Fuel cells , like batteries , are electrochemical galvanic cells that convert chemical energy directly into electrical energy and are not subject to the Carnot cycle limitations of heat engines. Fuel cells are similar to batteries except that the active materials are not an integral part of the device (as in a battery) , but are fed into the fuel cell from an external source when power is desired . The fuel cell differs from a battery in that it has the capability of producing electrical energy as long as the active materials are fed to the electrodes (assuming the electrodes do not fail). The battery will cease to produce electrical energy when the limiting reactant stored within the battery is consumed .

The electrode materials of the fuel cell are inert in that they are not consumed during the cell reaction , but have catalytic properties which enhance the electroreduction or electrooxidation of the reactants (the active materials).

The anode active materials used in fuel cells are generally gaseous or liquid (compared with the metal anodes generally used in most batteries) and are fed into the anode side of the fuel cell. As these materials are more like the conventional fuels used in heat engines , the term ‘‘fuel cell’’ has become popular to describe these devices. Oxygen or air is the predominant oxidant and is fed into the cathode side of the fuel cell.

Fuel cells have been of interest for over 150 years as a potentially more efficient and less polluting means for converting hydrogen and carbonaceous or fossil fuels to electricity compared to conventional engines. A well known application of the fuel cell has been the use of the hydrogen/oxygen fuel cell , using cryogenic fuels , in space vehicles for over 40 years.

Use of the fuel cell in terrestrial applications has been developing slowly , but recent advances has revitalized interest in air-breathing systems for a variety of applications , including utility power , load leveling , dispersed or on-site electric generators and electric vehicles.

Fuel cell technology can be classified into two categories:

1. Direct systems where fuels , such as hydrogen , methanol and hydrazine , can react directly in the fuel cell

2. Indirect systems in which the fuel , such as natural gas or other fossil fuel , is first converted by reforming to a hydrogen-rich gas which is then fed into the fuel cell.

Fuel cell systems can take a number of configurations depending on the combinations of fuel and oxidant , the type of electrolyte , the temperature of operation , and the application , etc .

More recently , fuel cell technology has moved towards portable applications , historically the domain of batteries , with power levels from less than 1 to about 100 watts , blurring the distinction between batteries and fuel cells. Metal/ air batteries , particularly those in which the metal is periodically replaced , can be considered a ‘‘fuel cell’’ with the metal being the fuel. Similarly , small fuel cells , now under development , which are ‘‘refueled’’ by replacing an ampule of fuel can be considered a ‘‘battery.’’

Las pilas de combustible , como las baterías , son células galvánicas electroquímicas que convierten la energía química directamente en energía eléctrica y no están sujetas a las limitaciones del ciclo de Carnot de los motores de calor. Las celdas de combustible son similares a las baterías , excepto que los materiales activos no son una parte integral del dispositivo (como en una batería) , sino que se alimentan a la celda de combustible desde una fuente externa cuando se requiere energía . La célula de combustible se diferencia de una batería en que tiene la capacidad de producir energía eléctrica siempre que los materiales activos se alimenten a los electrodos (suponiendo que los electrodos no fallen). La batería dejará de producir energía eléctrica cuando se consuma el reactivo limitante almacenado dentro de la batería .

Los materiales del electrodo de la pila de combustible son inertes ya que no se consumen durante la reacción de la celda , pero tienen propiedades catalíticas que aumentan la electroreducción o la electrooxidación de los reactivos (los materiales activos).

Los materiales activos del ánodo utilizados en las pilas de combustible son generalmente gaseosos o líquidos (en comparación con los ánodos de metal que se usan generalmente en la mayoría de las baterías) y se alimentan al lado del ánodo de la pila de combustible. Como estos materiales son más parecidos a los combustibles convencionales utilizados en los motores térmicos , el término "célula de combustible" se ha vuelto popular para describir estos dispositivos. El oxígeno o el aire es el oxidante predominante y se alimenta al lado del cátodo de la pila de combustible.

Las pilas de combustible han sido de interés durante más de 150 años como un medio potencialmente más eficiente y menos contaminante para convertir el hidrógeno y los combustibles fósiles o carbonáceos en electricidad en comparación con los motores convencionales. Una aplicación bien conocida de la pila de combustible ha sido el uso de la pila de combustible de hidrógeno / oxígeno , utilizando combustibles criogénicos , en vehículos espaciales durante más de 40 años.

El uso de la celda de combustible en aplicaciones terrestres se ha estado desarrollando lentamente , pero los recientes avances han revitalizado el interés en los sistemas de respiración por aire para una variedad de aplicaciones , incluida la energía eléctrica , la nivelación de carga , los generadores eléctricos dispersos o in situ y los vehículos eléctricos.

La tecnología de pila de combustible se puede clasificar en dos categorías:

1. Sistemas directos donde los combustibles , como el hidrógeno , el metanol y la hidrazina , pueden reaccionar directamente en la pila de combustible

2. Sistemas indirectos en los que el combustible , como el gas natural u otro combustible fósil , se convierte primero al transformarse en un gas rico en hidrógeno que luego se proporciona a la celda de combustible

Los sistemas de pila de combustible pueden tener una serie de configuraciones dependiendo de las combinaciones de combustible y oxidante , el tipo de electrolito , la temperatura de operación y la aplicación , etc .

Más recientemente , la tecnología de pilas de combustible se ha movido hacia aplicaciones portátiles , que históricamente ha sido el dominio de las baterías , con niveles de potencia de menos de 1 hasta aproximadamente 100 vatios , borrando la distinción entre baterías y pilas de combustible. Las baterías de metal / aire , en particular aquellas en las que el metal se reemplaza periódicamente , pueden considerarse una "pila de combustible" con el metal como combustible. De manera similar , las pequeñas pilas de combustible , que están en la actualidad en desarrollo , que son "recargadas" reemplazando una ampolla de combustible , pueden considerarse una "batería".

Sensor de sincronización para encendido y suministro de combustible del automóvil (Timing Sensor for Ignition and Fuel Delivery)

En el control electrónico del motor (electronic engine control) , a menudo es deseable medir la posición angular (angular position) del motor en relación con un punto específico del ciclo (cycle). Para tal medición , normalmente es necesario medir la posición del árbol de levas (camshaft).

La medición (measurement) de la posición del motor se hace mediante sensores de posición del cigüeñal y del árbol de levas (crankshaft and camshaft position sensors). Normalmente es suficiente medir la posición del árbol de levas en un punto fijo (fixed point). Dicha posición del árbol de levas se consigue fácilmente mediante un sensor magnético (magnetic sensor) similar al usado para la medición de la posición del cigüeñal (crankshaft position measurement).

Este sensor detecta un punto de referencia (reference point) en la posición angular del árbol de levas que define el comienzo de un ciclo completo del motor (complete engine cycle) (por ejemplo , carrera de potencia para todos los cilindros - power stroke for all cylinders). Una vez que se ha detectado este punto de referencia , las mediciones de la posición del cigüeñal (como se describe arriba) proporcionan información suficiente para sincronizar (timing) los pulsos de inyección de combustible y el encendido (fuel injection pulses and ignition).

En el esquema (scheme) , un sensor de reluctancia variable (variable-reluctance sensor) está ubicado cerca de un disco ferromagnético (ferromagnetic disk) en el árbol de levas. Este disco tiene un corte de muesca (notch cut) , (o puede tener una pestaña que sobresale - protruding tab) , como se muestra en la figura. El disco proporciona una ruta de baja reluctancia (low-reluctance path) (que produce un alto flujo magnético - yielding high magnetic flux) excepto cuando la muesca se alinea con el eje del sensor (sensor axis) . Siempre que la muesca se alinea con el eje del sensor , la reluctancia de esta trayectoria magnética (magnetic path) aumenta porque la permeabilidad del aire (air permeability) en la muesca es mucho menor que la permeabilidad del disco. Esta reluctancia (reluctance) relativamente alta a través de la muesca hace que el flujo magnético disminuya (decrease) y produce un cambio en el voltaje de salida del sensor (change in sensor output voltage).

A medida que gira el árbol de levas (as the camshaft rotates) , la muesca pasa por debajo del sensor una vez por cada dos revoluciones del cigüeñal. El flujo magnético (magnetic flux) disminuye abruptamente y luego aumenta (then increases) a medida que la muesca pasa por el sensor. Esto genera un pulso de voltaje (generates a voltage pulse) que se puede utilizar en sistemas de control electrónico con fines de temporización (timing purposes).

Figura : En el sensor de posición de reluctancia magnética (magnetic reluctance position sensor) , una bobina envuelta alrededor del imán (coil wrapped around the magnet) detecta la intensidad cambiante del campo magnético cuando las pestañas (tabs) de un disco ferroso (ferrous disk) pasan entre los polos del imán (poles of the magnet).

El sensor de posición con muesca (notched position sensor) utiliza un efecto opuesto al del sensor de posición de diente o pestaña (tab position sensor). Cuando una muesca en un disco de acero giratorio (rotating steel disk) pasa por un sensor de reluctancia variable , la disminución del flujo genera un pulso de voltaje (voltage pulse) en la bobina del sensor (sensor coil).

Virtually all modern automobiles use electronically timed fuel injection. Any other fuel induction method simply won’t meet the stringent government pollution standards. The modern fuel injection system centers on a set of valved injector nozzles , as shown in the figure. A nozzle is mounted into each intake port on an engine. The valves are opened and closed via a signal provided from a central computerized controller.

The nozzle itself consists of a poppet valve that is controlled by an electrical pulse. The fuel flows through the center of the poppet and is stopped at the valve seat. When the coil receives a pulse , the poppet raises and the fuel is allowed to spray into the port. The amount of fuel that flows is controlled by the duration of time that the valve is energized .

Fig. Electronic Fuel Injection Nozzle - Inyección de combustible temporizada electrónicamente

Prácticamente todos los automóviles modernos utilizan la inyección de combustible temporizada electrónicamente. Cualquier otro método de inducción de combustible simplemente no cumplirá con los estrictos estándares de contaminación del gobierno. El moderno sistema de inyección de combustible se centra en un conjunto de boquillas inyectoras con válvula , como se muestra en la figura . Una boquilla está montada en cada puerto de admisión de un motor. Las válvulas se abren y se cierran mediante una señal provista desde un controlador central computarizado.

La boquilla en sí consiste en una válvula de retención que está controlada por un pulso eléctrico. El combustible fluye a través del centro de la válvula y se detiene en el asiento de la válvula . Cuando la bobina recibe un pulso , la válvula de retención se levanta y el combustible puede rociarse en el puerto. La cantidad de combustible que fluye se controla por la duración del tiempo en que la válvula se energiza .

El sistema de inyección electrónica es un dispositivo que provee la mezcla aire-combustible dentro del motor , en forma de spray. El inyector es controlado por la computadora del vehículo y puede realizar inyecciones muy precisas de hasta milisegundos. Este sistema es una evolución del clásico carburador.

Figura : Sistema completo de inyectores de combustible.

En el esquema de la figura arriba , el combustible es absorbido por la bomba de alta presión que se dirige hacia el distribuidor. Los conductos entregan el combustible a los inyectores dentro del motor , donde cumplen su tarea. El combustible residual , o que no fue usado por el sistema , vuelve hacia el refrigerador.

Actualmente se obliga a los grandes fabricantes de automóviles a adoptar el sistema de inyección , cumpliendo con la reglamentación antipolución del planeta. Este sistema tiene varias ventajas comparadas al del carburador: menores residuos contaminantes en los gases de escape , mayor potencia del motor y menor consumo de combustible.

Fuel tank construction