¿Qué es un avión de pila de combustible? | Más de 10 conceptos y hechos importantes

Aeronaves de pila de combustible

Fuente de imagen: "Toyota pila de combustible de hidrógeno en el 2014 Ne"(CC BY-SA 2.0) por Joseph Brent

El tema de discusión: aviones propulsados ​​por pilas de combustible | Aeronaves de pila de combustible y perspectivas del hidrógeno como combustible de aviación

¿Qué es un avión de pila de combustible?

Aeronaves de pila de combustible de hidrógeno

La industria de la aviación ha estado tratando de ser ecológica en términos de uso de combustible. Se están realizando extensos estudios y análisis para identificar al hidrógeno como una alternativa viable. Algunas de las principales empresas de aviación han demostrado los diseños y modelos conceptuales, por lo que es importante que nos actualicemos con sus investigaciones. Comencemos con la terminología 'Aeronave de pila de combustible'.

Un avión que utiliza combustible de hidrógeno como fuente principal de energía se llama avión de pila de combustible. Cualquiera de los motores a reacción u otro tipo de motor de combustión interna pueden quemar hidrógenos o usarlos para alimentar una celda de combustible para generar energía para una hélice. A diferencia de la mayoría de los aviones que utilizan alas de almacenamiento de combustible, los aviones de pila de combustible de hidrógeno se desarrollan típicamente en el fuselaje en tanques de combustible de hidrógeno.

avión de pila de combustible
Aeronaves de pila de combustible HY4; Fuente de imagen: DLR, CC-BY 3.0, HY4 2016-09-29 ueber Flughafen StuttgartCC BY 3.0 DE

¿Qué es la pila de combustible de hidrógeno?

Celda de combustible de hidrógeno

Esta es una tecnología importante con potencial que ofrece una gama de industrias, incluida la automoción y la transmisión pesada, considerables beneficios de eficiencia energética y descarbonización. Hoy en día, la tecnología de hidrógeno y petróleo se utiliza para diversos fines, que incluyen proporcionar capacidad de respaldo de emergencia para instalaciones críticas como hospitales, reemplazando la red eléctrica para instalaciones de carga esenciales como centros de datos.

¿Se pueden utilizar pilas de combustible de hidrógeno en aviones? | ¿Los aviones usan pilas de combustible? ?

En un futuro cercano, todo, desde áreas urbanas con bajas emisiones de carbono hasta computadoras portátiles y futuros aviones de celda de combustible de cero emisiones, podría potencialmente funcionar. Diferentes estudios de investigación han demostrado que es práctico construir grandes aviones comerciales de pila de combustible de hidrógeno en 2020. Sin embargo, probablemente solo estará en servicio cerca del año 2030. El interés en utilizar aviones de pila de combustible como aviones personales ha aumentado en un futuro próximo.

En el proyecto de investigación europeo, se evaluó la viabilidad técnica y mecánica, la perspectiva de seguridad, las compatibilidades medioambientales y la viabilidad económica del uso de hidrógeno fluido (H2) como combustible de aviación en cooperación con Airbus, junto con 33 organizaciones asociadas contenidas en un combustible. avión celular y apodado como CRYOPLANE, se publicó un informe detallado en el año 2003.

¿Cómo surgió la pila de combustible de hidrógeno?

Historia de la pila de combustible de hidrógeno

Sir William Grove, un juez convertido en científico, ideó una idea única en 1838: construir una celda con dos compartimentos sellados independientes, cada uno alimentado por hidrógeno u oxígeno gaseoso. En ese momento, llamó a su dispositivo una "batería voltaica de gas". Lamentablemente, no generó suficiente electricidad para ser útil. Después de un tiempo, el ingeniero inglés Francis Thomas Bacon se interesó en él y, en 1932, creó la primera celda de combustible de hidrógeno y oxígeno del mundo para hacerlo realidad, que se utiliza hoy en día para construir el concepto del avión de celda de combustible. La pila de combustible de Bacon se convirtió en un éxito en la industria espacial, donde se utilizó para alimentar satélites y cohetes para operaciones de exploración espacial como el Apolo 11.

En febrero de 1957, se experimentó un NACA Martin B-57B y se voló durante 20 minutos con hidrógeno en lugar de combustible para aviones para uno de sus dos motores Wright J65. El Tu-155, un avión Tu-154 mejorado, voló por primera vez el 15 de abril de 1988, como el primer avión experimental de pila de combustible propulsado por hidrógeno.

Aeronaves de pila de combustible; Fuente de imagen: aeroprints.comCCCP-85035 Tupolev Tu.155 (7286104458)CC BY-SA 3.0

Aviones de pila de combustible de hidrógeno de Boeing | Aviones de pila de combustible de Boeing

Boeing produjo y operó el primer avión impulsado por hidrógeno del mundo en 2008. Durante el despegue y el ascenso, las celdas de combustible del avión de una sola persona se aumentaron con electricidad de baterías de iones de litio. El Phantom Eye (destinado a realizar misiones de reconocimiento de cuatro días a una altura de 20,000 metros), un vehículo aéreo no tripulado propulsado por hidrógeno líquido, fue presentado cuatro años después. Sin embargo, Boeing no pudo vender el UAV a los militares, y ahora se exhibe en un museo solo como un vehículo aéreo impulsado por hidrógeno líquido.

vejigas para pilas de combustible para aviones

¿Por qué las pilas de combustible no reemplazan a los motores a reacción?

Boeing ha demostrado el uso de hidrógeno como combustible para aviones a través de su concepto de Phantom Eye. Sin embargo, según Mike Sinnett (vicepresidente de desarrollo de productos, Boeing Aviation) comentó que se necesita investigación adicional para evaluar el factor de seguridad para que la estructura de una aeronave y los tanques de combustible funcionen de manera tan segura como los aviones de pasajeros actuales.

Por lo tanto, esto implica que el combustible de hidrógeno no se utilizará en los aviones de pila de combustible de Boeing durante más de dos décadas a partir de ahora, y que ya se están fabricando motores para aviones dentro de una década.

Desarrollo del ojo fantasma

El Phantom Eye desarrolló el logro anterior de Boeing con el Boeing Condor de pistón, que estableció múltiples altitudes y récords de resistencia a fines de la década de 1980.. Boeing también trabajó en el UAV Phantom Ray como banco de pruebas de vuelo para tecnologías innovadoras, así como en un vehículo aéreo no tripulado HALE más grande que puede volar durante más de diez días y transportar cargas útiles de 900 kilogramos o más.

El sistema de propulsión del Phantom Eye (diseñado en conexión con el sistema de propulsión y el marco de aire) pasó una prueba de cámara de altitud de 80 horas el 1 de marzo de 2010.  Ball Aerospace, Aurora Flight Sciences, Ford Motor Company y MAHLE Power Train colaboraron en el avance tecnológico para crear el Phantom Eye, finalmente presentado el 12 de julio de 2010.

Darryl Davis, director de la sección de ideas avanzadas de Phantom Works de Boeing, cree que el "Demostrador de Phantom Eye" es un modelo a escala del 60-70% de precisión de un sistema objetivo. Con tan solo cuatro aviones, el prototipo de Phantom Eye podría conducir a un sistema de objetivos capaz de proporcionar cobertura durante todo el año en un área grande.

¿Cómo funcionará la pila de combustible de hidrógeno?

Una pila de combustible de hidrógeno convencional para un avión de pila de combustible está formada por dos electrodos (un ánodo y un cátodo) separados por una membrana electrolítica. Esto funciona de la siguiente manera:

  1. El hidrógeno entra en la pila de combustible a través del ánodo. Los electrones y protones se forman mediante la división de átomos de hidrógeno, debido a su reacción con un catalizador. El cátodo, por otro lado, permite que entre el oxígeno del aire adyacente.
  2. Los protones cargados positivamente viajan al cátodo a través de la membrana electrolítica permeable. El electrón cargado negativamente sale de la celda, proporcionando una corriente capaz de alimentar un sistema de propulsión eléctrico o híbrido.
  3. Los protones y el oxígeno se combinan en el cátodo para formar agua.

Propiedades del Hidrógeno

La energía específica del hidrógeno es tres veces mayor que la del combustible para aviones ordinario, aunque tiene una densidad de energía menor. Los tanques de fibra de carbono, que pueden soportar una presión de 700 bar, se utilizan en aviones. También es posible emplear hidrógeno líquido criogénico.

Suponga que el hidrógeno está fácilmente disponible a partir de una fuente de energía baja en carbono como la eólica o la nuclear. En ese caso, emitirá menos gases de efecto invernadero, que incluyen vapor de agua y una pequeña cantidad de óxido de nitrógeno en los aviones que en los casos existentes. Actualmente, solo una pequeña cantidad de H2 se produce utilizando una fuente de energía baja en carbono, y existen diferentes obstáculos importantes para el uso del hidrógeno en aeronaves. El hidrógeno es más caro que los combustibles fósiles debido a su método de producción y sus relativas ineficiencias con las tecnologías actuales.

La LH2 es uno de los refrigerantes de ingeniería más eficaces. Se ha propuesto enfriar en toma de aire para aeronaves muy rápidas o incluso la propia piel de la aeronave, especialmente para las aeronaves scram jet.

Peso y densidad energética

Ya sea en forma gaseosa o líquida, el peso adicional necesario para el almacenamiento de combustible es el principal obstáculo para el vuelo impulsado por hidrógeno en aviones de celda de combustible. El problema del hidrógeno líquido será fabricar tanques livianos aislados al vacío que mantengan el hidrógeno líquido por debajo de su punto de ebullición de 20 Kelvin. Debido a que los tanques deben soportar altas presiones de 250 a 350 bar, el gas tiene una penalización de peso más alta.

La densidad de energía del hidrógeno líquido es 2.8 veces mayor que la de la gasolina de aviación. Sin embargo, según el Laboratorio Nacional Argonne, el combustible de aviación supera al hidrógeno en un factor de 1.6 en términos de combustible combinado y peso del tanque. A diferencia del combustible de aviación, que representa aproximadamente el 78% del peso total del tanque y el combustible, el hidrógeno líquido solo representa el 18% del peso total en los sistemas de almacenamiento modernos. Se afirma que la fracción de peso del combustible debe alcanzar al menos el 28% para competir con los combustibles fósiles. El hidrógeno líquido tiene mucha menos energía por unidad de volumen que los hidrocarburos.

Densidad energética de los combustibles: horizontal por masa, vertical por volumen; Fuente de imagen: Scott DialDensidad de energia, marcado como dominio público, más detalles sobre Wikimedia Commons

Sin embargo, según Phillip Ansell, director del Centro de Champaign para Tecnologías Eléctricas de Alta Eficiencia para Aeronaves de la Universidad de Illinois en Urbana, financiado por la NASA, las diferentes partes de la aeronave, como las alas y el fuselaje, pueden modificarse individual o colectivamente para contrarrestar el problema. aumento de la resistencia aerodinámica, como resultado de la superficie externa adicional necesaria para acomodar tanques de hidrógeno más grandes.

Ventajas de la pila de combustible de hidrógeno

Las pilas de combustible (que utilizan hidrógeno puro, por lo tanto, libres de carbono) son una fuente limpia de energía, ya que producen electricidad a través de una reacción electroquímica. Los siguientes son algunos de los beneficios más importantes de las pilas de combustible:

  1. Las pilas de combustible, a diferencia de las baterías, no requieren recarga y pueden seguir generando energía siempre que haya una fuente de combustible (hidrógeno) disponible.
  2. Las celdas de combustible individuales se pueden "apilar" para crear sistemas más grandes que puedan generar más energía, lo que permite la escalabilidad. Las pilas de pilas de combustible se pueden acoplar para formar sistemas de varios megavatios a gran escala, mientras que una sola pila de combustible es capaz de generar suficiente electricidad para potenciar una aplicación específica.
  3. Las celdas de combustible son silenciosas y confiables ya que no tienen partes móviles.

¿Es el hidrógeno un combustible viable para aviones?

Airbus ha creado tres conceptos únicos para aviones de pila de combustible de hidrógeno que pueden transportar hasta 200 pasajeros y cubrir un alcance que se acerca a las 2000 millas náuticas (3700 kilómetros). Cada uno de ellos se compone de un sistema híbrido conceptual que contiene turbinas de combustión y motores accionados por pilas de combustible. En un sistema turboeléctrico, una turbina de gas de hidrógeno alimenta un generador eléctrico, mientras que un motor eléctrico acciona el ventilador.

Airbus planea impulsar sus futuros aviones de pasajeros de largo alcance de 300 a 400 plazas utilizando combustibles sintéticos derivados de fuentes renovables en lugar de hidrógeno. Adaptar el hidrógeno a aviones que se vaciarán y reabastecerán varias veces al día será un nuevo desafío para la corporación, incluso si ya tiene experiencia con el combustible en aplicaciones aeroespaciales.

Reparación de pilas de combustible de aeronaves | Mantenimiento de pilas de combustible de aeronaves

La presencia de derrames de combustible en la parte inferior de la aeronave suele ser el primer signo de una fuga. Mientras busca la fuente de la fuga, es necesario tener en cuenta que el combustible puede viajar una gran distancia antes de llegar a una ubicación de salida. Puede ser difícil identificar la fuente de la fuga como resultado de esto. Uno debe seguir la ruta de la fuga antes de atender cualquier sospecha, sin asumir que la celda de combustible con fuga está muy cerca de la fuga visible.

Se deben verificar las fugas en las conexiones, mangueras y regiones de ventilación. También vale la pena señalar que el hecho de que una celda de combustible tenga una fuga no da lugar a la necesidad de reemplazarla. En una celda de combustible, hay algunas fugas que se pueden reparar como:

  1. Las abrazaderas de manguera están demasiado flojas
  2. Los tornillos del transmisor están flojos.
  3. Juntas defectuosas
  4. Pernos con placa suelta o boca de llenado
  5. El tubo o el cuello de llenado tiene grietas.

Las conexiones de la celda de combustible de doble abrazadera evitan fugas en las celdas más antiguas, pero también es útil para las celdas más nuevas con grandes interconexiones. La goma se asentará después de que se aprieten las abrazaderas. Como resultado, una hora después de la instalación inicial, es una buena idea volver a apretar todas las abrazaderas.

Cinta de pila de combustible de avión

Examine la región alrededor de la bahía de la celda de combustible en busca de pérdidas por corrosión. Quite cualquier resto de cinta y residuo. MEK se puede utilizar para eliminar fácilmente los residuos de cinta. Quite todos los FOD, particularmente las virutas de metal, que pueden dañar rápidamente una celda de combustible recién instalada.

Tenga cuidado de usar cinta para celdas de combustible mientras pega el revestimiento. La idoneidad de la cinta aislante o aislante no justifica la sustitución de la cinta para pilas de combustible. La cinta y el adhesivo utilizados en la pila de combustible están notablemente intactos durante el caso de un derrame de combustible; en esta situación, la cinta adhesiva, la cinta eléctrica y otras cintas no funcionarán.

Todos los remaches y bordes deben estar pegados con cinta para celdas de combustible. Trabajar con secciones cortas de cinta (alrededor de 6 pulgadas de largo) suele ser más fácil que trabajar con secciones largas, especialmente si la cinta se encuentra en regiones de difícil acceso a ciegas. En lugares desafiantes, un espejo también puede ayudarlo a ver lo que está haciendo.

Limpiador de pilas de combustible para aviones

Elimine cualquier resto de combustible de la celda de combustible antes de empacar para el envío. La celda de combustible debe limpiarse con agua tibia y jabón líquido para platos, según Hartwig Aircraft Fuel Cell Repair. El proceso de limpieza y secado debe ir seguido del plegado y empaquetado de la celda para su envío a las instalaciones de reparación. Antes del envío, algunos mecánicos agregan una película de aceite a la celda para preservar la celda. Eagle Fuel Cells desaconseja encarecidamente hacerlo, afirmando que no es necesario recubrir la celda con aceite a expensas de mano de obra adicional.

Soldadura de pila de combustible de aeronaves | Soldadura de pila de combustible de aluminio para aeronaves

El soplete de oxicombustible común (soldadura de oxicombustible o OFW) ha sido un pilar importante en el proceso de unión de aluminio. En la década de 1850, el oxihidrógeno creado por electrólisis se utilizó para soldar a la llama metales con puntos de fusión bajos, como el oro, la plata, el cobre y el platino. El descubrimiento del acetileno es digno de mención porque estaba relacionado con la búsqueda de un nuevo método para fabricar aluminio metálico.

En la industria aeronáutica, el oxihidrógeno se vincula más comúnmente con el OFW que con el oxiacetileno, pero no debido a ningún beneficio técnico. El acetileno fue racionado expresamente para uso en astilleros debido a la economía de la guerra, dejando al hidrógeno como la única alternativa. Debido a que mezclar sobras de acetileno con gas hidrógeno puede resultar en un desastre accidental, el uso de hidrógeno como combustible requiere un tanque, un regulador, una manguera y un soplete completamente separados.

Además, el hidrógeno no produce hollín, que podría ser útil como indicador de temperatura durante el recocido de la hoja de aluminio. Los costos de producción de combustible (con una instalación de electrólisis factible) y una apariencia de la zona de soldadura algo más limpia (debido a la ausencia de carbono en la región de la llama) pueden ser ventajas del hidrógeno.

¿Cuál es la vida útil de la pila de combustible?

Vida útil de la pila de combustible de la aeronave

La mayoría de los aviones que se utilizan hoy en día han sobrevivido a la vida útil prevista. Muchos de estos aviones han sufrido uno o más cambios en el fuselaje o la aviónica. La vida útil de una pila de combustible, por otro lado, se pasa por alto con frecuencia porque no se incluye en numerosos documentos gubernamentales, manuales de aeronaves o TO de aeronaves.

Los factores variables cruciales entre las flotas comprenden las horas de vuelo, las condiciones ambientales y los ciclos de remoción y reinstalación. Como resultado, es imposible predecir la vida útil de una pila de combustible. No es posible utilizar pilas de combustible reacondicionadas, reacondicionadas o reacondicionadas. La descripción de pilas de combustible como tales es errónea.

Sin embargo, podemos decir que cualquier pila de combustible que tenga más de 15 años en un avión de pila de combustible debe evaluarse para su reemplazo. Esto es especialmente crucial si la aeronave está experimentando modificaciones importantes que requieran la eliminación de la celda. Cabe destacar que, dependiendo del programa de la aeronave, las fuerzas estadounidenses han llegado a la conclusión de que la vida útil típica debería ser de 10 a 12 años. En general, las reparaciones extensas en cualquier celda de combustible que tenga más de 12 años y se espera que permanezca en servicio por más de 12 meses son una pérdida de dinero.

¿Cuál es el combustible futuro de los aviones?

Combustible de aviación emergente

Los beneficios del hidrógeno han salido a la luz recientemente y la industria de las aerolíneas se está dando cuenta. Según Fymat, Airbus quiere producir el 1 del mundost  Avión comercializado con cero emisiones para 2035.

Según las fuentes, ZeroAvia, una empresa con sede en EE. UU., Quiere producir un avión de celda de combustible de hidrógeno para aproximadamente 20 pasajeros para 2024. Ya ha obtenido $ 5 millones en subsidios de tres programas del gobierno del Reino Unido y ha atraído con éxito el interés de 12 aerolíneas regionales. del Reino Unido, Estados Unidos y la Unión Europea.

Ahora que ha aprendido sobre el hidrógeno como posible combustible de aviación, navegue para conocer el sistema de almacenamiento del combustible. Sistema de tanque de combustible de avión.

Sobre Esha Chakraborty

Tengo experiencia en Ingeniería Aeroespacial, actualmente trabajando en la aplicación de la Robótica en la Defensa y la Industria de las Ciencias Espaciales. Soy un aprendiz continuo y mi pasión por las artes creativas me mantiene inclinado hacia el diseño de conceptos novedosos de ingeniería.
Con los robots sustituyendo casi todas las acciones humanas en el futuro, me gusta llevar a mis lectores los aspectos fundamentales del tema de una manera fácil pero informativa. También me gusta mantenerme actualizado con los avances en la industria aeroespacial simultáneamente.

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