El H2 y la pila de combustible
El hidrógeno es el responsable del brillo de las estrellas y fuente de la energía que recibimos del Sol. El hidrógeno es, además, el elemento más abundante del Universo: las tres cuartas partes de la materia cósmica son hidrógeno, que podríamos utilizar como combustible si estuvieran a nuestro alcance. Por ejemplo, Júpiter es un cuerpo masivo gaseoso, formado principalmente por hidrógeno y helio, carente de una superficie interior definida; es el mayor cuerpo celeste del sistema solar, que ofrece un mayor brillo a lo largo del año, alli se encuentra gran acumulación de hidrógeno que tenemos más cerca, se halla a millones de kilómetros de la Tierra, demasiado lejos para nuestro planeta que todavía está intentando viajar a Marte.
El hidrógeno en números
■ Densidad: 0,0899 kg/Nm3 (gas) 0,0708 kg/l (líquido)
■ Poder calorífico: inferior: 120 MJ/kg superior: 141,86 MJ/kg
■ Límites de inflamabilidad*: 4,0 - 75,0 %
■ Límites de detonación: 18,3 - 59,0 %
■ Coeficiente de difusión: 0,61 cm2 /s * concentración de H2 en aire.
Fuente: ARIEMA Energía y Medio Ambiente (www.ariema.com)
Tipos de celdas de combustible
Celdas de Ácido fosfórico (PAFC)
Esta pila utiliza ácido fosfórico líquido (H3PO4) como electrolito y electrodos de carbono poroso con catalizador de platino sobre base de carbono. Es uno de los tipos de pilas más modernos y más usados en la actualidad a nivel comercial. Se usa para generar energía estacionaria y también en automóviles pesados como los autobuses urbanos. Tiene aplicaciones muy diversas en clínicas, hospitales, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas eléctricas y terminales aeroportuarias. Generan electricidad a una eficacia del 80% cuando se usan como generadores de energía eléctrica y calorífica, pero son menos eficientes cuando generan solo energía eléctrica.
Las temperaturas de operación se encuentran entre los 180 a 210 °C y su eficiencia eléctrica está entre los 36-42% . Su uso es muy apropiado para generación estacionaria o móvil de gran dimensión como embarcaciones, camiones, locomotoras, , autobuses o trenes.
Cuenta con las desventajas de requerir metales nobles en el catalizador. Utiliza H2 como combustible. Existen en producción comercial unidades de alrededor de 200kw.
El esquema de la celda de combustible de ácido fosfórico (PAFC) se ilustra en la figura 2.3
Celda de carbonato fundido (MCFC)
Es una pila que utiliza un electrolito compuesto de una mezcla de sales de carbonato fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa y químicamente inerte de óxido de litio-aluminio, y como catalizador el material de los electrodos. Son más eficientes que otras y tienen un rendimiento entre 50-60%, pero cuando el calor que se desprende es captado y utilizado, el rendimiento total del combustible puede llegar al 85%.
Debido a la alta temperatura que alcanza el combustible se convierte en hidrógeno dentro de la pila mediante un proceso de conversión interna, por lo que se reducen los costos. Son muy eficientes debido a que además de aprovechar la electricidad, se aprovecha todo el calor que desprenden. Actualmente se usan en plantas de energía de carbón en la producción de electricidad.
Una desventaja es su poca duración, debido a las temperaturas que alcanzan y su electrolito corrosivo.
La temperatura de operación alcanza los 650°C. Estas celdas de combustible prometen altas eficiencias y pueden consumir combustibles a base de carbón.
Celdas Alcalinas (AFC)
Esta pila usa como electrolíto una solución de hidróxido de potasio en agua, y como catalizador utiliza una gran variedad de metales no preciosos. Operan con temperatura de 50-250⁰C y una eficiencia eléctrica de 60-70%.
Utiliza hidrógeno puro como combustible y oxígeno como agente oxidante (comburente). En efecto, el CO2 reacciona con el KOH y se forma carbonato potásico, lo que reduce enormemente la eficiencia de la pila de combustible. Aún con pequeñas concentraciones (10 a 100 ppm) se produce el "envenenamiento" de la pila por monóxido o dióxido de carbono, por lo que se usa principalmente en los sectores aeroespacial y submarinos. La concentración del electrolito está en torno al 35-50% para temperaturas de operación inferiores a 120°C, pudiendo operar a 250°C cuando la concentración es del 85%.
Estas pilas son las que ofrecen un mayor rendimiento. La NASA ha utilizado desde 1960 las AFCs alimentadas con hidrógeno en las misiones espaciales, para proporcionar electricidad y agua potable.
Figura 2.3 Pila de combustible de acido fosfórico (PAFC)
Figura 2.4 Pila de combustible tipo Carbonato fundido (MCFC)
Figura 2.1 Pila de combustible PEM.
Fuente:: https://www.azocleantech.com/article.aspx?ArticleID=471
¿QUE ES UNA PILA DE COMBUSTIBLE?
Una pila de combustible es un dispositivo que convierte la energía quimica de un combustible en energía eléctrica en un proceso de temperatura constante. La pila de combustible se comporta de manera análoga a una bateria que debe ser recargada constantemente con reactantes nuevos. Al igual que una batería, cada pila de combustible tiene un electrolito - un conductor iónico - y dos electrodos (ánodo y cátodo positivo negativo) que son esencialmente conductores electrónicos.
Figura 2.2 Pila de combustible. Cortesía de .geek.com
¿CÓMO FUNCIONA LA PILA DE COMBUSTIBLE?
Una pila de combustible es un dispositivo que convierte la energía quimica de un combustible rico en hidrógeno en energía eléctrica y calor útil de alta calidad, en un proceso electroquímico de temperatura constante. La pila de combustible se comporta de manera similar a una bateria, se compone de muchas celdas individuales que se agrupan entre si para formar una pila de celdas de combustible. Cada celda tiene un ánodo, un cátodo y una capa de electrolito.
La pila de combustible funciona de la siguiente forma: En el ánodo se suministra hidrógeno, que se divide en protones y electrones. Los protones migran hacia el cátodo de la pila a través de la membrana, donde reaccionan con el oxígeno presente en el aire para formar vapor de agua.
El propósito de una pila de combustible es producir una corriente eléctrica que puede ser dirigida fuera de la celda para hacer el trabajo, tal como la alimentación de energía eléctrica a un motor eléctrico o de la iluminación de una bombilla o una ciudad. Debido a la manera como se comporta la electricidad, esta corriente vuelve a la pila de combustible, completando un circuito eléctrico. Las reacciones químicas que producen esta corriente definen el funcionamiento de una pila de combustible.
Hay varios tipos de celdas de combustible, y cada uno funciona un poco diferente. Sin embargo, en términos generales, los átomos de hidrógeno entran en una celda de combustible en el ánodo, donde una reacción química los despoja de sus electrones. Los átomos de hidrógeno están ahora "ionizados", y llevan una carga eléctrica positiva. Los electrones cargados negativamente proporcionan la corriente a través de los cables para hacer el trabajo. Si la corriente alterna (AC) que se necesita, la salida de CC de la pila de combustible debe ser enrutado a través de un dispositivo de conversión llamado un inversor.
Celdas de Polímero sólido (PEM)
Estas proporcionan una densidad energética elevada y tienen la ventaja de ser ligeras y pequeñas. Utilizan un polímero sólido como electrolito y electrodos porosos de carbono que contienen un catalizador de platino, lo que encarece mucho el sistema. Usan hidrógeno como combustible, y expulsan como residuos oxígeno. Estas pilas funcionan a temperaturas de 50 - 100 ºC, lo que permite que funcionen rápidamente, son pilas duraderas, ya que no supone desgaste del material. Además, el catalizador de platino es extremadamente sensible a la contaminación por CO, por lo que es necesario utilizar un reactor adicional para reducir el nivel de CO en el gas combustible.
El mejor uso es en medios de transporte de pasajeros debido a sus características, sin embargo presentan un obstáculo mayor que es el de almacenar el hidrógeno en el mismo coche como gas comprimido. De acuerdo con el Departamento de Energía de los Estados Unidos, las pilas de combustible PEM "son los principales candidatos para vehículos ligeros, edificios y potencialmente otras aplicaciones mucho más pequeñas tales como baterías recargables para videocámaras.
Figura 2.5 Pila de combustible tipo PEM (Polímero sólido)
Celda de Oxido sólido (SOFC)
Este tipo de pila usa como electrolito un sólido cerámico u óxido metálico no pororso, y como catalizador al material de los electrodos. Opera a 800 - 1000°C, pero existe el reto de bajar a 600 - 800°C. Este tipo de pilas se utilizan en una larga lista de aplicaciones estacionarias a lo largo de todo el mundo.
La investigación se focaliza en disminuir el espesor de la capa de electrolito y en la búsqueda de nuevos materiales, basados en óxidos lantánidos, que presenten alta conductividad iónica a baja temperatura.
Es una celda de combustible altamente prometedora, potencialmente utilizable en aplicaciones grandes de alta potencia incluyendo estaciones de generación de energía eléctrica a gran escala e industrial. Las unidades que se abrigan van desde 25 hasta 100 kw de potencia. La eficiencias eléctrica de generación de potencia es de 50-60%.
Figura 2.6 Pila de combustible tipo SOFC.
Pila de combustible microbiana (CCM)
Una pila de combustible microbiana es un dispositivo electroquímico que utiliza microorganismos para convertir la energía química contenida en un combustible en energía eléctrica (Figura 3.6). La a comunidad científica ha demmostrado recientemente que es posible producir energía "verde" mediante la utilización de la biomasa contenida en las aguas residuales domésticas e industriales las mismas que son utilizadas como combustible, de manera que al mismo tiempo se consigue depurar las aguas contaminadas.
Este es uno de los últimos descubimientos científicos para crear electricidad a partir de geobacterias (bacterias anaeróbicas que tienen capacidad que las hacen útiles en biorremediación. Son los primeros organismos identificados con la capacidad de oxidar compuestos orgánicos y metales como el hierro, metales radioactivos y compuestos derivados del petróleo, en compuestos benignos para el medioambiente).
Esta pila de combustible consiste de un electrodo llamado ánodo, que acepta electrones de los microorganismos, y otro electrodo llamado cátodo, que transfiere electrones al oxígeno. Los electrones fluyen entre el ánodo y el cátodo para proveer corriente eléctrica que puede ser utilizada para alimentar a cualquier dispositivo electrónico.
Las geobacterias son microbios que producen corriente eléctrica a partir de lodo o aguas residuales. Estas bacterias creadas por los científicos son capaces de generar ocho veces más energía que cualquier pila anterior. Sus filamentos se denominan nanocables ya que desempeñan el papel de mover electrones, permiten producir electricidad a partir de residuos.
Para que funcione la pila se colocan colonias de geobacterias sobre un electrodo de grafito, y se alimenta a las bacterias con acetato. Estas crean esa película pegajosa en la que los electrones pueden transferirse a través de los nanocables.
Uno de los aspectos más importantes de la CCM es el sustrato, porque constituye el combustible a partir del cual se genera la energía. La literatura científica contiene diversos trabajos en los que se emplea gran variedad de sustratos, desde compuestos puros hasta mezclas complejas. (Liu et al., 2009; Cha et al., 2010). Inicialmente se utilizó sustratos simples como glucosa y acetato, pero en los últimos años las investigaciones se centran en el uso de sustratos menos convencionales con el fin de utilizar la biomasa presente en aguas residuales de diverso tipo y adicionalmente depurarlas y generar energía.
Figura 2.7 Celda alcalina (FAC).
Figura 2.8 Pila de combustible microbiana
Cuadro 3.1 Comparación entre las principales tipos de pilas de combustible
Aplicaciones de las pilas de combustible
Figura 3.7 Pila de combustible
Las pilas de combustible presentan a una amplia gama de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de energía portátiles hasta grandes centrales eléctricas estacionarias. Hasta la fecha el Sistema de generación de Ballard de 250 kW de gas natural es la pila de combustible mas grande del mundo. Aunque 250 kW es una pequeña cantidad de energía comparado con las estaciones generadoras de propulsión, es adecuada para dar servicio a los barrios aislados o para proporcionar energía de reserva de emergencia para instalaciones críticas, como los hospitales. Además de la alta eficiencia operativa, bajas emisiones y buena característica de respuesta transitoria, las aplicaciones estacionarias también producen grandes cantidades de agua caliente y el calor residual que puede ser utilizado directamente en la comunidad circundante, lo que aumenta aún más la eficacia global del sistema.
Figura 3.8 El Prof. Tom Fuller del Instituto Tecnologico de Giorgia explica como funcionan las celdas de combustibles
Mayor información:
¿Cómo se hace una pila de combustible?
El combustible de hidrógeno es un combustible de emisión cero que libera energía durante la combustión o mediante reacciones electroquímicas. Las pilas de combustible y las baterías producen una corriente eléctrica a través de una reacción química, pero una pila de combustible producirá energía mientras haya combustible, por lo que nunca perderá su carga.
El hidrógeno es el elemento más simple y abundante del universo. A pesar de su abundancia, el hidrógeno rara vez se encuentra en su forma pura. El agua es la principal fuente de hidrógeno, y los hidrocarburos son las siguientes fuentes de hidrógeno. El hidrógeno se puede extraer de sus fuentes con bastante facilidad, tanto de fuentes renovables como no renovables. Las pilas de combustible de hidrógeno son una de las mejores opciones para cambiar a sistemas de energía sostenible.
Producción de hidrógeno
El hidrógeno se puede obtener del agua e hidrocarburos, siguiendo los procesos de producción de hidrógeno que se describen en la siguiente sección. El hidrógeno también se puede obtener a partir de enzimas orgánicas.
Electrólisis del agua: cuando una corriente eléctrica pasa a través del agua, se disocia en sus elementos oxígeno e hidrógeno. El hidrógeno, siendo positivo, puede ser atraído por un cátodo y el oxígeno, siendo negativo, por un ánodo. Este método de producción de hidrógeno se utiliza en las estaciones de repostaje de hidrógeno.
Reformado de hidrocarburos: los hidrocarburos como el metanol, el etanol, el petróleo y el gas natural son fuentes ricas en hidrógeno. El proceso de extracción de hidrógeno de los hidrocarburos se llama reformado.
Construcción y funcionamoento de una pila de combustible de H2
La construcción básica de una pila de combustible de hidrógeno consta de dos electrodos, un electrolito, un combustible (hidrógeno) y una fuente de alimentación. Un electrolito que separa los dos electrodos es un material conductor de iones que facilita el paso libre de iones.
En una pila de combustible, se hace fluir un agente oxidante (u oxígeno) a través de un combustible (hidrógeno). El hidrógeno y el oxígeno se combinan para formar agua y generar calor.
En el ánodo, el hidrógeno se despoja de su electrón y se hace que su protón pase a través del electrolito. Luego se hace pasar el electrón a través de un circuito externo de corriente continua (CC) para alimentar dispositivos.
Para una generación de energía mejorada, se puede utilizar una serie de pilas de combustible.
Ventajas y desventajas de las pilas de combustible de H2
Las ventajas de utilizar pilas de combustible de hidrógeno son:
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El hidrógeno es un recurso abundante.
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Las pilas de combustible no emiten emisiones nocivas.
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El gas hidrógeno no es tóxico y no produce subproductos nocivos.
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Alta eficiencia y potente producción de energía.
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Las celdas de combustible de hidrógeno son altamente eficientes en combustible.
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El hidrógeno es una fuente de energía renovable.
Sin embargo, existen algunas desventajas de usar pilas de combustible de hidrógeno, y son las siguientes:
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Su construcción y mantenimiento son caros.
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Es dificil el almacenamiento de gas hidrógeno.
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El gas de hidrógeno comprimido es altamente inflamable.
Usos de las pilas de combustible de hidrógeno
La NASA es el principal usuario de recursos de hidrógeno para su programa espacial. Los cohetes propulsores del transbordador espacial utilizan hidrógeno líquido como alimentación y emplea baterías de hidrógeno para fuentes eléctricas.
Las pilas de combustible de hidrógeno pueden alimentar cualquier dispositivo portátil que utilice baterías. A diferencia de una batería típica, la pila de combustible de hidrógeno sigue produciendo energía con un suministro continuo de combustible. Esta capacidad de las pilas de combustible les permite alimentar dispositivos como teléfonos celulares y computadoras portátiles, audífonos y grabadoras de video.
Las pilas de combustible de hidrógeno estacionarias son las pilas de combustible más grandes y potentes. Son una fuente de energía limpia y confiable para ciudades, pueblos y edificios. Estas pilas de combustible también se utilizan para aplicaciones de energía remota y de respaldo, incluidas estaciones meteorológicas remotas y ubicaciones rurales.
Referencias
Energía de hidrógeno - Energía renovable
Conceptos básicos del hidrógeno - Pilas de combustible 2000
Proceso de fabricación y diseño de pilas de combustible de hidrógeno utilizado para el transporte público en la Ciudad de México - Asociación Internacional de Ingenieros (PDF)
¿Qué es la energía del hidrógeno? Conserve la energía del futuro
Aplicaciones de las pilas de combustible - Asociación de pilas de combustible y energía de hidrógeno
