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