Cero emisiones con el Honda FCX Clarity

En marzo de 2009, Honda anunciaba el inicio, previsto para otoño de este mismo año, de un nuevo proyecto de investigación sobre la tecnología de pila de combustible en Alemania. Como parte de dicho proyecto, Honda acaba de presentar en Europa el FCX Clarity, el primer vehículo eléctrico de pila de combustible propulsado por hidrógeno que se fabrica en serie. El automóvil de pila de combustible es lo último en funcionamiento limpio.

Honda siempre ha tenido un enfoque proactivo e innovador con respecto a la reducción de la contaminación atmosférica. Con el lanzamiento del motor CVCC en 1972, Honda se convirtió en el primer fabricante de automóviles del mundo en cumplir la rigurosa normativa de emisiones de escape de la Ley estadounidense del Aire Limpio (Clean Air Act) de 1970, y esto sin utilizar un convertidor catalítico. Honda ha continuado además trabajando para mejorar el nivel de emisiones de todos sus vehículos, como con la pila de combustible de la que va dotado el FCX Clarity.

Vehículo eléctrico con pila de combustible

Un vehículo de pila de combustible tiene un depósito de hidrógeno en lugar de uno de gasolina. En la pila de combustible, el hidrógeno se combina con oxígeno atmosférico para generar electricidad. La pila de combustible se asemeja más bien a una minúscula estación energética que a una batería. Puesto que la electricidad requerida para impulsar el motor del vehículo se genera a bordo utilizando hidrógeno y oxígeno atmosférico, en este proceso no se emite CO2 ni otras sustancias contaminantes. Es lo último en funcionamiento limpio: lo único que se emite es el agua producida como derivado de la generación de electricidad. Una batería de ion- litio compacta y eficiente almacena la electricidad generada durante el frenado y la desaceleración en la frenada regenerativa. La batería funciona en combinación con la pila de combustible para impulsar el vehículo.

El hidrógeno se puede extraer de cualquier fuente de energía
El vehículo de pila de combustible produce electricidad para hacer funcionar su motor eléctrico. El combustible utilizado para producir esa energía es el hidrógeno. El hidrógeno no se encuentra como tal en la naturaleza, pero existe como componente dentro de muchos materiales distintos de los cuales se puede extraer. En la actualidad el hidrógeno se genera principalmente a partir del gas natural, pero también se puede extraer del agua mediante la electrólisis utilizando la electricidad producida por fuentes de energía renovable, como la solar, la eólica y la hidroeléctrica. El hidrógeno es un vector energético que se puede derivar de fuentes energéticas renovables y bajas en carbono, sin necesidad de ser transportado y sin riesgo de derramamiento.

¿Es mejor convertir primero la electricidad en hidrógeno o utilizarla directamente? ¿Cuál es la diferencia entre un vehículo eléctrico y un vehículo de pila de combustible?

Si la electricidad se genera a partir de una fuente de energía renovable para producir hidrógeno, pero luego ese hidrógeno se utiliza para generar electricidad en una pila de combustible, ¿por qué no utilizar directamente la electricidad para impulsar el vehículo? Mediante la extracción, suministro y almacenamiento de hidrógeno podemos sacar provecho de los beneficios que el vehículo de pila de combustible ofrece más allá del uso eficiente de la electricidad. Un vehículo de pila de combustible se puede recargar rápidamente y puede tener una autonomía equivalente a la de un vehículo impulsado por motor de gasolina. Además, el sistema de pila de combustible y otros componentes de la unidad motriz pueden fabricarse de manera que sean potentes, ligeros y compactos, lo que permite una libertad de distribución que da lugar a opciones de carrocería y diseño nunca antes posibles en un automóvil.

Aspiramos a una sociedad energéticamente sostenible que no dependa de los combustibles fósiles

En un ciclo ideal del hidrógeno, el hidrógeno producido por el agua mediante la electrólisis utilizando la energía solar, eólica, hidroeléctrica u otras fuentes de energía renovable se utilizaría en las pilas de combustible con el fin de generar electricidad para usarla en automóviles o para satisfacer otras necesidades energéticas. El agua producida como derivado de este proceso regresaría entonces a los ríos y océanos antes de volver a ser convertida una vez más en hidrógeno mediante electrólisis. Si se diera un ciclo energético renovable agua-agua de estas características, un día sería posible crear suministros energéticos realmente sostenibles, lo que liberaría a la sociedad de la dependencia de las fuentes energéticas no renovables o basadas en el carbono.

Es difícil almacenar grandes cantidades de electricidad. Un método efectivo es generar electricidad utilizando hidrógeno y, además, según sea necesario.

Un vehículo convencional impulsado por una batería requiere un suministro continuo de electricidad generada por una unidad motriz para satisfacer necesidades previstas: por ejemplo, convirtiendo el calor derivado de la combustión de los combustibles fósiles o del frenado del vehículo. Una ventaja del hidrógeno es que se puede comprimir o licuar para suministrarlo mediante conductos o almacenarlo en depósitos. A su vez, el almacenamiento en depósitos permite que la pila de combustible produzca electricidad cada vez que es necesario. El hidrógeno también se puede producir utilizando energía solar, eólica o hidroeléctrica (en función de la viabilidad de estas formas de producción en una zona geográfica determinada), lo que garantiza un suministro estable de hidrógeno a partir de fuentes de energía renovables.

El vehículo de pila de combustible: eficiencia energética superior y funcionamiento silencioso y potente.

Los vehículos de pila de combustible, que funcionan con electricidad obtenida a partir del hidrógeno, ofrecen lo último en cuanto a responsabilidad medioambiental…y mucho más. También destacan cuando se trata de propulsar el vehículo con la mínima pérdida de energía y, por lo general, presentan más del doble de eficiencia energética que un vehículo convencional impulsado por motor de gasolina y una autonomía superior. El nuevo FCX Clarity lleva este rendimiento al siguiente nivel, pues alcanza el triple de la eficiencia energética de los automóviles compactos de Honda con motor de gasolina, ya reconocidos por su excelente eficiencia de combustión, y duplica la eficiencia energética de los vehículos híbridos gasolina-electricidad. Esta alta eficiencia se mantiene incluso a baja potencia, lo que da como resultado unas pérdidas reducidas y una extraordinaria economía de combustible. Y, lo que es más, la inconfundible suavidad del motor eléctrico, la potente aceleración y el funcionamiento silencioso, sin la vibración asociada a los vehículos impulsados por un motor de combustión, ofrecen una experiencia de conducción completamente nueva.

La pila de combustible V Flow
Los vehículos de pila de combustible de Honda continúan liderando la industria del automóvil. Consciente de que la pila de combustible constituye la clave para la evolución del vehículo eléctrico de pila de combustible, Honda ha continuando mejorando el rendimiento y el diseño. En 2003 Honda dio a conocer la pila Honda FC, capaz de arrancar a temperaturas bajo cero y con una extraordinaria capacidad de producción. Su diseño, con separadores de metal estampados y una membrana electrolítica aromática, revolucionó la pila de combustible. A continuación, Honda aceptó el desafío de la innovación estructural y creó la pila V Flow, con una original estructura de células que ofrece un menor peso, un mayor rendimiento y un diseño todavía más compacto. La plataforma V Flow es la siguiente generación en diseño compacto. Gracias a ella, el diseño atractivo es viable por primera vez en un vehículo de pila de combustible. El gran avance en tecnología de pilas de combustible es lo que dota al FCX Clarity de su elegante diseño.

Alta potencia con un diseño ligero y compacto
La pila V Flow cuenta con una estructura de células totalmente nueva que consigue una mayor potencia de 100 kW, un tamaño y peso menores, con un 50 % de mejora de la densidad de potencia respecto al volumen, y un incremento del 67 % de la densidad de potencia respecto a la masa en comparación con el FCX de 2005.

Capas de células que producen grandes cantidades de energía
La pila Honda V Flow utiliza un sistema de generación de electricidad mediante una membrana de intercambio de protones (PEMFC) que convierte en energía eléctrica la energía química que se produce en las reacciones del hidrógeno y el oxígeno.

La membrana de intercambio de protones (membrana electrolítica) extremadamente delgada se intercala entre pares de capas de electrodos y capas de difusión (los electrodos de hidrógeno y oxígeno) para formar un ensamblaje membrana-electrodo (MEA). El MEA se aloja entre dos separadores para formar una célula: una unidad individual de generación de electricidad. Varios cientos de células se apilan para formar una pila de combustible. Al igual que en el caso de las baterías, estas células individuales se conectan en serie para producir alta tensión.

Cómo se genera la electricidad
– El gas hidrógeno se cede al electrodo de hidrógeno. Cada átomo de hidrógeno se convierte en un ión de hidrógeno en una reacción catalítica con el platino que tiene lugar en el electrodo, con lo que se cede un electrón.

– Una vez liberado su electrón, el hidrógeno pasa a través de la membrana electrolítica, donde se une al oxígeno del electrodo de oxígeno y a un electrón que llega por medio de un circuito externo.

– Los electrones liberados crean un flujo de corriente directa en el circuito externo. La reacción que se da en el electrodo de oxígeno produce agua como derivado.

– Puesto que la membrana electrolítica debe mantenerse siempre húmeda, es necesario humidificar el suministro de hidrógeno y oxígeno. El agua derivada se recicla para este fin. El agua y el aire no necesarios se liberan como sustancias de escape.

Energía eléctrica cuando es necesaria

Los componentes principales de la unidad motriz del vehículo de pila de combustible son la pila combustible, que genera electricidad a partir del hidrógeno, el depósito de hidrógeno, la batería de ion-litio, el motor eléctrico y la unidad PDU, que gobierna el flujo de electricidad. Dado que el vehículo es impulsado por un motor eléctrico, proporciona una aceleración suave y potente y un funcionamiento silencioso, sin el ruido y la vibración propios del motor de combustión interna. Durante el arranque y la aceleración (cuando se requiere una gran cantidad de energía) la electricidad que va de la pila de combustible al motor eléctrico se complementa con electricidad procedente de la batería de ion-litio para proporcionar un rendimiento potente. Durante la desaceleración, el motor eléctrico hace las veces de generador y convierte la energía cinética en electricidad, que se almacena en la batería de ion-litio junto con el excedente de electricidad producido por las células de combustible. Cuando el vehículo está parado, el sistema de parada en ralentí corta la generación de electricidad en la pila de combustible. La electricidad procedente de la batería de ion-litio garantiza el funcionamiento continuo del climatizador y de otros dispositivos. El sistema controla de forma óptima la energía eléctrica, y el resultado de ello es un funcionamiento sumamente eficiente.

Hasta ahora, el hidrógeno y el aire fluían horizontalmente a través de las pilas de de combustible de Honda. La nueva pila V Flow introduce una estructura en la que el hidrógeno y el aire fluyen verticalmente y la gravedad se utiliza para facilitar un drenaje más eficiente del agua obtenida como derivado de la capa de generación de electricidad. El resultado es una mayor estabilidad en la generación de energía. La nueva estructura también permite que el canal de flujo sea más delgado y que se reduzcan el tamaño y el peso de la pila. Y los innovadores y originales separadores de canales de flujo ondulados permiten suministrar hidrógeno, aire y refrigerante a la capa de generación de electricidad de forma todavía más eficiente. El resultado es un mayor rendimiento de generación, unas características de refrigeración óptimas e importantes reducciones del tamaño y el peso. Al ser más compacta, la nueva pila tiene muchos menos componentes y puede alojarse en una sola caja. También es mucho más fácil de fabricar.

Además de permitir que el hidrógeno y el aire fluyan verticalmente, el diseño de la pila V Flow también supone que el drenaje del agua sea asistido por la gravedad. El agua no se acumula en la capa de generación de electricidad, lo que garantiza una generación de energía constante. Esto también permite reducir la profundidad del canal de flujo en un 17 %, un factor que contribuye enormemente a crear células más delgadas y una pila más compacta.

PILA DE COMBUSTIBLE V FLOW
Los separadores de canales de flujo ondulados permiten un diseño de la pila más delgado

La pila de combustible se compone de un ensamblaje membrana-electrodo o MEA (una membrana electrolítica intercalada entre los pares de capas de electrodos y las capas de difusión que forman los electrodos de hidrógeno y oxígeno) que, a su vez, se aloja entre separadores que contienen canales de flujo para el hidrógeno, el aire y el refrigerante. La pila V Flow incorpora canales de flujo verticales de forma ondulada para el hidrógeno y el aire, con una trama horizontal de canales de flujo de refrigerante entre ellos.

Los canales de flujo ondulados proporcionan una mayor longitud de flujo por canal que los canales rectos, mientras que el flujo turbulento resultante en el interior de los canales propicia una mejor distribución del hidrógeno y el aire. Como resultado, el hidrógeno y el aire se propagan por toda la capa de electrodos, con lo que se hace un uso más eficiente de la compacta capa de generación de electricidad y se logra un rendimiento de generación aproximadamente un 10 % más alto que con los canales de flujo rectos. El flujo horizontal del refrigerante también garantiza una mayor refrigeración por toda la capa de generación de electricidad, lo que permite reducir el número de capas de refrigeración a la mitad respecto a las que incorporaban las pilas anteriores. La pila anterior tenía una capa de refrigeración para cada célula. La nueva pila sólo necesita una capa de refrigeración para dos células. El resultado de ello es una reducción de la longitud de la pila del 20 % y una reducción del peso del 30 %, lo que supone un importante avance en el diseño de pilas compactas y ligeras.

La masa de calor mejorada permite arrancar a -30?C

El drenaje de agua mejorado debido a la estructura de la pila V Flow posibilita una mayor potencia inmediatamente después del arranque. El menor volumen de refrigerante y el diseño de una sola caja que permiten los separadores de canales de flujo ondulados generan una masa de calor un 40 % inferior que en las pilas anteriores. Como resultado, la cantidad de tiempo requerida para alcanzar una potencia del 50 % tras el arranque a -20?C no es más que la cuarta parte del que se necesitaba con la pila anterior. Ahora es posible arrancar a bajas temperaturas, de hasta -30?C.

EXPERIENCIA DE CONDUCCIÓN

Además de un rendimiento indiscutible, el FCX Clarity accionado por motor eléctrico transmite una sensación de conducción completamente distinta a la de los vehículos convencionales impulsados por motor de combustión interna. No hay cambios de velocidades que interrumpan el suministro de energía y las características del par son suaves, por lo que la aceleración es uniforme. Este es un elemento clave de la inconfundible sensación de conducción de alta calidad. No hay vibraciones. No hay ruido de combustión, sólo un funcionamiento silencioso, limpio y exento de vibraciones.

Los tiempos de arranque y aceleración son equivalentes a los de un vehículo con motor de combustión interna de 2,4 litros o de tamaño similar

El alto rendimiento del FCX Clarity y la extraordinaria gestión energética de la unidad motriz dan lugar a una eficiencia energética sumamente elevada que llega. Además, la reducción del peso del vehículo y la magnífica aerodinámica contribuyen a mejorar la economía de combustible en aproximadamente el 20 %. La capacidad del depósito de hidrógeno también ha aumentado, con lo que la autonomía del vehículo se amplía en un 40 %.

Funcionamiento más silencioso con un diseño más compacto
La configuración del nuevo motor eléctrico se desarrolló para proporcionar una aceleración más potente y una velocidad máxima más alta, así como una marcha más silenciosa. El rotor y el estator nuevos presentan una combinación de par de reluctancia, un circuito magnético de bajas pérdidas y un control vectorial completamente digital para lograr una alta eficiencia y un alto rendimiento a lo largo de una amplia gama de velocidades.

La innovadora forma y la disposición de los imanes del rotor dan como resultado una alta potencia, un par elevado y un excelente rendimiento a altas revoluciones. Estas innovaciones proporcionan una potencia máxima de 100 kW, así como un par y una densidad de rendimiento energético impresionantes. Al mismo tiempo, se han eliminado los puntos de resonancia en la gama de alta frecuencia, por lo que el funcionamiento es más silencioso.

El rotor de nuevo diseño incorpora un imán interior permanente (IPM) para reducir la inductancia, lo que mejora el par de reluctancia para obtener un rendimiento de alto par. Las características de gran potencia del imán también contribuyen a lograr un par elevado y un diseño más compacto. El resultado de estas innovaciones es una densidad de potencia un 50 % mayor y una densidad de par un 20 % más alta. También se ha reducido el número de polos y se ha ampliado el imán para tolerar mejor la fatiga, lo que permite que el yugo envuelva el exterior del IPM. Se ha instalado una nervadura central para lograr una mayor rigidez. Esta construcción más robusta permite el funcionamiento a altas revoluciones.

El nuevo estator contribuye a obtener más par y eficiencia
El estator incorpora una lámina de acero eléctrica baja en pérdidas de hierro y bobinas con devanado de alta densidad que reducen la resistencia y contribuyen a obtener un mayor par y una mayor potencia.

El número de polos magnéticos del rotor se ha reducido de 12 a 8, lo que elimina así los puntos de resonancia dentro del intervalo de revoluciones de funcionamiento. El resultado es un extraordinario silencio y una mayor potencia.

El eje del rotor del motor presenta una construcción hueca, con el árbol de transmisión atravesando su centro en una configuración coaxial. Esta disposición, única en los vehículos eléctricos, permite combinar el motor y la transmisión en una sola unidad compacta, mientras que la alta potencia del motor y las altas revoluciones se transmiten al árbol de transmisión de forma sumamente eficiente. Gracias al innovador diseño de los cojinetes y a la menor cantidad de retenes de aceite, la fricción disminuye y la eficiencia de la transmisión aumenta, lo que da lugar a un rendimiento de conducción con una sensación más directa.

Transmisión electrónica

La relación de cambio fija del vehículo permite una conducción más sencilla: hay un control de cambio fácil de utilizar para la marcha hacia adelante, la marcha atrás y el aparcamiento, de toque suave y carrera corta. La compacta unidad de la transmisión incluye control electrónico, lo que permite instalar la palanca de cambios en el salpicadero. El selector de marchas, el interruptor de arranque y el interruptor de aparcamiento son fáciles de manejar. Otros sistemas operativos también están dispuestos en zonas separadas para mejorar la ergonomía.

Asistencia energética y regeneración eficiente con una avanzada batería de ion-litio
La compacta batería de ion-litio de alta potencia ayuda a la pila de combustible a impulsar el vehículo. La avanzada batería proporciona un potente complemento a la energía suministrada por la pila de combustible, lo que suministra potencia al motor para lograr una aceleración de arranque de alto par motor. Además, de incrementar la capacidad energética total, la batería almacena de forma eficiente la energía generada por el sistema de frenada regenerativa inteligente, y captura un 11 % más de energía cinética que el ultra-capacitor utilizado en el FCX 2005. Con el nuevo sistema se regenera aproximadamente un 57 % de la energía de desaceleración.

Como resultado del aumento de la capacidad de almacenamiento de energía y el margen más amplio del control de regeneración, ha sido posible implementar un sistema que regula la aceleración y reduce la necesidad de accionar el pedal al conducir por pendientes descendentes. Calculando la inclinación y la velocidad del vehículo, el sistema regula la aceleración cuando el conductor suelta el pedal del acelerador por primera vez y minimiza la necesidad de frenar con frecuencia. El sistema ajusta simultáneamente la cantidad de frenada regenerativa para ayudar a mantener el vehículo a una velocidad constante tras accionar el pedal del freno. El funcionamiento es similar al del frenado del motor en un vehículo impulsado de forma convencional, pero más inteligente, suave y fácil de usar.

Dinámica del chasis superior para un mayor confort, seguridad y placer de conducción
Con doble brazo en la parte delantera y doble brazo multi-link en la trasera, la suspensión proporciona una conducción suave y una marcha uniforme La óptima geometría delantera y trasera, incluida la respuesta de alineación cuidadosamente calibrada de las ruedas ante la carrera de la suspensión y el ángulo de inclinación, maximiza el contacto de los neumáticos con la carretera al girar para propiciar una conducción con buena respuesta y estable. La optimización del ángulo de estabilización y el control del comportamiento del vehículo durante la desaceleración contribuyen a que la marcha sea homogénea y confortable.

La suspensión más baja en la parte delantera aumenta el impacto visual del diseño short nose. Además, de la incorporación de una suspensión trasera de doble brazo multi-link, los brazos inferiores de aluminio forjado, los bujes del brazo de arrastre de alta capacidad y el reducido peso suavizan las irregularidades de la carretera.

Dirección asistida eléctrica con buena respuesta para un radio de giro de 5,4 m y maniobrabilidad en ángulos cerrados
Junto con el motor sin escobillas de mayor potencia recientemente incorporado, la suspensión delantera de doble brazo ayuda a facilitar la conducción en ángulos cerrados y proporciona un radio de giro de 5,4 m, el cual es muy ajustado si se tiene en cuenta la larga distancia entre ejes del vehículo. La baja inercia del motor y la fricción mínima de la suspensión al girar contribuyen a que la conducción sea mucho más suave. Y el volante regulable en altura y profundidad permite adoptar una posición de conducción óptima a una gran variedad de conductores.

Sistema de estabilidad (VSA) integrado con la dirección asistida eléctrica (EPS) para una conducción mejorada
El FCX Clarity incorpora el sistema de estabilidad y un sistema de dirección controlado eléctricamente que trabaja de forma coordinada para ayudar al conductor a mantener el control del vehículo en maniobras imprevistas y cuando la carretera presenta condiciones irregulares. Trabajando junto con los frenos antibloqueo del vehículo, el sistema de control de tracción (TCS) con control de deslizamiento lateral y el sistema de estabilidad del vehículo (VSA), la dirección asistida eléctrica (EPS) aumenta la fuerza de dirección para que la conducción sea incluso mejor.

– Al controlar el subviraje, el EPS proporciona fuerza de dirección complementaria para evitar que el volante gire demasiado mientras el par motor se reduce y el VSA aplica la fuerza de frenado a la rueda trasera interna.

– Al controlar el sobreviraje, el EPS proporciona fuerza de dirección para ayudar al conductor a contrarrestar el par generador de revoluciones mientras el frenado se aplica a la rueda delantera externa para estabilizar el vehículo.

– Si las condiciones de la carretera son distintas bajo los neumáticos de la izquierda y los de la derecha, la fuerza de par y de dirección se complementan para ayudar al conductor a mantener la estabilidad.

TCS, mayor adherencia y control en la aceleración
El aumento de la respuesta del par motor durante el funcionamiento del TCS ha supuesto una gran contribución a la hora de suprimir el exceso de deslizamiento de los neumáticos. Las mejoras en todo el sistema proporcionan una transmisión del par todavía más precisa, así como una mejor adherencia para una aceleración segura, incluso sobre superficies resbaladizas, y un mejor control de la aceleración.

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