Vehículos eléctricos propulsados por pilas de flamable: afrontar los desafíos de optimización
La propulsión eléctrica para vehículos ligeros y medianos está bien establecida desde hace algunos años, y el almacenamiento de energía se centra casi exclusivamente en baterías (BEV). A medida que los mercados y las misiones se expanden, no todos los casos de uso se adaptan bien a los BEV: los vehículos comerciales combinan un uso intensivo y viajes largos, lo que genera presión para reducir el tiempo de recarga. Los problemas de suministro, como los materiales de las baterías, también son motivo de preocupación a medida que la demanda sigue creciendo.
Para muchas tareas, las capacidades únicas de los vehículos de pila de flamable con propulsión eléctrica son más atractivas que la alternativa alimentada por baterías, con ventajas que incluyen tiempos de repostaje comparables a los de los vehículos ICE convencionales y un almacenamiento de energía liviano en comparación con las baterías. Dependiendo de la fuente de flamable, los vehículos eléctricos de pila de flamable (FCEV) tienen el potencial de ofrecer emisiones de carbono muy bajas o incluso nulas.
El costo de la batería en un BEV representa una proporción sustancial del costo complete del vehículo, lo que se vuelve cada vez más significativo cuando se busca una mayor capacidad de kilometraje. El almacenamiento de hidrógeno se puede ampliar de manera mucho más rentable cuando las limitaciones de espacio lo permitan, lo que generaría ahorros de costos comparativos para vehículos más grandes (por ejemplo, comerciales).
La tecnología de pilas de flamable no se limita sólo a un segmento del mercado. Varios fabricantes de equipos originales ya tienen vehículos de pila de flamable en el mercado y muchos más tienen prototipos en desarrollo con aplicaciones y usuarios específicos en mente.
La tecnología de pilas de flamable se ha utilizado en aplicaciones de alto costo (como los vuelos espaciales) desde la década de 1960, pero recientemente se ha observado la viabilidad de pilas de flamable de membrana de intercambio de protones (PEM) con temperaturas de funcionamiento más bajas que se adaptan bien a aplicaciones automotrices. Las pilas de flamable funcionan haciendo reaccionar hidrógeno y oxígeno para producir electricidad, y hay varios cientos instalados en una pila de automóvil típica. Estas chimeneas funcionan de manera más eficiente a aproximadamente 80 °C y, por lo tanto, pueden enfriarse con sistemas térmicos de vehículos convencionales con algunos desafíos. El refrigerante debe ser no conductor y, por lo tanto, se deben utilizar fluidos específicos junto con un filtro de intercambio iónico. Otros desafíos se relacionan con la temperatura reducida a la que el vehículo puede rechazar el calor en comparación con sus homólogos con motor de combustión.
Cómo funcionan las pilas de flamable.
Las pilas de PEMFC modernas tienen eficiencias más altas que los motores de combustión interna (ICE) de automóviles, normalmente en el rango del 50-65%. Al igual que con un ICE, se requiere equipo adicional para el manejo de flamable y aire para proporcionar los reactivos a la celda de flamable, lo que se conoce como equilibrio de planta (BOP). Los componentes del BOP forman una carga parásita que cut back la eficiencia common del sistema y brinda una oportunidad de optimización y desarrollo.
Normalmente, el aire se suministra mediante un compresor eléctrico, el flamable mediante un inyector de fuel y el calor se elimina mediante un sistema de refrigeración líquida. Se utilizan componentes adicionales, como válvulas de management de aire, humidificadores de aire, sistemas de recirculación de ánodos, turbinas, enfriadores de carga, separadores de agua y sistemas de purga para aumentar la eficiencia a costa de la complejidad y el tamaño físico del sistema.
La pila en sí funciona más eficientemente a presiones más altas en el cátodo y el ánodo, pero esto crea mayores pérdidas parásitas en el sistema de aire. Lo preferrred sería que la chimenea estuviera bien humedecida para minimizar las pérdidas óhmicas a través de la membrana de protones, pero no excesivamente como para que se pueda formar agua líquida y bloquear la capa de difusión de fuel. La alta estequiometría del cátodo, una medida del “exceso” de oxígeno, también mejora la eficiencia al garantizar que los iones de hidrógeno puedan unirse fácilmente con el oxígeno, pero esto requiere flujos de compresor más altos y una mayor potencia de bombeo.
Puede ocurrir una optimización related en el bucle del ánodo. La duración y la frecuencia de la purga deben equilibrarse para mantener una alta eficiencia y evitar la acumulación de agua, evitando al mismo tiempo la pérdida excesiva de hidrógeno. Para los sistemas equipados con bombas de recirculación, los altos caudales pueden mejorar la eficiencia de la chimenea, pero a costa de pérdidas de bombeo, similares a las del circuito catódico.
La elección correcta del {hardware} y las mejores condiciones operativas son un compromiso de optimización complejo que solo se puede lograr mediante una combinación de selección y dimensionamiento adecuados de los componentes, consideraciones de arquitectura, controles avanzados, verificación experimental y ajuste, tratando todo el BOP como un sistema.
Ante la creciente demanda de instalaciones de prueba para respaldar esta optimización y desarrollo, la consultora británica sobre sistemas de propulsión eléctrica CamMotive ha puesto en servicio recientemente sus nuevas instalaciones para pruebas de pilas de flamable de hidrógeno. El sitio de prueba dedicado ya se está utilizando para proyectos destinados a evaluar y optimizar la próxima generación de tecnologías de celdas de flamable de hidrógeno para su uso en aplicaciones de transporte y energía estacionaria.
Una pila de flamable para automóviles desarrollada por Ford se está probando en las instalaciones de pruebas. La chimenea y el resto de la planta se pueden empaquetar en el espacio de una combustión interna de potencia comparable.
Bruce Campbell, El director de CamMotive explicó: “Nuestro objetivo period crear un entorno de prueba para respaldar y acelerar el ciclo de desarrollo de nuevas tecnologías de pilas de flamable de hidrógeno, incluida la optimización del {hardware} y del sistema de management”.
“Hemos combinado capacidad e infraestructura de prueba de clase mundial con décadas de experiencia en pruebas y desarrollo de sistemas de propulsión para ayudar a nuestros socios a ofrecer las soluciones impulsadas por hidrógeno más sostenibles para el transporte por carretera, aéreo, ferroviario y marítimo, así como para la energía estacionaria”.
La empresa ha desarrollado un software program personalizado para controlar el entorno de prueba de las pilas de flamable y medir métricas clave que incluyen la producción de energía eléctrica, la producción térmica, el uso de hidrógeno y las emisiones. Los datos de estas pruebas se utilizan para evaluar el comportamiento de los componentes y el rendimiento common del sistema y permitir la optimización de la eficiencia, la respuesta transitoria, la seguridad y la vida útil.
El desarrollo de la instalación de pruebas se inició como parte del papel de la compañía en un consorcio liderado por Ford para construir una pequeña flota de versiones prototipo de pila de flamable de hidrógeno de su vehículo comercial eléctrico E-Transit. El proyecto FCVGen2.0 de tres años de duración se anunció en mayo de 2023 y está financiado parcialmente por el gobierno del Reino Unido, a través del programa de investigación y desarrollo colaborativo del Centro de Propulsión Avanzada (APC).
Los sistemas de celda de flamable desarrollados por Ford y actualmente en prueba se instalarán en los vehículos donantes Ford E-Transit para evaluar su idoneidad para casos de uso de alta demanda diaria de energía, donde los vehículos eléctricos con batería carecen de energía a bordo u oportunidades de carga.
El equipo de CamMotive ha estado ejerciendo el sistema diseñado por Ford en todo el rango de potencia operando en estado estable, pasos de carga y ciclos de conducción dinámicos. Además de cumplir con los requisitos específicos del proyecto, el entorno de prueba se ha desarrollado para atender al mercado más amplio de pilas de flamable de hidrógeno en el Reino Unido y en todo el mundo.
Bruce destacó los beneficios de participar en el proyecto FCVGen2.0: “Ser parte del consorcio nos ha dado acceso a una experiencia industrial generosa y valiosa que nos ha permitido desarrollar nuestra capacidad de prueba de pilas de flamable más rápidamente. Hemos utilizado datos de pruebas realizadas en las celdas de flamable de hidrógeno diseñadas por Ford para optimizar el sistema de management y validar los diseños de {hardware}.
“El lanzamiento de nuestra nueva instalación de pruebas marca la última fase de nuestro desarrollo para respaldar y promover la viabilidad de las tecnologías del hidrógeno. Nuestro próximo paso es expandir nuestra infraestructura de prueba, incluyendo celdas de prueba adicionales y una pila de celdas de flamable versatile y una plataforma de evaluación del equilibrio de la planta para satisfacer las demandas del mercado de energía limpia”.
CamMotive cree que los fabricantes de componentes que desarrollan componentes BOP, como compresores eléctricos, a menudo carecen de oportunidades de prueba completas del sistema para validar y perfeccionar sus diseños. El equipo de CamMotive, con el apoyo de Viritech, socio del proyecto FCVGen2.0, está desarrollando un sistema de pila de flamable que proporciona una plataforma totalmente versatile para probar rápidamente las innovaciones de {hardware} y software program. Nuevas tecnologías, como las turbinas tolerantes al agua, adecuadas para el funcionamiento de pilas de flamable a baja temperatura, pueden mejorar gradualmente la eficiencia del sistema. Sin embargo, cuestiones como la gestión del agua plantean un desafío para su uso en operaciones reales y su sistema permite a los proveedores probar y explorar de manera efectiva estas difíciles condiciones.
Una celda de flamable versatile y un equilibrio de planta para respaldar el desarrollo de componentes y software program. El management complete de los parámetros operativos del sistema se puede realizar utilizando su {hardware} de creación de prototipos de controles rápidos.
El software program que opera la pila de flamable se puede ajustar y volver a implementar en minutos, utilizando una plataforma de creación rápida de prototipos dSPACE. Ser capaz de ajustar los algoritmos de management y las condiciones operativas, como las presiones operativas, la relación aire-combustible, la frecuencia de purga y las temperaturas, proporciona datos valiosos tanto para los ingenieros de componentes como de sistemas.
Dr. Paul Dickinson Especialista Técnico CamMotivo