Universidad Tecnológica de Puebla

Celdas de Hidrogeno

CELDA DE HIDROGENO(PILA DE COMBUSTIBLE)

Dispositivo electroquímico que convierte la energía química en energía eléctrica. A diferencia de las baterías convencionales donde la máxima energía depende de la cantidad de químicos almacenados en ellas, dejando de producir energía cuando se consumen dichos reactivos.Las Pilas de Combustible, son dispositivos que teóricamente tienen la capacidad de producir energía eléctrica de forma indefinida mientras se suministra combustible y oxidante a los electrodos. Sólo la degradación o el mal funcionamiento de los componentes limitan la vida de operación práctica de las Pilas de Combustible.El principio de funcionamiento en el que se basan es donde el oxígeno e hidrógeno se combinan para formar agua con producción de energía eléctrica y calor.Por lo tanto, se trata de una reacción limpia, en la que el único producto es el vapor de agua que puede ser liberado a la atmósfera sin ningún peligro para el medio ambiente.

Historia• El principio de funcionamiento fue descubierto por el científico Christian Friedrich Schönbein en Suiza en 1838 • La primera celda fue desarrollada en 1843 por Sir William Grove, un científico galés, utilizando materiales similares a los usados hoy en

día para la célula de ácido fosfórico.• En 1959, Bacon y sus colegas fabricaron una unidad de 5 kW capaz de accionar una máquina de soldadura, que condujo, a que las

patentes de Bacon en los Estados Unidos (al menos la idea original) fuesen utilizadas en el programa espacial de Estados Unidos para proveer a los astronautas de electricidad y de agua potable a partir del hidrógeno y oxígeno disponibles en los tanques de la nave espacial.

• UTX, subsidiara de UTC Power fue la primera compañía en fabricar y comercializar un sistema de células de combustible estacionario a gran escala, para su uso como central eléctrica de cogeneración en hospitales, universidades, y grandes edificios de oficinas. UTC Power continúa comercializándola bajo el nombre de PureCell 200, un sistema de 200 kilovatios, y sigue siendo el único proveedor para la NASA.

• Además está desarrollando celdas de combustible para automóviles, autobuses, y antenas de telefonía móvil. En el mercado de automoción, UTC Power fabricó la primera capaz de arrancar a bajas temperaturas: la célula de membrana de intercambio de protones (PEM).

• A pesar de su éxito en programas espaciales, estos sistemas se limitaron a aplicaciones especiales, donde el coste no es un problema. No fue hasta el final de los años 80 y principios de los 90 que las celdas de combustible se convirtieron en una opción real para uso más amplio. Varias innovaciones, catalizador con menos platino y electrodos de película fina bajaron su coste, haciendo que el desarrollo de sistemas PEMFC (para, por ejemplo, automóviles) comenzara a ser realista.

Principios BásicosEl hidrógeno que llega al ánodo catalizador se disocia en protones y electrones. Los protones son conducidos a través

de la membrana al cátodo, y los electrones son forzados a viajar por un circuito externo (produciendo energía) ya que la membrana está aislada eléctricamente. En el catalizador del cátodo, las moléculas del oxígeno reaccionan con los electrones (conducidos a través del circuito externo) y protones para formar el agua. El único residuo es vapor de agua o agua líquida.

Además de hidrógeno puro, también se tiene el hidrógeno contenido en otras moléculas de combustibles incluyendo el diésel, metanol y los hidruros químicos, el residuo producido por este tipo de combustibles además de agua es dióxido de carbono, entre otros.

Tensión y Rendimiento

La tensión de celda depende de la corriente de carga. La tensión en circuito abierto es de aproximadamente 1,23 volts; para crear suficiente tensión, las celdas se agrupan combinándolas en serie y en paralelo

• El rendimiento de una celda de combustible , bajo condiciones estándares está limitado por el cociente entre la variación de la energía libre (estándar) de Gibbs, Gº y la variación de la entalpía (la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno) estándar de la reacción química completa Hº. El rendimiento real es igual o normalmente inferior a este valor.

= Gº / Hº

• Una célula de combustible convierte normalmente la energía química en electricidad con un rendimiento aproximadamente del 50%. El rendimiento sin embargo depende de la corriente que circula a través de la celda: cuanto mayor es la corriente, menor el rendimiento.

• Para una de hidrógeno, el rendimiento (energía real/energía teórica) es igual a la tensión de la celda dividida por 1,23 voltios, a una temperatura de 25 °C. Esta tensión depende del combustible usado, de la calidad y de la temperatura de la célula. Una célula que funcione a 0,6 V tendrá un rendimiento cercano al 50%, lo que significa que el 50% de la energía contenida en el hidrógeno es convertida en energía eléctrica.

• En "usos combinados de calor y de energía" (cogeneración), para aplicaciones donde también se requiere energía calorífica, se acepta un rendimiento más bajo de la conversión de combustible a electricidad (típicamente 15-20%), porque la mayoría de la energía no convertida en electricidad se utiliza como calor. Se pierde algo de calor con los gases que salen de la célula como ocurre en cualquier caldera convencional, por lo que con esta producción combinada de energía térmica y de energía eléctrica la eficacia sigue siendo más baja de 100%, normalmente alrededor del 80%.

MaterialesLas placas del electrodo/bipolar se hacen generalmente de nanotubos de metal, de níquel o de

carbón, y están cubiertas por un catalizador (como el platino o el paladio) para conseguir una eficacia más alta. El electrolito puede ser de cerámica o bien una membrana.

Por razones económicas los electrodos no se fabrican de metal (catalizador) puro, en vez de esto, se acostumbra elaborar soportes (discos) de carbón, dispersando sobre estos una carga catalítica que es evidentemente menor respecto a un electrodo de catalizador puro, de modo que los catalizadores quedan soportados sobre el carbón.

Básicamente el elevado costo reside en el tipo de materiales usados en las PEM (Membrana Intercambiadora de Protones por sus siglas en ingles; de donde en la actualidad son usados:

Celda de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC)

Membrana de Intercambio Protónico (PEM)

Carbonatos Fundidos (MCFC)

Celda Alcalina

Celdas de Combustible de Metanol Directo (DMFC)

Celdas de Combustible Regenerativas.

Celdas de Combustible de Cerámico Protónico (PCFC).

Celda de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC)

• Este tipo de Celda de Combustible está disponible comercialmente, más de 200 sistemas de Celda de Combustible han sido instalados alrededor del mundo - en hospitales, casa de cuidado, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, etc... Las PAFCs generan electricidad a más de 40% de eficiencia – y cerca del 85% del vapor que estas generan es usado para cogeneración

• La temperatura de operación 150 - 200 ºC.• A menores temperaturas, el ácido fosfórico es un conductor iónico pobre, y puede ocurrir

envenenamiento severo en el ánodo del catalizador platino (Pt) por monóxido de carbono (CO). • Ventajas• Además de su cerca del 85% de eficiencia en cogeneración, es que puede utilizar hidrógeno

poco puro como combustible. Las PAFCs pueden tolerar concentraciones de CO de hasta 1.5 porciento, lo cual amplía la elección de combustibles que pueden ser usados.

• Desventajas:• Utiliza platino costoso como catalizador, genera baja corriente y potencia comparada con otras

celdas de combustible, y generalmente tiene un tamaño y peso grandes.

• Las PAFCs existentes tienen salidas de hasta 200 kW y unidades de 1 MW han sido probadas. • ánodo: H2(g) -> 2H+(ac)+ 2e- • Cátodo: ½O2(g) + 2H+(ac) + 2e- -> H2O(l)

Membrana de Intercambio Protónico (PEM)

• Temperatura de operación:• Cerca de los 80 ºC),• Pueden variar rápidamente su salida de potencia para atender cambios en la demanda de

potencia y son muy adecuadas para aplicaciones, -- como los automóviles – donde un arranque rápido es requerido. La membrana de intercambio protónico es una hoja de plástico delgado que permite que iones de hidrógeno pasen a través de ella.

• La membrana esta cubierta en ambos lados con partículas de aleación altamente dispersa (principalmente platino) que funcionan como catalizadoras.

• El electrolito utilizado es un polímero ácido orgánico poli-perflourosulfonico. El electrolito sólido tiene la ventaja de reducir la corrosión

• Desventajas • Es sensible a impurezas presentes en el combustible. La salida de la celda generalmente está

en el rango de 50 a 250 kW. La membrana debe hidratarse, requiriendo evaporar el agua exactamente en la misma medida en

que ésta es producida. Si el agua se evapora demasiado rápido, la membrana se seca, la resistencia a través de ella aumenta, y se agrietará, creando un "corto circuito" de gas donde el hidrógeno y el oxígeno se combinan directamente, generando calor que dañará la celda de combustible. Si el agua se evapora demasiado lentamente, los electrodos se inundarán, evitando que los reactivos puedan alcanzar el catalizador y se parará la reacción. Uno de los objetivos más importantes en la investigación sobre células de combustible es la adecuada gestión del agua.

Carbonatos Fundidos (MCFC)

• Estas celdas usan una solución líquida de carbonatos de litio, sodio y/o de potasio, embebidos en una matriz para formar un electrolito.

• Estas celdas prometen altas eficiencias de conversión de combustible a electricidad, cerca del 60% normalmente o 85% con cogeneración, y operan a uno 650 ºC. La alta temperatura de operación es necesaria para alcanzar una suficiente conductividad del electrolito.

• Las celdas MCFCs han sido operadas con hidrógeno, monóxido de carbono, gas natural, propano, gas de relleno sanitario, diesel marino y productos simulados de la gasificación de carbón. Se han probado MCFCs de 10 kW hasta 2 MW usando una variedad de combustibles y están dirigidas principalmente a aplicaciones de generación de potencia estacionaria.

• Ventajas• Las altas temperaturas de operación, implican mayores eficiencias y flexibilidad para

usar más tipos de combustibles y catalizadores menos costosos, • Desventaja• Las altas temperaturas aumentan la corrosión y la falla de componentes de la celda

de combustible.

Celda Alcalina

• Estas celdas, usadas durante mucho tiempo ya por las misiones espaciales de la NASA, pueden alcanzar eficiencias de generación de potencia de hasta 70 %.

• Temperatura de operación:• De 150 a 200 ºC. • Utilizan una solución acuosa alcalina de hidróxido de potasio

embebida en una matriz como electrolito. Esto es ventajoso pues la reacción del cátodo es más rápida en un electrolito alcalino, lo que significa mayor desempeño.

• Hasta recientemente fueron muy costosas para aplicaciones comerciales, pero muchas compañías están examinando medios para reducir costos y mejorar la flexibilidad en su operación. Típicamente tienen una salida de celda de 300 watts a 5 kW.

Celdas de Combustible de Metanol Directo (DMFC)

• Similar a las celdas PEM solo que en el DMFC el catalizador del ánodo mismo obtiene el hidrógeno del metanol líquido, eliminando la necesidad de un reformador de combustible. Las eficiencias se espera sean de alrededor del 40% con este tipo de celdas de combustible, las cuales típicamente operan a una temperatura de entre 50 -100 ºC. Este es un rango de temperaturas relativamente bajo, haciendo a este tipo de celda atractiva para aplicaciones desde muy pequeñas hasta tamaños medios, por ejemplo energizar teléfonos celulares y laptops. Mayores eficiencias pueden obtenerse a mayores temperaturas.

Celdas de Combustible de Cerámico Protónico (PCFC).

• Este tipo de celda esta basado en un material de electrolito de cerámico protónico que presenta una alta conductividad protónica a elevadas temperaturas.

• Las celdas PCFCs comparten las ventajas térmicas y cinéticas de la operación a alta temperatura de 700 ºC con las celdas de carbonatos fundidos y de óxido sólido, al mismo tiempo que muestra los beneficios intrínsecos de la conducción protónica en electrolitos de celdas poliméricas y de ácido fosfórico (PAFCs).

• Las celdas PCFCs pueden operar a altas temperaturas y oxidan electroquímicamente combustibles fósiles directamente en el ánodo. Esto elimina el paso intermedio de producción de hidrógeno

• Adicionalmente, las celdas PCFCs tienen un electrolito sólido que no se “seca” como en las celdas PEM, ni puede fugarse líquido como con las celdas PAFCs.

Usos hoy en día• Los submarinos Type 212A, un avanzado diseño alemán no nucleares, utiliza pilas

de combustible (desarrolladas por Siemens) para alimentar nueve propulsores y puede mantenerse sumergido durante semanas sin tener que subir a la superficie, un sistema propulsor parecido de pilas de hidrógeno, aunque mejorado tienen los submarinos españoles S-80 desarrollado por Abengoa.

• En abril de 2008, en Toledo (España), la compañía Boeing hizo volar el primer avión propulsado por pila de hidrógeno.De manera parecida Airbus está desarrollando un prototipo de avión que utiliza esta tecnología.

• En septiembre de 2009, diferentes compañías (Honda, DaimlerChrysler, Ford Motor Company, General Motors Corporation/Opel, Hyundai Motor Company, Kia Motors Corporation, la alianza Renault SA y Nissan Motor Corporation y Toyota Motor Corporation), firmaron un acuerdo para homogeneizar el desarrollo y la introducción al mercado de vehículos eléctricos impulsados con pila de combustible, lo que se consideró un gran paso hacia la producción en serie de vehículos de cero emisiones. En el acuerdo, las compañías anticipaban que, a partir del año 2015, una cantidad significativa de vehículos eléctricos con pila de combustible podrían ser comercializados