Este documento describe el problema energético actual y las pilas de combustible como una posible solución. Brevemente discute la escasez de combustibles fósiles, el cambio climático causado por su uso, y el hidrógeno y las pilas de combustible como alternativas más limpias. Explica los diferentes tipos de pilas de combustible, incluidas las PEM y DMFC, y sus posibles aplicaciones en el transporte.

1. Hidrógeno
y
Pilas de combustible
Víctor M. Orera
Zaragoza, 14 de mayo de 2007

2. Hidrógeno y Pilas de Combustible
- El problema energético
- Hidrógeno. ¿La solución?.
- Pilas de combustible.
Victor M. Orera
Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón
C.S.I.C.-Universidad de Zaragoza
E-mail: orera@unizar.es
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3. Desde que el Hombre descubre el fuego la utilización
de energía ha estado íntimamente asociada
al desarrollo socioeconómico
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4. Energía y Desarrollo
40000
35000 EEUU
Japón, Alemania, GB, Francia
30000
Italia Suecia
PIB ($)/habitante
25000
20000 España
15000
10000
Brasil
5000 China
India
0
0 2 4 6 8
Energía (Toe)/habitante.año
www.nationmaster.com
¡Hay una correlación directa entre bienestar y consumo de energía
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5. Pero
¡Obtenemos el 87.5% del petróleo, carbón y gas natural!
El problema de los combustibles fósiles:
a) Escasez de recursos y
alta concentración geopolítica de los yacimientos
b) Emisión de contaminantes: Efecto invernadero
+
Muy baja eficiencia energética de los sistemas actuales
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6. Fósiles: Reservas vs. producción
Año 2004 Petróleo Gas Carbón
Producción 3.868 2.422 2.732
Reservas 161.900 179.530 910.000
Años** 40.5 67 165
Reservas probadas de recursos energéticos minerales con su contenido energético
aproximado en millones de Tep* en el 2004 calculado a partir de los datos de la referencia .
Estimación en años de la duración de estos recursos.
Con Uranio y fisión para 300 años con tecnología actual y 3000 con nueva generación de reactores
Statistical Review of World Energy, 2005
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7. La quema masiva de combustibles fósiles produce
enormes emisiones de gases a la atmósfera.
Estos gases tardan mucho tiempo en reabsorberse
y producen cambios en el clima
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8. Atomic Energy Agency U.K.
Efecto invernadero y cambio climático
Calentamiento global
55%
CO2 Otros gases
T.P. 100 años 5% 20% 20%
Combustión Carbón
Petróleo, Gas, Deforest. NOx CH4, HC Clorofluoroc.
T.P. 150 años T.P. 10 años T.P. 75 años
Fertilizantes Pantanos Aerosoles
Comb. Fos. Ganadería Espumas
Minería Refrigerantes
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9. ¿Hay cambio climático?
Resultados de los estudios paleo-climáticos en los que se observa el efecto del polvo y CO2
atmosférico en la temperatura de la tierra desde hace 400.000 años
http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/antarctica/vostok
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10. Si, hay cambio climático
Incremento de la concentración de gases invernadero a partir de la revolución industrial en comparación
con las variaciones históricas incluidos los periodos de las glaciaciones
Petit JR et al., Nature,1999;399:429
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11. Hacia el año 2020
• La producción de petróleo barato tendrá un máximo
• Gas natural durará unos 62 años
• Fin de vida util de centrales nucleares
• Hacia fin de siglo ΔT ≈ 2.5 - 6 ºC
¡Tenemos que asimilar que los recursos energéticos
son finitos y que que buscar alternativas sostenibles!
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12. ¿Soluciones?
Soluciones sociopolíticas:
Medidas de ahorro energético, modelo de sociedad,....
Soluciones tecnológicas:
Sustituir los combustibles fósiles por otras fuentes de
energía Renovables
Un LDV EURO4 arroja 12.8 kg de CO2/100km. Gas natural-hidrógeno
comprimido-PEMFC 8.3g/100km. (Zero Emission Vehicles)
Incrementar el rendimiento de los motores
En transporte de superficie la eficiencia < 25%. En USA de los 12 M
barriles de petróleo diarios que se consumen solo se aprovechan 3 en
generar movimiento
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13. ¿Renovables?
Sistemas Estacionarios:
Eólica: + de 12 GW instalados, hasta el 40% de la
electricidad. Fuente discontínua y dispersa
Solar: Potencial ilimitado que necesita de fuertes
inversiones. 260 x 106 MWh energía eléctrica
Producción fotovoltaica media de unos 50 kWh/m2 año
+´s de 6.000 km2 de superficie instalada.
¿Solar térmica?
Planta Abengoa 50MW
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14. ¿Y el transporte?
Combustible actual red urbana Futuro combustible para red urbana
40%gas natural
Petróleo
95%
20%hidraúlica
5%Otros
20%
petróleo 10%solar
10%
eólica
Objetivos del plan CUTE (Transporte urbano europeo limpio. Año 2020)
PILAS DE COMBUSTIBLE
Funcionando con Hidrógeno
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15. ¿Por qué Hidrógeno?
VENTAJAS
H2 + 1/2O2 H2O + 142 MJ/kg
- Energía limpia
- Elevada Energía Química (HC 47 MJ/kg )
- Muy abundante pero en forma de complejos (H2O)
- Producción mediante electricidad procedente de renovables
o energía solar
- Tecnología bastante conocida (Producción anual 0.55BNm3)
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16. Propiedades del Hidrógeno
Hidrógeno Gasolina Metano
Poder calorífico 145 43 50
(kJ/g)
Densidad (gas) 0.090 0.72
kg/Nm3
Densidad (líquido) 0.071 0.73
kg/l
Dens. energética 10.8 31.5 (l) 35.8
(MJ/m3)
Límites 4 - 75 1-8 5 - 15
inflamabilidad (%)
Límites detonación 18 - 59 1-3 6 - 14
(%)
Emisiones (mg 0 80 55
CO2/kJ)
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17. Riesgos en la automoción
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18. ¿Cómo producir el hidrógeno que necesitaríamos?
Ventajas e inconvenientes de las distintas tecnologías de producción de H2.
TECNOLOGÍA VENTAJAS INCONVENIENTES
Tecnología conocida, H2 Caro a RT, a desarrollar
Electrolisis
de alta pureza, renovables para alta T
Bien conocida, bajo coste Secuestro CO2 caro
Reformado
con gas natural
Usa biomasa, H2 muy impuro y
Gasificación de carbón o
hidrocarburos pesados, necesidad de secuestrar el
biomasa
carbón, etc. CO2
Potencial producción a
Termolisis usando energía Tecnología compleja y no
gran escala, tecnología
solar o nuclear disponible actualmente
limpia
Potencial uso masivo pero
Biología: algas y bacterias en fase incipiente de Poca eficiencia,
estudio
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19. Producción de Hidrógeno directa de la energía solar
A la superficie de la tierra llegan 150.000 Terawatios (0.4 kW/m2)
Fotosíntesis aprovecha 100 TW. Consumo actual 10 TW.
Fotocatálisis en TiO2 Fotobiológico
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20. ¿Cómo almacenar el hidrógeno que necesitaríamos?
TECNOLOGÍA VENTAJAS INCONVENIENTES
Almacenamiento a alta Baja densidad energética
Tecnología bien conocida
presión > 250 bares Seguridad
Aceptable autonomía y El licuado consume el 30-
Hidrógeno líquido
tiempo de operación 40 % de la energía
Hidrocarburos + Peso comparable al de la Volumen y peso del
reformado gasolina reformador
-LaNi5: excelente a -Bajo almacenamiento,
Hidruros metálicos temperatura ambiente sufre desproporcionación
-Mg2Ni: buena capacidad -Cinética lenta, incluso
de almacenamiento con activación a 400 ºC
Materiales carbonosos, Bajísimos rendimientos
Ligeros, huecos, porosos
C activo, fulerenos Difícil escalado
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21. Coste de suministro del H2
$/GJ
Combustible 2003 2020
Gasolina/Gasóleo 6 -8 10-15
Gas Natural 3 -5 5 -7
H2 de GN con secuestro CO2 8-10 7-11
H2 de carbón con secuestro CO2 10-13 8-11
H2 de biomasa 12-18 10-18
H2 de electricidad aerogenerador 15-25 17-23
H2 de electricidad fotovoltaica 25-30 47-75
H2 de electricidad cogeneración 10-25 10-25
H2 de electricidad nuclear 15-20 15-20
International Energy Agency (2003)
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22. Ejemplo:
¿Cuanto H2 necesitaríamos en España?
Hipótesis:
Eficiencia FC: 80%, motor eléctrico 80%, total 64%
Electrolizador: 83%
Consumo en transporte: 0.35 MTEP/día
Eficiencia ICE: 20%
Necesita unas 20,000 Tm H2/día y para generarlos por electrolísis
unos 760 GWh/día y 400,000 Tm agua/dia
Esto requeriría por ejemplo multiplicar por 10 la capacidad de generación
de electricidad por energía eólica ( 12 GW de potencia instalada actual)
o dedicar un 25% de los cultivos a crear biomasa
- Algunos argumentan en favor de la energía nuclear:
(P.M. Grant, Nature 424, 129)
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23. ¿Que es una Pila de Combustible?
Son dispositivos electroquímicos que convierten de forma
continua la energía química en eléctrica (y algo de calor) con
alta eficiencia y baja emisión de contaminantes.
ELECTROLIZADOR y
Placa solar PILA DE COMBUSTIBLE
hidrógeno
oxígeno
oxígeno
Pila de
combustible
H2 O
hidrógeno
Electrolizador
Depósito Depósito
de oxígeno de hidrógeno
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24. Ventajas
Pequeñas
Limpias
Silenciosas
Adaptables (fácil instalación)
La mayor eficiencia eléctrica
Durabilidad y fiabilidad sin precedentes
Versátiles en cuanto al combustible utilizado
Modulares
Desventajas
Alto coste de entrada al mercado
Tecnología nueva
Carencia estructural Ibercaja 2007

25. ¿Cómo funcionan las FC?
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26. Algunas aplicaciones
- Transporte
- Plantas de energía estacionarias
- Sistemas portátiles
- Todos aquellos sistemas que utilizan
baterías eléctricas
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27. TIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLE
Se caracterizan por el electrolito que usan:
Baja y media temperatura de trabajo < 200°C:
PAFC --------- H3PO4
AFC----------- NaOH, KOH
PEMFC------- Nafion
Alta temperatura:
SOFC----------YSZ
MCFC---------Li2CO3, Na2CO3
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28. Combustibles
líquidos evaporación
SOFC 500-1000°C
Gas natural Reformador integ
Elimina S
MCFC 650 °C
Reformador integ
- ef
ici
e nc
ia
500 a 800°C H2 + CO
300 a 500°C H2 + CO2 PAFC
200 °C
(CO<5%)
PEMFC 80 °C
oxidación CO (CO<10 ppm)
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29. PEMFC
(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)
T = 30 – 100 ºC
- Electrolito: Nafion (membrana polimérica)
ánodo: H2 → 2H+ + 2e-
cátodo: ½ O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O
- Eficiencia: 40-50% / Potencia: Hasta 250 kW
- PROBLEMA: Tolera CO2, pero no CO (veneno para el catalizador de Pt)
- Combustible: H2, reformado de hidrocarburos (CH3OH, gas natural...)
- Aplicaciones: Automoción, baterías recargables...
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30. PEM: Utilización en transporte
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31. PEMFC: Automoción
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32. DMFC
(Direct Methanol Fuel Cells)
- Son PEMFC o alcalinas que usan mezcla de metanol y agua
ánodo: CH3OH + H2O → 6H+ + 6e- + CO2 (PEMFC)
cátodo: 3/2 O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
- PROBLEMA: Eficiencia baja, hay que optimizar la carga del Pt
- Aplicaciones: Sector transporte, aplicaciones portátiles y móviles.
- Hoy, 20 compañías en el mundo están desarrolando DMFCs
- Smart Fuel Cell GmbH (Germany) Toshiba y
- NEC: portátil PC y PDA con DMFC
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33. DMFC: Smart Fuel Cell GmbH
- Suministrador energético portátil limpio, seguro, eficiente y silencioso (<40 dB)
- Cubre demanda energética de 4 días con 2 Kg de combustible (baterías de
plomo ácido requieren 100 Kg) / Consumo: 1.5 l de CH3OH/kW (oper. contínua)
- Opera a temperatura ambiente (-20 ºC – 40 ºC)
- Dimensiones (mm): 465x290x162 / Peso: 10 Kg (incluído combustible)
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34. DMFC: NEC (portátil)
- Peso portátil + combustible: 2Kg
- Peso de la pila (combustible): 900g (300g)
- Dimensiones (mm): 270x270x40
- Tiempo de operación: 5h (con un cartucho de 300cc)
- En el mercado: portátil con PC y 40h de operación por cartucho
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35. Otros tipos de Pilas de Combustible
Alkaline Fuel Cells Phosphoric Acid Fuel Cells Molten Carbonate Fuel Cells
(AFC) (PAFC)
(PAFC (MCFC)
T = 650 ºC
T = 60 – 80 ºC T = 150 – 250 ºC
Electrolito: Li2CO3 y K2CO3
Electrolito: NaOH / KOH Electrolito: H3PO4 (líquido)
soportados en matriz cerámica
H2 y O2 purísimos H2 (tolera CO2 y 1% de CO)
H2, CO, CH4,
Aplicaciones Espacio y Aplicaciones estacionarias
hidrocarburos reformados
militares
Aplicaciones estacionarias
US DoD
Proyectos Geminis & Apollo Fuel Cell Energy @ IZAR
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36. SOFC
(Solid Oxide Fuel Cells)
T = 500 - 1000 ºC
- Electrolito: YSZ (conductor de iones O2-)
ánodo: H2 + O2- → H2O + 2e-
cátodo: ½ O2 + 2e- → O2-
- Eficiencia: 55% (75% en cogeneración) / Potencia: Hasta MW
- Combustible: Mezcla de H2 / CO / CH4
- Aplicaciones: Amacenamiento eneregía y generadores estacionarios,
Electrolisis del agua sin o con gas natural
- Siemens Westinghouse: 15 unidades de demostración instalados
- Sulzer Hexis: “HXS 1000 premiere” (sist. 1 kW residencial) (400 pre-series)
- Canadian-based Fuel Cell Technologies: sistemas de 5 kW
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37. SOFC: Siemens Westinghouse
- 100 kW SOFC system de cogeneración en Westervoort (17000 horas) y
en Essen (3700 horas) (Holanda)
- Eficiencia: 46%
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38. Investigación SOFC en Aragón (I.C.M.A.)
Ánodos Eutécticos cerámicos
texturados V.M. Orera para ánodos
R.I. Merino
J.I. Peña
P.B. Oliete
R. Campana
M.A. Laguna-Bercero
A. Larrea
Mini-Tubulares Sinterización
láser
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39. Ánodos texturados por fusión láser: Nanoeutecticos
(Colaboración con Ikerlan S. Coop.)
Gran densidad de TPB´s
Estructura acanalada orientada
Alta estabilidad microestructural
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40. Pilas SOFC MiniTubulares
(Contrato con Copreci S. Coop. - PROFIT)
ASR = 0.3 Ωcm2 (T ≈ 850 ºC)
Objetivo:
Stack SOFC
2.5 kWe
400 $/kW
40.000 h
Ánodo :400-500 µm
850ºC0.2l/min
400
850ºC0.5l/min
750ºC0.2l/min
300
Electrolito 10 - 20 µm
Power (mW·cm )
2
200
Cátodo: 8 µm (LSM + YSZ)
100
Fuel: 4% H2
0
0 100 200 300 400 500 600 700
2
Intensity (mA/cm )
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41. Sinterizado láser: SOFC Tubular soporte metálico
(contrato con Fagor S. Coop. – CENIT DEIMOS)
Airbus España, Ames
Biogás Fuel Cell
Carbogen, Cesa, Copreci
Eads-Casa, Embega, Injusa
Sener, Zigor, Fagor, Cegasa
Soporte metálico
Anodo
YSZ
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42. Conclusiones
Las perspectivas son delicadas:
- La población mundial actual es alrededor de 6.500 millones y se
incrementa unos 350 millones/año.
- En el mundo desarrollado una persona consume en promedio 100 kWh /
día.
Una reflexión:
“No heredamos la Tierra de nuestros padres sino que se la
tomamos prestada a nuestros hijos” Saint Exupery
Una esperanza:
“La luz del sol que nos llega a la Tierra en solo 24 horas
contiene más energía que la de todo el petróleo que
hemos consumido hasta el presente...”
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