Este documento describe los fundamentos de los vehículos eléctricos con pila de combustible. Explica que el hidrógeno puede ser un vector energético viable y describe el funcionamiento de la pila de combustible de membrana de intercambio protónico. También resume la configuración típica del tren de propulsión de un vehículo con pila de combustible, incluyendo tanques de hidrógeno, pila de combustible, batería de alto voltaje y el sistema de distribución eléctrica.

1. FUNDAMENTOS DE MOVILIDAD ELÉCTRICA
Tema: Vehículo eléctrico con pila de combustible
Autor: Edwin Raúl Grijalva Campana
Ingeniero en Mecánica Automotriz
Doctor en Ingenieria Mecánica especialidad en Sistemas
alternativos de propulsión e impacto medioambiental de los
vehículos automóviles

2. ÍNDICE
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• Introducción
• El hidrógeno como vector energético
• La pila de combustible de membrana de intercambio protónico
(PEMFC)
• Configuración del tren de propulsión de un vehículo con pila de
combustible.
• Partes y funcionamiento del sistema

3. Hidrógeno
Elemento más
abundante en el
universo (75%)
Es el combustible
nuclear del Sol y
todas las estrellas
No existe aislado en
la Tierra
(si combinado, como
en el agua)
Introducción
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4. Hidrógeno, propiedades
Pesa muy poco (84 g /m3) => asciende en atmosfera rápidamente (se puede acumular en
techos).
No huele, no tiene color (invisible).
Arde a 560ºC, con llama ultravioleta.
Límite inferior de explosividad 4% vol., muy baja energía de ignición (0.019 mJ, 1/10 de la del
propano, no se autoenciende... pero lo parece).
Al expandirse se calienta levemente.
Propenso por su mínimo tamaño molecular a fugas, y se difunde en metales fragilizándolos.
No es tóxico, pero puede provocar asfixia por desplazamiento de O2.
Introducción
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5. Papel del hidrógeno
en la energia
Almacenamiento energía renovable
-La mayoría son intermitentes y poco predecibles
-La electricidad se almacena mal, una de las posibilidades es acumular la energía en H2
-Durante sobreproducción se obtiene H2 que se usa cuando hay demanda o en coches
Introducción
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6. Obtención del hidrógeno
Hay muchos métodos...
Más habitual; REFORMADO DE GAS NATURAL
•Barato
•Es combustible fósil
•Emite CO2
“Hidrógeno LIMPIO”
•Por electrólisis de agua
•La energía que se usa sea “limpia” (nuclear o renovable)
•Rendimiento del 70%
Introducción
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7. 11/10/2021 7
El hidrógeno como vector energético
El hidrógeno es un potencial portador de energía. Se encuentra clasificado dentro de los sistemas de
almacenamiento de energía química.
Su uso esta enfocado en la generación de energía eléctrica a partir de pilas de combustible.
Se prevé que los principales campos de utilización sean en aplicaciones estacionarias y de automoción.
Retos a vencer:
Capacidad de almacenamiento.
Vida útil de los sistemas empleados (Sistema de pila de combustible)
Costo de la energía limpia.
Densidades de energía volumétrica y gravimétrica de los combustibles utilizados en el transporte

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La pila de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC)
Está compuesta por tres componentes activos:
Un electrodo negativo (ánodo) donde se liberan los
electrones en presencia de un catalizador.
Un electrodo positivo (cátodo) a donde viajan los
electrones para combinarse con los iones de
hidrógeno y con el oxígeno.
Un electrolito polimérico (Nafion®) intercalado entre
ellos.
En el ánodo:
𝐻𝐻2 → 2𝐻𝐻+
+ 2𝑒𝑒−
En el cátodo:
𝑂𝑂2 + 4𝐻𝐻+
+ 4𝑒𝑒−
→ 2𝐻𝐻2𝑂𝑂
La reacción global:
2𝐻𝐻2 + 𝑂𝑂2 → 2𝐻𝐻2𝑂𝑂
Para aplicaciones de automoción, según DOE se requiere una
vida útil de 5000 horas en condiciones de funcionamiento
reales que incluyan: impurezas en el combustible y el aire;
condiciones de arranque y parada del sistema; congelación y
descongelación; ciclos de humedad.
Estructura interna de una pila de combustible PEMFC. (Fuente: Mayandía. Descripción y
modelado de una pila de combustible de membrana de intercambio protónico)

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Curvas características de polarización y potencia de la pila de combustible
FCS-C200. (Fuente: Horizon. H-200 Fuel Cell Stack User Manual)
La pila de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC)

10. La pila de combustible en la propulsión eléctrica
Los vehículos que trabajan sólo con PC, presentan ciertas desventajas relativas a una unidad de
potencia pesada y voluminosa debido a su baja densidad de potencia, lento arranque y lenta
respuesta en potencia. Además, en aplicaciones de propulsión, las exigentes prestaciones en
potencia en la aceleración y la baja potencia a bajas velocidades hace que la PC funcione en
zonas de bajo rendimiento.
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11. La pila de combustible en la propulsión eléctrica
 Un vehículo híbrido de pila de combustible (VHPC) tiene una batería o ultracondensadores
en paralelo con el sistema de pila de combustible.
 El funcionamiento del VHPC permite un uso más eficiente de la alta densidad de energía
de la pila y de la alta densidad de potencia de la batería.
Cuando la demanda de potencia es alta, como enuna aceleración, las baterías proporcionan la
potencia necesaria
 Cuando la demanda de potencia es baja, como en condiciones de velocidad crucero, la pila
proporciona la potencia. Las baterías se recargarán durante los periodos de baja potencia.
 Así pues, dependiendo de los requerimientos de potencia y de energía, la pila se podría diseñar bajo el
punto de vista de velocidad crucero, y la batería para proporcionar potencias pico.
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12. Configuración del tren de propulsión de un vehículo con pila de combustible
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13. Principales sistemas del tren de propulsión
Tanques de
hidrógeno
Batería
Alto voltaje
Pila de
combustible
Conversores
Motor
eléctrico
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14. Tanques de Hidrógeno
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15. Pila de combustible
Se llama “pila” porque es un “apilamiento” de 434 celdas
Las celdas son muy finas, su voltaje nominal 0.5 – 1 V
Rendimiento alto, pero no 100%, necesitan refrigeración
No son acumuladores; solo es capaz de dar energía a un
circuito.
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16. Batería alto voltaje
Características
Potencia 24 kW
Capacidad 0.95 kWh
Voltaje 180 V (Máx. 206 V)
Tipo Litio Polimero
Nº Celdas 48
Peso 47 kg.
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17. Modo Fuel Cell
Sólo pila de combustible
(crucero)
Modo Asistencia
Pila + batería
(aceleraciones)
Modo Carga
Carga de la bateria
Modo Regenerativo
Frenada regenerativa
Modos de funcionamiento
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18. Principales sistemas – Distribución Eléctrica
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19. Principales sistemas – Distribución Eléctrica
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20. Principales sistemas – Distribución Eléctrica
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21. Bibliografía Referencial
López Martínez, J.M. Vehículos Híbridos y Eléctricos, 2nd ed.; Dextra: Madrid, Spain, 2016;
ISBN978-84-16277-42-1.
Das, H.S.; Tan, C.W.; Yatim, A.H.M. Fuel cell hybrid electric vehicles: A review on power
conditioning units and topologies. Renew. Sustain. Energy Rev. 2017, 76, 268–291,
doi:10.1016/j.rser.2017.03.056.
Gao, D.; Jin, Z.; Zhang, J.; Li, J.; Ouyang, M. Comparative study of two different powertrains for a
fuel cell hybrid bus. J. Power Sources 2016, 319, 9–18, doi:10.1016/J.JPOWSOUR.2016.04.046.
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