Las Pilas de Combustible_unlocked

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Las Las pila p ilass de d e combusti comb ustible ble

  Tema 4 Las pilas de combustible

Índice 4 Las pilas de combustible.....................................................................................3

4.1 Principio de funcionamiento funcionamiento ........... ...................... ...................... ...................... ....................... ....................... ...................... ............4 .4 4.2 Historia.............................. Historia......................................... ....................... ....................... ...................... ...................... ....................... ....................... .............6 ..6 4.3 Elementos.......... Elementos ..................... ...................... ....................... ....................... ...................... ....................... ....................... ...................... .................7 ......7 4.4 Ventajas y desventajas de las pilas de combustible .......... ...................... ....................... ....................9 .........9 4.5 Tipos de pilas de combustible.............................. combustible......................................... ....................... ....................... .....................11 ..........11 4.5.1 Pilas de membrana polímerica (PEMFC) ........... ...................... ...................... ...................... .................12 ......12 4.5.2 Pilas alcalinas (AFC) ........... ...................... ....................... ....................... ...................... ...................... ....................... ..............15 ..15 4.5.3 Pilas de ácido fosfórico (PAFC)............ (PAFC) ....................... ...................... ...................... ....................... ....................18 ........18 4.5.4 Pilas de metanol directo (DMFC)..................... (DMFC)................................ ...................... ...................... ....................20 .........20 4.5.5 Pilas de carbonatos fundidos (MCFC)........... (MCFC) ...................... ...................... ...................... ......................23 ...........23 4.5.6 Pilas de óxidos sólidos (SOFC)............ (SOFC) ....................... ...................... ...................... ....................... ....................25 ........25 4.6 Aplicaciones de las pilas de combustible ........... ...................... ...................... ...................... ...................... .............29 ..29 4.6.1 Aplicaciones para el transporte. .......... ...................... ....................... ...................... ...................... ....................29 .........29 4.6.2 Aplicaciones portátiles.............................. portátiles......................................... ...................... ...................... ....................... ................33 ....33 4.6.3Aplicaciones 4.6.3Aplicaciones estacionarias .......... ...................... ....................... ...................... ...................... ....................... ..................35 ......35 4.7 La generación distribuida ........... ...................... ....................... ....................... ...................... ...................... ....................... ..............38 ..38 4.8 El uso directo del hidrógeno..................... hidrógeno................................ ...................... ....................... ....................... .....................42 ..........42 4.8.1 Combustión en motores ............ ....................... ...................... ...................... ....................... ....................... ...................43 ........43 4.8.2 Turbinas de gas................... gas.............................. ....................... ....................... ...................... ...................... ....................... ..............44 ..44

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  Tema 4 Las pilas de combustible 4 Las Las pil as de combustible

A las pilas de combustible combustible se les augura un futuro muy muy prometedor, si hay que satisfacer la fuerte demanda de energía en los próximos años, eso sí, desde una manera eficiente, viable económicamente, y por supuesto, respetuosa con el medio ambiente. Las posibilidades en su utilización, tanto de manera individual como híbrida con otras fuentes de energía, en aplicaciones estacionarias, móviles o asociadas al transporte, potencian la versatilidad de estos elementos, los cuales tienen aun enormes opciones de desarrollo que habrá que ir descubriendo también en paralelo con una apuesta decidida en materia de I+D+i. La “pila, célula o celda de combustible” es un dispositivo abierto que produce energía eléctrica de manera directa y continua mediante la transformación química de determinados compuestos, siempre en presencia de oxígeno, para posteriormente generar como subproducto vapor de agua.

Figura 4.1. 4.1. Pilas de hidr ógeno Fuente: Fuente: smartinthegrid.com

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  Tema 4 Las pilas de combustible 4.1 4.1 Principio de funcion amiento amiento

Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que transforman la energía química directamente en energía eléctrica. Aunque con diferencias según el tipo, la unidad fundamental de una pila de combustible se compone de dos electrodos conductores electrónicos separados por un electrolito conductor iónico. Los reactivos, oxígeno e hidrógeno, reaccionan de forma separada en cada electrodo:

Para que estas reacciones tengan lugar es necesario que haya un material catalizador tanto en el cátodo como en el ánodo. En total resulta la reacción de combustión del hidrógeno que ya hemos visto antes:

A nivel microscópico, lo que ocurre es que cada molécula de hidrógeno en el ánodo se convierte, con ayuda del catalizador en dos iones positivos de hidrógeno o protones (2H+) y dos electrones (e-). Ambos, electrones y protones, van al cátodo para reaccionar con moléculas de oxígeno y formar agua, pero siguen caminos distintos. Los protones pasan a través del electrolito mientras que los electrones lo hacen por un circuito eléctrico externo, generando así una corriente eléctrica.

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  Tema 4 Las pilas de combustible

Figura 4.2. Esquema de funcionamiento de una pila de combustible Fuente: www.appice.es

En definitiva, en una pila de combustible tiene lugar la combustión del hidrógeno, sin que las moléculas de hidrógeno y oxígeno entren en contacto, y la energía de la reacción da lugar a una corriente eléctrica: se ha producido electricidad. Uniendo varias estructuras idénticas a la descrita ( monocelda), es posible sumar potencias, dando lugar a lo que se conoce como un "stack ". Finalmente, es necesaria una estructura que posibilite la circulación y suministro de los gases, disipe el calor generado e incorpore los terminales para utilizar la electricidad producida.

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4.2 Histor ia

La primera pila de combustible que se desarrolló fue de manera ocasional en el año 1839 por el inglés William Grove, y consistía en unos electrodos de platino en un baño de ácido sulfúrico disuelto. Años más tarde, en 1842, dispuso varios de los elementos anteriores en serie y los utilizó para descomponer el agua, pero la corrosión de los electrodos y la inestabilidad de los materiales demostró que la célula de Grove no era útil. Fue ya en 1855 cuando Becquerel construyó otra celda, pero en este caso consumiendo carbono, a partir de un electrolito de nitrato fundido existente en un recipiente de platino. En 1894, Mond y Langer emplearon como electrodos planchas de platino con orificios, recubiertas con negro de platino, y como electrolito se utilizó ácido sulfúrico diluido. No fue hasta mediados del siglo XX cuando Francis Bacon, en 1952, construyó una célula de 5 kW que empleaba como electrodo un material sintético con polvo de níquel y el electrolito era KOH concentrado al 85%. La temperatura de funcionamiento eran 200-240 ºC y la presión 30-40 bar. Éste fue el punto de inflexión a partir del cual se desarrollaron otras investigaciones focalizadas en las pilas de combustible. Las misiones Apollo de la Agencia Espacial Americana (NASA) emplearon a las pilas de combustible como fuente de energía auxiliar de los vehículos espaciales. Esto tenía la ventaja de producir electricidad, con relativo poco peso, y agua que se utilizaba posteriormente por los astronautas. Con el paso de los años y tras las dos crisis energética de la década de 1970, se comenzó un importante proceso de I+D+i en pilas de combustible, en el cual nos

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  Tema 4 Las pilas de combustible encontramos actualmente y que posibilitará la generalización de estos dispositivos en un pequeño período de tiempo. 4.3 Elementos

La estructura de las celdas de combustible es relativamente sencilla, y está formada esencialmente por los siguientes elementos: Electrodos: a través de ellos se difunden los gases hasta la interfaz con los electrolitos. Además en su superficie se producen las reacciones electroquímicas y transportan los electrones al ánodo y al cátodo. Deben ser de materiales porosos, permeables a gases, al electrolito y al agua, así como buenos conductores eléctricos. Ánodo: polo negativo donde tiene lugar la oxidación del combustible empleado. Cátodo: polo positivo donde se consumen los protones del electrolito y los electrones generados en el ánodo. Matriz: debe tener un tamaño de poro inferior al que tienen los electrodos. Contiene el electrolito (que puede tener un estado tanto sólido como líquido, en función del tipo de pila), el cual debe ser de un material impermeable a los gases y buen conductor iónico. Si aquél es sólido, no es necesario que la matriz esté presente en la pila. Realiza también una labor de separación entre el combustible y el comburente. Placas bipolares: actúan de colectores de corriente, distribuidores de gas o separadores de celdas. El material del que están fabricados debe tener baja permeabilidad a los gases y alta resistencia a la corrosión. El mayor inconveniente que tienen estos elementos es su baja tensión (aproximadamente 1V), y para tener un valor más elevado es necesario colocar varias unidades en serie formando lo que se denomina “stack”. Las placas de los extremos recibirían el nombre de “placas de cierre”.

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  Tema 4 Las pilas de combustible

Figura 4.3. Stack o “ apilamiento” de celdas de comb ustible. Fuente: www.appice.es

Aunque en ocasiones se utiliza de manera indistinta el término “celda o célula” o “pila”, técnicamente “celda o célula” es únicamente el dispositivo que contiene todos los elementos descritos anteriormente, y la asociación de varias de ellas en serie para tener una tensión de uso adecuada conformarían el “stack”. El concepto “pila” estaría asociado a ese último, y aglutinaría también sistemas auxiliares como la evacuación de calor, el reformado de combustible, etc. En la figura 4.4. se muestra un esquema sencillo de una celda de combustible.

Figura 4.4. Esquema de una célula de comb ustible. Fuente: Aguer Hort al, M. y Miranda Barreras, A. L. 2005 8

  Tema 4 Las pilas de combustible 4.4 Ventajas y desventajas de las pilas de com bust ible

Las pilas de combustible, al igual que las baterías, producen energía eléctrica, aunque sus formas de trabajo difieren; mientras las baterías son dispositivos de almacenamiento de energía química, siendo necesario invertir la reacción electroquímica (recargar la batería) cuando los reactantes se agotan, en las pilas de combustible la producción de energía eléctrica se realiza de un modo continuo, produciendo corriente eléctrica útil tanto tiempo como sean proporcionados combustible y oxígeno. Su vida útil sólo vendrá limitada en la práctica por la degradación de sus componentes. Las ventajas fundamentales del empleo de pilas de combustible son: 

 Al ta efi ciencia energética: Las pilas de combustible tienen mayor eficiencia que

otras formas de conversión de energía, como los motores de combustión. Tienen rendimientos eléctricos en torno al 37%. En los casos donde se aprovecha el calor generado se alcanzan rendimientos globales del 80%. 

Bajo nivel de contaminación medioambiental: Al funcionar con hidrógeno

como combustible, el proceso electroquímico no produce emisión de gases contaminantes (óxidos de nitrógeno y azufre, hidrocarburos insaturados, etc.). Tampoco hay contaminación acústica , ya que al no haber partes móviles, las pilas de combustible no producen ruido. 

Carácter modular: La disponibilidad de las pilas de combustible como módulos

independientes supone una ventaja adicional, ya que un cambio de escala en la potencia requerida se consigue fácilmente mediante la interconexión de módulos. La potencia de las pilas de combustible aumenta linealmente con el tamaño de la pila, agregando nuevas unidades y acoplándolas eléctricamente. Al disponer de esta flexibilidad de tamaño y de un coste independiente de la escala, no se necesitan grandes inversiones iníciales.

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  Tema 4 Las pilas de combustible 

Flexibilidad de operación: Una pila de combustible puede funcionar con alto

rendimiento y sin interrupción en un amplio rango de potencias suministradas. Esto no ocurre así con otros métodos de conversión de energía. 

Gran versatilidad : Las diferentes pilas de combustible abarcan aplicaciones en

muy diversos campos, desde producción masiva de electricidad o generación descentralizada de la misma, a uso para pequeños equipos portátiles y automoción. 

 Admi sión de combusti bl es diver sos : como se ha indicado, cualquier

combustible que contenga hidrógeno es apto para el reformado. Los combustibles admitidos varían desde gaseosos como gas natural, GLP y carbón gasificado hasta combustibles refinados, como gasolina o diesel, y otros combustibles orgánicos como metanol y etanol. El oxígeno será el segundo reactante, y se toma usualmente del aire ambiental. 

Bajo mantenimiento : Estos equipos están diseñados para trabajar con un

mantenimiento bajo. El hecho de que no tengan partes móviles, por tanto sometidas a desgaste, hace que el mayor limitante de su vida útil, en el actual estado de investigación, sea el envenenamiento de sus catalizadores. 

Facilidad de instalación : No se requieren grandes obras, ni complejas

infraestructuras para su puesta en funcionamiento, por lo que los costes de instalación disminuyen. Los aspectos a mejorar de las pilas son de diversa índole, pero en muchos casos pueden achacarse a su todavía temprano nivel de desarrollo. Debe solucionarse el problema de la vida útil insuficiente de los equipos, muchas veces debido a la corrosión de los materiales por las altas presiones y temperaturas, o a su alta sensibilidad a contaminantes como el azufre o el monóxido de carbono, que inutilizan los catalizadores. Otros problemas en los que se trabaja son la baja fiabilidad de los equipos y su alto coste, directamente relacionado con su escasa implantación y demanda en el mercado.

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  Tema 4 Las pilas de combustible 4.5 Tipos d e pilas de combusti ble

Existen diferentes tipos de pilas de combustible con distintas características de operación (temperatura de trabajo, combustible utilizado...), aunque su clasificación más común atiende al tipo de electrolito que emplean: • Pilas de membrana poli mérica (PEMFC Proton Exchange Membrana Fuel Cell) • Pilas alcalinas (AFC Al kaline Fuel Cell ) • Pilas de ácido f osfóric o (PAFC Phosphoric Ac id Fuel Cell) • Pilas de carbonato s fundidos (MCFC Molten Carbon ate Fuel Cell) • Pilas de óxid os sól idos (SOFC Solid Oxide Fuel Cell) • Pilas de metanol directo (DMFC Direct Methanol Fuel Cell)

En el cuadro adjunto se resumen las principales características de los distintos tipos de pilas de combustible.

Figura 4.5. Principales características de las pilas de combustible. Fuente: www .appic e.es.

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  Tema 4 Las pilas de combustible 4.5.1 Pilas de membr ana polimérica ( PEMFC)

Las pilas PEMFC se caracterizan por tener un electrolito en forma de fina membrana de polímero, cuyo rasgo principal es el de no conducir la electricidad, aunque también no deja pasar los electrones pero sí los protones, por lo que será una pila de tipo ácido. Los reactivos son H2/O2  y el combustible hidrógeno o cualquier derivado del petróleo que produzca dicho vector por reformado. Para reducir el oxígeno en el cátodo el catalizador más eficaz es el platino con pequeñas incorporaciones de otros metales (Ru, Mo, Pb, Rh, Ir, Re). El catalizador de platino es extremadamente sensible al envenenamiento del CO, siendo necesario utilizar un reactor adicional para reducir el CO. El hidrógeno entra en la célula y el catalizador divide la molécula en protones y electrones, los protones atraviesan la membrana y pasan al otro lado reaccionando con el oxígeno para formar agua. Los electrones recorren el circuito por la parte exterior creando corriente eléctrica. .

Figura 4.6. Pila de combustible de membrana de intercambio protónico. Fuente: www.hfpeurope.org

La reacción química es:

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  Tema 4 Las pilas de combustible Las PEMFC se utilizan sobre todo para usos del transporte y algunos inmóviles, debido a que la reacción electroquímica se produce rápidamente, su baja sensibilidad a la orientación y a su coeficiente favorable de energía/peso. Su principal aplicación es para usos en vehículos de pasajeros como autobuses o coches. Ofrecen alta densidad de potencia, trabajan a elevadas densidades de corriente y responden rápidamente ante variaciones importantes en la demanda de potencia, permitiendo por tanto su empleo y desarrollo en el sector de la automoción. Trabajan a baja temperatura, entre 40 y 80 ºC, lo que favorece un rápido arranque y enfriado. La presión de funcionamiento está en consonancia con la temperatura y con la potencia de la pila (para equipos con potencias superiores a los 10 kW se trabaja con gases humidificados a una presión de 300 kPa y con temperaturas próximas a los 80 ºC; por el contrario para potencias menores, se puede trabajar a presión ambiental y con temperaturas cercanas a los 60 ºC. Es compacta y todos los componentes son sólidos, lo que redunda en un plazo de vida útil mayor que aquellas que tengan algún componente líquido. La eficiencia de la pila es de un 50% en el caso de emplear como combustible hidrógeno puro, y si éste tiene algún tipo de impurezas, el rendimiento disminuye sensiblemente al 45%. Se están llevando a cabo programas de investigación con este tipo de pilas de combustible, con potencias desde unos pocos kW hasta 1 MW. La densidad de potencia se sitúa entre 3,8 y 6,5 kW/m 2. El consumo específico es de 0,77 Nm3/kW. En las siguientes figuras se muestran esquemas de funcionamiento de una celda de intercambio protónico.

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Figura 4.7. Esquema de func ionamiento de una célula de intercambio prot ónic o. Fuente: Lin ares Hurtado, J. I. y Moratilla Soria, B. Y. 2007

Figura 4.8. Esquema de PEMFC Fuente: www .appic e.es.

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  Tema 4 Las pilas de combustible 4.5.2 Pilas alcalinas (AFC)

Estas pilas de combustible utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito con una concentración entre 25% y el 50% y pueden utilizar una variedad de metales no preciosos como catalizador en el ánodo, y el cátodo principalmente el platino. Las AFC funcionan entre 100º y 250ºC, no obstante nuevos diseños funcionan a temperaturas inferiores, entre 23º y 70ºC. Los reactivos son H2/O2. el combustible es hidrógeno o cualquier derivado del petróleo que produzca hidrógeno por reformado. El electrolito reacciona con facilidad con el dióxido de carbono, provocando pérdidas de rendimiento, por la propia reducción de la concentración del electrolito. Utilizan hidrógeno como combustible o cualquier derivado del petróleo que produzca dicho vector por reformado. Debido a que los electrodos en este tipo de pilas contienen en mayor o menor medida material aislante, las conexiones entre ellos no se realizará mediante placas bipolares, sino a través de cables, lo que proporciona cierta flexibilidad en su disposición.

La reacción química es:

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  Tema 4 Las pilas de combustible El alto rendimiento de las pilas de combustible alcalinas es debido a que las reacciones químicas se producen dentro de la pila. También han demostrado eficacias cerca del 70% en usos del espacio. El inconveniente principal en este tipo de pilas de combustible es que se “envenena” fácilmente por el dióxido de carbono. De hecho, hasta una pequeña cantidad de CO 2 en el aire puede afectar la operación de la pila, siendo necesario purificar el hidrógeno y el oxígeno usados en la misma. Este proceso de purificación es costoso. La susceptibilidad al envenenamiento también afecta el curso de la vida de la pila (el tiempo antes que se ha de sustituir), y tiene un coste adicional. La densidad de potencia la pueden incrementar aumentando la presión, aunque la rentabilidad de la pila disminuirá. Tienen aplicaciones en la industria espacial (Programa Apollo y Shuttle Orbiter), y en equipos móviles. Asimismo se han empleado para instalaciones estacionarias de baja potencia. Poseen una eficiencia del 63% en el caso que se emplee hidrógeno y oxígeno de elevada pureza. Si se utiliza aire, la eficiencia alcanza valores menores, próximos al 50%. Si se quiere aumentar la eficiencia se puede conseguir aumentando la concentración del electrolito y la temperatura. El calor residual generado se puede emplear en otra serie de aplicaciones, como calefacción o agua caliente sanitaria. Para competir con eficacia en la mayoría de los mercados comerciales de corriente, estas pilas tendrían que tener un mayor rendimiento. Para ser económicamente viables, estas pilas necesitan llegar a tiempos de funcionamiento que excedan las 40.000horas, tiempo al que todavía no se ha llegado debido a la duración de los materiales. Este, quizás, sea el obstáculo más significativo para comercializar esta tecnología de pila de combustible.

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Figura 4.9. Esquema de funci onamiento de una célula alcalin a. Fuente: Lin ares Hurtado, J. I. y Moratilla Soria, B. Y. 2007

Figura 4.9. Esquema de AFC Fuente: www .appice.es.

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  Tema 4 Las pilas de combustible 4.5.3 Pilas de ácido f osfórico (PAFC)

Este tipo de pilas son las más desarrolladas, motivado por ser las primeras que se descubrieron. El electrolito es ácido fosfórico concentrado de baja conductividad, y obliga a que los materiales empleados en la pila resistan la corrosión producida. El combustible empleado es hidrógeno, y permite ligeras contaminaciones de monóxido y dióxido de carbono (1% y 20%, respectivamente), principalmente porque el electrolito utilizado es de naturaleza ácida y por la temperatura de funcionamiento. La reacción química es:

Trabajan a temperaturas comprendidas entre 180 ºC y 200 ºC. La eficiencia de este tipo de pilas está alrededor del 40%, pero si se considera el aprovechamiento energético del vapor mediante cogeneración, dicho valor puede situarse entonces en el entorno del 80%. Las aplicaciones más comunes son hospitales, hoteles, colegios, aeropuertos, edificios de oficinas, etc. El aumento de presión favorece al rendimiento de la pila por producirse un aumento de la concentración de oxígeno, pero eso lleva implícito una mayor complejidad de la pila, y por tanto, un aumento de coste. La refrigeración de las pilas se puede llevar a cabo por aire o por agua presurizada. La densidad de potencia tiene un valor entre 0,8 y 1,9 kW/m 2. La potencia de las pilas de este tipo alcanzan valores importantes, superiores incluso a los 200 kW.

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  Tema 4 Las pilas de combustible En la figura 3.26 se muestra un esquema de funcionamiento de una celda de ácido fosfórico.

Figura 4.10. Esquema de funcionamiento de una célula de ácido fosfórico. Fuente: Lin ares Hurtado, J. I. y Moratilla Soria, B. Y. 2007

Figura 4.11. Esquema de PAFC Fuente: www .appice.es.

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  Tema 4 Las pilas de combustible 4.5.4 Pilas de metanol directo (DMFC)

La mayoría de las pilas de combustible están accionadas por hidrógeno, que puede alimentar al sistema de la pila directamente o puede ser generado dentro del sistema de la misma reformando los combustibles como el metanol, etanol y combustibles hidrocarburos. Las pilas directas del combustible de metanol son accionadas por el metanol puro, que se mezcla con vapor y se alimenta directamente en el ánodo de la célula de combustible. Se utiliza una membrana de polímero como electrolito, los reactivos son CH3OH/O2. Los electrodos son de carbono recubiertos de platino. Las pilas de combustible de metanol no tienen muchos de los problemas de almacenamiento de combustible típicos de algunas pilas de combustible, ya que el metanol tiene una densidad más alta que el hidrógeno. El metanol es también más fácil de transportar y de proveer al público usando la infraestructura actual ya que es un líquido, como la gasolina.La tecnología de la pila de combustible de metanol es relativamente nueva comparada a la de las pilas de combustible accionadas por hidrógeno puro, y la investigación y el desarrollo de las DMFC lleva de 3 a 4 años de retraso comparado con otros tipos de pila de combustible. Se han encontrado aplicaciones en pilas para teléfonos móviles, ordenadores y cualquier dispositivo alimentado con baterías químicas. La reacción electroquímica es la siguiente:

Pueden ser consideradas como una variante de las pilas de membrana de intercambio protónico, por lo que muchas características se comparten con éstas.

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  Tema 4 Las pilas de combustible El combustible empleado en la pila (metanol), debe ser aportado en una disolución al 3% con agua.

Figura 4.12. Pila de combustible de metanol directo para aplicaciones portátiles. Fuente: www.hfpeurope.org

Se pueden utilizar con facilidad en el sector del transporte, debido principalmente a la facilidad en el manejo del combustible empleado, aunque también se pueden utilizar en pilas para teléfonos móviles, ordenadores o cualquier otro dispositivo que tenga alimentación a partir de baterías. La eficiencia de la pila se sitúa entre el 20% y el 40% a una temperatura aproximada de operación de 90 ºC. Generan emisiones de CO2 por lo que su utilización no entrañaría ventajas desde un punto de vista medioambiental, a no ser que fuera en paralelo una mejora de la eficiencia energética. A continuación en la figura 3.28 se muestra un esquema de una celda de combustible de metanol.

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  Tema 4 Las pilas de combustible

Figura4.13. Esquema de funcionamiento de una célula de combustible metanol. Fuente: Lin ares Hurtado, J. I. y Moratilla Soria, B. Y. 2007

Figura 4.14. Esquema de DMFC Fuente: www .appic e.es.

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  Tema 4 Las pilas de combustible 4.5.5 Pilas de carbonatos fundidos (MCFC)

El electrolito es una mezcla de sales carbonatadas en estado líquido, que se encuentra en una matriz, la cual es una mezcla de polvos cerámicos lo que garantiza una estructura sólida. El electrolito debe reponerse tras las primeras 1.000 horas de funcionamiento de las pilas. El combustible empleado es hidrógeno y no necesita purificación, aunque como es una pila que trabaja a elevadas temperaturas (entre 650 y 700 ºC), también se pueden emplear combustibles que tengan en su composición importantes cantidades de hidrógeno, como puede ser el biogás o el gas de gasificación de biomasa, produciéndose el reformado correspondiente en la misma celda, pero siempre bajo la presencia de un catalizador. El monóxido de carbono generado, debido a la presencia de vapor de agua del proceso, reaccionaría con él produciendo mayor cantidad de hidrógeno y dióxido de carbono, no siendo este último compuesto problema alguno, por lo que a continuación se comenta.

El dióxido de carbono generado en el ánodo se recircula internamente y se dirige al cátodo, donde es consumido. La eficiencia media suele situarse entre el 50 y el 60%, pudiendo llegar hasta el 80% en el caso que se utilice el vapor generado. Si trabajaran a presión o a temperaturas superiores como las comentadas en el punto anterior, la eficiencia también mejoraría. La ubicación principal de este tipo de pilas se encuentra en las plantas de generación eléctrica. La densidad de potencia se sitúa entre 0,1 y 1,5 kW/m 2. La potencia actual de las pilas de carbonatos fundidos se sitúa entre varios centenares de kilovatios y varios megavatios, contemplándose incluso diseños entre 50 y 100 MW. 23

  Tema 4 Las pilas de combustible En la actualidad el estado de desarrollo de este tipo de pilas se encuentra en un situación intermedia entre las pilas de ácido fosfórico y las de óxidos sólidos.

Figura 4.15. Esquema de funcionamiento de una célula de carbonatos fundidos. Fuente: Lin ares Hurtado, J. I. y Moratilla Soria, B. Y. 2007

Figura 4.16. Esquema de MCFC Fuente: www .appic e.es.

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  Tema 4 Las pilas de combustible

4.5.6 Pilas de óx idos sóli dos (SOFC)

El electrolito es un material cerámico sólido con capacidad de conducción iónica debido a las temperaturas de funcionamiento. El combustible empleado puede ser hidrógeno sin purificar, aunque al igual que las pilas de carbonatos fundidos comentadas anteriormente, también se pueden emplear el biogás o el gas de gasificación de biomasa, de tal forma que se produzca in situ el reformado con vapor de agua. El monóxido de carbono generado no supone tampoco problema alguno. La reacción que tiene lugar en el ánodo es la siguiente:

Las temperaturas habituales de trabajo de estas pilas se sitúan entre 900 y 1.000 ºC, pudiendo incluso llegar hasta 1.100 ºC. Puede darse el caso que trabajen por debajo de los 800 ºC, y pasarían a denominarse “pilas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia” (IT-SOFC). El inconveniente principal de tener una temperatura de funcionamiento tan elevada se encuentra en los tiempos de arranque y parada necesarios para alcanzar la temperatura (en los que también se produce consumo de combustible), lo que  justifica su uso en aplicaciones estacionarias de generación continua, así como una pérdida de rendimiento en el caso que se disminuyan las temperaturas.

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Figura 4.17. Pila de combustible de óxidos sólidos para usos residenciales. Fuente: www.hfpeurope.org

La eficiencia de estas pilas se encuentra entre el 50 y el 55%, pudiendo llegar incluso hasta valores del 70 u 80% en el caso que se aproveche el calor residual. La densidad de potencia se sitúa entre 1,5 y 2,6 kW/m 2. Su utilización principal es para cogeneración, motivado por la facilidad de aprovechamiento del calor consecuencia de una temperatura elevada de trabajo. El desarrollo de este tipo de pilas ha quedado relegado a una segunda posición a favor de las pilas de ácido fosfórico y de carbonatos fundidos, principalmente para aplicaciones estacionarias, independientemente que las pilas de óxidos sólidos tienen un gran potencial para aplicaciones de cogeneración.

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  Tema 4 Las pilas de combustible Llegado a este punto hay que decir que se tienen varios tipos de configuraciones físicas para las pilas de óxidos sólidos y que a continuación se comentan: 

Plana: este tipo de configuración es la que se encuentra más desarrollada, ya que son varias las empresas a nivel mundial que llevan bastante tiempo investigando sobre la materia, estando de hecho comercializados varios modelos. El principal inconveniente de esta configuración es el sellado de cada celda, que debe ser de la mejor manera posible para que no haya comunicación entre el ánodo y el cátodo.



Tubular o Cilíndrica: se asocia a la empresa Siemens-Westinghouse, la cual ha llevado a cabo importantes investigaciones en este tema. Como ventaja frente a la opción anterior, es la de no precisar de cierres herméticos que resistan altas temperaturas, debido a la estabilidad térmica que poseen. Con la experiencia práctica conseguida, la mencionada empresa posee un desarrollo con gran potencial por la elevada eficiencia (aunque menor que para la configuración plana), en el que se tiene una pila de combustible y una turbina de gas, con una potencia total de 300 kW para generación distribuida, pero el importante inconveniente de este sistema es el elevado coste.



Monolítica: esta configuración sólo se ha llevado a cabo en Estados Unidos por la empresa Honeywell, y el grado de desarrollo de la misma se desconoce.

Finalmente, al igual que se ha hecho para otros tipos de pilas de combustible, en la figura 3.31 se muestra un esquema de funcionamiento de una célula de óxidos sólidos.

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  Tema 4 Las pilas de combustible

Figura 4.18. Esquema de funcionamiento de una célula de óxidos sólidos. Fuente: Lin ares Hurtado, J. I. y Moratilla Soria, B. Y. 2007

Figura 4.19. Esquema de SOFC Fuente: www .appice.es.

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4.6 Aplicaciones de las pilas de combustible

El importante desarrollo experimentado por las pilas de combustible en los últimos años ha permitido que esta tecnología sea utilizada en una gran cantidad de aplicaciones. 4.6.1 Aplicaciones p ara el transpor te.

En primer lugar decir que la diferencia de eficacia de un motor térmico de gasolina o de gasóleo (35-40%) frente a un motor eléctrico (90-95%) es para destacar. Teniendo en cuenta el funcionamiento habitual de este tipo de motores, el rendimiento baja a valores cercanos al 20-25% y 85%, respectivamente.

Figura 4.20. Carga de hidrógeno en un auto bús qu e funciona a base de pila de combu stible. Fuente: www.hfpeurope.org

La electricidad que utilizan los motores puede provenir de pilas de combustible, cuya eficiencia particular es superior a la de un vehículo alimentado con gasolina o

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  Tema 4 Las pilas de combustible gasóleo, así como la de un vehículo híbrido como el que actualmente se puede encontrar en el mercado. Pero si lo que se analiza es todo el proceso completo desde que extrae un combustible hasta que se pone a disposición de un vehículo, las pilas de combustible en ese sentido salen peor paradas por lo que a continuación se comenta. Para el caso de la gasolina o gasóleo, el rendimiento de todas las operaciones desde la extracción del petróleo, el transporte, el refino, la distribución, etc., está entre el 85 y el 90%. Para el caso del vector hidrógeno, la situación es diferente en función del tipo de proceso empleado, ya que para la electrólisis del agua el rendimiento global es del 15-25%, si se obtiene hidrógeno a partir de metano el rendimiento global es del 40-60%, mientras que si se obtiene a partir de metanol, el rendimiento final es del 48-60%. Si a los valores anteriormente comentados, se une el rendimiento del sistema de propulsión del vehículo, hace que se tengan unos rendimientos finales algo llamativos, que inicialmente no se podían imaginar.

Tecnología

Rendimiento

de Rendimiento

del

obtención

de sistema

de Rendimiento

combustible disponible propulsión (%)

del global (%)

vehículo (%)

Convencional gasolina 80-85

20

16-17

Convencional gasóleo 85-90

25

21-23

Pila (electrólisis)

15-25

37-52

5,5-13

Pila (metanol)

48-60

37-52

18-31

Pila (metano)

40-60

37-52

15-31

Híbrido diésel

85-90

32-39

27-34

Figura 4.21. Rendimiento de los vehículos en función de la tecnología empleada y del sistema de propulsión. Fuente: Elías Castells, X. y Jurado de Gracia, L. 2005

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  Tema 4 Las pilas de combustible A la vista de los resultados, la situación óptima desde un punto de eficiencia global serían los vehículos híbrido-diésel y los que tuvieran una pila alimentada con metanol, con capacidad de reformado a bordo. Dicho esto, son muchas las marcas automovilísticas que están apostando fuerte por este tipo de dispositivos en los turismos. La primera aplicación del hidrógeno al transporte fue en el año 1967, cuando la empresa “General Motors” fabricó una furgoneta con una pila de combustible de 5 kW de potencia, alimentada con hidrógeno licuado, con una autonomía de 200 km y una velocidad media de 105 km/h. Desde entonces, tanto en Estados Unidos como en la Unión Europea han sido numerosos los prototipos que se han fabricado para ensayar las posibles bondades de las pilas de combustible aplicadas al sector transporte, a raíz también de la aprobación de importantes programas de apoyo económico para llevarlas a cabo. La tecnología de pilas de combustible que más se está considerando para su uso en el sector del transporte son las de membranas de intercambio protónico, ya que trabajan a bajas temperaturas facilitando el arranque, aunque el inconveniente principal es que requieren un hidrógeno de elevada pureza, ya que no es posible un reformado a bordo. Ante esta situación, cada vez más se está considerando la posibilidad de utilizar pilas de metanol directo, ya que dicho compuesto es más fácil de producir y suministrar que el propio hidrógeno, por lo que la introducción de vehículos con pila de combustible en cierta medida, dependerá del grado de desarrollo de las pilas de metanol directo. Aun así, el hidrógeno comprimido o el hidrógeno licuado también se pueden considerar, siendo más viable la primera de las dos opciones, ya que el tener hidrógeno en estado líquido requiere almacenamiento y manipulación criogénica.

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  Tema 4 Las pilas de combustible

Figura 4.22. Turismo accionado por una pila de combustible y con almacenamiento de hidrógeno líquido. Fuente: www.hfpeurope.org

La opción de instalar una pila de combustible en un vehículo es todavía bastante costosa, por lo que se recurre a una situación intermedia híbrida, por ejemplo, junto con una batería, bien sea en serie o en paralelo, manteniendo en todo momento el motor eléctrico. En la figura 3.37 se muestra un esquema de ambas situaciones.

Figura 4.23. Esquema de sis tema híbrido en serie y en paralelo para vehícul os. Fuente: Lin ares Hurtado, J. I. y Moratilla Soria, B. Y. 2007

La empresa que está actualmente fabricando y suministrando las pilas de combustible para aplicaciones en el sector transporte, es “Ballard Power Systems”, aunque también hay otras con menor importancia como “Honeywell Engine & Systems”, ambas de Canadá, e “International Fuel Cells”, de Estados Unidos. En Europa, desde el año 1997 lleva trabajando la compañía “Xcellsis GmbH.”,

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  Tema 4 Las pilas de combustible compañía creada por “Daimler-Chrysler” y “Ballard Power Systems”. En cualquier caso, la potencia mínima necesaria para un automóvil es de 50 kW. Finalmente decir, que aunque se estén llevando a cabo muchos proyectos de investigación y muy costosos, todavía queda un largo camino por recorrer a los vehículos que funcionen con pila de combustible, estando en una situación intermedia los actuales híbridos.

4.6.2 Aplicacio nes portátiles

El uso de una pequeña pila de combustible (recargada con cartuchos de combustible; por ejemplo metanol) como fuente de energía para pequeños dispositivos electrónicos, en lugar de las tradicionales baterías, ofrece grandes ventajas en el aumento de la autonomía de los equipos. Se trata de unos usos bastante prometedores para todos aquellos tipos de pilas que funcionan a baja temperatura. Debido a la gran necesidad de autonomía que se demanda en equipos como los teléfonos móviles, los ordenadores portátiles, las agendas electrónicas (PDA), etc., así como a la necesidad de que posean un peso reducido, la sustitución de las actuales baterías por pilas de combustible será bastante rápida, facilitando en todo momento una buena competencia de precios, y siempre y cuando se alcancen precios en las pilas de 1 €/W, ya que ese valor es el de las actuales baterías de litio. Hay que tener en cuenta que no hay olvidar aspectos en aplicaciones portátiles como la evacuación del agua generado en las pilas como consecuencia de la correspondiente reacción, el llenado de los depósitos o el almacenamiento de combustible, la seguridad de aquéllos, etc.

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  Tema 4 Las pilas de combustible

Figura 4.24. Pila de combustible para aplicaciones portátiles. Fuente: www.hfpeurope.org

Empresas que actualmente están fabricando pilas de combustibles de metanol directo para este tipo de aplicaciones son “Jet Propulsión Laboratory”, “Energy Related Devices” con “Manhattan Scientifics”, todas ellas de Estados Unidos, mientras que para el caso de pilas de membranas de intercambio protónico “Samsung Advanced Institute of Technology” de Corea y “NovArs GmbH.” de Alemania, hacen lo propio.

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  Tema 4 Las pilas de combustible

Figura 4.25. Aplicaciones portatiles de la pila de combustible. Fuente: www .appic e.es.

4.6.3 Aplicaciones estacio narias

Las pilas de combustible son unos dispositivos válidos para ser empleados en instalaciones de generación eléctrica o de cogeneración, de manera centralizada o dispersa, pero siempre sin llegar a los valores de potencia de las actuales centrales de producción eléctrica de varios centenares de MW de potencia, conociéndose ese sistema con el nombre de “generación distribuida”.

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  Tema 4 Las pilas de combustible Sobre la base de la experiencia actual, es bastante probable que la introducción de las pilas para este tipo de aplicaciones se lleve a cabo primero para producción descentralizada, por ejemplo en lugares en los que actualmente no hay conexión eléctrica (zonas remotas o sin unión a los tendidos de la red de distribución de las compañías eléctricas), y cuando se tenga ya cierta experiencia y unos precios competitivos con la producción de electricidad centralizada, decantarse por sistemas centralizados de generación eléctrica e incluso de cogeneración.

Figura 4.26. Pila de comb ustible de 1 kW de potencia para usos est acionarios. Fuente: www.hfpeurope.org

Respecto al coste de las pilas, se estima que, como consecuencia de la fuerte investigación realizada por numerosas compañías empresariales alrededor de todo el mundo, se está cerca de llegar al valor objetivo de 1.000 €/kW, que será aquel a partir del cual se producirá la fuerte penetración de estos sistemas. No hay que olvidar, al igual que sucede con las energías renovables en muchos países, entre los que se encuentra España, el apoyo económico en forma de incentivos a la utilización de las pilas de combustible es fundamental sobre todo en los primeros momentos para que los usuarios potenciales vean atractivo su uso. 36

  Tema 4 Las pilas de combustible

Las pilas de membrana de intercambio protónico, las de ácido fosfórico, las de carbonatos fundidos y las de óxidos sólidos, son aquellas que más investigación están teniendo para ocupar el nicho de las aplicaciones estacionarias, aunque las que más destacan son las dos últimas por la elevada temperatura de trabajo y su posible uso en instalaciones de cogeneración, así como por la posibilidad de emplearse las de óxidos sólidos de manera híbrida con turbina de gas. Respecto a esto último, hay que decir que la eficiencia del sistema híbrido aumenta considerablemente llegando a valores superiores al 80%. En la figura siguiente se muestra un esquema de una instalación híbrida formada por una pila de combustible de óxidos sólidos y una turbina de gas. El aire que es aspirado por el compresor se calienta en el regenerador y pasa a la pila de combustible donde reacciona con el combustible que la alimenta, produciendo la correspondiente electricidad en corriente continua, convertida a corriente alterna en el convertidor correspondiente, así como una serie de gases que son los que alimentan a la turbina, accionando ésta tanto el compresor como el alternador para generar más energía eléctrica. Los productos resultantes de la turbina se conducen al regenerador, donde ceden su calor al aire comprimido en el compresor.

Figura 4.27. Esquema de sistema híbrido formado por una pila de combustible de óxidos sólidos y una turbina de gas. Fuente: Lin ares Hurtado, J. I. y Moratilla Soria, B. Y. 2007

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  Tema 4 Las pilas de combustible Ejemplos de instalaciones estacionarias de pilas de combustible en todo el mundo, se sitúan en Canadá, desarrollado por “Ballard Generation Systems”, con una potencia de 250 kW a través de una pila de membrana de intercambio protónico; en Estados Unidos y Alemania, propiedad de “Fuel Cell Energy” y “MTU”, existen tres plantas de carbonatos fundidos de 250 kW; en Estados Unidos, Canadá y Europa, “Siemens-Westinghouse” tiene plantas con pilas de óxidos sólidos de 250 kW, aunque posee proyectos para otras nuevas que van desde los 300 kW a 1 MW. Asimismo, hay muchas compañías alrededor de todo el mundo que están trabajando en pilas para este tipo de aplicaciones en el sector residencial como “Energy Partners”, “Teledyne” e “IdaTech” en Estados Unidos, “Hyundai” en Corea, “Sanyo”, “Toshiba” y “Matsushita” en Japón, como más destacadas.

4.7 La generación distri buida

En primer lugar decir que los sistemas descentralizados se pueden denominar de múltiples maneras (generación distribuida, generación dispersa, distribución activa, etc.), así como definir de otras muchas, tal y como a continuación se puede comprobar a partir de diferente bibliografía consultada. Según IEA (International Energy Agency), la generación distribuida es aquella que se conecta a la red de distribución en baja tensión y la asocia a tecnologías como los motores, miniturbinas y microturbinas, pilas de combustible y energías renovables. Según EPRI (Electric Power Research Institute de California, Estados Unidos), la generación distribuida es la utilización, de manera integrada o individual, de pequeños generadores por parte de compañías eléctricas, clientes eléctricos o terceros, en aplicaciones que benefician al sistema eléctrico, a usuarios eléctricos específicos o a ambos. En este caso se incluiría el almacenamiento y la tecnología para la autogestión de la demanda interna.

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  Tema 4 Las pilas de combustible Según IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers, con sedes en Estados Unidos y Canadá), la generación distribuida es la generación de electricidad por instalaciones más pequeñas que las actuales grandes centrales de generación, de manera que se puedan conectar en cualquier punto de un sistema eléctrico. Según CECA (Consumer Energy Council of America con sede en Washington, Estados Unidos), la energía distribuida es el sistema compuesto de generación localizada cerca del usuario final que puede estar altamente integrado con la red eléctrica para proporcionar múltiples beneficios en los dos lados del contador). Según GRI (Gas Research Institute de Chicago, Estados Unidos) y FETC (Federal Energy Technology Center de Morgantown, Estados Unidos), la generación distribuida son pequeñas unidades de generación eléctrica (menores de 30 MW) situadas estratégicamente cerca de los consumidores y centros de carga, que proporcionan beneficios a los clientes y apoyo a la operación económica de la red de distribución existente. Según DPCA (Distributed Power Coalition of America de California), la generación distribuida es cualquier tecnología de generación a pequeña escala que proporciona electricidad en puntos más cercanos al consumidor que la generación centralizada y que se puede conectar directamente a aquél o a la red de transporte o distribución. Según la consultora Arthur D. Little, recogido por Jeremy Rifkin, la generación distribuida es un conjunto de pequeñas plantas generadoras de electricidad situadas cerca del usuario final, o en su mismo emplazamiento, y que pueden bien estar integradas en una red o bien funcionar de forma autónoma, pudiendo ser los usuarios fábricas, empresas comerciales, edificios públicos, barrios o residencias privadas. Aglutinando todas esas definiciones en una sola, se podría decir que la generación distribuida es aquel sistema por el cual se produce energía para autoconsumo o venta en instalaciones comparativamente inferiores en potencia a los grandes

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  Tema 4 Las pilas de combustible sistemas actuales, con posibilidad de almacenamiento, lo que posibilita una cercanía al usuario y cliente final. Actualmente no hay un único criterio en el límite de potencia por el cual se establece generación descentralizada o centralizada. Si nos ceñimos a la legislación española vigente de Régimen Especial, el límite máximo de potencia por el que se dejan de percibir primas serían los 50 MW, aunque en otros lugares como en Reino Unido se habla de 100 MW, limitando a 10 MW las instalaciones que utilicen fuentes de energía renovables. El mencionar y describir este sistema de producción energética es fundamental, ya que todas las energías renovables, la cogeneración, el hidrógeno y las pilas de combustible, tienen un papel destacado en ese nuevo modelo de generación energética en un sentido u otro, junto con otros elementos de producción como son las turbinas de gas, las microturbinas, los motores de combustión, y sistemas de almacenamiento como las baterías, los volantes de inercia, los condensadores o las bobinas superconductoras. Las aplicaciones de la generación distribuida serían numerosas y comunes en cierto modo a las de las energías renovables, e irían desde el suministro energético en lugares remotos y sin conexión eléctrica (viviendas aisladas), a lugares que necesitan una gran estabilidad y seguridad del suministro energético (como hospitales, fábricas), pasando por otros donde la calidad del suministro es esencial y el existente no satisface las necesidades de los clientes, o bien porque se desea obtener una rentabilidad económica como consecuencia de la venta y vertido de la energía producida a terceros, como pueden ser las compañías eléctricas, fábricas, etc.

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  Tema 4 Las pilas de combustible Este sistema de producción energético, tiene numerosas ventajas pero también inconvenientes, recogiéndose a continuación únicamente las generales, que podrían resultar más destacadas. a) Ventajas: 

Facilidad de conexión a las redes de baja tensión para el suministro eléctrico.



Reducción de las pérdidas del transporte eléctrico a través de las líneas de muy alta tensión.



Mejora de los rendimientos energéticos de las instalaciones.



Independencia energética de las empresas actuales, en definitiva autosuficiencia.



Disminución de las emisiones de gases de efecto invernadero, y por tanto, actuación contra el cambio climático.



Creación de numerosos puestos de trabajo en el sector energético, como consecuencia de la necesidad de suministro de tecnología, mantenimiento, etc., así como de creación de un importante número de empresas como son las de servicios energéticos, que actualmente tienen poca importancia.



Rentabilidad económica para muchos inversores.

b) Inconvenientes: 

Es necesario un apoyo decidido de las Administraciones Públicas para pasar de un sistema completamente centralizado a uno descentralizado.



El lobby de las compañías energéticas tiene poder político y económico, no sólo en España sino también a nivel internacional, por lo que muchas decisiones están condicionadas.



Es necesario un apoyo económico para que determinadas tecnologías puedan resultar competitivas.



La generalización de la producción descentralizada debería ir acompañada de



importantes esfuerzos en I+D+i, y en definitiva de dotaciones presupuestarias.

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  Tema 4 Las pilas de combustible Finalmente decir que los grandes grupos energéticos mundiales no están a favor de la generación distribuida, ya que una generalización de ese sistema llevaría asociado una pérdida de control de toda la cadena energética, desde la producción hasta el consumo.

Figura 4.28. Imagen de pilas de H 2 Fuente: smartinthegrid.com

4.8 El uso directo del hidr ógeno

El hidrógeno, por su carácter de vector combustible, no sólo tiene un uso en pilas de combustible, sino que también se puede emplear de manera directa tanto en motores de combustión interna como en turbina de gas, al igual que el gas natural, para producir energía eléctrica y/o térmica, aunque no sea su modo óptimo de empleo.

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  Tema 4 Las pilas de combustible El inconveniente de esta utilización directa es la formación a altas temperaturas de óxidos de nitrógeno que se forman como consecuencia de la utilización del aire como comburente, y no de oxígeno, en cuyo caso se formaría vapor de agua. Es por ello por lo que se hace imprescindible el control de la temperatura de combustión.

Figura 4.29. H2 Fuente: foodsafety.com.ar

4.8.1 Combu stión en moto res

El hidrógeno es un vector combustible que posee unas características especiales para el caso que nos ocupa, como poseer unos límites amplios de inflamabilidad (lo que redunda en tener siempre una buena combustión independientemente de la proporción aire/hidrógeno), al tener una elevada temperatura de autoignición no se pueden emplear motores diesel y sí de manera obligada motores de encendido provocado, y la elevada velocidad de llama puede ser un inconveniente en los sistemas de baja presión por los posibles problemas de detonación, o una ventaja en los sistemas de elevada presión. La mezcla de hidrógeno con el comburente se puede producir, tanto fuera como dentro del cilindro del motor, y dadas las peculiaridades de cada caso, se analizarán por separado. 

Formación externa: la mezcla se realiza a presión atmosférica, por lo que hay un desplazamiento del comburente por hidrógeno, ya que éste tiene un gran volumen. Esto trae consigo unas pérdidas, si se compara con la gasolina por ejemplo, entre el 15% y el 40%. Cuando el funcionamiento es a plena carga,

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