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Hidrógeno y pilas de combustible

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Hidrógeno y pilas de combustible. Índice El hidrógeno: Métodos de producción Almacenamiento del hidrógeno Celdas de combustible: Funcionamiento Rendimiento Tipos de pilas de combustible : PEM PAFC AFC SOFC MCFC El ciclo del hidrógeno solar Conclusiones.

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Hidrógeno

y pilas de combustible

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Índice

  • El hidrógeno:
    • Métodos de producción
    • Almacenamiento del hidrógeno
  • Celdas de combustible:
    • Funcionamiento
    • Rendimiento
    • Tipos de pilas de combustible:
      • PEM
      • PAFC
      • AFC
      • SOFC
      • MCFC
  • El ciclo del hidrógeno solar
  • Conclusiones
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El hidrógeno

  • La combustión de combustibles fósiles constituye el principal causante de la emisión de gases de efecto invernadero, responsables del efecto de calentamiento global que sufre nuestro planeta.
  • Esta situación no resulta sostenible a medio plazo, y es necesario preparar una transición controlada hacia una nueva forma de producción y consumo energético que sea limpia, segura y fiable.
  • Una de las alternativas es el uso de hidrógeno como fuente de energía, y su transformación en electricidad por medio de las llamadas pilas de combustible.
  • El hidrógeno no es una fuente primaria de energía, ya que no no se encuentra libre en la naturaleza y no es directamente aprovechable. Es un vector energético, es decir, un portador de energía.
  • Hay queproducir el hidrógeno a partir deenergías primarias. Hoy en día aproximadamente el 95% del hidrógeno se obtiene a partir de combustibles fósiles.
  • El hidrógeno tiene una densidad energética en masa 3 veces superior a la de la gasolina.

Contenido energético de

diversos carburantes

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El hidrógeno

  • Ventajas frente a los combustibles fósiles :
  • Alta densidad energética en base másica. Bajo peso de combustible
  • en los tanques de almacenamiento.
  • Alta disponibilidad. Se puede producir a partir de distintas materias
  • primas.
  • Elemento estable y no corrosivo.
  • Combustible "limpio". La combustión del hidrógeno con oxígeno sólo
  • produce agua.
  • Desventajas frente a los combustibles fósiles :
  • Baja densidad energética en base volumétrica. Se requieren tanques
  • contenedores grandes y pesados.
  • Transporte y almacenamiento costosos y de implementación compleja.
  • Combustible secundario: se debe consumir energía para conseguirlo a
  • partir de las distintas materias primas (agua, biomasa, combustibles
  • fósiles), ya que no existe en estado elemental.
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Producción actual de hidrógeno

  • A partir de hidrocarburos:
  • Reformado con vapor:el hidrocarburo es tratado con vapor de agua a temperaturas entre 700 y 1100 ºC. El proceso se realiza en dos fases:
  • 1ª fase: CH4 + H2O  CO + 3H2
  • 2ª fase: CO + H2O  CO2 + H
  • Oxidación parcial: reacción de combustión entre 1300 y 1500 ºC
  • CH1,4 + 0,3 H2O + 0,4 O2  0,9 CO + 0,1 CO2 + H2.
  • A partir del agua:
  • Electrólisis:proceso mucho más caro que el reformado con vapor. Produce hidrógeno de gran pureza, que se utiliza en la industria electrónica, farmacéutica o alimentaria.
  • Hoy en día aproximadamente el 96% del hidrógeno
  • se obtiene a partir de combustibles fósiles.
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Almacenamiento del hidrógeno

  • Almacenamiento en forma gaseosa:
  • El hidrógeno se almacena a alta presión (P > 20 Mpa).
  • Requiere depósitos pesados y voluminosos.
  • Plantea problemas de seguridad.
  • No resulta competitivo debido a su elevado coste.
  • Almacenamiento en forma líquida:
  • El hidrógeno se almacena en estado líquido en recipientes criogénicos.
  • Requiere alcanzar temperaturas de almacenamiento muy bajas (21,2 K).
  • El coste es elevado. Indicado sólo para aplicaciones donde el coste del hidrógeno no sea un factor crítico y éste sea consumido en cortos periodos de tiempo (por ejemplo, en aplicaciones aeroespaciales).
  • Combinación química (hidruros metálicos):
  • Diversos metales de transición y sus aleaciones pueden ser utilizados para almacenar hidrógeno en forma de hidruros metálicos.
  • El principal inconveniente es el elevado peso del sistema de almacenamiento, como consecuencia de los bajos niveles de retención de hidrógeno que se consiguen (< 2% a temperaturas inferiores a 423 K).
  • Adsorción en sólidos porosos (nanoestructuras de carbono):
  • Se está estudiando la utilización de nanoestructuras de carbono con elevada superficie específica como medio de almacenamiento.
  • Sería una forma segura y sencilla de almacenar el hidrógeno sin usar altas presiones.
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Métodos futuros de

producción de hidrógeno

  • A partir de biomasa:
  • Gasificación: Combustión incompleta de la biomasa entre 700 y 1200ºC.
  • Productos: H2, CH4, CO.
  • Pirólisis: Combustión incompleta en ausencia de oxígeno, a unos 500 ºC
  • Productos: H2, CO, CO2 e hidrocarburos ligeros.
  • Fotoelectrólisis:
  • Indirecta: Paneles fotovoltaicos + radiación solar.
  • Directa: Celdas fotoelectroquímicas (material semiconductor) + radiación solar.
  • Ciclos termoquímicos:Consisten en una combinación de reacciones químicas a alta temperatura que producen la disociación de la molécula de agua. Se han alcanzado eficiencias del 40%.
  • Para realizar los ciclos termoquímicos se puede emplear energía nuclear o solar.
  • Producción fotobiológica:Ciertas bacterias y algas verdes pueden producir hidrógeno, utilizando únicamente luz solar, agua y una enzima llamada hidrogenasa.
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Producción de hidrógeno

Resumen

Electrólisis

Biomasa:

- Gasificación.

- Pirólisis.

Ciclos termoquímicos

Combustibles fósiles:

Hidrocarburos:

- Reformado

- Oxidación parcial

Carbón:

- Gasificación

Fotoelectrólisis:

- Directa.

- Indirecta.

Hidrógeno

Producción fotobiológica

¿ Otros ?

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Celda de combustible

La celda de combustible es un dispositivo que produce electricidad y agua mediante un proceso inverso a la electrólisis.

Electrólisis

Electricidad + agua  Hidrógeno + Oxígeno

Pila de combustible

Hidrógeno + Oxígeno  Electricidad + agua

Estructura típica de una

celda de combustible

  • Elementos básicos de una celda de combustible:
  • Dos electrodos (ánodo y cátodo).
  • Electrolito: sustancia encargada de transportar los iones producidos en las
  • reacciones redox.
  • El electrolito a veces se utiliza acompañado de un catalizador.
  • H2yO2, utilizados como combustible y oxidante respectivamente.
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Cathode

Anode

Electrolyte

-

-

+

Funcionamiento de una celda de combustible

1) En el ánodo tiene lugar la oxidación del

combustible: las moléculas de hidrógeno

se disocian en protones y electrones.

2) El electrolito permite el paso de los protones,

e impide el paso de los electrones.

3) Los electrones generan corriente eléctrica a

su paso por un circuito externo.

4) En el cátodo se produce una reacción de

reducción: electrones y protones se combinan

con el oxígeno para formar agua.

Celda de combustible

  • Una celda individual genera un voltaje cercano a un voltio.
  • Para las aplicaciones que requieren mayor voltaje y alta
  • potencia se apilan en serie el número necesario de estas celdas, para formar una pila de combustible.

Pila de combustible PEM

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Características de la celda de combustible

  • Diferencias entre celdas de combustibleydispositivos de combustión interna.:
  • Los dispositivos de combustión interna se basan en la conversión de energía
  • térmica en energía mecánica. La eficiencia de este proceso está limitado por
  • el Ciclo de Carnot.
  • Las celdas de combustible convierten directamente la energía química en energía
  • eléctrica. Desde el punto de vista termodinámico este proceso es mucho más
  • eficiente.
  • Diferencias entre celdas de combustible y baterías:
  • Las baterías son dispositivos de almacenamiento de energía. La producción de
  • energía cesa cuando se consumen los reactivos químicos almacenados dentro
  • de la batería. No pueden proporcionar un flujo continuo de energía eléctrica.
  • En las celdas de combustible, tanto el combustible como el oxidante proceden
  • de una fuente externa, y permiten generar corriente eléctrica de manera casi
  • indefinida, en la medida en que pueda suministrarse combustible de forma
  • continuada.
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Rendimiento de una celda de combustible

El potencial eléctrico ideal generado por una celda de combustible viene dado por

la ecuación de Nernst:

E: Potencial eléctrico de la pila (volts.)

Eo: Potencial redox estándar( T=25º C , 1 Molar)

R: Cte. de los gases (8.31 J/Kmol)

T: Temperatura absoluta (K)F: Cte. de Faraday (96.6 kJ/mol)

C[ ]: Concentraciones molares de reactivos y productos

  • La ecuación de Nerst permite calcular el potencial ideal de una celda de combustible
  • en función de la temperatura y de las concentraciones de reactantes y productos.
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Rendimiento de una celda de combustible

  • El potencial realde la celdaes inferior al ideal, debido a las pérdidas por polarización:
  • Polarización de activación: algunas reacciones electroquímicas son muy lentas, y re-quieren una cierta energía de activación (> 50-100 mV) para que se produzcan.
  • Polarización óhmica: debido a resistencias eléctricas asociadas a los electrodos, el elec-trolito y los contactos.
  • Polarización de concentración: se producen gradientes de concentración (por difusión o convección) que disminuyen la actividad del electrodo.
  • Para densidades de corriente bajas,
  • dominan las pérdidas por polarización
  • de activación.
  • En un rango intermedio de densidades
  • de corriente prevalece polarización
  • óhmica, y la variación de V es lineal
  • (región de Tafel).
  • Para densidades de corriente altas,
  • aumentan las pérdidas por polarización
  • de concentración.

Curva de polarización típica de una celda de combustible

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Tipos de Pilas de Combustible (I)

PEM (Proton Exchange Membrane)

  • Las pilas PEM usan como electrolito un polímero
  • sólido.
  • Utilizan un catalizador de platino.
  • Ventajas:
  • Rapidez de arranque. Operan a relativamente bajas temperaturas (80ºC).
  • Desventajas:
  • Extremadamente sensible a la contaminación por CO.
  • Aplicaciones:
  • Generación de energía estacionaria.
  • Transporte (coches, autobuses).

Características:

Temperatura: 80 ºC

Eficiencia (%): 32-45

Potencia: 5-250 kW

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Tipos de Pilas de Combustible (II)

PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell )

  • Las pilas PAFC utilizan ácido fosfórico como electrolito.
  • Requieren un catalizador de platino.
  • Ventajas:
  • Son menos sensibles a la contaminación por CO que las pilas PEM.
  • Desventajas:
  • Gran peso y tamaño. Son caras (3500-4000 €
  • por kilovatio)
  • Aplicaciones:
  • Generación de energía estacionaria.
  • Transporte (vehículos pesados).

Características:

Temperatura: 205 ºC

Eficiencia (%): 36-45

Potencia: 50 kW - 11 MW

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Tipos de Pilas de Combustible (III)

AFC (Alkaline Fuel Cell )

  • Las pilas alcalinas utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito.
  • Como catalizador se pueden emplear diversos metales no preciosos.
  • Ventajas:
  • Alto rendimiento y eficiencia.
  • Desventajas:
  • Son muy sensibles a la contaminación por CO2.
  • Menor duración debido a su susceptibilidad a ese
  • tipo de contaminación.
  • Aplicaciones:
  • Aplicaciones: ambientes donde hay contaminación
  • por CO2 (espacio, fondo del mar).

Características:

Temperatura: 65-220 ºC

Eficiencia (%): > 50

Potencia: 5-150 kW

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Tipos de Pilas de Combustible (IV)

SOFC ( Solid Oxide Fuel Cell )

  • Las pilas de óxido sólido emplean como electrolito un componente de cerámica duro y no poroso .
  • No necesitan catalizador.
  • Ventajas:
  • Menor coste (no necesitan catalizador).
  • Alto rendimiento en sistemas de cogeneración (electricidad + calor)
  • Muy resistentes a la corrosión y a la contaminación por CO.
  • Desventajas:
  • Arranque lento.
  • Las altas temperaturas afectan a la duración de los materiales de la pila.

Características:

Temperatura: 600-1000 ºC

Eficiencia (%): 43-55

Potencia: 100-250 kW

  • Aplicaciones:
  • Sistemas estacionarios. No es adecuada para transportes o sistemas portátiles.
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Tipos de Pilas de Combustible (V)

MCFC ( Molten Carbonate Fuel Cell )

  • Las pilas de carbonato fundido utilizan un electrolito compuesto de una mezcla de sales de carbonato fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa.
  • Como catalizador emplean metales no nobles.
  • Ventajas:
  • Resistentes a la contaminación por CO y CO2
  • No necesitan reformador externo: debido a las
  • altas temperaturas los combustibles se convierten en hidrógeno dentro de la propia pila, mediante un proceso de conversión interna.
  • Desventajas:
  • Arranque lento.
  • Corta duración: Las altas temperaturas y el electro-lito corrosivo deterioran los componentes de la pila.

Características:

Temperatura: 600-650 ºC

Eficiencia (%): 43-55

Potencia: 100 kW - 2 MW

  • Aplicaciones:
  • Generación de energía estacionaria.
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Ciclo del hidrógeno solar

Ciclo del H2

  • La electricidad generada en los paneles fotovoltaicos se emplea para alimentar un
  • electrolizador.
  • El oxígeno producido en la electrólisis se libera en el aire, y el hidrógeno es almacenado
  • en tanques.
  • Cuando la energía solar no está disponible, el hidrógeno se recombina con el oxígeno del
  • aire en una pila de combustible, la cual convierte directamente la energía química en
  • electricidad. El único producto secundario de este proceso es agua pura.
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Conclusiones

  • El hidrógeno es un recurso energético limpio, y constituye una alternativa prometedora al panorama energético actual
  • La utilización de las pilas de combustible de hidrógeno ofrece varias ventajas sobre otros tipos de fuentes de energía, con una alta eficiencia y sin emisión de contaminantes.
  • La pilas de combustible de hidrógeno tiene un amplio rango de aplicación: desde
  • equipos portátiles hasta grandes centrales de producción de energía estacionaria.
  • La producción hidrógeno a partir de energías renovables permitiría desarrollar un sistema de energía sostenible y reducir la dependencia actual respecto de los combustibles fósiles.
  • Existen varios problemas técnicos por resolver: el almacenamiento del hidrógeno, la producción de hidrógeno a partir fuentes distintas de los combustibles fósiles.
  • Se está realizando un gran esfuerzo para implantar esta tecnología en el sector de transportes y automoción.
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Bibiliografía

  • Libros:
  • J. Larminie, A. Dicks. “Fuel Cell Systems Explained”, Second

Edition (2003). SAE Bookstore.

  • A.J. Appleby and F.R. Foulkes. “Fuel Cell Handbook”, Van Norstand

Reinhold, New York.

  • Documentos y páginas web:
  • Asociación Española de Pilas de Combustible- APPICE
  • Tecnociencia: Especial Pilas de Combustible de Hidrógeno
  • Red de Pilas de Combustible del CSIC
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