Pila de Combustible (FC): Funcionamiento, Componentes y Aplicación en Vehículos Híbridos

Introducción a la Pila de Combustible (FC)

Una Pila de Combustible o Fuel Cell (en adelante FC) es un dispositivo electroquímico en el cual se introducen gases (hidrógeno y oxígeno). A la salida, se obtiene electricidad, agua y calor generado debido a la reacción interna del hidrógeno con el oxígeno, sumado a las pérdidas óhmicas por la circulación de corriente a través de la celda.

La FC se considera una fuente de energía eléctrica válida para alimentar cargas, como es el caso de los vehículos eléctricos. Una FC puede generar electricidad de forma constante siempre y cuando haya un suministro continuo de hidrógeno. Además, el funcionamiento de la FC es silencioso, puesto que no contiene partes móviles.

Principio de Funcionamiento y Componentes

Las partes internas constituyentes de una celda de combustible son las siguientes:

• Dos Electrodos: Ánodo y Cátodo.
• Zona Difusora de Gas Hidrógeno: Donde el hidrógeno libera los electrones (Ánodo).
• Zona Difusora del Hidrógeno junto con el Oxígeno: (Cátodo).
• Membrana: Ubicada en el centro, solo permite el paso de los protones del gas hidrógeno, actuando como aislante eléctrico para los electrones.

Reacciones Electroquímicas (Ánodo y Cátodo)

En el lado del ánodo, el hidrógeno que llega se disocia en protones (H+) y electrones (e-). Los protones son conducidos a través de la membrana hacia el cátodo, pero los electrones están forzados a viajar por un circuito externo (produciendo energía) ya que la membrana está aislada eléctricamente.

En el catalizador del cátodo, las moléculas de oxígeno reaccionan con los electrones (conducidos a través del circuito externo) y los protones para formar agua. En este caso, el único residuo es vapor de agua o agua líquida.

Aplicación en Vehículos Eléctricos Híbridos

Una de las aplicaciones más importantes de las FC es como segunda fuente de energía en una arquitectura híbrida serie en un vehículo eléctrico. Dado que la FC convierte la energía del hidrógeno en energía eléctrica, la potencia que se puede extraer de la FC dependerá directamente de la cantidad de hidrógeno que el vehículo pueda almacenar presurizado en los tanques embarcados.

Consideraciones Operacionales Clave

A continuación, se detallan las consideraciones fundamentales en la integración de la Pila de Combustible y el Battery Pack en la arquitectura del vehículo:

• Unidireccionalidad de la FC: La FC solo entrega potencia; no puede absorber energía eléctrica. Por esta razón, el convertidor DC/DC asociado a la FC es también unidireccional.
• Bidireccionalidad del Battery Pack: El paquete de baterías es bidireccional, lo que admite descarga (para tracción) y carga (mediante frenado regenerativo).
• Cargas Auxiliares: Las cargas auxiliares siempre demandan potencia desde el bus DC de tracción. Esta potencia puede ser constante por simplicidad, aunque lo lógico es que sea variable en función de los equipos auxiliares activados en cada momento.