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Hoy en día existe una gran dependencia del petróleo en el sector de movilidad y transporte, lo que representará un fuerte impacto en la economía mundial en décadas venideras, es por eso que se buscan fuentes alternas de energía.
Asociado a esto, la contaminación ambiental y el cambio climático juegan un papel importante en esta búsqueda, ya que las fuentes alternas tienen que producir energía amigable con el medio ambiente, siendo estos dos factores, la economía y la contaminación, las razones princi-pales para la utilización de “energía verde”, la cual ha tenido y tendrá gran auge. Dentro de esta se encuentra la producida por las celdas de combustible, que llaman la atención por su alta e�ciencia y la generación de cero emisiones contaminantes.
La celda de combustible es un generador electroquímico que produce energía eléctrica a partir de la reacción química entre un combustible y aire; el descubrimiento del principio de operación se le atribuye a Sir William Groove en 1839, sin embargo, se cree que el suizo Christian F. Shoenbein descubrió el mismo principio tiempo antes. A pesar de que el hallazgo se hizo en el siglo XIX, no fue sino hasta 1937 que el inglés Francis Thomas Bacon comenzó con el desarrollo práctico, construyendo a �nales de la década de 1950 la primera celda de combustible de 6 kW.
Una celda de combustible funciona con tres elementos fundamentales: dos electrodos y un electrolito; un electrodo es un nanotubo de
metal, el electrolito es una sustancia que actúa como conductor eléctrico en medio del electrodo.
El oxígeno proveniente del aire pasa por el cátodo (electrodo positivo) y el combustible por el ánodo (electrodo negativo). Cuando el combustible es ionizado en el ánodo se oxida y pierde un electrón; al ocurrir esto, el protón y el electrón toman distintos caminos migrando hacia el cátodo. El protón lo hará a través del electrolito mientras que el electrón lo hará por un conductor externo, siendo aquí donde se produce y conduce la energía eléctrica.
Al �nal del recorrido, ambos se reúnen en el cátodo donde ocurre la reacción de reducción o ganancia de electrones del oxígeno. La celda de combustible produce corriente eléctrica y calor útil, y en algunos casos agua cien por cien pura.
La tabla 1 muestra los principales tipos de celdas de combustible, sin embargo, la más usada es la de membrana de intercambio protónico (PEM), por tener menor costo de producción, ya que el precio es el factor determinante que impide el desarrollo de industrias productoras de celdas. En México no existen empresas dedicadas a la fabri-cación de celdas de combustible, por lo que aumenta su precio y disminuye su rentabilidad.
¿De dónde se obtiene el hidrógeno?El hidrógeno es uno de los elementos más abundantes en el planeta, pero difícilmente se encuentra en estado puro, mayormente está combinado con otros elementos, es parte de los hidrocarburos y del agua. Para que el hidrógeno sea utilizado en
las celdas de combustible se necesita que esté en estado gaseoso y sea diatómico (H2). Hay varios procesos de obtención del hidrógeno, sin embargo, por factores económicos la manera más viable es por reformación catalítica de gas natural; la desventaja de este proceso es que produce contaminación. A grandes rasgos, este proceso se da por la reacción de vapor de agua y metano que a una temperatura entre 700 – 1100 °C produce CO (monóxido de carbono) e H2. Otro método de obtención es la electrolisis del agua que es la separación del oxígeno e hidrógeno por corriente eléctrica, este proceso puede ser más rentable si se obtiene la energía eléctrica de fuentes eólicas y de la biomasa.
La industria automotriz, en su afán de sustituir los motores de combustión interna y acercarse al mercado ecológico, tiene como objetivo incentivar la fabricación de autos con celdas de combustible lo que representa un gran reto desde el diseño aerodinámico, que se ve afectado por el espacio, peso y forma de la celda, como también por la implementación del sistema. Hoy en día las grandes �rmas automotrices cuentan ya con sus primeras generaciones de automóviles y camiones dotados con celdas de combustible, también llamados autos de hidrógeno, en países como Canadá, Estados Unidos, Alemania y Japón, entre otros.
¿Qué componentes requiere un automóvil de hidrógeno? Estos autos en su sistema de locomoción necesitan cinco componentes fundamentales: un motor eléctrico, una batería, uno o más tanques de hidrógeno, un inversor de corriente y una celda de combustible. El motor eléctrico tiene su unidad electrónica de potencia, transmisión por un engranaje reductor, y control electrónico de carga. La batería, generalmente a base de litio, es indispensable, ya que la celda no podría generar la su�ciente potencia en tiempo real. Los tanques de hidrógeno, diseñados para resistir la alta presión de almacenamiento del hidrógeno que
Figura1. Celda tipo PEM.
puede llegar a ser de unos 700 bares (aproximadamente 690 veces la presión atmosférica sobre el nivel del mar), son fabricados con �bra de carbono por su gran resistencia y poco peso; almacenan considerables cantidades de hidrógeno, por lo que tiene gran tamaño y generalmente son colocados debajo de los asientos traseros. El inversor de corriente transforma la corriente directa que entrega la celda a corriente alterna; que es la que usa el motor eléctrico. La celda de combustible frecuentemente es colocada en el centro del auto.
En enero del 2015 Toyota presentó en Estados Unidos el “Mirai”, primer auto de hidrogeno producido en serie con una autonomía de 500 km, con tiempo de repostaje de 3 a 5 minutos. Hyundai tiene el ix35 FCVE, con autonomía de 577 km y velocidad maxima de 160 km/h; Mercedes-Benz cuenta con el clase B F-cell, Ford es dueño del focus FCEV; Volkswagen presentará el Passat HYmotion y Audi el A7 h-tron, Renault tiene al Scenic ZEV, por su parte General Motors y Honda colaborarán para la creación de autos de hidrógeno. La mayoría de estas �rmas utilizan las celdas de combustible creadas por Ballard Power Systems, una de las principales empresas inmersas en la industria de las celdas de combustible.
Distintas �rmas automotrices declaran que debe haber un esfuerzo en conjunto con los gobiernos para crear la infraestructura necesaria en la recarga de combustible de los autos de hidrógeno. De tener un desarrollo adecuado, los autos de hidrogeno podrían sustituir a los de combustión interna, abriendo el camino de la movilidad y transporte con cero emisiones.
Hoy en día existe una gran dependencia del petróleo en el sector de movilidad y transporte, lo que representará un fuerte impacto en la economía mundial en décadas venideras, es por eso que se buscan fuentes alternas de energía.
Asociado a esto, la contaminación ambiental y el cambio climático juegan un papel importante en esta búsqueda, ya que las fuentes alternas tienen que producir energía amigable con el medio ambiente, siendo estos dos factores, la economía y la contaminación, las razones princi-pales para la utilización de “energía verde”, la cual ha tenido y tendrá gran auge. Dentro de esta se encuentra la producida por las celdas de combustible, que llaman la atención por su alta e�ciencia y la generación de cero emisiones contaminantes.
La celda de combustible es un generador electroquímico que produce energía eléctrica a partir de la reacción química entre un combustible y aire; el descubrimiento del principio de operación se le atribuye a Sir William Groove en 1839, sin embargo, se cree que el suizo Christian F. Shoenbein descubrió el mismo principio tiempo antes. A pesar de que el hallazgo se hizo en el siglo XIX, no fue sino hasta 1937 que el inglés Francis Thomas Bacon comenzó con el desarrollo práctico, construyendo a �nales de la década de 1950 la primera celda de combustible de 6 kW.
Una celda de combustible funciona con tres elementos fundamentales: dos electrodos y un electrolito; un electrodo es un nanotubo de
metal, el electrolito es una sustancia que actúa como conductor eléctrico en medio del electrodo.
El oxígeno proveniente del aire pasa por el cátodo (electrodo positivo) y el combustible por el ánodo (electrodo negativo). Cuando el combustible es ionizado en el ánodo se oxida y pierde un electrón; al ocurrir esto, el protón y el electrón toman distintos caminos migrando hacia el cátodo. El protón lo hará a través del electrolito mientras que el electrón lo hará por un conductor externo, siendo aquí donde se produce y conduce la energía eléctrica.
Al �nal del recorrido, ambos se reúnen en el cátodo donde ocurre la reacción de reducción o ganancia de electrones del oxígeno. La celda de combustible produce corriente eléctrica y calor útil, y en algunos casos agua cien por cien pura.
La tabla 1 muestra los principales tipos de celdas de combustible, sin embargo, la más usada es la de membrana de intercambio protónico (PEM), por tener menor costo de producción, ya que el precio es el factor determinante que impide el desarrollo de industrias productoras de celdas. En México no existen empresas dedicadas a la fabri-cación de celdas de combustible, por lo que aumenta su precio y disminuye su rentabilidad.
¿De dónde se obtiene el hidrógeno?El hidrógeno es uno de los elementos más abundantes en el planeta, pero difícilmente se encuentra en estado puro, mayormente está combinado con otros elementos, es parte de los hidrocarburos y del agua. Para que el hidrógeno sea utilizado en
las celdas de combustible se necesita que esté en estado gaseoso y sea diatómico (H2). Hay varios procesos de obtención del hidrógeno, sin embargo, por factores económicos la manera más viable es por reformación catalítica de gas natural; la desventaja de este proceso es que produce contaminación. A grandes rasgos, este proceso se da por la reacción de vapor de agua y metano que a una temperatura entre 700 – 1100 °C produce CO (monóxido de carbono) e H2. Otro método de obtención es la electrolisis del agua que es la separación del oxígeno e hidrógeno por corriente eléctrica, este proceso puede ser más rentable si se obtiene la energía eléctrica de fuentes eólicas y de la biomasa.
La industria automotriz, en su afán de sustituir los motores de combustión interna y acercarse al mercado ecológico, tiene como objetivo incentivar la fabricación de autos con celdas de combustible lo que representa un gran reto desde el diseño aerodinámico, que se ve afectado por el espacio, peso y forma de la celda, como también por la implementación del sistema. Hoy en día las grandes �rmas automotrices cuentan ya con sus primeras generaciones de automóviles y camiones dotados con celdas de combustible, también llamados autos de hidrógeno, en países como Canadá, Estados Unidos, Alemania y Japón, entre otros.
¿Qué componentes requiere un automóvil de hidrógeno? Estos autos en su sistema de locomoción necesitan cinco componentes fundamentales: un motor eléctrico, una batería, uno o más tanques de hidrógeno, un inversor de corriente y una celda de combustible. El motor eléctrico tiene su unidad electrónica de potencia, transmisión por un engranaje reductor, y control electrónico de carga. La batería, generalmente a base de litio, es indispensable, ya que la celda no podría generar la su�ciente potencia en tiempo real. Los tanques de hidrógeno, diseñados para resistir la alta presión de almacenamiento del hidrógeno que
Existen diversos tipos de celdas de combustible que se clasi�can con base en su electrolito y el rango de potencia generada.
Tabla 2. Ventajas y desventajas de las celdas de combustible.
Tabla 1. Principales tipos de celdas de combustible.
Ventajas Desventajas
Cero emisiones contaminantes Alto costo de manufactura
Alta eficiencia en el uso del hidrógenoAlto costo de producción del hidrógeno
Funcionamiento silencioso
Capacidad de cogeneraciónContaminación en ciertos métodos deobtención del hidrógeno
puede llegar a ser de unos 700 bares (aproximadamente 690 veces la presión atmosférica sobre el nivel del mar), son fabricados con �bra de carbono por su gran resistencia y poco peso; almacenan considerables cantidades de hidrógeno, por lo que tiene gran tamaño y generalmente son colocados debajo de los asientos traseros. El inversor de corriente transforma la corriente directa que entrega la celda a corriente alterna; que es la que usa el motor eléctrico. La celda de combustible frecuentemente es colocada en el centro del auto.
En enero del 2015 Toyota presentó en Estados Unidos el “Mirai”, primer auto de hidrogeno producido en serie con una autonomía de 500 km, con tiempo de repostaje de 3 a 5 minutos. Hyundai tiene el ix35 FCVE, con autonomía de 577 km y velocidad maxima de 160 km/h; Mercedes-Benz cuenta con el clase B F-cell, Ford es dueño del focus FCEV; Volkswagen presentará el Passat HYmotion y Audi el A7 h-tron, Renault tiene al Scenic ZEV, por su parte General Motors y Honda colaborarán para la creación de autos de hidrógeno. La mayoría de estas �rmas utilizan las celdas de combustible creadas por Ballard Power Systems, una de las principales empresas inmersas en la industria de las celdas de combustible.
Distintas �rmas automotrices declaran que debe haber un esfuerzo en conjunto con los gobiernos para crear la infraestructura necesaria en la recarga de combustible de los autos de hidrógeno. De tener un desarrollo adecuado, los autos de hidrogeno podrían sustituir a los de combustión interna, abriendo el camino de la movilidad y transporte con cero emisiones.
Tipo de celda PEM PAFC MCFC SOFC
Electrolito Membrana deintercambioprotónico
Ácido fosfórico Óxido sólido(cerámico)
Carbonatofundido
Temperatura
Aplicación
Oxidante
Rango de potencia
Eficiencia sin cogeneración
Eficiencia concogeneración
Generación descentralizada,
aplicaciones móviles.
250 KW 5-200 KW 5-200 KW 2.5-100000 KW
Generación descentralizada,
transporte ycogeneración.
Generación descentralizada,cogeneración y
potencia central.
Generación descentralizada,
y potenciacentral.
80–120 °C 150-200 ºC 600-700 ºC 600-1000 ºC
Aire(O
30-45%
75% 85% 85% 85%
40-45% 45-60% 45-60%
2) Aire(O2) Aire(O2)Aire(O2), CO2
Hoy en día existe una gran dependencia del petróleo en el sector de movilidad y transporte, lo que representará un fuerte impacto en la economía mundial en décadas venideras, es por eso que se buscan fuentes alternas de energía.
Asociado a esto, la contaminación ambiental y el cambio climático juegan un papel importante en esta búsqueda, ya que las fuentes alternas tienen que producir energía amigable con el medio ambiente, siendo estos dos factores, la economía y la contaminación, las razones princi-pales para la utilización de “energía verde”, la cual ha tenido y tendrá gran auge. Dentro de esta se encuentra la producida por las celdas de combustible, que llaman la atención por su alta e�ciencia y la generación de cero emisiones contaminantes.
La celda de combustible es un generador electroquímico que produce energía eléctrica a partir de la reacción química entre un combustible y aire; el descubrimiento del principio de operación se le atribuye a Sir William Groove en 1839, sin embargo, se cree que el suizo Christian F. Shoenbein descubrió el mismo principio tiempo antes. A pesar de que el hallazgo se hizo en el siglo XIX, no fue sino hasta 1937 que el inglés Francis Thomas Bacon comenzó con el desarrollo práctico, construyendo a �nales de la década de 1950 la primera celda de combustible de 6 kW.
Una celda de combustible funciona con tres elementos fundamentales: dos electrodos y un electrolito; un electrodo es un nanotubo de
metal, el electrolito es una sustancia que actúa como conductor eléctrico en medio del electrodo.
El oxígeno proveniente del aire pasa por el cátodo (electrodo positivo) y el combustible por el ánodo (electrodo negativo). Cuando el combustible es ionizado en el ánodo se oxida y pierde un electrón; al ocurrir esto, el protón y el electrón toman distintos caminos migrando hacia el cátodo. El protón lo hará a través del electrolito mientras que el electrón lo hará por un conductor externo, siendo aquí donde se produce y conduce la energía eléctrica.
Al �nal del recorrido, ambos se reúnen en el cátodo donde ocurre la reacción de reducción o ganancia de electrones del oxígeno. La celda de combustible produce corriente eléctrica y calor útil, y en algunos casos agua cien por cien pura.
Los primeros intentos de construcción de un auto de hidrógeno se presentaron en la década de los 80’s; paulatinamente, han mejorado su
tecnología y atacando el principal, problema que es su autonomía; en la actualidad existen autos
que rinden de 200 a 600 km por tanque.
La tabla 1 muestra los principales tipos de celdas de combustible, sin embargo, la más usada es la de membrana de intercambio protónico (PEM), por tener menor costo de producción, ya que el precio es el factor determinante que impide el desarrollo de industrias productoras de celdas. En México no existen empresas dedicadas a la fabri-cación de celdas de combustible, por lo que aumenta su precio y disminuye su rentabilidad.
¿De dónde se obtiene el hidrógeno?El hidrógeno es uno de los elementos más abundantes en el planeta, pero difícilmente se encuentra en estado puro, mayormente está combinado con otros elementos, es parte de los hidrocarburos y del agua. Para que el hidrógeno sea utilizado en
las celdas de combustible se necesita que esté en estado gaseoso y sea diatómico (H2). Hay varios procesos de obtención del hidrógeno, sin embargo, por factores económicos la manera más viable es por reformación catalítica de gas natural; la desventaja de este proceso es que produce contaminación. A grandes rasgos, este proceso se da por la reacción de vapor de agua y metano que a una temperatura entre 700 – 1100 °C produce CO (monóxido de carbono) e H2. Otro método de obtención es la electrolisis del agua que es la separación del oxígeno e hidrógeno por corriente eléctrica, este proceso puede ser más rentable si se obtiene la energía eléctrica de fuentes eólicas y de la biomasa.
La industria automotriz, en su afán de sustituir los motores de combustión interna y acercarse al mercado ecológico, tiene como objetivo incentivar la fabricación de autos con celdas de combustible lo que representa un gran reto desde el diseño aerodinámico, que se ve afectado por el espacio, peso y forma de la celda, como también por la implementación del sistema. Hoy en día las grandes �rmas automotrices cuentan ya con sus primeras generaciones de automóviles y camiones dotados con celdas de combustible, también llamados autos de hidrógeno, en países como Canadá, Estados Unidos, Alemania y Japón, entre otros.
¿Qué componentes requiere un automóvil de hidrógeno? Estos autos en su sistema de locomoción necesitan cinco componentes fundamentales: un motor eléctrico, una batería, uno o más tanques de hidrógeno, un inversor de corriente y una celda de combustible. El motor eléctrico tiene su unidad electrónica de potencia, transmisión por un engranaje reductor, y control electrónico de carga. La batería, generalmente a base de litio, es indispensable, ya que la celda no podría generar la su�ciente potencia en tiempo real. Los tanques de hidrógeno, diseñados para resistir la alta presión de almacenamiento del hidrógeno que
Figura2. Auto con un sistema de celda de combustible
puede llegar a ser de unos 700 bares (aproximadamente 690 veces la presión atmosférica sobre el nivel del mar), son fabricados con �bra de carbono por su gran resistencia y poco peso; almacenan considerables cantidades de hidrógeno, por lo que tiene gran tamaño y generalmente son colocados debajo de los asientos traseros. El inversor de corriente transforma la corriente directa que entrega la celda a corriente alterna; que es la que usa el motor eléctrico. La celda de combustible frecuentemente es colocada en el centro del auto.
En enero del 2015 Toyota presentó en Estados Unidos el “Mirai”, primer auto de hidrogeno producido en serie con una autonomía de 500 km, con tiempo de repostaje de 3 a 5 minutos. Hyundai tiene el ix35 FCVE, con autonomía de 577 km y velocidad maxima de 160 km/h; Mercedes-Benz cuenta con el clase B F-cell, Ford es dueño del focus FCEV; Volkswagen presentará el Passat HYmotion y Audi el A7 h-tron, Renault tiene al Scenic ZEV, por su parte General Motors y Honda colaborarán para la creación de autos de hidrógeno. La mayoría de estas �rmas utilizan las celdas de combustible creadas por Ballard Power Systems, una de las principales empresas inmersas en la industria de las celdas de combustible.
Distintas �rmas automotrices declaran que debe haber un esfuerzo en conjunto con los gobiernos para crear la infraestructura necesaria en la recarga de combustible de los autos de hidrógeno. De tener un desarrollo adecuado, los autos de hidrogeno podrían sustituir a los de combustión interna, abriendo el camino de la movilidad y transporte con cero emisiones.
MesografíaUlises Cano Castillo, boletín de aplicaciones tecnológicas “celdas de combustible” www.iie.org.mx-/reno99/apli.pdf
Gonzales Matilde, Aragón Santiago, “celdas de combustible en el transporte automotriz” http://ma-tiylaquimica.blogspot.mx/2009/11/celdas-de-com-bustible-en-el-transporte.html
Xataca apasionados por los autos http://www.xata-ka.com/automovil/el-coche-de-hidrogeno -asi-es-su-tecnologia
Rodríguez Varela, Solorza Feria, Hernández Pacheco. www.viviendasustentable.com.mx/archivos/celdas Figura1.- César Heber Gómez Cisneros https://energiaunam.worpress.com/2010/ 03/12 / celdas-de-hidrogeno/ Figura2.-.http://www.xataka.com/automovil /el-coche-de-hidrogeno-asi-es-su-tecnologia
Tablas1y2.- José Ignacio San Martin, mayo de 2007 http://www.sc.ehu.es/sbweb/energias-renovables /temas/pilas_2/pilas_2.html
Elaborado por La Dirección de Movilidad y Transporte de CONUEE.
Colaborador: Luis Enrique Pérez de la Cruz
www.conuee.gob.mxAv. Revolución 1877, Col. Loreto, Del, Álvaro Obregón, C.P. 01090, México D.F., Tel, (55) 3000 1000 ext 1211, 1213, 1214 y 1215.
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