Presentaci

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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.

Combustible Energía kJ/g Energía kJ/l
Carbón 29.3 -
Madera 8.1 -
Gasolina 43.5 30590
Diesel 42.7 29890
Metanol 19.6 15630
Gas natural 50.02 31.7
Hidrógeno 119.9 10

• 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 que producir el hidrógeno a partir de
  energías 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 gt 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 (lt 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.
• H2 y O2, utilizados como combustible y oxidante
  respectivamente.

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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 combustible y
  dispositivos 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( T25º 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 real de la celda es 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 (gt 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 Tabla Resumen
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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)

Características Temperatura 205 ºC
Eficiencia () 36-45 Potencia 50 kW - 11 MW

• Aplicaciones
• Generación de energía estacionaria.
• Transporte (vehículos pesados).

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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.

Características Temperatura 65-220 ºC
Eficiencia () gt 50 Potencia 5-150 kW

• Aplicaciones
• Aplicaciones ambientes donde hay contaminación
• por CO2 (espacio, fondo del mar).

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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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(No Transcript)
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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