Una pila de combustible es una pila en la que la generación de voltaje eléctrico tiene lugar en virtud de la oxidación en un electrodo de un combustible reductor (por ejemplo, dihidrógeno ) junto con la reducción en el otro electrodo de un oxidante , como el oxígeno en el aire .
El efecto de la pila de combustible fue descubierto por el alemán Christian Schönbein en 1839 . El primer modelo de laboratorio de pila de combustible fue producido por William R. Grove durante los siguientes tres años. En 1889, Ludwig Mond y Carl Langer dieron a la pila de combustible su nombre y su forma actual. Francis T. Bacon reanudó los estudios de la pila de combustible en 1932 y produjo un primer prototipo de 1 kW en 1953, luego de 5 kW en 1959. Este prototipo servirá como modelo para futuras pilas de combustible utilizadas durante las misiones espaciales Apollo .
El larguísimo lapso de tiempo (más de un siglo) que transcurrió entre la realización del primer modelo de pila de combustible y los primeros usos se explica por el fuerte desarrollo experimentado por otros tipos de generadores de pila de combustible . La energía eléctrica y el hecho de que el El coste de los materiales utilizados en la pila de combustible sigue siendo elevado en la actualidad.
Una pila de combustible es un generador en el que la producción de electricidad se realiza mediante la oxidación en un electrodo de un combustible reductor (por ejemplo, dihidrógeno ) junto con la reducción en el otro electrodo de un oxidante, como el oxígeno en el aire. La reacción de oxidación del hidrógeno se acelera mediante un catalizador que generalmente es platino . Si son posibles otras combinaciones, la batería más comúnmente estudiada y utilizada es la pila de combustible de hidrógeno : dioxígeno o hidrógeno-aire (esto se explica en particular por la abundancia de recursos de hidrógeno en la Tierra y la facilidad de producción de hidrógeno).
Desde 1977, algunas baterías (utilizadas en satélites) contienen membranas de polímero (ácido sólido o electrolito alcalino) conductivo, tomando la forma de una fina membrana que separa los dos electrodos. Estos polímeros contienen platino . Como es un metal raro, contaminante y caro, buscamos alternativas; pruebas, por ejemplo en China, un polímero ( polisulfona o polisulfona con amonio cuaternario ) con un (lado del oxígeno) de cátodo en plata y un (lado hidrógeno) ánodo en níquel chapada con cromo .
En 2010, investigadores estadounidenses e investigadores alemanes propusieron integrar un catalizador adicional, menos costoso y que podría reducir a la mitad la cantidad de platino en las pilas de combustible de Nature Chemistry ; se trata de nanoesferas construidas con átomos de platino y cobre , de las que luego se extraen parcialmente las partículas de cobre, dejando una especie de nanocapa de platino de algunos átomos de espesor. El método de producción de estas nanoesferas es tal que disminuye su capacidad de unión al oxígeno, lo que promueve la formación de agua al hacer que la célula sea más productiva. Según este equipo, esto podría reducir el precio de las pilas de combustible en un 80%. Este proceso podría aplicarse a otros metales para producir otros tipos de catalizadores que pueden permitir, por ejemplo, la producción de hidrógeno y oxígeno a partir del agua como almacenamiento químico de la energía eléctrica producida por turbinas eólicas o paneles solares, antes de devolverla en forma de electricidad.
En 2012, la compañía israelí CellEra dijo que había diseñado una celda de combustible de membrana que no usa platino, utilizando un electrolito de polímero sólido que conduce iones de hidróxido (HO - ) en un medio alcalino. Esta empresa ha presentado diez patentes relacionadas con esta técnica.
El funcionamiento de una celda de hidrógeno - dioxígeno es particularmente limpio, ya que solo produce agua y consume solo gases . Pero hasta 2010, la fabricación de estas baterías era muy cara, sobre todo debido a la gran cantidad de platino que se necesitaba y al coste de las membranas de intercambio de iones .
Parte del desafío de usarlo como portador de energía es la síntesis, almacenamiento y suministro de hidrógeno. Si bien el hidrógeno es abundante en la Tierra, casi siempre se combina con oxígeno (H 2 O, es decir, agua), azufre ( sulfuro de hidrógeno , H 2 S), carbono ( gas natural o petróleo ), etc.
La eficiencia general, que es la relación entre la cantidad de electricidad producida por la pila de combustible de hidrógeno y la cantidad de electricidad gastada en la electrólisis para sintetizar hidrógeno, es bastante baja.
Un grupo electrógeno permite una eficiencia del 25% y una pila de combustible de hidrógeno puede alcanzar del 50 al 60% de la eficiencia eléctrica, o más si se necesita el calor de recuperación pero los rendimientos energéticos acumulados de la síntesis de dihidrógeno y la compresión o licuefacción. siguen siendo bastante bajos. Aquí, el hidrógeno no es una fuente de energía primaria; es un vector de energía .
El rendimiento de un automóvil sería del 35%. Según la Agencia de Gestión del Medio Ambiente y la Energía , la eficiencia global de la cadena electricidad-hidrógeno-electricidad es de alrededor del 25%.
El principio de la pila de combustible es el inverso de la electrólisis . La reacción química producida por la oxidación y el encuentro de gases produce electricidad, agua y calor. El funcionamiento de la pila de combustible requiere un suministro de combustible, siendo el hidrógeno el más utilizado. Una celda de combustible produce un voltaje eléctrico de aproximadamente 0,7 a 0,8 V , dependiendo de la carga ( densidad de corriente ) y produce calor. Su temperatura de funcionamiento varía de 60 a 1050 ° C según el modelo. El agua se descarga generalmente en forma de vapor con el exceso de oxígeno.
Existen varios tipos de pilas de combustible, las más famosas son:
Una celda de combustible de membrana de intercambio de protones comprende:
Hidrógeno en forma diatómica (dihidrógeno H 2) entra a través de la placa bipolar de la izquierda en la figura.
Llegado al ánodo, se disocia en iones (H + ) y electrones (e - ) según la ecuación 2 H 2= 4 H + + 4 e - . Luego, los iones atraviesan la membrana, pero los electrones, bloqueados, se ven obligados a tomar un circuito externo, que generará una corriente eléctrica.
En el cátodo, los iones de hidrógeno, los electrones y el oxígeno (puro o del aire) se encuentran para formar agua según la reacción: 4 H + + 4 e - + O 2= 2 H 2 O. El agua y el oxígeno pasan por la placa bipolar derecha. Esta reacción también produce calor que se puede recuperar.
Celda de óxido sólidoEl principio es similar. La única diferencia es que la membrana de intercambio de protones es reemplazada por otra membrana llamada "membrana de óxido sólido". Las moléculas de la pila de combustible no reaccionarán de la misma forma:
Pero este tipo de celda no es más eficiente que la celda de membrana de intercambio de protones, solo funciona a muy alta temperatura (alrededor de 600 a 800 ° C ) y su fabricación es más cara para las celdas de baja potencia. Por lo tanto, están reservados para aplicaciones específicas que requieren alta potencia.
Hay dos tipos de pilas de combustible de metanol:
A diferencia de las baterías que utilizan hidrógeno, estas solo pueden ser "limpias" si el origen de este metanol es en sí mismo de origen renovable porque emiten CO 2.e incluso CO .
Tipo | Electrólito | Iones implementados | Gas / líquido en el ánodo | Gas de cátodo | Potencia | Operación de temperatura |
Eficiencia electrica |
Madurez | Campo |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
AFC - alcalino | Hidróxido de potasio | HO - | hidrógeno | oxígeno | 10 hasta 100 kW | 60 hasta 90 ° C | Solo batería: 60-70% Sistema: 62% |
Comercializado / Desarrollo | Portátil, transporte |
DBFC - hidruro de boro directo | Membrana de protones
Membrana aniónica |
H + HO - |
NaBH 4 líquido | oxígeno | 250 mW / cm 2 | 20 hasta 80 ° C | 50% de una sola celda | Desarrollo | portátil <20 W |
PEMFC - membrana de intercambio de protones | Membranas de polímero Nafion-PBI | H + | hidrógeno | oxígeno | 0,1 hasta 500 kW | 60 hasta 220 ° C | Batería: 50-70% Sistema: 30-50% |
Comercializado / Desarrollo | portátil, de transporte, estacionario |
DMFC - metanol directo | Membrana de polímero | H + | metanol | oxígeno | mW hasta 100 kW | 90 hasta 120 ° C | Batería: 20–30% | Comercializado / Desarrollo | transporte, estacionario |
DEFC - etanol directo | 90 hasta 120 ° C | Desarrollo | |||||||
FAFC - ácido fórmico | 90 hasta 120 ° C | Desarrollo | |||||||
PAFC - ácido fosfórico | Ácido fosfórico | H + | hidrógeno | oxígeno | hasta 10 MW | alrededor de 200 ° C | Batería: 55% Sistema: 40% |
Desarrollo | transporte, estacionario |
MCFC - carbonato fundido | Carbonato de metal alcalino | CO 32− | hidrógeno , metano , gas de síntesis | oxígeno | hasta 100 MW | alrededor de 650 ° C | Batería: 55% Sistema: 47% |
Desarrollo / Marketing | estacionario |
PCFC - cerámica protonante | 700 ° C | Desarrollo | |||||||
SOFC - óxido sólido | Cerámico | O 2− | hidrógeno , metano , gas de síntesis | oxígeno | hasta 100 MW | 800 hasta 1050 ° C | Batería: 60–65% Sistema: 55–60% |
Desarrollo | estacionario |
Los principales campos de aplicación son:
En 2017, en el Foro Económico Mundial de Davos, se crea el Consejo del hidrógeno (in) , una iniciativa de empresas líderes mundiales en el sector energético, el transporte y la industria para desarrollar la economía del hidrógeno y las pilas de combustible.
El Estados Unidos está desarrollando numerosos proyectos apoyados por el gobierno, a veces se presentan como una de las principales soluciones contra el calentamiento global .
CanadáEn Canadá , el National Research Council of Canada's Fuel Cell Innovation Institute (NRC-IIPC) se estableció enSeptiembre de 2006más de 6.500 m 2 , en Columbia Británica (UBC), en el cluster tecnológico de la región de Vancouver, un proyecto piloto en esta área. Su objetivo es desarrollar la industria del hidrógeno y las pilas de combustible en Canadá. Es una demostración y una plataforma de investigación, que también alberga el Programa de Vehículos de Celdas de Combustible de Vancouver, así como el Proyecto de Autopista de Hidrógeno de Columbia Británica, apoyado por laboratorios especializados, suministro de hidrógeno y técnicas integradas de celdas de combustible. El sitio cuenta con bombas geotérmicas y medios fotovoltaicos para producir hidrógeno.
EuropaEn 2008, Europa adoptó un marco (reglamento europeo) para el desarrollo de vehículos de hidrógeno (como combustible), pero también apoya proyectos de investigación sobre celdas de hidrógeno.
FranciaEn Francia , ADEME , EDF y CEA han instalado una red "Fuel Cell" (PACo) en25 de junio de 1999dirigido por Catherine Ronge, directora de I + D de Air Liquide y Roger Ballay, director adjunto de investigación de EDF, codirigido por ADEME y la Comisión de Energía Atómica ( CEA ). Las misiones de esta red eran acelerar la investigación sobre la pila de combustible mediante la identificación de obstáculos tecnológicos, dirigir a la comunidad científica en torno a un centro de conocimientos especializados que pudiera promover y difundir los avances de la investigación, desarrollar asociaciones. Sector público-privado y una reflexión con miras al futuro sobre el desarrollo de estas técnicas.
En 2005, la red francesa PACo fue sustituida por el programa PAN-H (Plan de acción sobre hidrógeno y pilas de combustible, 2005-2008) de la ANR ( Agencia Nacional de Investigación ), seguido del programa HPAC (Hidrógeno y pilas de combustible) entre 2009. y 2010. Los distintos ejes de investigación de los programas Pan-H y HPAC se posicionaron - o reposicionaron - en 2010 en los programas PROGELEC (producción renovable y gestión de energía eléctrica) y TTD (Transporte terrestre sostenible) de la ANR.
En el norte de Francia, el laboratorio de nanotecnología del Instituto de Electrónica, Microelectrónica y Nanotecnología lleva a cabo enMayo de 2009una pila de combustible muy pequeña (5 × 3,6 mm ).
En Martinica , un sistema de pila de combustible de hidrógeno llamado Cleargen se inauguró el5 de diciembre de 2019por la Société anonyme de la raffinerie des Antilles (SARA). La batería, suministrada por Hydrogen de France (HDF), utiliza el proceso de electrólisis inversa del agua para producir electricidad a partir de hidrógeno y oxígeno; utilizará el exceso de hidrógeno producido por la refinería para abastecer a la red eléctrica de la isla, bajo demanda, con una potencia de un megavatio, que puede abastecer alrededor de 2.000 hogares.
JapónNo fue hasta 2007 , bajo la égida de Japón , que se inició una reflexión sobre las normas, reglas y estándares de fabricación y seguridad, a fin de facilitar el uso generalizado de pilas de combustible o pilas de combustible de hidrógeno.
De hecho, unos años antes, por iniciativa del Primer Ministro Koizumi , en poco más de 24 meses había sido posible:
Japón espera así reducir en un 50% sus emisiones de dióxido de carbono vinculadas a la pequeña electrónica, ofreciendo también baterías cuya autonomía se multiplicaría por tres.
El uso de pilas de combustible de hidrógeno en el automóvil se basa en varios esquemas:
El primer modelo es el Sequel. La pila de combustible de hidrógeno de 73 kW es alimentada por tres tanques de hidrógeno compuestos en espiral, 700 bar (2005). El segundo es el Chevy Volt: concepto presentado enenero 2007en el Salón del Automóvil de Detroit (Estados Unidos). El tercer modelo es el Hydrogen 4 presentado en6 de marzo de 2008el 78 º Salón Internacional del Automóvil de Ginebra (Suiza). La celda de combustible GM HydroGen4 consta de 440 celdas conectadas en serie. Todo el sistema ofrece una potencia eléctrica de hasta 93 kW alimentando un motor eléctrico síncrono de 73 kW o 100 CV . Permite al HydroGen4 cruzar de cero a 100 km / h en unos 12 segundos. El HydroGen4 tiene un sistema de almacenamiento que consta de tres tanques de alta presión de 700 bar hechos de fibra de carbono, que pueden contener 4,2 kg de hidrógeno. Esto permite un alcance de hasta 320 km .
BMWEjemplos de modelos producidos: prototipo i8 de 2015 (batería Toyota Mirai), prototipo i Hydrogen NEXT desarrollado sobre la base de un X5 y presentado en el Salón del Automóvil de Frankfurt 2019 . En su nota de prensa de presentación del prototipo, BMW anuncia que este prototipo de hecho prefigura una pequeña serie que se presentaría en 2022, de modo que luego, como muy pronto en 2025, se ofertarán otros vehículos según sea necesario en el mercado y la situación general.
Mercedes-BenzEl concept car Ener-G-Force propulsado por una celda de combustible con tanques de agua montados en el techo se presentó en la feria de Los Ángeles en 2012. Se construyó el NECAR y el F-Cell: todos una familia de vehículos con diferentes tipos de combustible (hidrógeno gaseoso, metanol, etc. ). Hasta la fecha (2010), Daimler ha construido el mayor número de vehículos que utilizan una pila de combustible (más de cien). Mercedes anunció la producción en masa para el público en general de la Clase B F-Cell Hydrogen en 2017.
HummerEl Hummer O2 es un concept car todo terreno.
Prototipos CityjouleEste es un automóvil experimental de la Universidad de Nantes cuyo coeficiente de resistencia C x se anunció en 0.11 en 2013.
GreenGTEl GreenGT H2 es el primer prototipo de competición de hidrógeno eléctrico, la génesis del GreenGT H2 comienza en 2009. Se presenta oficialmente el2 de junio de 2012como parte de la jornada de entrenamientos de las 24 Horas de Le Mans . Luego no se enrolla y recibe una librea negra y naranja. La27 de junio de 2015, es el tema de una primera presentación pública dinámica en el circuito Paul-Ricard como parte de la ronda francesa de la Copa del Mundo de turismos . Luciendo una nueva librea celeste y blanca, fue conducido por Olivier Panis , ex piloto de Fórmula 1 y ganador del Gran Premio de Mónaco de 1996 en Ligier-Mugen-Honda. Por invitación de Michelin , dio una segunda demostración, en la inauguración del primer ePrix de Fórmula E de París , el23 de abril de 2016. La26 de junioAl final del día, durante las 24 Horas de Le Mans 2016 y aún conducido por Olivier Panis, se convierte en el primer automóvil propulsado por un sistema de propulsión de hidrógeno eléctrico en completar una vuelta del circuito de motores de Sarthois. Dos días después, el28 de junio, el H2 y su piloto repiten su demostración justo antes del inicio de la carrera. La potencia del GreenGT H2 , equipado con dos motores eléctricos, es de 2 × 200 kW a 1350 rpm , o 544 CV.
La velocidad H2 nació a petición del carrocero italiano Pininfarina , el H2 velocidad se presenta a la 86 ª Exposición Internacional del Automóvil de Ginebra en1 st de marzo de el año 2016. Es presentado conjuntamente por Jean-François Weber (cofundador, accionista y director de investigación y desarrollo de GreenGT), Fabio Filippini (director de estilo de Pininfarina), Silvio Angori (presidente y CEO de Pininfarina) y Paolo Pininfarina (presidente de la Grupo Pininfarina). En esta ocasión, la revista estadounidense Autoweek , en su edición de21 de marzo de 2016, Otorgado que el Premio al Mejor Concepto , un premio que recompensa cada año para el más bello coche de concepto en el Salón del designándola como “el coche más rápido de emisiones cero de todos los tiempos” . Sus rivales fueron el Sbarro Prom, el Italdesign GTZERO y el Morgan EV3. La30 de marzo de 2016, el H2 Speed se presenta, a petición suya, a Alberto II, Príncipe de Mónaco , atento a las tecnologías de desarrollo sostenible. Al final de esta presentación, se entrega un traje de piloto con los colores de GreenGT al soberano de Mónaco. Está bordado con su nombre como invitación a venir a probar el H2 Speed . El 21 y22 de mayo, participa en el concurso de elegancia de la Villa d'Este de Cernobbio en Italia luego, del 8 al12 de junio de 2016, en el Salón del Automóvil de Turín . El H2 Speed fue presentado dos veces por Michelin, socio de neumáticos de GreenGT, con motivo de eventos automovilísticos internacionales, la primera vez en Francia durante las 24 Horas de Le Mans 2016, de 15 a19 de junioy el segundo en Gran Bretaña, en el Goodwood Festival of Speed una semana después.
SuzukiEn colaboración con General Motors, construyó el prototipo de automóvil Mr Wagon FCW . La pila de combustible de hidrógeno funciona con hidrógeno contenido en depósitos a 700 bar.
MichelinUn prototipo de automóvil Hy-light propulsado por una pila de combustible de hidrógeno se presentó enMarzo de 2005. La celda funciona con hidrógeno procedente de tres cilindros bobinados compuestos de alta presión,
El fabricante también construyó un prototipo de automóvil Hy-light 2 que funciona con una celda de combustible. Fue presentado enseptiembre 2007. En comparación con el HY-luz, la 2 ª generación tiene baterías y supercondensadores,
El F-City H2 es el primer automóvil francés en recibir la homologación vial de las autoridades francesas. Este vehículo es el resultado de la colaboración entre Michelin y FAM Automobiles (que desde entonces se ha convertido en France Craft Automobiles). Para ello, Michelin ha diseñado un paquete de pilas de combustible de hidrógeno compacto pero completo, que incluye incluso el depósito de hidrógeno a 350 bar que sustituye al compartimento de la batería de la versión eléctrica del F-City.
PSAEl fabricante ha construido un demostrador TAXI PAC, una célula de combustible alimentada por un (intercambiable) Estante de cilindros de hidrógeno a presión, un demostrador de H2O, un motor de fuego con una pila de combustible de autonomía aumentada con in situ de hidrógeno generación. Usando tetrahydruroborate de sodio , un quark demostrador, un quad de pila de combustible que comprende un motor eléctrico en cada una de las cuatro ruedas, un demostrador 207 CC Epure que comprende la pila de combustible resultante del programa GENEPAC. PSA colaboró en el proyecto GENEPAC (2002-2006) con la CEA para una pila de combustible de hidrógeno tipo PEMFC de 80 kW ,
Renault -NissanEn 2008, el fabricante presentó el prototipo de pila de combustible Renault Scénic ZEV H2.
VenturiEl Venturi Buckeye Bullet 2 rompe el récord de velocidad de la FIA para un vehículo eléctrico propulsado por una pila de combustible: 487 km / h . Es el primer vehículo eléctrico en cruzar la barrera simbólica de 300 mph (más de 480 km / h ).
SymbioFCellEl HyKangoo está construido sobre la base de un Kangoo ZE con una evolución hacia un vehículo eléctrico con extensor de autonomía, con una batería de 5 kW y un pequeño almacenamiento de hidrógeno, presentado en el Salón del Automóvil de París 2012. Vehículo expuesto en el Solvay de Tavaux sitio .
Autos de producción VadoEl modelo producido es el Focus FCV.
HondaEl Honda FCX Clarity es el primer automóvil de producción, comercializado (arrendado) en Japón y Estados Unidos (Estado de California). Es un vehículo de cinco plazas, equipado con un depósito con una presión de 350 bar.
Honda también produjo el Honda CR-X.
HyundaiTucson FCEV es un automóvil híbrido. La pila de combustible de hidrógeno de 80 kW funciona con un cilindro de gas bobinado compuesto.
El iX35 FCEV es una nueva generación del Tucson FCEV que podría comenzar a comercializarse en unos pocos territorios específicos con una adecuada infraestructura de llenado de hidrógeno. Hyundai anuncia una autonomía de 564 km y el precio de un depósito lleno rondaría los 56 euros. Se anunció una asociación tecnológica enjunio 2018con Audi (una subsidiaria de Volkswagen , sabiendo que Alemania ha lanzado un programa dirigido a 400 estaciones de servicio de distribución de hidrógeno antes de 2023. En Francia, en 2018, una flota de taxis Hype funciona con hidrógeno (incluidos 60 modelos de Hyundai).
Nikola Motor Companyla 3 de mayo de 2018, Anheuser-Busch emitió una orden de compra de hasta 800 camiones para entregar cerveza a los Estados Unidos.
ToyotaEl fabricante produjo un automóvil de cinco plazas FCHV-4 y un autobús FCHV-US1. Estos programas se presentaron por primera vez en 2001. Cuentan con una pila de combustible de hidrógeno de 90 kW . Toyota anuncia enJunio de 2009para 2015 el desarrollo de coches eléctricos basados íntegramente en celdas de combustión a la venta (a diferencia de hoy donde se alquilan los coches eléctricos). Enjunio de 2014, Toyota confirma la comercialización en Japón por abril 2015su primer sedán de pila de combustible, el Mirai , a un precio mucho más bajo de lo que esperaban los observadores; también se ofrecerá en el verano de 2015 en los Estados Unidos y en algunos países europeos equipados con estaciones de carga como Suecia; Toyota espera vender decenas de miles de estos coches al año durante la próxima década. El Toyota Mirai fue lanzado en 2014.