Hidrogeno y pilas de combustible

2. Índice
El hidrógeno:
 Métodos de producción
 Almacenamiento del hidrógeno
Celdas de combustible:
Funcionamiento
Rendimiento
Tipos de pilas de combustible:
 PEM
 PAFC
 AFC
 SOFC
 MCFC
El ciclo del hidrógeno solar
Conclusiones

3.  La combustión de combustibles fósiles constituye el principal causante de la emisión
de gases de efecto invernadero, responsables del efecto de calentamiento global que
sufre nuestro planeta .
 Esta situación no resulta sostenible a medio plazo, y es necesario preparar una
transición controlada hacia una nueva forma de producción y consumo energético que
sea limpia, segura y fiable.
 Una de las alternativas es el uso de hidrógeno como fuente de energía, y su
transformación en electricidad por medio de las llamadas pilas de combustible.
 El hidrógeno no es una fuente primaria de energía, ya Combustible Energía Energía
[kJ/g] [kJ/l]
que no no se encuentra libre en la naturaleza y no es
directamente aprovechable. Es un vector energético, es Carbón 29.3 -
decir, un portador de energía. Madera 8.1 -
Gasolina 43.5 30590
 Hay que producir el hidrógeno a partir de energías Diesel 42.7 29890
primarias. Hoy en día aproximadamente el 95% del
Metanol 19.6 15630
hidrógeno se obtiene a partir de combustibles fósiles.
Gas natural 50.02 31.7
 El hidrógeno tiene una densidad energética en masa 3 Hidrógeno 119.9 10
veces superior a la de la gasolina.
Contenido energético de
diversos carburantes

4. Ventajas frente a los combustibles fósiles :
Alta densidad energética en base másica. Bajo peso de combustible
en los tanques de almacenamiento.
Alta disponibilidad. Se puede producir a partir de distintas materias
primas.
Elemento estable y no corrosivo.
Combustible "limpio". La combustión del hidrógeno con oxígeno sólo
produce agua.
Desventajas frente a los combustibles fósiles :
Baja densidad energética en base volumétrica. Se requieren tanques
contenedores grandes y pesados.
Transporte y almacenamiento costosos y de implementación compleja.
Combustible secundario: se debe consumir energía para conseguirlo a
partir de las distintas materias primas (agua, biomasa, combustibles
fósiles), ya que no existe en estado elemental.

5. A partir de hidrocarburos: :
A partir de hidrocarburos
•• Reformado con vapor: el hidrocarburo es tratado con vapor de agua aatemperaturas
Reformado con vapor: el hidrocarburo es tratado con vapor de agua temperaturas
entre 700 yy1100 ºC. El proceso se realiza en dos fases:
entre 700 1100 ºC. El proceso se realiza en dos fases:
1ª fase: CH44++H2O ⇒ CO ++3H22
1ª fase: CH H2O ⇒ CO 3H
2ª fase: CO ++ H2O ⇒ CO22++H
2ª fase: CO H2O ⇒ CO H
•• Oxidación parcial: reacción de combustión entre 1300 yy1500 ºC
Oxidación parcial: reacción de combustión entre 1300 1500 ºC
CH1,4 ++0,3 H2O ++0,4 O2 ⇒ 0,9 CO ++0,1 CO22++H2. .
CH1,4 0,3 H2O 0,4 O2 ⇒ 0,9 CO 0,1 CO H2
A partir del agua:
A partir del agua:
•• Electrólisis: proceso mucho más caro que el reformado con vapor. Produce hidrógeno
Electrólisis: proceso mucho más caro que el reformado con vapor. Produce hidrógeno
de gran pureza, que se utiliza en la industria electrónica, farmacéutica o alimentaria.
de gran pureza, que se utiliza en la industria electrónica, farmacéutica o alimentaria.
electrólisis
Carbón
4%
18%
petróleo
30% Hoy en día aproximadamente el 96% del hidrógeno
Hoy en día aproximadamente el 96% del hidrógeno
se obtiene aapartir de combustibles fósiles.
se obtiene partir de combustibles fósiles.
Gas natural
48%

6. Almacenamiento en forma gaseosa::
Almacenamiento en forma gaseosa
•• El hidrógeno se almacena aaalta presión (P >>20 Mpa).
El hidrógeno se almacena alta presión (P 20 Mpa).
•• Requiere depósitos pesados y voluminosos.
Requiere depósitos pesados y voluminosos.
•• Plantea problemas de seguridad.
Plantea problemas de seguridad.
•• No resulta competitivo debido a su elevado coste.
No resulta competitivo debido a su elevado coste.
Almacenamiento en forma líquida:
Almacenamiento en forma líquida:
•• El hidrógeno se almacena en estado líquido en recipientes criogénicos.
El hidrógeno se almacena en estado líquido en recipientes criogénicos.
•• Requiere alcanzar temperaturas de almacenamiento muy bajas (21,2 K).
Requiere alcanzar temperaturas de almacenamiento muy bajas (21,2 K).
•• El coste es elevado. Indicado sólo para aplicaciones donde el coste del hidrógeno no
El coste es elevado. Indicado sólo para aplicaciones donde el coste del hidrógeno no
sea un factor crítico y éste sea consumido en cortos periodos de tiempo (por ejemplo,
sea un factor crítico y éste sea consumido en cortos periodos de tiempo (por ejemplo,
en aplicaciones aeroespaciales).
en aplicaciones aeroespaciales).
Combinación química (hidruros metálicos):
Combinación química (hidruros metálicos):
•• Diversos metales de transición y sus aleaciones pueden ser utilizados para almacenar
Diversos metales de transición y sus aleaciones pueden ser utilizados para almacenar
hidrógeno en forma de hidruros metálicos.
hidrógeno en forma de hidruros metálicos.
•• El principal inconveniente es el elevado peso del sistema de almacenamiento, como
El principal inconveniente es el elevado peso del sistema de almacenamiento, como
consecuencia de los bajos niveles de retención de hidrógeno que se consiguen (< 2% a
consecuencia de los bajos niveles de retención de hidrógeno que se consiguen (< 2% a
temperaturas inferiores aa423 K).
temperaturas inferiores 423 K).
Adsorción en sólidos porosos (nanoestructuras de carbono) ::
Adsorción en sólidos porosos (nanoestructuras de carbono)
•• Se está estudiando la utilización de nanoestructuras de carbono con elevada
Se está estudiando la utilización de nanoestructuras de carbono con elevada
superficie específica como medio de almacenamiento.
superficie específica como medio de almacenamiento.
•• Sería una forma segura y sencilla de almacenar el hidrógeno sin usar altas presiones.
Sería una forma segura y sencilla de almacenar el hidrógeno sin usar altas presiones.

7. A partir de biomasa:
A partir de biomasa:
•• Gasificación: Combustión incompleta de la biomasa entre 700 y 1200ºC.
Gasificación: Combustión incompleta de la biomasa entre 700 y 1200ºC.
Productos: H22,CH44,CO.
Productos: H , CH , CO.
•• Pirólisis: Combustión incompleta en ausencia de oxígeno, a unos 500 ºC
Pirólisis: Combustión incompleta en ausencia de oxígeno, a unos 500 ºC
Productos: H22,CO, CO22e hidrocarburos ligeros.
Productos: H , CO, CO e hidrocarburos ligeros.
•• Fotoelectrólisis:
Fotoelectrólisis:
•• Indirecta: Paneles fotovoltaicos ++radiación solar.
Indirecta: Paneles fotovoltaicos radiación solar.
•• Directa: Celdas fotoelectroquímicas (material semiconductor) ++radiación solar.
Directa: Celdas fotoelectroquímicas (material semiconductor) radiación solar.
•• Ciclos termoquímicos::Consisten en una combinación de reacciones químicas a alta
Ciclos termoquímicos Consisten en una combinación de reacciones químicas a alta
temperatura que producen la disociación de la molécula de agua. Se han alcanzado
temperatura que producen la disociación de la molécula de agua. Se han alcanzado
eficiencias del 40%.
eficiencias del 40%.
•• Para realizar los ciclos termoquímicos se puede emplear energía nuclear o solar.
Para realizar los ciclos termoquímicos se puede emplear energía nuclear o solar.
•• Producción fotobiológica::Ciertas bacterias y algas verdes pueden producir hidrógeno,
Producción fotobiológica Ciertas bacterias y algas verdes pueden producir hidrógeno,
utilizando únicamente luz solar, agua y una enzima llamada hidrogenasa.
utilizando únicamente luz solar, agua y una enzima llamada hidrogenasa.

8. Electrólisis
Electrólisis
Biomasa:
Biomasa:
--Gasificación.
Gasificación. Ciclos termoquímicos
Ciclos termoquímicos
--Pirólisis.
Pirólisis.
Combustibles fósiles:
Combustibles fósiles:
Fotoelectrólisis:
Fotoelectrólisis: Hidrocarburos:
Hidrocarburos:
--Directa.
Directa.
Hidrógeno --Reformado
Reformado
--Indirecta.
Indirecta. --Oxidación parcial
Oxidación parcial
Carbón:
Carbón:
--Gasificación
Gasificación
Producción fotobiológica
Producción fotobiológica ¿¿Otros ??
Otros

9. La celda de combustible es un dispositivo
que produce electricidad y agua mediante un
proceso inverso a la electrólisis.
Electrólisis
Electricidad + agua → Hidrógeno + Oxígeno
Pila de combustible
Hidrógeno + Oxígeno → Electricidad + agua
Estructura típica de una
celda de combustible
Elementos básicos de una celda de combustible:
combustible
Dos electrodos (ánodo y cátodo).
Electrolito: sustancia encargada de transportar los iones producidos en las
Electrolito
reacciones redox.
El electrolito a veces se utiliza acompañado de un catalizador.
catalizador
H2 y O2, utilizados como combustible y oxidante respectivamente.

10. 1) En el ánodo tiene lugar la oxidación del
combustible: las moléculas de hidrógeno
Anode Cathode se disocian en protones y electrones.
-- Electrolyte + H 2 → 2H + + 2e −
2) El electrolito permite el paso de los protones,
e impide el paso de los electrones.
3) Los electrones generan corriente eléctrica a
su paso por un circuito externo.
4) En el cátodo se produce una reacción de
reducción: electrones y protones se combinan
con el oxígeno para formar agua.
1
O2 + 2H + + 2e − → H 2 O
2
Celda de combustible
Una celda individual genera un voltaje cercano a un voltio.
Para las aplicaciones que requieren mayor voltaje y alta
potencia se apilan en serie el número necesario de estas
celdas, para formar una pila de combustible.
Pila de combustible PEM

11. Diferencias entre celdas de combustible y dispositivos de combustión interna.:
• Los dispositivos de combustión interna se basan en la conversión de energía
térmica en energía mecánica. La eficiencia de este proceso está limitado por
el Ciclo de Carnot.
• Las celdas de combustible convierten directamente la energía química en energía
eléctrica. Desde el punto de vista termodinámico este proceso es mucho más
eficiente.
eficiente
Diferencias entre celdas de combustible y baterías:
Las baterías son dispositivos de almacenamiento de energía. La producción de
energía cesa cuando se consumen los reactivos químicos almacenados dentro
de la batería. No pueden proporcionar un flujo continuo de energía eléctrica.
En las celdas de combustible, tanto el combustible como el oxidante proceden
de una fuente externa, y permiten generar corriente eléctrica de manera casi
indefinida, en la medida en que pueda suministrarse combustible de forma
continuada.

12. El potencial eléctrico ideal generado por una celda de combustible viene dado por
la ecuación de Nernst:
E: Potencial eléctrico de la pila (volts.)
E:E : Potencial redox estándar( (volts.) C , 1 Molar)
Potencial eléctrico de la pila T=25º
E o: o
Potencial redox estándar( T=25º C , 1 Molar)
RT  C [ H 2 ] ⋅ C [O2 ]1 / 2  R: Cte. de los gases (8.31 J/Kmol)
E = E0 + ln  R: Cte. de los gases (8.31 J/Kmol)
T: Temperatura absoluta (K)

2F  C [ H 2O ]  T:F: Cte. de Faraday (96.6 kJ/mol)
Temperatura absoluta (K)
 
F: C[ ]: de Faraday (96.6molares de reactivos y productos
Cte. Concentraciones kJ/mol)
C[ ]: Concentraciones molares de reactivos y productos
 La ecuación de Nerst permite calcular el potencial ideal de una celda de combustible
en función de la temperatura y de las concentraciones de reactantes y productos.

13. El potencial real de la celda es inferior al ideal, debido a las pérdidas por polarización:
El potencial real de la celda es inferior al ideal, debido a las pérdidas por polarización:
• Polarización de activación: algunas reacciones electroquímicas son muy lentas, y re-
activación
• Polarización de activación: algunas reacciones electroquímicas son muy lentas, y re-
activación
quieren una cierta energía de activación (> 50-100 mV) para que se produzcan.
quieren una cierta energía de activación (> 50-100 mV) para que se produzcan.
• Polarización óhmica: debido a resistencias eléctricas asociadas a los electrodos, el elec-
óhmica
• Polarización óhmica: debido a resistencias eléctricas asociadas a los electrodos, el elec-
óhmica
trolito y los contactos.
trolito y los contactos.
• Polarización de concentración: se producen gradientes de concentración (por difusión o
concentración
• Polarización de concentración: se producen gradientes de concentración (por difusión o
concentración
convección) que disminuyen la actividad del electrodo.
convección) que disminuyen la actividad del electrodo.
Para densidades de corriente bajas,
dominan las pérdidas por polarización
de activación.
En un rango intermedio de densidades
de corriente prevalece polarización
óhmica, y la variación de V es lineal
(región de Tafel).
Para densidades de corriente altas,
aumentan las pérdidas por polarización
de concentración.
Curva de polarización típica de una celda de combustible

15. Las pilas PEM usan como electrolito un polímero
Las pilas PEM usan como electrolito un polímero
sólido.
sólido.
Utilizan un catalizador de platino.
Utilizan un catalizador de platino.
Ventajas:
Ventajas:
Rapidez de arranque. Operan aarelativamente bajas
Rapidez de arranque. Operan relativamente bajas
temperaturas (80ºC).
temperaturas (80ºC).
Desventajas:
Desventajas:
Extremadamente sensible aala contaminación por CO.
Extremadamente sensible la contaminación por CO.
Aplicaciones:
Aplicaciones: Características:
Características:
Generación de energía estacionaria.
Generación de energía estacionaria. Temperatura: 80 ºC
Temperatura: 80 ºC
Transporte (coches, autobuses).
Transporte (coches, autobuses). Eficiencia (%): 32-45
Eficiencia (%): 32-45
Potencia: 5-250 kW
Potencia: 5-250 kW

16. Las pilas PAFC utilizan ácido fosfórico como
Las pilas PAFC utilizan ácido fosfórico como
electrolito.
electrolito.
Requieren un catalizador de platino.
Requieren un catalizador de platino.
Ventajas:
Ventajas:
Son menos sensibles a la contaminación por CO
Son menos sensibles a la contaminación por CO
que las pilas PEM.
que las pilas PEM.
Desventajas:
Desventajas:
Gran peso y tamaño. Son caras (3500-4000 €
Gran peso y tamaño. Son caras (3500-4000 €
por kilovatio)
por kilovatio)
Aplicaciones:
Aplicaciones: Características:
Características:
Generación de energía estacionaria.
Generación de energía estacionaria. Temperatura: 205 ºC
Temperatura: 205 ºC
Transporte (vehículos pesados).
Transporte (vehículos pesados). Eficiencia (%): 36-45
Eficiencia (%): 36-45
Potencia: 50 kW --11 MW
Potencia: 50 kW 11 MW

17. Las pilas alcalinas utilizan una solución de
Las pilas alcalinas utilizan una solución de
hidróxido de potasio en agua como electrolito.
hidróxido de potasio en agua como electrolito.
Como catalizador se pueden emplear diversos
Como catalizador se pueden emplear diversos
metales no preciosos.
metales no preciosos.
Ventajas:
Ventajas:
Alto rendimiento y eficiencia.
Alto rendimiento y eficiencia.
Desventajas:
Desventajas:
Son muy sensibles aala contaminación por CO22.
Son muy sensibles la contaminación por CO .
Menor duración debido aasu susceptibilidad aaese
Menor duración debido su susceptibilidad ese
tipo de contaminación.
tipo de contaminación.
Aplicaciones:
Aplicaciones: Características:
Características:
Aplicaciones: ambientes donde hay contaminación
Aplicaciones: ambientes donde hay contaminación Temperatura: 65-220 ºC
Temperatura: 65-220 ºC
por CO (espacio, fondo del mar).
por CO22(espacio, fondo del mar). Eficiencia (%): >>50
Eficiencia (%): 50
Potencia: 5-150 kW
Potencia: 5-150 kW

18. Las pilas de óxido sólido emplean como electrolito
Las pilas de óxido sólido emplean como electrolito
un componente de cerámica duro y no poroso . .
un componente de cerámica duro y no poroso
No necesitan catalizador.
No necesitan catalizador.
Ventajas:
Ventajas:
Menor coste (no necesitan catalizador).
Menor coste (no necesitan catalizador).
Alto rendimiento en sistemas de cogeneración
Alto rendimiento en sistemas de cogeneración
(electricidad ++calor)
(electricidad calor)
Muy resistentes aala corrosión y aala
Muy resistentes la corrosión y la
contaminación por CO.
contaminación por CO.
Desventajas:
Desventajas:
Arranque lento.
Arranque lento.
Las altas temperaturas afectan aala duración de
Las altas temperaturas afectan la duración de
los materiales de la pila.
los materiales de la pila.
Aplicaciones:
Aplicaciones: Características:
Características:
Sistemas estacionarios. No es adecuada para
Sistemas estacionarios. No es adecuada para Temperatura: 600-1000 ºC
Temperatura: 600-1000 ºC
transportes o sistemas portátiles.
transportes o sistemas portátiles. Eficiencia (%): 43-55
Eficiencia (%): 43-55
Potencia: 100-250 kW
Potencia: 100-250 kW

19. Las pilas de carbonato fundido utilizan un electrolito
Las pilas de carbonato fundido utilizan un electrolito
compuesto de una mezcla de sales de carbonato
compuesto de una mezcla de sales de carbonato
fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa.
fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa.
Como catalizador emplean metales no nobles.
Como catalizador emplean metales no nobles.
Ventajas:
Ventajas:
Resistentes aala contaminación por CO y CO22
Resistentes la contaminación por CO y CO
No necesitan reformador externo: debido aalas
No necesitan reformador externo: debido las
altas temperaturas los combustibles se convierten en
altas temperaturas los combustibles se convierten en
hidrógeno dentro de la propia pila, mediante un
hidrógeno dentro de la propia pila, mediante un
proceso de conversión interna.
proceso de conversión interna.
Desventajas:
Desventajas:
Arranque lento.
Arranque lento.
Corta duración: Las altas temperaturas y el electro-
Corta duración: Las altas temperaturas y el electro-
lito corrosivo deterioran los componentes de la pila.
lito corrosivo deterioran los componentes de la pila.
Características:
Características:
Temperatura: 600-650 ºC
Temperatura: 600-650 ºC
Aplicaciones:
Aplicaciones: Eficiencia (%): 43-55
Eficiencia (%): 43-55
Generación de energía estacionaria.
Generación de energía estacionaria. Potencia: 100 kW --2 MW
Potencia: 100 kW 2 MW

20. Tipos de células de combustible
Tipo Electrolito Top ºC Usos Ventajas Desventajas
Electrolito sólido reduce
Generación
Membrana corrosión y Catalizadores costosos.
Polímero estacionaria.
polimérica 60-100 mantenimiento. Sensible a impurezas en
sólido Portátiles.
(PEMFC) Baja temperatura. H2 u otro combustible.
Vehículos.
Arranque rápido.
Solución Reacción catódica más
acuosa de Espacio. rápida en electrolito
Alcalina (AFC) 90-100 Sensible a impurezas.
hidróxido Militar. alcalino. Mayor
de potasio eficiencia.
85 % eficiencia en
Acido Generación Catalizador de Pt. Baja
Acido fosfórico cogeneración de
fosfórico 175-200 estacionaria. corriente y potencia.
(PAFC) electricidad y calor.
liquido Portátiles. Gran peso y volumen.
Acepta H2 impuro.
Solución Ventajas por alta
Carbonatos Corrosión debido a altas
líquida de 600- Generación temperatura: mayor
fundidos temperaturas. Baja vida
litio, sodio y 1000 estacionaria. eficiencia, catalizadores
(MFCF) útil.
potasio mas baratos.
Oxido de Zr
Ventajas por alta Corrosión debido a altas
Óxidos sólidos sólido con 600- Generación
temperatura. Ventajas temperaturas. Baja vida
(SOFC) adiciones de 1000 estacionaria.
electrolito sólido. útil.
Itrio

22. Ciclo del H2
1) La electricidad generada en los paneles fotovoltaicos se emplea para alimentar un
electrolizador.
2) El oxígeno producido en la electrólisis se libera en el aire, y el hidrógeno es almacenado
en tanques.
3) Cuando la energía solar no está disponible, el hidrógeno se recombina con el oxígeno del
aire en una pila de combustible, la cual convierte directamente la energía química en
electricidad. El único producto secundario de este proceso es agua pura.

23. El hidrógeno es un recurso energético limpio, y constituye una alternativa
prometedora al panorama energético actual
La utilización de las pilas de combustible de hidrógeno ofrece varias ventajas
sobre otros tipos de fuentes de energía, con una alta eficiencia y sin emisión de
contaminantes.
La pilas de combustible de hidrógeno tiene un amplio rango de aplicación: desde
equipos portátiles hasta grandes centrales de producción de energía estacionaria.
La producción hidrógeno a partir de energías renovables permitiría desarrollar un
sistema de energía sostenible y reducir la dependencia actual respecto de los
combustibles fósiles.
Existen varios problemas técnicos por resolver: el almacenamiento del hidrógeno,
la producción de hidrógeno a partir fuentes distintas de los combustibles fósiles.
Se está realizando un gran esfuerzo para implantar esta tecnología en el sector
de transportes y automoción.

24. Libros:
J. Larminie, A. Dicks. “Fuel Cell Systems Explained”, Second
Edition (2003). SAE Bookstore.
 A.J. Appleby and F.R. Foulkes. “Fuel Cell Handbook”, Van Norstand
Reinhold, New York.
Documentos y páginas web:
Asociación Española de Pilas de Combustible- APPICE
Tecnociencia: Especial Pilas de Combustible de Hidrógeno
Red de Pilas de Combustible del CSIC