Hidrogeno y pilas de combustible

5,993 views
5,713 views

Published on

Hidrogeno y pilas de combustible

0 Comments
2 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
5,993
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
5
Actions
Shares
0
Downloads
160
Comments
0
Likes
2
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Hidrogeno y pilas de combustible

  1. 1. 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
  2. 2.  La combustión de combustibles fósiles constituye el principal causante de la emisiónde gases de efecto invernadero, responsables del efecto de calentamiento global quesufre nuestro planeta . Esta situación no resulta sostenible a medio plazo, y es necesario preparar unatransición controlada hacia una nueva forma de producción y consumo energético quesea limpia, segura y fiable. Una de las alternativas es el uso de hidrógeno como fuente de energía, y sutransformación en electricidad por medio de las llamadas pilas de combustible. El hidrógeno no es una fuente primaria de energía, ya Combustible Energía Energía [kJ/g] [kJ/l]que no no se encuentra libre en la naturaleza y no esdirectamente aprovechable. Es un vector energético, es Carbón 29.3 -decir, un portador de energía. Madera 8.1 - Gasolina 43.5 30590 Hay que producir el hidrógeno a partir de energías Diesel 42.7 29890primarias. Hoy en día aproximadamente el 95% del Metanol 19.6 15630hidrógeno se obtiene a partir de combustibles fósiles. Gas natural 50.02 31.7 El hidrógeno tiene una densidad energética en masa 3 Hidrógeno 119.9 10veces superior a la de la gasolina. Contenido energético de diversos carburantes
  3. 3. 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.
  4. 4. A partir de hidrocarburos: : A partir de hidrocarburos•• Reformado con vapor: el hidrocarburo es tratado con vapor de agua aatemperaturas Reformado con vapor: el hidrocarburo es tratado con vapor de agua temperaturas entre 700 yy1100 ºC. El proceso se realiza en dos fases: entre 700 1100 ºC. El proceso se realiza en dos fases: 1ª fase: CH44++H2O ⇒ CO ++3H22 1ª fase: CH H2O ⇒ CO 3H 2ª fase: CO ++ H2O ⇒ CO22++H 2ª fase: CO H2O ⇒ CO H•• Oxidación parcial: reacción de combustión entre 1300 yy1500 ºC Oxidación parcial: reacción de combustión entre 1300 1500 ºC CH1,4 ++0,3 H2O ++0,4 O2 ⇒ 0,9 CO ++0,1 CO22++H2. . CH1,4 0,3 H2O 0,4 O2 ⇒ 0,9 CO 0,1 CO H2 A partir del agua: A partir del agua:•• Electrólisis: proceso mucho más caro que el reformado con vapor. Produce hidrógeno 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. de gran pureza, que se utiliza en la industria electrónica, farmacéutica o alimentaria. electrólisis Carbón 4% 18% petróleo 30% Hoy en día aproximadamente el 96% del hidrógeno Hoy en día aproximadamente el 96% del hidrógeno se obtiene aapartir de combustibles fósiles. se obtiene partir de combustibles fósiles.Gas natural 48%
  5. 5. Almacenamiento en forma gaseosa:: Almacenamiento en forma gaseosa•• El hidrógeno se almacena aaalta presión (P >>20 Mpa). El hidrógeno se almacena alta presión (P 20 Mpa).•• Requiere depósitos pesados y voluminosos. Requiere depósitos pesados y voluminosos.•• Plantea problemas de seguridad. Plantea problemas de seguridad.•• No resulta competitivo debido a su elevado coste. No resulta competitivo debido a su elevado coste. Almacenamiento en forma líquida: Almacenamiento en forma líquida:•• El hidrógeno se almacena en estado líquido en recipientes criogénicos. El hidrógeno se almacena en estado líquido en recipientes criogénicos.•• Requiere alcanzar temperaturas de almacenamiento muy bajas (21,2 K). Requiere alcanzar temperaturas de almacenamiento muy bajas (21,2 K).•• El coste es elevado. Indicado sólo para aplicaciones donde el coste del hidrógeno no 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, sea un factor crítico y éste sea consumido en cortos periodos de tiempo (por ejemplo, en aplicaciones aeroespaciales). en aplicaciones aeroespaciales). Combinación química (hidruros metálicos): Combinación química (hidruros metálicos):•• Diversos metales de transición y sus aleaciones pueden ser utilizados para almacenar Diversos metales de transición y sus aleaciones pueden ser utilizados para almacenar hidrógeno en forma de hidruros metálicos. hidrógeno en forma de hidruros metálicos.•• El principal inconveniente es el elevado peso del sistema de almacenamiento, como 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 consecuencia de los bajos niveles de retención de hidrógeno que se consiguen (< 2% a temperaturas inferiores aa423 K). temperaturas inferiores 423 K). Adsorción en sólidos porosos (nanoestructuras de carbono) :: Adsorción en sólidos porosos (nanoestructuras de carbono)•• Se está estudiando la utilización de nanoestructuras de carbono con elevada Se está estudiando la utilización de nanoestructuras de carbono con elevada superficie específica como medio de almacenamiento. superficie específica como medio de almacenamiento.•• Sería una forma segura y sencilla de almacenar el hidrógeno sin usar altas presiones. Sería una forma segura y sencilla de almacenar el hidrógeno sin usar altas presiones.
  6. 6. A partir de biomasa: A partir de biomasa:•• Gasificación: Combustión incompleta de la biomasa entre 700 y 1200ºC. Gasificación: Combustión incompleta de la biomasa entre 700 y 1200ºC. Productos: H22,CH44,CO. Productos: H , CH , CO.•• Pirólisis: Combustión incompleta en ausencia de oxígeno, a unos 500 ºC Pirólisis: Combustión incompleta en ausencia de oxígeno, a unos 500 ºC Productos: H22,CO, CO22e hidrocarburos ligeros. Productos: H , CO, CO e hidrocarburos ligeros.•• Fotoelectrólisis: Fotoelectrólisis:•• Indirecta: Paneles fotovoltaicos ++radiación solar. Indirecta: Paneles fotovoltaicos radiación solar.•• Directa: Celdas fotoelectroquímicas (material semiconductor) ++radiación solar. Directa: Celdas fotoelectroquímicas (material semiconductor) radiación solar.•• Ciclos termoquímicos::Consisten en una combinación de reacciones químicas a alta Ciclos termoquímicos Consisten en una combinación de reacciones químicas a alta temperatura que producen la disociación de la molécula de agua. Se han alcanzado temperatura que producen la disociación de la molécula de agua. Se han alcanzado eficiencias del 40%. eficiencias del 40%.•• Para realizar los ciclos termoquímicos se puede emplear energía nuclear o solar. Para realizar los ciclos termoquímicos se puede emplear energía nuclear o solar.•• Producción fotobiológica::Ciertas bacterias y algas verdes pueden producir hidrógeno, Producción fotobiológica Ciertas bacterias y algas verdes pueden producir hidrógeno, utilizando únicamente luz solar, agua y una enzima llamada hidrogenasa. utilizando únicamente luz solar, agua y una enzima llamada hidrogenasa.
  7. 7. Electrólisis Electrólisis Biomasa: Biomasa: --Gasificación. Gasificación. Ciclos termoquímicos Ciclos termoquímicos --Pirólisis. Pirólisis. Combustibles fósiles: Combustibles fósiles: Fotoelectrólisis:Fotoelectrólisis: Hidrocarburos: Hidrocarburos:--Directa. Directa. Hidrógeno --Reformado Reformado--Indirecta. Indirecta. --Oxidación parcial Oxidación parcial Carbón: Carbón: --Gasificación Gasificación Producción fotobiológica Producción fotobiológica ¿¿Otros ?? Otros
  8. 8. 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 combustibleElementos básicos de una celda de combustible: combustible Dos electrodos (ánodo y cátodo). Electrolito: sustancia encargada de transportar los iones producidos en las Electrolito reacciones redox. El electrolito a veces se utiliza acompañado de un catalizador. catalizador H2 y O2, utilizados como combustible y oxidante respectivamente.
  9. 9. 1) En el ánodo tiene lugar la oxidación del combustible: las moléculas de hidrógeno Anode Cathode se disocian en protones y electrones. -- Electrolyte + 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 O2 + 2H + + 2e − → H 2 O 2 Celda de combustibleUna celda individual genera un voltaje cercano a un voltio.Para las aplicaciones que requieren mayor voltaje y altapotencia se apilan en serie el número necesario de estasceldas, para formar una pila de combustible. Pila de combustible PEM
  10. 10. Diferencias entre celdas de combustible y dispositivos de combustión interna.:• Los dispositivos de combustión interna se basan en la conversión de energíatérmica en energía mecánica. La eficiencia de este proceso está limitado porel Ciclo de Carnot.• Las celdas de combustible convierten directamente la energía química en energíaeléctrica. Desde el punto de vista termodinámico este proceso es mucho máseficiente.eficienteDiferencias entre celdas de combustible y baterías: Las baterías son dispositivos de almacenamiento de energía. La producción deenergía cesa cuando se consumen los reactivos químicos almacenados dentrode la batería. No pueden proporcionar un flujo continuo de energía eléctrica. En las celdas de combustible, tanto el combustible como el oxidante procedende una fuente externa, y permiten generar corriente eléctrica de manera casiindefinida, en la medida en que pueda suministrarse combustible de formacontinuada.
  11. 11. El potencial eléctrico ideal generado por una celda de combustible viene dado porla ecuación de Nernst: E: Potencial eléctrico de la pila (volts.) E:E : Potencial redox estándar( (volts.) C , 1 Molar) Potencial eléctrico de la pila T=25º E o: o Potencial redox estándar( T=25º C , 1 Molar) RT  C [ H 2 ] ⋅ C [O2 ]1 / 2  R: Cte. de los gases (8.31 J/Kmol) E = E0 + ln  R: Cte. de los gases (8.31 J/Kmol) T: Temperatura absoluta (K)  2F  C [ H 2O ]  T:F: Cte. de Faraday (96.6 kJ/mol) Temperatura absoluta (K)   F: C[ ]: de Faraday (96.6molares de reactivos y productos Cte. Concentraciones kJ/mol) C[ ]: Concentraciones molares de reactivos y productos La ecuación de Nerst permite calcular el potencial ideal de una celda de combustibleen función de la temperatura y de las concentraciones de reactantes y productos.
  12. 12. El potencial real de la celda es inferior al ideal, debido a las pérdidas por polarización: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- activación• Polarización de activación: algunas reacciones electroquímicas son muy lentas, y re- activación quieren una cierta energía de activación (> 50-100 mV) para que se produzcan.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- óhmica• Polarización óhmica: debido a resistencias eléctricas asociadas a los electrodos, el elec- óhmica trolito y los contactos.trolito y los contactos. • Polarización de concentración: se producen gradientes de concentración (por difusión o concentración• Polarización de concentración: se producen gradientes de concentración (por difusión o concentración convección) que disminuyen la actividad del electrodo.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
  13. 13. Las pilas PEM usan como electrolito un polímero Las pilas PEM usan como electrolito un polímero sólido.sólido. Utilizan un catalizador de platino. Utilizan un catalizador de platino. Ventajas:Ventajas: Rapidez de arranque. Operan aarelativamente bajas Rapidez de arranque. Operan relativamente bajas temperaturas (80ºC). temperaturas (80ºC). Desventajas:Desventajas: Extremadamente sensible aala contaminación por CO. Extremadamente sensible la contaminación por CO.Aplicaciones:Aplicaciones: Características: Características: Generación de energía estacionaria. Generación de energía estacionaria. Temperatura: 80 ºC Temperatura: 80 ºC Transporte (coches, autobuses). Transporte (coches, autobuses). Eficiencia (%): 32-45 Eficiencia (%): 32-45 Potencia: 5-250 kW Potencia: 5-250 kW
  14. 14. Las pilas PAFC utilizan ácido fosfórico como Las pilas PAFC utilizan ácido fosfórico como electrolito. electrolito. Requieren un catalizador de platino. Requieren un catalizador de platino.Ventajas:Ventajas: Son menos sensibles a la contaminación por CO Son menos sensibles a la contaminación por CO que las pilas PEM. que las pilas PEM.Desventajas:Desventajas: Gran peso y tamaño. Son caras (3500-4000 € Gran peso y tamaño. Son caras (3500-4000 € por kilovatio) por kilovatio)Aplicaciones:Aplicaciones: Características: Características: Generación de energía estacionaria. Generación de energía estacionaria. Temperatura: 205 ºC Temperatura: 205 ºC Transporte (vehículos pesados). Transporte (vehículos pesados). Eficiencia (%): 36-45 Eficiencia (%): 36-45 Potencia: 50 kW --11 MW Potencia: 50 kW 11 MW
  15. 15. Las pilas alcalinas utilizan una solución de Las pilas alcalinas utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito. hidróxido de potasio en agua como electrolito. Como catalizador se pueden emplear diversos Como catalizador se pueden emplear diversos metales no preciosos. metales no preciosos.Ventajas:Ventajas: Alto rendimiento y eficiencia. Alto rendimiento y eficiencia.Desventajas:Desventajas: Son muy sensibles aala contaminación por CO22. Son muy sensibles la contaminación por CO . Menor duración debido aasu susceptibilidad aaese Menor duración debido su susceptibilidad ese tipo de contaminación. tipo de contaminación.Aplicaciones:Aplicaciones: Características: Características: Aplicaciones: ambientes donde hay contaminación Aplicaciones: ambientes donde hay contaminación Temperatura: 65-220 ºC Temperatura: 65-220 ºC por CO (espacio, fondo del mar). por CO22(espacio, fondo del mar). Eficiencia (%): >>50 Eficiencia (%): 50 Potencia: 5-150 kW Potencia: 5-150 kW
  16. 16. Las pilas de óxido sólido emplean como electrolito Las pilas de óxido sólido emplean como electrolito un componente de cerámica duro y no poroso . . un componente de cerámica duro y no poroso No necesitan catalizador. No necesitan catalizador.Ventajas:Ventajas: Menor coste (no necesitan catalizador). Menor coste (no necesitan catalizador). Alto rendimiento en sistemas de cogeneración Alto rendimiento en sistemas de cogeneración (electricidad ++calor) (electricidad calor) Muy resistentes aala corrosión y aala Muy resistentes la corrosión y la contaminación por CO. contaminación por CO.Desventajas:Desventajas: Arranque lento. Arranque lento. Las altas temperaturas afectan aala duración de Las altas temperaturas afectan la duración de los materiales de la pila. los materiales de la pila.Aplicaciones:Aplicaciones: Características: Características: Sistemas estacionarios. No es adecuada para Sistemas estacionarios. No es adecuada para Temperatura: 600-1000 ºC Temperatura: 600-1000 ºC transportes o sistemas portátiles. transportes o sistemas portátiles. Eficiencia (%): 43-55 Eficiencia (%): 43-55 Potencia: 100-250 kW Potencia: 100-250 kW
  17. 17. Las pilas de carbonato fundido utilizan un electrolito Las pilas de carbonato fundido utilizan un electrolito compuesto de una mezcla de sales de carbonato compuesto de una mezcla de sales de carbonato fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa. fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa. Como catalizador emplean metales no nobles. Como catalizador emplean metales no nobles.Ventajas:Ventajas: Resistentes aala contaminación por CO y CO22 Resistentes la contaminación por CO y CO No necesitan reformador externo: debido aalas No necesitan reformador externo: debido las altas temperaturas los combustibles se convierten en altas temperaturas los combustibles se convierten en hidrógeno dentro de la propia pila, mediante un hidrógeno dentro de la propia pila, mediante un proceso de conversión interna. proceso de conversión interna.Desventajas:Desventajas: Arranque lento. Arranque lento. Corta duración: Las altas temperaturas y el electro- Corta duración: Las altas temperaturas y el electro- lito corrosivo deterioran los componentes de la pila. lito corrosivo deterioran los componentes de la pila. Características: Características: Temperatura: 600-650 ºC Temperatura: 600-650 ºCAplicaciones:Aplicaciones: Eficiencia (%): 43-55 Eficiencia (%): 43-55 Generación de energía estacionaria. Generación de energía estacionaria. Potencia: 100 kW --2 MW Potencia: 100 kW 2 MW
  18. 18. Tipos de células de combustible Tipo Electrolito Top ºC Usos Ventajas Desventajas Electrolito sólido reduce Generación Membrana corrosión y Catalizadores costosos. Polímero estacionaria. polimérica 60-100 mantenimiento. Sensible a impurezas en sólido Portátiles. (PEMFC) Baja temperatura. H2 u otro combustible. Vehículos. Arranque rápido. Solución Reacción catódica más acuosa de Espacio. rápida en electrolitoAlcalina (AFC) 90-100 Sensible a impurezas. hidróxido Militar. alcalino. Mayor de potasio eficiencia. 85 % eficiencia en Acido Generación Catalizador de Pt. BajaAcido fosfórico cogeneración de fosfórico 175-200 estacionaria. corriente y potencia. (PAFC) electricidad y calor. liquido Portátiles. Gran peso y volumen. Acepta H2 impuro. Solución Ventajas por alta Carbonatos Corrosión debido a altas líquida de 600- Generación temperatura: mayor fundidos temperaturas. Baja vida litio, sodio y 1000 estacionaria. eficiencia, catalizadores (MFCF) útil. potasio mas baratos. Oxido de Zr Ventajas por alta Corrosión debido a altasÓxidos sólidos sólido con 600- Generación temperatura. Ventajas temperaturas. Baja vida (SOFC) adiciones de 1000 estacionaria. electrolito sólido. útil. Itrio
  19. 19. Ciclo del H21) 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.
  20. 20. El hidrógeno es un recurso energético limpio, y constituye una alternativaprometedora al panorama energético actual La utilización de las pilas de combustible de hidrógeno ofrece varias ventajassobre otros tipos de fuentes de energía, con una alta eficiencia y sin emisión decontaminantes. La pilas de combustible de hidrógeno tiene un amplio rango de aplicación: desdeequipos portátiles hasta grandes centrales de producción de energía estacionaria. La producción hidrógeno a partir de energías renovables permitiría desarrollar unsistema de energía sostenible y reducir la dependencia actual respecto de loscombustibles 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 sectorde transportes y automoción.
  21. 21. 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

×