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Recorrido pieza a pieza a través de un vehículo de pila de combustible de hidrógeno

Recorrido pieza a pieza a través de un vehículo de pila de combustible de hidrógeno
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Se habla mucho de la tecnología de pila de combustible, como la gran alternativa a los vehículos eléctricos de batería. Sin embargo, lo novedoso del sistema (aunque, en realidad, no lo es tanto) hace que los coches propulsados por hidrógeno sean vistos por algunos como demasiado complejos y poco factibles a día de hoy.

La tecnología de la pila de combustible está completamente desarrollada y puede proporcionar actualmente una experiencia de uso muy parecida a la del vehículo convencional. Para convencernos, vamos a repasar los principales elementos que componen el sistema de pila de combustible de Toyota. Denominado por la empresa como Toyota Fuel Cell System o TFCS, es el utilizado en su ya icónico Toyota Mirai, la berlina propulsada por hidrógeno que este año ha conocido su segunda generación.

Esquema Antiguo

Entrada de aire

Como ya sabemos, para producir energía eléctrica a través de hidrógeno necesitamos oxígeno, que tomamos del aire directamente. En el caso del Toyota Mirai, esto se realiza a través de una entrada situada en el frontal del vehículo que está optimizada para absorber las importantes cantidades de aire que se necesitan para la marcha. Además, se ha diseñado para minimizar las pérdidas de presión y está fabricado con materiales de aislamiento acústico para que el sonido del aire no moleste a los pasajeros.

La entrada es solo el principio de un sofisticado sistema de filtros que permite purificar el aire que se toma y que posteriormente se expulsa. Un primer filtro catalizador, exclusivo de Toyota, atrae y neutraliza sustancias nocivas como dióxido de azufre, monóxido de nitrógeno o amoníaco. Un segundo filtro de tela con carga electrostática elimina entre el 90 y el 100 % de las partículas PM 2.5 (menores de 2,5 micras), como el polvo, el cemento, etc.

Depósitos de hidrógeno

El otro elemento necesario para conseguir electricidad es el hidrógeno, que se almacena en depósitos de alta presión. En el caso del Toyota Mirai, el hidrógeno se almacena a 700 bares de presión (aunque sus tanques soportan hasta 1.500), y con una densidad de almacenamiento de depósito de 5,7 %.

En la nueva generación de la berlina se ha podido incluir un tercer depósito, lo que ha supuesto pasar de una capacidad de 4,6 kilos a 5,6 kilos (equivalentes a 142,2 litros comprimidos). Esto se traduce en un aumento del 30 % de la autonomía, pasando de los 500 km a los 650 km actuales (aunque ya hemos visto que puede superar los 1.000). Los depósitos se disponen ahora en forma de T: uno más largo colocado longitudinalmente debajo del piso y otros dos más pequeños situados lateralmente bajo los asientos traseros.

Depositos Mirai

Estos depósitos cuentan con válvulas de sobrepresión y una estructura de tres capas: una interior de polímero reforzado con fibra de carbono de baja permeabilidad, una intermedia también de polímero y una externa de plástico reforzado con fibra de vidrio. Con todo, se ha reducido a un tercio las posibilidades de fuga, pero, en caso de producirse, el sistema la detecta y neutraliza. Los depósitos también están concebidos para soportar impactos a alta velocidad.

Pila de combustible

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El lugar donde se combinan el oxígeno y el hidrógeno para producir electricidad es la pila de combustible. Toyota cuenta con un módulo denominado FC Stack, con una pila de electrolito de polímero sólido y catalizador de platino. En el nuevo Toyota Mirai, la pila de combustible ha reducido su tamaño, pasando de las 370 a las 330 celdas, y por tanto su peso, de 56 a 52 kg. También se ha recortado en dos tercios la cantidad de platino utilizado, hasta los 10 gramos, una cifra similar a la que usan los vehículos de combustión.

Cuenta igualmente con un módulo de alimentación inteligente propio de Toyota (Intelligent Power Model o IPM), que utiliza por primera vez un material semiconductor de carburo de silicio de nueva generación. Todo el conjunto está cubierto por una carcasa soldada por fricción batida (Friction Stir Welding), que mengua aún más el espacio. Gracias a ello, la pila de combustible pasa de la parte trasera del vehículo a la delantera, justo en el lugar donde iría el motor en un coche común.

Modulo Fc

Convertidor de voltaje o booster

Uno de los elementos más importantes del conjunto de pila de combustible es el convertidor de voltaje o booster. Es el encargado de aumentar la tensión eléctrica de la energía producida en la pila (entrada) para alimentar el motor eléctrico (salida). En el caso del FC Stack del Toyota Mirai, el nuevo convertidor de voltaje de 4 fases (denominado Fuel Cell Power Converter o FCPC) logra aumentar la tensión hasta los 650 voltios.

Aunque el FCPC está pensado expresamente para la plataforma GA-L que usa el Toyota Mirai, muestra una gran versatilidad. De hecho, es clave para que el fabricante pueda emplear el conjunto del FC Stack en otro tipo de vehículos, como autobuses, camiones o incluso barcos.

Motor eléctrico

El propulsor en un vehículo de pila de combustible es el motor eléctrico, que está alimentado directamente por la energía producida en la pila. En el nuevo Toyota Mirai este propulsor está situado sobre el tren trasero, lo que posibilita alojar el FC Stack junto al eje delantero. Esto favorece una óptima distribución de los pesos, al 50 % en cada eje, lo que redunda en una mejor experiencia de conducción.

El nuevo motor del Toyota Mirai de segunda generación es de menor tamaño, pero con un 12 % más de potencia, alcanzando los 182 CV. Se nota sobre todo en la aceleración (de 0 a 100 km/h en 9 segundos) y en la velocidad punta (175 km/h). Asimismo, es más eficiente, con un consumo homologado en WLTP de 0,8-0,89 kg por cada 100 km.

Motor Y Bateria

Batería de propulsión

En el Toyota Fuel Cell System, la pila de combustible se combina con una batería de propulsión, funcionando de forma similar a la de un híbrido eléctrico. En consecuencia, esta batería ayuda a la pila de combustible cuando el motor eléctrico necesita un extra de potencia en la aceleración del coche y se recarga a través de la frenada regenerativa, que ya conocemos de otros híbridos de Toyota.

En el Toyota Mirai la batería pasa de ser níquel metal hidruro a ión litio de alto voltaje, lo que ha traído una mayor capacidad (de 0,99 a 2,02 kWh), un mayor voltaje (de 244,8 a 310,8 V) y una mayor potencia (de 25,5 a 31,5 kw x 10 segundos). También se ha conseguido reducir el peso y el tamaño, por lo que se ha podido colocar detrás de los asientos traseros, sin perjudicar el espacio del maletero.

Unidad de control de potencia

Power Control Unit

Todo sistema necesita una unidad de control, un sistema central, una inteligencia que se encargue de que cada elemento funcione correctamente y tome las mejores decisiones. En el caso del Toyota Mirai y el TFCS, este cerebro es la unidad de control de potencia o energía, denominada Power Control Unit o PCU.

La PCU tiene una doble función; por un lado, controlar de manera optimizada la entrega de potencia de la pila de combustible al motor eléctrico, según las circunstancias; por el otro, controlar la carga y descarga de la batería eléctrica. En definitiva, es la que decide si circulamos solo con la energía generada por la pila de combustible o si recurrimos a la almacenada en la batería.

Como vemos, un sistema de propulsión de pila de combustible es relativamente sencillo, más allá de la cada vez más eficiente tecnología y del maravilloso proceso electroquímico que se produce en su interior. Tanto que Toyota ha desarrollado un módulo FC que brinda la oportunidad de llevar la tecnología del Toyota Mirai a otro tipo de vehículos, como decíamos, e incluso a instalaciones fijas.

Tenemos el ejemplo del autobús Sora, el camión de Hino o la embarcación Energy Observer, todos propulsados por la tecnología de Toyota. Pero la marca nipona desea poner su módulo FC a disposición de otras empresas, incluso de la competencia. Muchos ya lo llaman la democratización del hidrógeno.

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