.3. Sistema eléctrico de tracción. 4.3.1. Alternativas para el sistema de tracción. Existen dos propuestas para definir el sistema de tracción del vehículo: la diferencia esencial Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 65 entre ellas es el número de motores eléctricos del vehículo, ya que en la primera opción, el sistema de tracción consta de un único motor montado transversalmente en el chasis; desde este motor, se transmite la potencia necesaria a cada una de las ruedas para que éstas avancen permitiendo el movimiento del automóvil. Por otra parte, en la segunda opción, existen cuatro pequeños motores eléctricos, ubicados en cada una de las ruedas. El diseño escogido se centrará en la primera propuesta, si bien, posteriormente, se mostrará el diseño de un prototipo basado en la segunda alternativa. 4.3.2. Descripción del sistema de tracción escogido. En la primera propuesta, el sistema eléctrico de tracción del automóvil se encuentra compactado en un único módulo y está compuesto por un inversor, un motor eléctrico y una transmisión con freno de estacionamiento y diferencial. Dicho sistema de tracción está colocado entre el transformador de corriente continua y el árbol de transmisión y su peso es de 92 kg . Un transformador de corriente continua aumenta el voltaje producido por el sistema de pila de combustible, que está comprendido entre 125 V y 200 V, y lo convierte hasta unos valores entre 250 V y 380 V; posteriormente, esta corriente continua es transformada por una unidad de potencia electrónica en corriente alterna y es conducida al motor trifásico asíncrono montado transversalmente en el chasis. Este motor genera un pico de potencia máxima de 60 kW (equivalente a 82 CV ), proporciona un par máximo de 215 mN ⋅ a un régimen de giro máximo de 12.000 rpm y permite la tracción delantera del vehículo, la cual se realiza a través de un engranaje planetario y con una relación de transmisión de 8,67:1, llevando a las ruedas un par máximo de 1.864 mN ⋅. 4.4. Sistema de control. 4.4.1. Funcionalidad. Es el cerebro del vehículo. El sistema de control es un ordenador central cuya ubicación es el centro del chasis del vehículo. Esta computadora controla las funciones de transmisión mecánica (mediante un sistema de conducción por cable, también denominado drive by wire), Pág. 66 Memoria telemática, informática, suspensión y climatización del automóvil. Asimismo, controla el sistema eléctrico de tracción del vehículo. 4.4.2. Tecnología de control por cable. Un elemento esencial de esta nueva filosofía de fabricación de automóviles es la implementación de la tecnología de control por cable, que posibilita la sustitución del control mecánico por el control electrónico de la dirección, los frenos y otras funciones esenciales del vehículo. Es decir, en este automóvil no existen uniones mecánicas entre los componentes principales del vehículo (dirección, frenos, ruedas y otros), ya que se controlan de forma electrónica a través de un cable que actúa como sistema de conexión. 4.4.3. Puerto de conexión. La computadora conecta con los sistemas electrónicos del vehículo (climatización, dirección, potencia y frenos) a través de un único sistema de conexión o puerto universal situado en la parte central del chasis, que actúa como centro electrónico de comunicación del automóvil y transfiere electrónicamente las señales de control y la distribución de potencia de manera efectiva entre la carrocería y el chasis. Al usar únicamente conexiones y controles electrónicos, el sistema by wire simplemente se enchufa al puerto de conexión en el chasis del automóvil. Este puerto central es una de las características clave del diseño del sistema eléctrico y trabaja de la misma manera básica que un puerto USB en un ordenador personal: transmite una corriente constante de las señales electrónicas procedentes del comando del regulador del automóvil y de los demás sistemas electrónicos a la computadora central, así como señales de retorno de la computadora al regulador y a los restantes sistemas. 4.4.4. Descripción de la tecnología by wire. La tecnología de conducción por cable traduce los comandos designados por el conductor a impulsos eléctricos. Por ejemplo, si el conductor gira uno de los mandos de la unidad de control del conductor, los sensores existentes en el mando detectan este movimiento digital y lo convierten en una señal electrónica digital que se transmite a una unidad de accionamiento electromecánico inteligente que controla las ruedas para que ejecute sobre ellas el movimiento realizado por el conductor sobre el mando de la unidad de control. El mismo principio se puede aplicar a los sistemas de freno y cambio de marchas. Este sistema dista mucho del sistema empleado por los vehículos convencionales, en los cuales, los movimientos realizados por el Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 67 conductor con el volante se transmiten mecánicamente a las ruedas. La aplicación de la tecnología by wire a la transmisión permite liberar al vehículo de los pesados elementos que llevan la potencia hasta los ejes y confía su motricidad a un motor eléctrico que actúa sobre las ruedas. El sistema de conducción by wire simplifica el mantenimiento, pues el software que presenta esta tecnología permite personalizar el tipo de manejo, ya que se puede ajustar la dirección, el frenado y la aceleración; hacer esta selección será tan sencillo como instalar un nuevo programa. El sistema de conducción por cable sigue los conceptos de vuelo por cable aplicados con éxito en la industria aeroespacial, donde las órdenes se transmiten digitalmente desde la cabina del piloto a través de un cable eléctrico que va a las diferentes partes del avión. Por tanto, se trata de la tecnología de la aviación incorporada a aplicaciones de automoción. 4.4.5. Seguridad. Una de la grandes preocupaciones existentes en los vehículos que incorporan esta tecnología es la seguridad. Debido a que no existe conexión física entre el conductor y los elementos mecánicos del automóvil, una avería eléctrica significaría la pérdida total de control del mismo. Para que este sistema sea viable, el vehículo necesita fuentes de alimentación de reserva y acoplamientos electrónicos redundantes. La existencia de estos sistemas de seguridad convertirán a los automóviles impulsados mediante esta tecnología en mucho más seguros que los vehículos convencionales, debido a que la computadora o sistema de control central tendrá sistemas auxiliares de emergencia para supervisar la señal de entrada efectuada por el conductor. 4.4.6. Descripción del sistema de transmisión de datos. El sistema de transmisión de datos utilizado en el vehículo es el CAN-bus (Controller Area Network (red de área de controlador)) y su principio de fundamento se basa en que las diversas centralitas de control estén interconectadas e intercambien datos con la unidad central de control ubicada en el chasis. Con este tipo de transmisión de datos, se transmite toda la información a través de dos cables independientemente de la cantidad de centralitas de control existentes y de la cantidad de información transmitida. Por este motivo es conveniente transmitir Pág. 68 Memoria los datos con un sistema CAN-bus cuando se intercambia una gran cantidad de información. El CAN-bus de datos representa un modo de transmitir los datos que comunica las diferentes centralitas de control con la unidad central de control en un sistema global interconectado. Cuanto mayor es la cantidad de información que recibe una centralita de control acerca del estado operativo del sistema global, tanto mejor puede ajustar al conjunto sus funciones específicas. El CAN-bus se basa en un sistema multiplexado que permitiría disminuir el coste y el peso del cableado en el interior del automóvil, aportaría flexibilidad posibilitando que pudieran añadirse nuevos equipos sin necesidad de cables adicionales y además sería fácil de mantener y verificar. En este sistema multiplexado, el controlador central (CPU) se comunicaría con otras estaciones o centralitas (ECU’s) a través de un bus común en serie. La SAE (Society of Automotive Engineers) ha definido tres grandes categorías de buses en serie, basadas en las necesidades de distintas aplicaciones. • Clase A. Un sistema de baja velocidad (< 10 Kbits/s) para aplicaciones simples que involucran control básico de actuadores como luces, cierre centralizado, elevalunas eléctricos o alarmas. • Clase B. Un sistema de velocidad media (10-100 Kbits/s) que canalizaría la información de controladores del sistema de propulsión y del motor eléctrico (nivel de combustible, sensores de presión o temperatura), sistema de climatización o sistema de control XDrive. • Clase C. Sistema de alta velocidad (100 Kbits/s - 1 Mbit/s). Cubre las necesidades de transferencia de información en tiempo real para el sistema de frenado o airbag. Las ventajas de la utilización de un bus de datos son: • Si el protocolo de datos ha de ser ampliado con información suplementaria, solamente se necesitan modificaciones en el software. • Un bajo porcentaje de errores mediante una verificación continua de la información transmitida, por parte de las estaciones de control, y mediante protecciones adicionales en los protocolos de datos. Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 69 • Menos sensores y cables de señales gracias al uso múltiple de una misma señal de sensores. • Es posible una transmisión de datos muy rápida entre las estaciones de control y el sistema de control principal. • Más espacio disponible, mediante conectores más compactos para las centralitas de control. Los componentes que integran el CAN-bus de datos son un controlador, un transceptor, dos elementos finales del bus y dos cables para la transmisión de datos. Con excepción de los cables del bus, todos los componentes están alojados en las estaciones de control y en la unidad central de control. A continuación, se comentan las funciones realizadas por cada uno de estos elementos. El controlador CAN recibe del microprocesador, en la unidad de control, los datos que han de ser transmitidos. Los acondiciona y los pasa al transceptor CAN. Asimismo recibe los datos procedentes del transceptor CAN, los acondiciona asimismo y los pasa al microprocesador en la unidad de control. El transceptor CAN es un transmisor y un receptor. Transforma los datos del controlador CAN en señales eléctricas y transmite éstas sobre los cables del CAN-bus. Asimismo, recibe los datos y los transforma para el controlador CAN. El elemento final del bus de datos es una resistencia. Evita que los datos transmitidos sean devueltos en forma de eco de los extremos de los cables y que se falsifiquen los datos. Los cables del bus de datos funcionan de forma bidireccional y sirven para la transmisión de los datos. Se denominan con las designaciones CAN-High (señales de nivel lógico alto) y CAN-Low (señales de nivel lógico bajo). En la Fig. 4.6 se pueden apreciar los componentes de un sistema CAN-bus de datos. Pág. 70 Memoria Fig. 4.6. Integrantes de un sistema CAN-bus de datos. Fuente: Intel Corporation. Se ha de destacar que al trabajar con el CAN-bus no se define el destinatario de los datos, sino que se transmiten a bordo del bus y generalmente los reciben y analizan todos los abonados. A continuación se expone el desarrollo de un ciclo de transmisión de datos: • Proveer datos. La unidad de control provee los datos al controlador CAN, para su transmisión. • Transmitir datos. El transceptor CAN recibe los datos del controlador CAN, los transforma en señales eléctricas y los transmite. • Recibir datos. Todas las demás centralitas de control que están interconectadas a través del CAN-Bus se transforman en receptores. • Revisar datos. Las centralitas de control revisan si necesitan los datos recibidos para la ejecución de sus funciones o si no los necesitan. • Adoptar datos. Si se trata de datos importantes, la estación de control en cuestión los adopta y procesa; si no son importantes, los desprecia. En la Fig. 4.7. se aprecia el desarrollo de un ciclo de transmisión de datos. Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 71 Fig. 4.7. Desarrollo de un ciclo de transmisión de datos. Fuente: Intel Corporation. En el área de confort del automóvil, el CAN-bus intercomunica actualmente las estaciones de control del sistema de confort. Estas unidades son las siguientes: • una unidad de control central (CPU). • cuatro estaciones de control de puertas. Se transmiten datos acerca de las siguientes funciones del sistema CAN-bus de confort: • Cierre centralizado. • Elevalunas eléctricos. • Iluminación de los mandos de la unidad X-Drive. • Retrovisores regulables y calefactables eléctricamente. • Sistema de autodiagnóstico. Por lo respecta a la configuración del CAN-bus en el sistema de confort, se ha de destacar que Pág. 72 Memoria los cables de las estaciones de control confluyen en forma de estrella, en un punto. La ventaja reside en que, si se avería una de las centralitas de control, las demás pueden seguir transmitiendo sus protocolos de datos. Las ventajas que ofrece el CAN-bus en el sistema de confort son las siguientes: • Se conduce una menor cantidad de cables a través de las uniones desacoplables en las puertas. • Si ocurre un cortocircuito con masa, con positivo o mutuo entre los cables, el CAN-bus pasa a la función de emergencia y cambia a funcionamiento monoalámbrico. • Se necesitan menos cables para diagnósticos, porque todo el autodiagnóstico se gestiona a través de la unidad de control central. El CAN-bus de datos en el área de tracción del vehículo intercomunica: • la centralita de control de los sensores del motor eléctrico. • la centralita de control para el sistema de frenado. • la centralita de control para la relación de transmisión. Con cada datagrama se transmiten actualmente diez protocolos de datos, de los cuales, cinco de ellos pertenecen a la unidad de control de sensores del motor eléctrico, tres a la unidad de control para el sistema de frenado y dos a la unidad de control para la relación de transmisión. La ventaja que ofrece el CAN-bus de datos en el área de tracción del automóvil es una alta velocidad de transmisión. Debido a ello, las estaciones de control están informadas con gran exactitud acerca del estado operativo momentáneo del sistema global y pueden ejecutar sus funciones de forma óptima. Para poder utilizar los datos de forma óptima en el área de tracción, es preciso que se transmitan muy rápidamente. A esos efectos se necesita un transceptor de gran capacidad. Este transceptor permite la transmisión de los datos entre dos ciclos de Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 73 encendido. Debido a ello ya es posible utilizar los datos recibidos para el siguiente impulso de encendido. El CAN-bus de datos transmite un protocolo de enlace de datos entre las estaciones de control en intervalos de tiempo breves. Este protocolo está compuesto por siete secciones. El protocolo de enlace de datos consta de un gran número de bits enlazados. La cantidad de bits de un protocolo depende del tamaño del campo de datos. En la Fig. 4.8 se muestra la estructura de un protocolo de enlace de datos. Se aprecia que el protocolo es idéntico en ambos cables del bus. Para simplificar la explicación, se muestra en las figuras Fig. 4.8. y Fig. 4.9 un solo cable del bus de datos. Un bit es la unidad de información mínima (un estado de conmutación por unidad de tiempo). En electrónica, esta información básicamente sólo puede tener el valor “0“ ó “1“ o, respectivamente, “Sí“ o “No“. Fig. 4.8. Estructura de un protocolo de enlace de datos. Fuente: Intel Corporation. Seguidamente, se describen las siete secciones del protocolo de enlace de datos que tiene lugar en el vehículo. El campo de comienzo del datagrama marca el comienzo del protocolo de enlace de los datos. En el cable CAN-High se transmite un bit con aproximadamente 5 V (en función del sistema) y en el cable CAN-Low se transmite un bit con aproximadamente 0 V. En el campo de estado se define la prioridad del protocolo. En el caso de que hubieran dos estaciones de control que intentan transmitir simultáneamente su protocolo de datos, se concede la preferencia al protocolo de prioridad superior. En el campo de control se especifica Pág. 80 Memoria eléctrico viajará por un cable hasta los accionadores mecánicos existentes en cada rueda, que serán los encargados de accionar el freno, con lo que ya no es necesario empujar un líquido dentro de un conducto y así presionar con él las pinzas del freno mediante el accionamiento de un pedal. Esto implica que no existe un circuito hidráulico que tenga su origen en el pedal del freno y conecte con las ruedas, ya que esta función es realizada por otro de los mandos de la unidad X-Drive. Los sensores de movimiento electrónico que incorpora el joystick, similares a los existentes en las palancas de mando high-end de un ordenador, traducen dicho movimiento en una señal numérica que el sistema de control central puede reconocer. Los botones existentes en el regulador de la unidad X-Drive permiten cambiar fácilmente de hilo neutro para posibilitar la conducción del vehículo al revés. Se ha de destacar que debido al hecho de que todos los elementos de dirección, maniobrabilidad y manejo del automóvil son de control manual, los pasajeros del vehículo poseen una total libertad de movimientos en sus extremidades inferiores en el interior del habitáculo, hecho que incrementa notablemente la comodidad de los pasajeros durante los trayectos que realicen.En la Fig. 4.6, se muestra una unidad X-Drive. Fig. 4.6. Representación de una unidad de control X-Drive del conductor de un automóvil impulsado mediante pilas de combustible. Fuente: General Motors. El monitor de color, de unos 15 cm de longitud aproximadamente y ubicado en el centro del regulador, muestra toda la información y elementos que se encontrarían normalmente en el tablero de instrumentos de un vehículo convencional (indicador de velocidad, cuentarrevoluciones, kilometraje e indicadores luminosos). Este monitor también permite ofrecer imágenes retrovisores de las cámaras de vídeo que se encuentran situadas en los laterales y en la parte posterior del automóvil, que sustituyen a los actuales espejos de los Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 81 vehículos convencionales. Un segundo monitor, colocado en una consola al lado del asiento del conductor, ofrece información sobre estereofonía, control del sistema de climatización y localización del automóvil mediante un sistema de comunicación por satélite. La columna de dirección sobre la cual gira el volante es reemplazada por una guía de dirección que podría montarse en un brazo giratorio fijado al suelo del centro del habitáculo del vehículo. El sistema de tracción X-Drive reparte de forma casi inmediata la potencia sobre los dos ejes del automóvil en función de las necesidades del recorrido en cada momento mediante un sistema de transmisión de discos múltiples. Este sistema no lleva un diferencial central que se ocupe de repartir la potencia sobre ambos ejes, sino que son unos discos múltiples los que se ocupan de hacer el reparto de la potencia sobre cada eje. Estos discos, mediante el empleo de la electrónica, deciden en milésimas de segundo cómo deben dividir la potencia sobre cada eje. La unidad X-Drive funciona conjuntamente con el control de estabilidad DSC. De esta forma, la unidad de control se encarga de equilibrar la potencia entre el eje delantero y el trasero, mientras que el control DSC es el encargado de hacer el reparto entre las ruedas de la izquierda y la derecha. Para la conducción en asfalto, al llegar a una curva cerrada, ambos sistemas procuran que el vehículo tengan más tracción trasera al entrar en ella y más tracción delantera al salir de la misma. Fuera de asfalto, se consigue una conducción más segura sin movimientos imprevistos e indeseados del automóvil. En el caso de que una rueda patine, el vehículo no lleva incorporado ningún tipo de diferencial bloqueable o de autoblocante y se ha de recurrir al DSC, que se ocupa de frenar la rueda que patina, por lo que la otra rueda del eje se lleva la potencia y el vehículo sale del apuro. 4.5.3. Aplicaciones. Una de las aplicaciones que ofrece esta nueva unidad de control es la posibilidad de configurar sus controles para adaptarlos al deseo del conductor. Todos estos ajustes pueden realizarse mediante el software instalado en la unidad X-Drive. Asimismo, también sería posible configurar y almacenar las diversas preferencias de control Pág. 82 Memoria para cada conductor potencial del automóvil. Este hecho agilizaría y facilitaría la adaptación de cada conductor a la unidad de control del vehículo y facilitaría la conducción del mismo. Además, el vehículo dispone de un sistema de diagnóstico que informa al conductor en todo momento del estado de todos los sistemas. La información de este sistema de diagnóstico se refleja a través de la pantalla de la unidad de control. Dado que la unidad de control está controlada por un ordenador y su correspondiente software, se pueden descargar periódicamente actualizaciones de dicho software para mejorar el rendimiento del vehículo o adaptarlo a un determinado carácter de marca, estilo de carrocería o preferencias de los clientes. Fig. 4.7. Visualización del interior del habitáculo de un vehículo que incorpora la unidad de control X-Drive. Fuente: General Motors. En la Fig. 4.7 se aprecia la visibilidad que tendría una persona ubicada en el interior del habitáculo de este vehículo. 4.6. Chasis, carrocería y estructura. 4.6.1. Descripción del chasis. El núcleo de la estructura de este automóvil es un chasis sobre el cual se encuentran acoplados minuciosamente los componentes esenciales del vehículo (sistemas de control, propulsión, climatización y almacenamiento de hidrógeno de a bordo). El hecho de que el chasis albergue a estos sistemas permite que la carrocería del vehículo sea ligera, tenga una configuración interior notablemente innovadora y su montaje sea sencillo comparado con el de los vehículos Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 83 convencionales. Existen diez puntos de fijación o acoplamientos físicos que unen el habitáculo o carrocería del automóvil a la estructura del chasis. Una de las nuevas aplicaciones que ofrece este chasis es la posibilidad de liberar a la carrocería de las tradicionales restricciones de diseño (ya que no es necesario diseñar en función del compartimiento del motor) presentes en los vehículos que funcionan con tecnología MACI. Esta libertad de diseño en comparación a configuraciones convencionales debería llevar al desarrollo de carrocerías de acuerdo con las preferencias de los clientes, permitiéndoles adquirir múltiples carrocerías e intercambiarlas según sus necesidades, favoreciendo así la creación de una amplia gama de vehículos. El chasis del automóvil es de aluminio fabricado con tubos de sección redonda o cuadrada, y unidos entre sí por soldadura. Este chasis mide 4400 mm de longitud, 1650 mm de anchura y tiene un grosor máximo de 280 mm. En el interior del entramado de tubos que conforma esta estructura figuran los sistemas de propulsión, dirección y los soportes de la suspensión. Cabe destacar que dichos sistemas apenas sobresalen del contorno del chasis. El chasis tiene las funciones de proporcionar rigidez y sostener los sistemas anteriormente mencionados. La eliminación de acoplamientos mecánicos e hidráulicos disminuye el peso del automóvil y simplifica el mantenimiento debido a la existencia de pocas piezas móviles. La sencillez mecánica del chasis de este automóvil puede convertirlo en más duradero que el de un automóvil convencional, ya que no presenta degradación ni contaminación de los elementos que lo componen. El automóvil dispone de unos voladizos muy pequeños detrás de las ruedas debido a la ausencia de motor. Este hecho implica que exista una distancia entre los ejes del vehículo de 3.100 mm . Los voladizos a los que se aludía anteriormente son zonas de seguridad, de absorción de impactos, y están libres de cualquier órgano mecánico, lo que optimiza su función. Dichas zonas de absorción de impactos constituyen el parachoques delantero y trasero del automóvil, y son áreas que absorben energía en caso de impacto para proteger a los ocupantes del vehículo, convirtiéndose en uno de los requisitos de seguridad pasiva del automóvil. En los pontones situados a cada lado del chasis, entre las ruedas delantera y trasera, se sitúan, en la parte delantera, los sistemas de control, que gestionan el sistema de Pág. 84 Memoria conducción por cable, la telemática, la suspensión, la climatización y el sistema eléctrico de tracción. En la parte trasera, se encuentra el sistema de pila de combustible y el depósito de almacenamiento de hidrógeno. A lo largo de esos pontones existe un sistema de branquias de disipación del calor generado por la pila de combustible, por los sistemas electrónicos y por el motor eléctrico hacia el exterior. En el centro del chasis, dispuestos de forma simétrica en las cuatro esquinas de la zona central del mismo, se sitúan los pivotes que sirven de anclaje para fijar la carrocería, y entre los dos pivotes delanteros, está ubicado el puerto de conexión de los diversos sistemas del vehículo. Las ruedas se encuentran ancladas al chasis por medio de la suspensión. El chasis puede ponerse en movimiento incluso sin carrocería, mediante el teclado de cualquier ordenador conectado con el sistema electrónico e informático del automóvil. El prototipo pesa 1900 kg , y tiene neumáticos de 20 pulgadas en el eje delantero y 22 pulgadas en el eje trasero. La ubicación de todos los sistemas técnicos en el chasis proporciona un centro de gravedad bajo, otorgando a la arquitectura del mismo un alto potencial de seguridad del vehículo al permitir una mejor manejabilidad, mientras ofrece una mayor resistencia a las fuerzas de vuelco, aún cuando tenga la carrocería más alta, y otorgando también una dinámica de conducción. La nueva arquitectura del automóvil también permite mejorar la seguridad del mismo. Por ejemplo, la colocación de los asientos puede mejorar la protección frente a los impactos laterales y el salpicadero puede ser sustituido por una mampara anticolisión optimizada para la protección frente a los choques. En caso de choque, este robusto chasis absorbería la mayor parte de las fuerzas de choque, ayudando a prevenir la intrusión en el habitáculo que puede producirse con los vehículos que poseen motores de combustión interna, columnas de dirección y pedales. 4.6.2. Descripción de la carrocería. La carrocería está fabricada con acero y fibra de vidrio y mide 4700 mm de longitud. Su fondo es casi plano (salvo por los pasos de rueda). Se aprecia la existencia de una gran cantidad de cristal en la carrocería; especialmente en la parte frontal (como se puede observar en la Fig. 4.7) donde la superficie acristalada se extiende hasta prácticamente el punto más bajo de la carrocería (punto que se encontrará en contacto con el chasis), mientras que en un automóvil Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 85 diseñado con tecnología MACI existe un capó en la parte frontal del mismo, en el cual se ubica el bloque motor y todos sus accesorios y sistemas correspondientes. En un automóvil convencional, dicho capó separa la zona del parachoques delantero del vehículo respecto del habitáculo interior, mientras que este prototipo únicamente presenta una pantalla de cristal entre la zona de absorción de impactos delantera y el habitáculo interior. Este incremento de la superficie de cristal permite que el conductor tenga una visión particularmente amplia de lo que está delante del frontal de la carrocería. En este vehículo desaparece la parrilla en la cual va insertado el salpicadero ubicado en la parte delantera del habitáculo interior de un automóvil convencional. Cabe destacar que en la parte trasera del prototipo también abunda la superficie de cristal. El habitáculo del automóvil no tiene montante central entre las puertas laterales delantera y trasera y sus puertas se abren en sentidos opuestos, con lo que permiten un óptimo acceso al interior del habitáculo. Los asientos delanteros pueden ir más adelantados que en un vehículo convencional, debido a la ausencia de un motor ubicado en la parte delantera del vehículo, hecho que posibilita que tanto los ocupantes de los asientos delanteros como traseros tengan más espacio libre. Fig. 4.8. Reproducción del chasis de un automóvil propulsado mediante la tecnología de pilas de combustible. Fuente: Universidad de Florida. Pág. 86 Memoria Fig. 4.9. Diseño compacto de un vehículo propulsado mediante la tecnología de pilas de combustible y que utiliza la tecnología de conducción por cable (esquema de la izquierda). A la derecha, se aprecia el diseño del mismo automóvil separando sus dos componentes estructurales principales: el chasis (parte inferior) y la carrocería adaptable (parte superior). Fuente: General Motors. 4.7. Nivel sonoro. Una de las características que más destaca de este automóvil es la escasa sonoridad que produce en funcionamiento. La pila de combustible no produce ningún ruido y el motor eléctrico, que es el que finalmente mueve el vehículo, posee un nivel sonoro muy bajo. Por ello, tan solo el ruido de rodadura de sus neumáticos perturba un funcionamiento silencioso. 4.8. Integrantes del diseño y desarrollo del vehículo. El diseño de este automóvil es el resultado de una cooperación global de diversos especialistas en los siguientes ámbitos de la ingeniería: • Desarrollo del chasis y diseño de la carrocería, así como la integración del sistema de ingeniería y eléctrico en ambos elementos estructurales del vehículo. • Diseño e integración del sistema de propulsión de pila de combustible. • Desarrollo e integración de la tecnología de conducción por cable. Debido a la necesidad de conocimientos específicos referentes a tecnologías de origen Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 87 diverso, para el diseño y desarrollo de este vehículo se han visto involucrados especialistas que en el diseño de vehículos convencionales no formaban parte de sus equipos de construcción, como químicos, físicos, especialistas en software e ingenieros electrónicos. 4.9. Costes. Una de las grandes problemáticas que presenta este tipo de automóvil es el coste que representa la producción, el transporte y el almacenamiento del hidrógeno necesario para la producción de energía eléctrica mediante las células de combustible. Los mayores costes de este automóvil derivan de la utilización de materiales de precio elevados, como el platino en las células de combustible, la fibra de carbono para el tanque de hidrógeno y algunos componentes de la unidad de propulsión. Si se extrapolan los costes actuales para una producción anual de 100.000 unidades, la tecnología de pila de combustible sigue costando hoy en día unas diez veces más que un sistema con motor de combustión interna comparable. La fabricación en serie de este vehículo permitirá abaratar su precio desde los 80.000 € que cuesta actualmente este prototipo hasta los 18.000 €. En este apartado, se pretende realizar un análisis del coste del sistema de propulsión del vehículo, conformado por el sistema de pila de combustible y compararlo finalmente con el coste de un motor de combustión interna de un automóvil convencional. No se pretende, por tanto, estudiar el coste de todos los componentes principales del vehículo propuesto debido a la extensión que dicho análisis implicaría. 4.9.1. Coste del sistema de pila de combustible. Los costes de fabricación de una pila de combustible son elevados. Se espera que cuando se fabriquen los componentes de la pila, estos costes se abaratarán. Las pilas que se prevé que se impondrán en el mercado son las PEMFC, gracias a que la industria del automóvil está realizando grandes esfuerzos para su implantación. Por ejemplo, para una producción de 500.000 unidades por año, el coste total de una PEMFC de 50 kW de 0,7 V por célula con reformados, es de 250 €/ kW , mientras que si la serie fabricada es de sólo 500 unidades al año, el coste asciende a 530 €/ 2 m. Estos costes descienden a la mitad si la pila se alimenta directamente de hidrógeno. Pág. 88 Memoria Una fórmula del coste aproximado de un pila de combustible es la siguiente: ( )        ⋅+ +⋅+= d p npc P L PC 2734,5 70,18073,1 (Ec. 4.1) donde n P es la potencia máxima de salida en kW , p L es la carga del catalizador de platino en       2 cm mg y d P es la densidad máxima de potencia en       2 cm mg . El mercado tiende a reducir estos precios hasta los 50 €/ kW para que resulten competitivos. La industria del automóvil es la más interesada en el desarrollo de las pilas de combustible. Se estima que entre los años 2.030 y 2.050, el coste neto del hidrógeno alcanzará los 3,98 €/kg. En el caso de que el rendimiento de los vehículos dotados de pilas de hidrógeno alcance el objetivo de ser 2,2 veces mayor que el correspondiente a los vehículos de combustión interna, el coste neto de su equivalente en gasolina en la refinería o en el distribuidor será de 0,48 €/litro sin impuestos ni ganancia para el distribuidor, lo que ya es comparable con los costes actuales. Si se aplica la fórmula de la Ec. 4.1 a la pila de combustible escogida, se han de introducir lo siguientes datos en la expresión generalizada: • Potencia = 94 kW . • Carga del catalizador de platino = 7,5       2 cm mg . • Densidad máxima de potencia = 1,1       2 cm mg . Con estos datos, el valor del coste de la pila de combustible escogida , según la ecuación (Ec. 4.1) es de 75,519.19= pc C €. De este modo, se puede llegar a establecer una relación lineal entre el coste del sistema de pila de combustible y la potencia de dicho sistema expresada en kW . Dicha relación viene dada por la (Ec. 4.2). Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 89 () npc PC ⋅+= 65,207073,1 (Ec.4.2) donde pc C se expresa en €, y n P se expresa en kW . Si se compara la ecuación Ec. 4.2. con el coste por kW en la actualidad de un vehículo convencional que funcione mediante un motor de combustión, se podrá obtener una conclusión aproximada de la comparativa del coste por kW de un automóvil alimentado por ambas tecnologías (pilas de combustible y motores de combustión). Para obtener el coste por kW de un vehículo que funcione mediante motores de combustión interna, se ha realizado una interpolación entre el coste por kW de una muestra de más de 100 vehículos que posean unas prestaciones similares a las del prototipo propuesto en este proyecto, para que los resultados obtenidos en la comparativa sean más fiables. El valor del coste por kW de un automóvil convencional obtenido de dicha interpolación es de 56 €/ kW y su expresión se puede modelar mediante la recta expresada en la Ec. 4.3. nmc PC ⋅= 56 (Ec. 4.3) En la Fig. 4.10 se puede apreciar una gráfica comparativa de los costes por kW de cada tecnología Fig. 4.10. Comparativa del coste por kW de las pilas de combustible aplicadas a la automoción y de los motores alternativos de combustión interna. Fuente: CEA. Pág. 96 Memoria [11] INTEL CORPORATION. Introduction to the Controller Area Network (CAN) protocol. 1.993. Páginas de internet. [1] http://www.aeh2.org ; Página web de la Asociación Española del Hidrógeno. [2] http://americanhistory.si.edu/csr/fuelcells/index.html ; Historia de las células de combustible. [3] http://www.ariema.com ; Portal de una las empresas más importantes españolas sobre el desarrollo de la tecnología de pilas de combustible. [4] http://www.ballard.com ; Página web de la empresa canadiense Ballard, líder mundial en producción de pilas de combustible en la actualidad. [5] http://www.bellona.no ; Fundación noruega que dispone de un brillante informe sobre el hidrógeno. [6] http://www.bp.com/centres/enery2002 ; Documentación con datos sobre el consumo de petróleo. [7] http://education.lanl.gov/resources/fuelcells/fuelcells.pdf ; Libro verde de las energías renovables. Es un documento con material sobre pilas de combustible y en especial, sobre las PEMFC. [8] http://www.eere.energy.gov ; Página web sobre eficiencia energética y energías renovables. [9] http://www.ehgtechnology.com/Conversion%20Table.htm ; Documento con tablas de conversión y equivalencias de las diferentes medidas utilizadas en gases. [10] www.eihp.org ; Esta página informa sobre el desarrollo de la normativa para utilización de hidrógeno como combustible en vehículos. Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 97 [11] http://www.fuelcell.com ; Página web que estudia el mundo de las pilas de combustible y su evolución. [12] http://www.fuelcells.org ; Centro de información sobre las pilas de combustible con abundante información de consulta. [13] http://www.generalhydrogen.com/html/links.html ; Colección de enlaces a compañías, publicaciones y asociaciones que desarrollan la tecnología del hidrógeno. [14] www.gm.com ; Página web de la empresa de automoción General Motors. [15] http://www.heliocentris.com ; Información sobre una empresa que fabrica pilas de combustible. [16] http://www.hpower.com ; Documentación sobre la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno. [17] www.h2cars.de ; Contiene información sobre vehículos impulsados por hidrógeno. [18] http://www.h2euro.org ; Página web de la Asociación Europea del hidrógeno. [19] http://www.ieahia.org ; Página web del Departamento de Energía de Estados Unidos. [20] www.lanl.gov/mst/fuelcells ; Documentación sobre las investigaciones realizadas en el laboratorio Nacional de Los Álamos, donde se realizan importantes avances en el estudio de pilas de combustible. [21] http://seatleon.redtotalonline.net/descargas/Manuales/CANBUS.pdf ; Documento sobre la tecnología por cable CAN-bus aplicada a la automoción. [22] http://www.tecnociencia.es/especiales/energia ; Portal energético con abundante información sobre energías renovables y pilas de combustible. [23] http://www.terra.com.mx/Automovil ; Documentación de artículos sobre el sector de la Pág. 98 Memoria automoción. [24] http://www.canbus.quarndon.co.uk ; Página web sobre proveedores de sistemas, módulos y aplicaciones basadas sobre CAN-bus (Empresa Quarndon Electronics LTD). Referencias bibliográficas. Libros y revistas especializadas. [1] BOCKRIS, JOHN O’M.; VEZIROGLU, NEJAT.; SMITH, DEBBI. Hidrógeno solar: la energía limpia del futuro. Santiago de Chile, Editorial Cuatro Vientos, 1.994. [2] DALTON, JIM. National fuel cell education program pilot project. Santa Barbara, Eco Soul, Inc, 2.002. [3] DUNN, SETH. Hydrogen futures: towards a sustainable energy system. Washington, Worldwatch Institute, 2.001. [4] INSTITUT CATALÀ D’ENERGIA. Eficiencia Energètica. Revista número 153, páginas 8-9, 2.000. [5] PUBLICATIONS DE L’INSTITUT FRANÇAIS DU PÉTROLE. Les piles à combustible. París, Éditions Technip, 1.965. [6] SHINOJIMA, YASUSHI; NAGAO, MASARU; KAWAHASHI, AKIRA. Development of Multiplexing Communication Ics for Electronic Control of a Vehicle. SAE Technical Paper Series nº 922.126, 1.992. [7] INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION. Road vehicles – Interchange of digital information – Controller area network (CAN) for high speed communication. Draft international standard ISO/DIS 11898, 1.992. [8] INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION. Road vehicles – Low speed serial data communication. Part 2 Low speed controller area network (CAN). Draft Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 99 international standard ISO/DIS 11519-2, 1.994. [9] SIEMENS DATA BOOK. Smart Power Semiconductors Low Dropout Voltage Regulators / CAN transceiver, 1.998. [10] INTEL CORPORATION. Controller Area Network Chip. Automotive. Volumen nº 82.527. 1.993. Páginas de internet. [1] www.dwv-info.de ; Contiene información sobre la Asociación Alemana del Hidrógeno. [2] http://www.dodfuelcell.com ; Guía sobre los diferentes tipos de pilas de combustible. [3] http://www.energuia.com ; Página web sobre sistemas energéticos. [4] http://www.eren.doe.gov/hydrogen/basics.html ; Documentos divulgativos sobre el hidrógeno. [5] http://www.fuelcellpark.com ; Documentación sobre los diferentes tipos de pilas de combustible, proyectos y otros temas relacionados. [6] http://www.hydrogen.org ; Documentación sobre artículos, sumarios técnicos y base de datos sobre la influencia y la difusión del hidrógeno en la actualidad. [7] http://www.hynet.org ; Página web de la Red Europea temática sobre el Hidrógeno. [8] www.hyweb.de ; Sistemas de información sobre pilas de combustible de hidrógeno. [9] http://www.h2fc.com/tech.html ; Recopilatorio de documentos con las principales tecnologías sobre las pilas de combustible. [10] http://www.inta.es/first ; Documentación sobre el proyecto FIRST, que trata sobre Pág. 100 Memoria sistemas de alimentación remota para telecomunicaciones con pilas de combustible. [11] http://www.methanol.org ; Contiene imágenes sobre los vehículos y desarrollos en hidrógeno que utilizan metanol para el funcionamiento de la pila de combustible. [12] http://www.nuvera.com ; Página web de la empresa Nuvera, especializada en el desarrollo de la industria de pilas de combustible. [13] http://www.oepm.es ; Oficina Española de patentes y marcas. [14] http://www.pacificsites.net/òdglaser/h2/links.html ; Colección de enlaces a diferentes centros de interés sobre el hidrógeno. [15] http://patft.uspto.gov ; Base de datos de patentes americanas. [16] http://www.plugpower.com ; Información sobre el sistemas de producción de energía de las pilas de combustible. [17] http://www.worldwide.fuelcells.org ; Página web que habla de la evolución actualizada y el desarrollo de las pilas de combustible. [18] http://www.vector-informatik.de ; Información de productos de hardware y software para análisis y simulación de buses CAN (Empresa Vector Informatik GMBH). [19] http://www.can-cia.de ; Grupo Internacional de usuarios y fabricantes de sistemas CANbus. Página web que incluye todo tipo de información sobre CAN-bus. Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 101 Pág. 102 Memoria Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 103 Pág. 104 Memoria Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 105 Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 113 Estudio de las modificaciones a introducir en un automóvil que incorpore la tecnología de pila de combustible. Pág. 115