Pila de hidrogeno

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

A partir de hidrocarburosA partir de hidrocarburos::

• Reformado con vapor: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: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 de hidrocarburosA partir de hidrocarburos::

• Reformado con vapor: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: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:A partir del agua:

• Electrólisis: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.

A partir del agua:A partir del agua:

• Electrólisis: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.

Sir W.R.Grove

A la izquierda se ilustra el principio de un electrolizador; a la derecha el de una pila de combustible (Fuente: Larminie, 2000)

Electrodos de platino

Electrolito ácido diluido

Programa espacial de los Estados Unidos

Las baterías convencionales son demasiado grandes, pesadas y tóxicas.

Los instrumentos fotovoltaicos no eran prácticos todavía.

Las naves espaciales ya llevan H2 y O2.

Agua como subproducto.

Pila de combustible de la sonda orbital del trasbordador espacial de la NASA. Una de las tres pilas de combustible a bordo del trasbordador espacial. Estas pilas de combustible suministran toda la electricidad y el agua potable cuando el trasbordador está volando. Produce 12 kilovatios de electricidad y ocupa un volumen de 154 litros (Fuente: NASA)

prototipos de las pilas de combustible

Existen prototipos como el desarrollado por el grupo PSA todavía más modernos y compactos: Genepac, una pila de combustible compacta, modulable y que puede llegar a rendir 80 KW de potencia (unos 108 CV).

Celda de combustible

-- +

Anode Cathode

Electrolyte

OH2e2HO21

22

2e2HH2

¿Por qué necesitamos pilas de combustible?

Las reservas de petróleo disminuyen.

Reducir los gases que producen el efecto invernadero.

Reducir las emisiones tóxicas.

Conversión directa de la energía química en energía eléctrica.Conversión eficiente.Mínima contaminación al no existir combustión.Al contrario que las baterías, el reductor (hidrógeno) y el oxidante (aire) deben ser aportados de forma continua.

Combustible Calor Turbina

de electricidad

Generador

Fuente: WBZU

combustible electricidad

OH

H

0%

25%

50%

75%

100%

0 200 400 600 800 1000 1200

T [°C]

Efic

ienc

ia [%

]

H2-O2 BZ

Carnot (T2=100°C)

Mayor eficiencia del proceso electroquímico comparada con el proceso de Carnot

Ahorra energía

Reduce las emisiones de CO2

Fuente: WBZU

FC

Pilas de combustible

Turbina de gas y turbina

de vapor

Diesel

Gasolina

Energía eléctrica

Una batería almacena energía dentro del reductor de la batería.La batería se para cuando se agotan los reactivos químicos.La pila de combustible convierte la energía a partir del combustible y el oxidante, que son alimentados de forma continua.

Las pilas de combustible

Según su temperatura de funcionamiento, las pilas de combustible se clasifican en: Pilas de combustible de alta temperatura:

Pila combustible de carbonato fundido (MCFC).

Pila de combustible de óxido sólido (SOFC).

Pilas de combustible de temperatura intermedia:

Pila de combustible de electrolito alcalino.

Pila alcalina de ácido fosfórico (PAFC). Pilas combustibles de baja temperatura:

Pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC).

Pila de combustible de metanol directo (DMFC).

AltoinstantáneoStart-Up-Time

bajaaltaDynamic

altabajaSystem complexity

altabajaCell efficiency

Menos limpiolimpioGas specification

Menos puropuroCatalyst

altaaltaTemperature

SOFCMCFCPAFCPEFC AFC

Tiempo de arranque

Dinámica

Complejidad delsistema

Eficiencia de la pila

Especificación gas

Catalizador

Temperatura

SOFCMCFCPAFCPEFC AFC

<100°C Up to 1000°C

Platino metal

4-5.0 H2CnHm

40-50% 50-60%

SistemaDe reforma Ref. interna

Segundos Horas

Fuente : WBZU

Las pilas PEM usan como electrolito un polímero sólido.Utilizan un catalizador de platino.

Las pilas PEM usan como electrolito un polímero sólido.Utilizan un catalizador de platino.

Características: Temperatura: 80 ºC Eficiencia (%): 32-45 Potencia: 5-250 kW

Características: Temperatura: 80 ºC Eficiencia (%): 32-45 Potencia: 5-250 kW

Aplicaciones: Generación de energía estacionaria.Transporte (coches, autobuses).

Aplicaciones: Generación de energía estacionaria.Transporte (coches, autobuses).

Ventajas:

Rapidez de arranque. Operan a relativamente bajas temperaturas (80ºC).

Desventajas:Extremadamente sensible a la contaminación por CO.

Ventajas:

Rapidez de arranque. Operan a relativamente bajas temperaturas (80ºC).

Desventajas:Extremadamente sensible a la contaminación por CO.

Las pilas PAFC utilizan ácido fosfórico como electrolito.

Requieren un catalizador de platino.

Las pilas PAFC utilizan ácido fosfórico como electrolito.

Requieren un catalizador de platino.

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

MW

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

MW

Ventajas:

Son menos sensibles a la contaminación por CO que las pilas PEM.

Desventajas:Gran peso y tamaño. Son caras (3500-4000 € por kilovatio)

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).

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

Las pilas alcalinas utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito.Como catalizador se pueden emplear diversos metales no preciosos.

Las pilas alcalinas utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito.Como catalizador se pueden emplear diversos metales no preciosos.

Características: Temperatura: 65-220 ºC Eficiencia (%): > 50 Potencia: 5-150 kW

Características: Temperatura: 65-220 ºC Eficiencia (%): > 50 Potencia: 5-150 kW

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.

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).

Aplicaciones: Aplicaciones: ambientes donde hay contaminación

por CO2 (espacio, fondo del mar).

Las pilas de óxido sólido emplean como electrolito un componente de cerámica duro y no poroso .No necesitan catalizador.

Las pilas de óxido sólido emplean como electrolito un componente de cerámica duro y no poroso .No necesitan catalizador.

Características: Temperatura: 600-

1000 ºC Eficiencia (%): 43-55 Potencia: 100-250 kW

Características: Temperatura: 600-

1000 ºC Eficiencia (%): 43-55 Potencia: 100-250 kW

Aplicaciones: Sistemas estacionarios. No es adecuada para transportes o sistemas portátiles.

Aplicaciones: Sistemas estacionarios. No es adecuada para transportes o sistemas portátiles.

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.

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.

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.

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.

Características: Temperatura: 600-650

ºC Eficiencia (%): 43-55 Potencia: 100 kW - 2

MW

Características: Temperatura: 600-650

ºC Eficiencia (%): 43-55 Potencia: 100 kW - 2

MW

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.

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.Aplicaciones: Generación de energía estacionaria.

Aplicaciones: Generación de energía estacionaria.

Metanol + agua

Dióxido de carbono+ agua

Membrana Agua

Oxígeno

OxígenoAlimentado aCada cátodo

CátodoElectrolito Ánodo

Hidrógeno alimentado a cada ánodo

Conexión sencilla de tres celdas en serie

En las reacciones en esta parte, los electrones han de atravesar toda la cara del electrodo

Montaje de un stack de pilas de combustible PEM

FC

PFFC-STack (ZSW-Ulm)

H2 H2 H2

Aire

Fin

al P

late

Bip

olar

Pla

te

Fin

al P

late

Bip

olar

Pla

te

MEAGDL

Aire Aire

H2 H2 H2

AireFin

al P

late

Bip

olar

Pla

te

Fin

al P

late

Bip

olar

Pla

te

MEAGDL

AireAire AireAire

Capa soporte

MEA

Chapa bipolar

Fuente: Model o de PEFC (ZSW-Ulm)

Bastidor de sellado

Conjunto de electrodo de membrana

Chapa bipolar de compuesto de grafito

Montaje de un stack de pilas de combustible PEM FC

Stationary fuel cell system

Reformador Brennstoff-zelle

WandlerElektrisches

Netz

Therm.Netz

Wärme-auskopplung

CH4 H2

Pel

Qth

O2

H2O

CO2

O

Pila de combustible

ConvertidorDC/AC-

Intercambiador-de calor

RedTérmica

RedEléctrica

ZSW / ISEAño de fabricación 1999Lugar: Fachhochschule UlmReformador: Fraunhofer Institute ISESistema de Pilas de combustible: ZSW

Reformador Sistema de Pilas decombustible

Unidad de producción combinada de calor y electricidad (CHP)

Oxígeno

Hidrógeno

Pila de

combustible

Calentador

Electricidad

Agua de la reacción

Circuito de refrigeración

Inversor

Sistema de pilas de combustible fijo(Sistema para fines educativos)

Ubicación: WBZUFabricante Heliocentris

Motores (didácticos) de hidrógeno

Probabilidad de fugas

Volumen de combustible liberado en la fuga

Energía del combustiblee liberado en la fuga

Límite inferior de inflamabilidad en aire

Energía mínima de ignición

Energía explosiva por energía almacenada

Visibilidad de la llama

Emisividad de la llama

Toxicidad de los gases de la llama

SISTEMA DE ENERGIA GENERACIÓN DISTRIBUIDA

Bomba de calor

Bomba de calor

Sistema de almacenamiento

de calor

Sistema de almacenamiento

de calor

Celda de combustibleCelda de

combustible

CalorCalor

ElectricidadElectricidad

CalefacciónCalefacción

RefrigeraciónRefrigeración

Ciclo del H2

COSTOS DE PRODUCIÓN DE HIDRÓGENO

Reformado del gas natural u$s 8/ GJ Biomasa u$s 12/ GJ Gasificación de carbón u$s 10/ GJ Nuclear u$s 20/ GJ Nafta (u$s 1.1/galón = 3.78 l) u$s 7/ GJ H2 electrolítico (u$s 0.03/kWh) u$s 13/ GJ H2 electrolítico (solar) u$s 28/ GJ H2 electrolítico (eólico) u$s 18/ GJ

Costo adicional (compresión, almacenamiento, transporte y distribución de hidrógeno gaseoso) u$s 6-8/ GJ

Documentos y páginas web:Documentos y páginas web: ➔ http://americanhistory.si.edu/fuelcells/basics.htm ➔ http://elemental.awardspace.com/experimentos/hidrogeno.htm ➔ http://www.physics.ubc.ca/~outreach/phys420/p420_03/shane/title.htm

➔http://www.cientificosaficionados.com/pilas%20de%20combustible/pilas%20de%20combustible.htm

Asociación Española de Pilas de Combustible- APPICE

Tecnociencia: Especial Pilas de Combustible de Hidrógeno

Red de Pilas de Combustible del CSIC

Libros:Libros:

J. Larminie, A. Dicks. “Fuel Cell Systems Explained”, Second J. Larminie, A. Dicks. “Fuel Cell Systems Explained”, Second Edition (2003). SAE Bookstore.Edition (2003). SAE Bookstore.

http://www.fuelcells.org/info/library/fchandbook.pdf