Hidrógeno y pilas de combustible

1. Hidrógeno y pilas de combustible

2. 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

3. 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

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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 ?

9. 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.

10. 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

11. 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.

12. 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.

13. 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

14. Tipos de Pilas de Combustible Tabla Resumen

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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.

19. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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