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
 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 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.
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
Contenido energético de
diversos carburantes
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.
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.
Carbón
18%
electrólisis
4%
petróleo
30%
Gas natural
48%
Hoy en día aproximadamente el 96% del hidrógeno
se obtiene a partir de combustibles fósiles.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
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.
•
•
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.
Electrólisis
Biomasa:
- Gasificación.
- Pirólisis.
Fotoelectrólisis:
- Directa.
- Indirecta.
Producción fotobiológica
Ciclos termoquímicos
Hidrógeno
Combustibles fósiles:
Hidrocarburos:
- Reformado
- Oxidación parcial
Carbón:
- Gasificación
¿ Otros ?
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.
Anode
--
Cathode
Electrolyte
1) En el ánodo tiene lugar la oxidación del
combustible: las moléculas de hidrógeno
se disocian en protones y electrones.
+
H 2  2H

 2e

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.
1
2
O 2  2H
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

 2e

 H 2O
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.
El potencial eléctrico ideal generado por una celda de combustible viene dado por
la ecuación de Nernst:
 C [ H ]  C [O ]1 / 2 
2
2
E  E0 
ln 

2F
C
[
H
O
]
2


RT
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.
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 requieren una cierta energía de activación (> 50-100 mV) para que se produzcan.
• Polarización óhmica: debido a resistencias eléctricas asociadas a los electrodos, el electrolito 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).
Curva de polarización típica de una celda de combustible
Para densidades de corriente altas,
aumentan las pérdidas por polarización
de concentración.
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
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
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
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.
Aplicaciones:
Sistemas estacionarios. No es adecuada para
transportes o sistemas portátiles.
Características:
Temperatura: 600-1000 ºC
Eficiencia (%): 43-55
Potencia: 100-250 kW
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 electrolito corrosivo deterioran los componentes de la pila.
Aplicaciones:
Generación de energía estacionaria.
Características:
Temperatura: 600-650 ºC
Eficiencia (%): 43-55
Potencia: 100 kW - 2 MW
Ciclo del H2
1)
La electricidad generada en los paneles fotovoltaicos se emplea para alimentar un
electrolizador.
2)
El oxígeno producido en la electrólisis se libera en el aire, y el hidrógeno es almacenado
en tanques.
3)
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.
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.
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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Presentación de PowerPoint