PILAS HIDROGENO

2011

ADRIÁN CAPELO MOLDES

ADRIÁN VENTÍN IGLESIAS

JORGE AROSA MOLDES

ECOLOGÍA

2º INDUSTRIALES

Ciclo de Vida de las Pilas de Hidrógeno

2 Ciclo de Vida de las Pilas de Hidrógeno

ECOLOGÍA

ÍNDICE

1. Introducción (Beneficios de la pila de hidrogeno frente a las baterías y el combustible fósil, conceptos de ciclo de vida) Pág.(3-11)

2. Pilas de Hidrógeno (Definición, características, funcionamiento, tipos de pilas). Pág. (12-23)

3. Análisis del Ciclo de Vida de Vida de una Pila de Hidrógeno

Adquisición de materias primas: -Agua -Hidrocarburos

Fabricación, procesado y formulación de productos:

Distribución y Transporte -Gaseoductos (parecidos a los del gas natural) -Estación de Repostaje -Píldora de Hidrógeno (ingenieros daneses)

Uso , Reutilización y Mantenimiento

Gestión de Residuos: -Obtención del hidrocarburo -Gestión de los residuos como aparatos eléctricos (baterías, transformadores, similar a un coche eléctrico) -reciclaje de la pila (electrodos, circuiterías, electrolitos, catalizador,…)

Pág. (24-45)

4. Orientación de cara a sus posibles usos (automoción, uso domestico y demás utilidades) Pág.(46-48)


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1. INTRODUCCIÓN

Ciclo de Vida:

El ciclo de vida del producto es una herramienta de administración de la mercadotecnia que permite conocer y rastrear la etapa en la que se encuentra una determinada categoría o clase de producto, lo cual, es un requisito indispensable para fijar adecuadamente los objetivos de mercadotecnia para un "x" producto, y también, para planificar las estrategias que permitirán alcanzar esos objetivos.

En síntesis, el ciclo de vida del producto es el conjunto de etapas (introducción, crecimiento, madurez y declinación) por las que atraviesa una categoría genérica de productos; y cuyos conceptos son utilizados como una herramienta de administración de la mercadotecnia para conocer y rastrear la etapa en la que se encuentra una determinada categoría de productos, con la finalidad, de identificar con anticipación los riesgos y oportunidades que plantea cada etapa para una marca en particular.

En este punto, cabe señalar que el concepto del Ciclo de Vida del Producto (CVP) no es una herramienta que se aplica a una marca individual; sino a una categoría genérica del producto (autos, televisores, microprocesadores, etc...). Por tanto, una de las tareas cruciales que tienen los mercadólogos consiste en identificar la etapa por la que está atravesando la categoría genérica en la que se encuentra su producto, para luego, planificar aquello que se hará para enfrentar los riesgos que plantea cada etapa, al mismo tiempo que se aprovechan las oportunidades que ofrece.

Los ciclos de vida también recogen los impactos que tienen sobre el medio ambiente las acciones llevadas a cabo para la obtención del producto.

Las posibilidades de utilizar la evaluación del ciclo de vida (ECV) en la identificación y evaluación de los aspectos medioambientales en los sistemas de gestión medioambiental nos sirve para saber el impacto que vamos a producir sobre el medio y tratar de disminuir este impacto con las acciones pertinentes, estos sistemas están basados en los requisitos de la norma internacional ISO 14001 y el Reglamento EMAS de la Unión Europea.

En los ECV hay una cierta desproporción entre la entrada y los aspectos medioambientales relacionados con la producción. Las razones probables para esa desproporción podría ser el hecho de que los aspectos ambientales relacionados con la producción son más fáciles de manejar por la organización y con frecuencia son regulados por las leyes. Los requisitos legales son un criterio importante en la evaluación de aspectos medioambientales.

LCA tiene evidentes ventajas como: metodología estandarizada; posibilidad de la inclusión de la información cuantitativa, la presencia de algunos pasos metodológicos que permitan la verificación de los datos recogidos, la capacidad para generar los resultados reproducibles. Al mismo tiempo, los siguientes puntos débiles potenciales se pueden observar: a la complejidad del procedimiento, mayores requisitos de tiempo y de costes (especialmente en relación con una fase de inventario), las dificultades con la evaluación de los aspectos ambientales con el carácter cualitativo y estas relacionadas con situaciones de emergencia; limitación relacionada con la falta de caracterización de los factores relevantes en la actualidad utilizan métodos de la LCIA.


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Conclusiones ECV debe ser considerada como una herramienta para la identificación y evaluación de aspectos medioambientales en el SME. Estas limitaciones no descalifican a su idoneidad para ser utilizado. Después de algunas simplificaciones, la ECV parece ser una valiosa alternativa a los métodos actualmente en uso.

Economía del hidrógeno:

Debido a la disminución de reservas de combustibles fósiles y a la contaminación que estos producen (compuestos nitrogenados, sulfuros, además de CO2) se buscan combustibles alternativos que nos den grandes prestaciones a la vez que minimiza el impacto con el medio ambiente como es el caso de caso del hidrógeno como combustible.

La visión de la economía del H2 se basa en la expectativa de que el hidrógeno pueda producirse a partir de recursos domésticos, de forma económica y medioambientalmente aceptable y en que las tecnologías de uso final del hidrógeno (pilas de combustible) ganen una cuota de mercado significativa.

Si la energía se utiliza para producir hidrógeno, entonces el hidrógeno se podría utilizar como forma de almacenaje de energía substituyendo el gas y el petróleo causantes de emisiones de gases de efecto invernadero.

La fuente de energía primaria para producir hidrógeno podía ser combustible nuclear (electrólisis, termólisis), o fósil (oxidación parcial, gasificación) aunque incluso las fuentes eléctricas primarias y renovables como la energía hidráulica y la energía eólica o incluso la solar (electrólisis, gasificación, fotolisis) se podrían utilizar para hacer el hidrógeno, en vez de distribuirla directamente en la red eléctrica lo que produciría una economía de hidrogeno completa.

En la medida que se alcancen estas expectativas, una economía del hidrógeno beneficiará al mundo proporcionando:

Mayor seguridad energética.

Mayor calidad medioambiental.

Alcanzar este objetivo requiere superar muchos desafíos técnicos, sociales y políticos.

En la actualidad, los mayores problemas de las pilas de combustible residen en los materiales de soporte y de catálisis. Un material electrocatalizador debe satisfacer varios requisitos. Necesita, en primer lugar, alta eficiencia en la oxidación electroquímica del combustible en el ánodo, (e.g. H2 o CH4) y para la reducción del O2 en el cátodo. Una elevada durabilidad es también un requisito fundamental: se espera que las PEMFCs funcionen al menos durante 10.000 horas. Es necesario que un electrocatalizador tenga una buena conductividad eléctrica para reducir al mínimo las pérdidas por resistencia en la capa del catalizador. Ha de tener finalmente un bajo coste de producción.


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Hidrógeno: almacenaje, transporte y producción de energía por medio de pilas

La conversión de la energía eléctrica producida en una pila de hidrógeno en energía mecánica es más sencilla que la de la energía calorífica de los hidrocarburos con lo que se consiguen no solo un rendimiento mayor sino que también mayor eficiencia.

El principal problema del hidrógeno es hacerlo rentable, conseguir eficiencia en la generación y almacenaje.

Métodos de obtención actuales e ideas de futuro:

Actualmente los principales métodos son:

Reformado con vapor de agua

Oxidación parcial

En un futuro se espera obtener mediante:

Descomposición electrolítica del agua del mar ( energía)

Descomposición térmica (muy poco eficiente)

Gasificación de la biomasa

Ciclos termoquímicos

Fotodescomposición (fotolisis del agua)

Biorreactores ( algas privadas de azufre producen H2 en lugar de O2)

Almacenamiento:

El almacenamiento en estado gaseoso debe ser en tanques de gran volumen ya que aunque el hidrógeno sea muy ligero ocupa mucho volumen y es volátil, tiene inconvenientes como complicado de almacenar y costoso.

El almacenaje en estado liquido H2 a menos de -2530C, se necesita liberar mucha energía, si se mezcla con el oxigeno del aire resulta una mezcla explosiva, se podría probar la disolución en otros compuestos que lo expulsarían al calentarlo.

Tipos de almacenamiento de hidrógeno:

Gas comprimido

Hidruros metálicos

Compuestos químicos

Líquido

Materiales de C.

Nuevos mat nano-estructurados


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Transporte

El transporte de hidrógeno licuado por barco o camión a largas distancias, lleva asociadas altas pérdidas de energía por evaporación.

El transporte de hidrógeno por gasoducto requiere 4,6 veces más energía que el transporte del gas natural (por unidad de energía transportada).

El transporte mediante Píldoras de Hidrógeno (ingenieros daneses), método experimental que consiste en formar píldoras de hidrógeno para facilitar su transporte y utilización para vehículos.

La utilización de hidrógeno para fines energéticos a largo plazo se basará en la construcción e interconexión de una infraestructura de producción distribuida, además de la producción centralizada.

Las pilas de combustible son una tecnología muy atractiva por:

– Su alta densidad de energía y potencia.

– Medioambientalmente limpio.

– Simple, modular y portátil.

Ventajas e inconvenientes

Ventajas:

Beneficios medioambientales :

• a) Altas eficiencias en la utilización del combustible. El hecho de la conversión directa del combustible a energía a través de una reacción electroquímica, hace que las pilas de combustible puedan producir más energía con la misma cantidad de combustible si lo comparamos con una combustión tradicional. El proceso directo hace que las eficiencias puedan alcanzar entre 30% y 90%, dependiendo del sistema de pila de combustible y además se puede emplear el calor adicional producido. La generación de energía basada en la combustión convierte previamente el combustible en calor, limitándose el proceso a la ley de Carnot de la Termodinámica y después a energía mecánica, la cual produce movimiento o conduce a que las turbinas produzcan energía. Los pasos adicionales implicados en la combustión hacen que la energía escape en forma de calor, fricción y otras pérdidas de conversión, provocando una disminución de la eficiencia del proceso global. Las pilas de combustible al no ser máquinas térmicas, su rendimiento no se limita por el ciclo de Carnot y se puede alcanzar teóricamente el 100%. Únicamente las limitaciones en el aprovechamiento de la energía generada y en los materiales empleados en su construcción impiden alcanzar este valor.


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• b) Emisión cero de contaminantes. Cuando el combustible es hidrógeno, los productos obtenidos en la reacción electroquímica catalizada de la pila de combustible entre el hidrógeno y el oxígeno son agua, calor y electricidad, en lugar de dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre y otras partículas inherentes a la combustión de combustibles fósiles. Para extraer hidrógeno puro, los combustibles fósiles deben pasar primero por un reformador. En este proceso las emisiones de dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre y otros contaminantes, son solamente una fracción de aquellos producidos en la combustión de la misma cantidad de combustible.

• c) Reducción del peligro medioambiental inherente de las industrias extractivas. Las pilas de combustible no producen el deterioro ambiental asociado a la extracción de combustibles fósiles de la Tierra cuando el hidrógeno es producido a partir de fuentes renovables. Si se produce un escape de hidrógeno, éste se evaporará de forma instantánea debido a que es más ligero que el aire. Esta sería una solución para paliar el dramático legado que ha sido dejado en nuestro planeta debido a las perforaciones petrolíferas, el transporte, el refino y los productos de desecho asociados.

• d) Funcionamiento silencioso. Al carecer de partes móviles, se ha estimado que el nivel de ruido a 30 metros de una pila de combustible de tamaño medio es únicamente de 55 decibelios. Es por ello que podrían usarse pilas de combustible en recintos urbanos.

Beneficios en la ingeniería de pilas de combustible:

• a) Admisión de diversos combustibles. Cualquier combustible si incluye hidrógeno en su composición puede ser reformado. Pueden emplearse para este proceso por ejemplo gas natural, carbón gasificado, gasóleo o metanol.

• b) Altas densidades energéticas. La cantidad de energía que puede generar una pila de combustible con un volumen determinado es normalmente dada en kWh/litro. Estos números continúan aumentando conforme se realizan nuevas investigaciones y desarrollos asociados de los productos respectivos.

• c) Bajas temperaturas y presiones de operación. Las pilas de combustible dependiendo del tipo de éstas, operan desde 80 ºC a más de 1000 ºC. Estos números parecen ser altos, pero tenemos que pensar que la temperatura dentro de los vehículos con motores de combustión interna pueden alcanzar más de 2.300 ºC.

• d) Flexibilidad de emplazamiento. Las celdas de combustible, con su inherente operatividad sin ruidos, emisión cero y requerimientos mínimos, pueden ser instaladas en multitud de lugares, de interior o exterior, residenciales, industriales o comerciales.

• e) Capacidad de cogeneración. Cuando se captura el calor residual generado por la reacción electroquímica de la pila de combustible, éste puede emplearse por ejemplo para calentar de agua o en aplicaciones espaciales para calentar la nave. Con las capacidades de cogeneración, la eficiencia de una pila de combustible puede alcanzar el 90 %.

• f) Rápida respuesta a variaciones de carga. Para recibir energía adicional de la celda de combustible, se debe introducir más combustible en el sistema. La respuesta de la carga en la celda es análoga a la presión que realicemos en el acelerador de nuestro vehículo, a más combustible, más energía.

• g) Carácter modular. La construcción modular supone una menor dependencia de la economía de escala. La disponibilidad de las pilas de combustible como módulos independientes supone una ventaja adicional, ya que un cambio de


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escala en la potencia requerida se consigue fácilmente mediante la interconexión de módulos

• h) Simplicidad del dispositivo. Las pilas de combustible carecen de partes móviles. La falta de movimiento permite un diseño más simple, una mayor fiabilidad y operatividad y un sistema que es menos propenso a estropearse.

Seguridad energética El hidrógeno usado como combustible en las pilas de combustible puede ser producido a nivel doméstico a través del reformado de gas natural, electrólisis del agua o fuentes renovables como eólica o fotovoltaica. La generación de energía a este nivel evita la dependencia de fuentes extranjeras que pueden localizarse en regiones del Mundo inestables. El rápido consumo de los combustibles fósiles que la sociedad moderna requiere para el estado de vida actual está acabando con un recurso limitado. La utilización del hidrógeno, el elemento más abundante en el Universo, es ilimitada. La transición hacia una economía del hidrógeno es posible y evitaría los problemas asociados al agotamiento del petróleo. La ventaja del hidrógeno es muy volátil. El hidrógeno no es tóxico y no es contaminante, pero es difícil de detectar sin sensores adecuados ya que es incoloro, inodoro y su flama en el aire es casi invisible. Como inconveniente es un material muy inflamable. Se están analizando otros combustibles para la utilización en pilas de combustible.

Independencia de la red de suministro energético Un sistema de celdas de combustible residencial, permite una independencia a sus habitantes respecto a la red de suministro eléctrico, la cual puede tener irregularidades. Una de éstas, serían los cortes de corriente que pueden causar daños importantes a sistemas informáticos, a equipamientos electrónicos y en general a la calidad de vida de las personas.

Pilas de combustible frente a baterías tradicionales

Las celdas de combustible ofrecen una reducción en el peso y en el tamaño para la misma cantidad de energía disponible respecto a las baterías tradicionales.. Para incrementar la energía en una pila de combustible, simplemente debe introducirse más cantidad de combustible en el dispositivo. Para aumentar la energía de una batería, se deben adicionar más baterías viéndose incrementado el coste, el peso y la complejidad del sistema. Una pila de combustible nunca se agota, mientras haya combustible continúa produciendo electricidad. Cuando una batería se agota debe experimentar un largo e inconveniente tiempo de recarga para reemplazar la electricidad gastada. Dependiendo de donde se genere la electricidad, la contaminación, los costes y los problemas en cuanto a la eficiencia se transfieren desde el emplazamiento de las baterías a la planta generadora central.


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Desventajas • La producción del hidrógeno resulta muy costosa al no ser éste una fuente primaria • La obtención del hidrógeno puro supone un precio elevado • Alto coste destinado a los sistemas de almacenamiento y suministro (de hidrógeno,

metanol o gas natural) • Alto peso de pilas de combustible para los prototipos actuales • Elevado gasto energético para licuar el hidrógeno • La producción de algunos componentes, al no efectuarse a gran escala, implica un

coste elevado. Se estima que un coche con pila de combustible cuesta un 30 % más que uno de gasolina o diesel con prestaciones similares

• Tecnología emergente. Determinados problemas aún no resueltos afectan al funcionamiento de las pilas de combustible, especialmente en lo que respecta a su vida útil, lo que repercute en su comercialización

• Al tratarse de una tecnología en desarrollo y contar todavía con una baja demanda de unidades, su precio no puede, hoy en día, competir con el de las tecnologías convencionales. Es de esperar que, conforme la demanda se incremente, los precios se vayan equiparando

• Sensibilidad hacia los venenos catalíticos. Los electrodos empleados incorporan catalizadores para favorecer el desarrollo de las reacciones electroquímicas. El contacto de estas sustancias con los llamados venenos catalíticos, tales como el monóxido de azufre u otros compuestos de azufre, o el monóxido de carbono provocan su inactivación irreversible. En la actualidad se está estudiando la sustitución de estos catalizadores por materiales más resistentes

Comparación con un motor de combustión y pila de combustible

Pila de combustible Motor de combustión Silencioso Ruidoso 40% Rendimiento 16% Rendimiento Tecnología inmadura Tecnología madura No emisiones Emisiones de CO No sistema de distribución de combustible Sistema distribución de combustible muy

establecido.

En resumidas cuentas si analizamos el factor coste-tiempo-beneficio de los vehículos con célula de hidrogeno (FCVs) con los actuales vehículos de combustión de derivados fósiles, el resultado expone la necesidad de realizar una paulatina introducción en el mercado de los mismos para que estos sean competitivos con los actuales hablando en términos económicos, esto es así debido a la necesidad de inversión en investigación y desarrollo de los FCVs para obtener las mismas prestaciones de un vehículo convencional, a su vez el elevado coste de producción debe compensarse de forma inversamente proporcional al aumento de la producción de los mismos(En cuanto las marcas de automoción se preocupen por tener modelos FCVs estos experimentaran un descenso del precio),además el coste del combustible fósil debería ayudar al crecimiento de los FCVs.


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Impacto medioambiental

No siendo el hidrógeno una fuente de energía, sino un vector energético, el impacto medioambiental del hidrógeno dependerá de la fuente de energía empleada para su obtención. A fecha de 2010, aproximadamente el 95% de la producción del hidrógeno se realiza a través de la quema de combustibles fósiles, y por tanto manteniendo las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera. Solo en torno a un 5% de la producción de hidrógeno se realiza a través de la electrólisis, es decir, de la separación del hidrógeno que contiene el agua mediante energía eléctrica. Este método es menos eficiente que la utilización directa de la electricidad, pero permite el almacenamiento de la energía, lo que presenta grandes ventajas, como la posibilidad de seguir generando energía aunque no haya demanda en ese momento, y de recuperarla en momentos de escasez. Si la electricidad utilizada para la electrólisis proviene de fuentes renovables como la eólica o la solar, el hidrógeno será un vector energético con muy bajas emisiones de gases de efecto invernadero.

Tipos de pilas:


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2. PILAS DE HIDRÓGENO

El principio de la pila de combustible fue descubierto por William Grove en 1839 Se entiende por celda de combustible o batería de flujo todo aquel dispositivo electroquímico de conversión de energía, produce energía eléctrica a partir de una fuente externa de combustible (en realidad no es correcto emplear el término de combustible ya que no se produce ninguna reacción de combustión, un término correcto sería reactivo aunque por el carácter del trabajo y las fuentes de información usaremos el termino combustible por mantener una relación directa con los combustibles fósiles y los motores de combustión) y oxigeno, es decir combustible + oxigeno = productos de oxidación + energía eléctrica, la celda está formada por un ánodo, un cátodo y un electrolito situado entre ambos que permite el intercambio de protones, los electrodos están cubiertos por un catalizador para aumentar la eficiencia, en el lado del ánodo fluye el combustible y en el del cátodo el oxigeno, el combustible se disocia en protones (catión), electrones y lo que consideraríamos el residuo; Los electrones captados por el electrodo son obligados a circular por un circuito con lo que se obtiene la energía eléctrica útil y los protones llegan al cátodo a través del electrolito, los protones y los electrones reaccionan con el oxigeno formando vapor de agua(H2O g). Las células se agrupan el serie y/o paralelo obteniendo una pila de combustible (fuel cell stack) para generar la ddp deseada. Si el combustible es una molécula que contiene al hidrogeno el residuo producido es principalmente CO2, como es el caso de las celdas de combustible de metanol(DMFC), la emisión de CO2 es mucho menor que la de un motor de combustión y por supuesto es cero la emisión de compuestos nitrogenados y sulfuros, cabe destacar un tipo de pila denominada molten carbonate fuel cell(MCFC) la cual oxida O2 y CO2 para obtener electrones y un anión CO3-2e que atraviesa el electrolito y reduce el H2 formando H2O+CO2, el H2O se expulsa y el CO2 se recircula como resultado se elimina CO2. La máxima eficiencia teórica de la pila de combustible es del 83% ε=ΔGº/ΔHº=0,83, mientras que los motores de combustión de hidrogeno llegan al 45%. Pila de hidrogeno: En el caso de las celdas de hidrogeno en las cuales se centra el trabajo el residuo es nulo, el gas hidrogeno diatónico entra por un extremo de la célula y el gas oxigeno diatónico por la otra; estos estarán confinados en dos depósitos a la temperatura y condiciones adecuadas para obtener el mayor rendimiento posible; las moléculas de hidrogeno pierden sus dos electrones y se cargan positivamente en un proceso llamado oxidación, a su vez las moléculas de oxigeno ganan cuatro electrones por reducción. Los aniones de oxigeno se combinan con los protones de hidrogeno k atravesaron la membrana y como resultado se obtiene H2O + energía (reacción exotérmica). Reducción: O2 (g) + 2H2O (l) + 4e- => 4OH- (aq) Oxidación: 2x( H2(g) + 2OH-(aq) => 2H2O(l) + 2e-) -------------------------------------------------- Global: 2H2 (g) + O2 (g) => 2H2O (l) En realidad lo que se obtiene es vapor de agua sobrecalentado, Fuerza electromotriz de una célula de hidrogeno con el rendimiento máximo es de Fem=1,229V.


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Componentes: En si la célula de combustible está compuesta por un ánodo y un cátodo que a su vez pueden estar cubiertos por un catalizador (estés se pueden presentar de otras formas) y el electrolito. Estos se encuentran encapsulados el lo que podríamos llamar armazón, este además de dar soporte a los diferentes componentes y mantener su integridad está diseñado de tal forma que pueda circular el oxigeno y el hidrogeno de la forma más eficiente posible, el armazón estará diseñado de tal forma que dé cabida a las células necesarias para obtener el voltaje deseado, varias células en serie (electrodos bipolares) a su vez este armazón estará pensado para montarlo en una estructura (en la que puede conectarse en paralelo con otros armazones para obtener mayor intensidad) en la que se encuentren los componentes necesarios para llevar a cabo el correcto funcionamiento del sistema (elementos de circuitería y tensión, refrigeración, almacenaje de combustibles, sistema de control por sensores etc.).


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Ejemplo de un sistema completo de generación de energía eléctrica por pila de combustible (PAFC) diseñado por Toshiba, modelo Onsi PC25

La primera imagen es una pila de células de hidrógeno, las dos siguientes son un ejemplo de sistema autónomo portátil de generación de energía a partir del hidrogeno.

Kit básico autónomo portátil diseñado por Vonen Engineering (http: //www.casavonen.com, a la venta) que consta de una célula de de hidrogeno encapsulada en un armazón tubular y un deposito de hidrogeno.

Estos solo son unos pocos ejemplos de las diferentes formas que puede adoptar una célula de hidrogeno con sus diferentes características desde generación a gran escala de energía hasta pequeños equipos domésticos y exterior. No solo debemos variar la forma de encapsular y el tamaño global para obtener diferentes prestaciones sino que también debemos variar los componentes.

Electrodos: Su función es la de captar/ceder y transportar los electrones, como la reacción se desarrolla en su superficie es importante su geometría y dimensiones además de ser porosos para que los reactivos lleguen al electrolito, los materiales varían, a bajas temperaturas de trabajo (que podría ser una pila autónoma como la de un vehículo) son necesarios electrodos catalíticos de alto rendimiento en forma de nanotubos de metal como el níquel, platino, rodio, iridio, oro, tungsteno, niobio, titanio, cadmio, plomo, mercurio(todos estos metales son catalíticos e inertes y están enumerados en orden creciente de densidad de intercambio iónico) o de carbono(derivados electro-conductivos) tanto Single walled como Multi walled, mientras que a altas temperaturas (generación global de electricidad para la red eléctrica) casi cualquier metal sirve. Es importante destacar que debemos mantener aislado el electrodo de substancias orgánicas que desactivarían la catálisis.


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Catalizadores: Los catalizadores son clave para hacer viables las células de combustible en general, estos aumentan la eficiencia de la célula haciéndolas competitivas frente a los motores de combustión. Las formas en las que se presentan son variadas pero es sabido que el mayor rendimiento se obtiene empleando nanoparticulas del mismo que se depositan en el electrodo, algunos catalizadores como el iridio permiten la catálisis tanto de la reacción de reducción como de la de oxidación pero por lo general no es así, la reacción mas complicada para emplear catalizadores con éxito es la de reducción del oxigeno, algunos de los catalizadores empleados son Cobalto Prophyrine, Spinel MnCo2O4, Pyrochlorine Pb2RuIrO7 y Perouskita La,Ca,MnO3 (comercializados por Vonen Engineering).Para la reacción de oxidación del hidrogeno se puede emplear Níquel Raney (níquel-aluminio) que es muy barato en comparación con el resto. Estos son algunos catalizadores desarrollados de forma específica pero también se pueden usar los metales catalogados como catalíticos mencionados en el electrodo.

Electrolitos: Su función principal es la de captar y conducir los protones en el ánodo para cederlos al cátodo además de actuar como aislante eléctrico, estos se componen de membranas poliméricas porosas y/o cerámicas porosas. Varían en cada tipo de célula de combustible en función de sus necesidades químicas y físicas; algunos ejemplos son el polietileno, Ionomer (membrana polimérica el 15% de los monómeros que la componen están ionizados), solución alcalina NaOH, acido fórmico, acido fosfórico, carbonato alcalino fundido, hidróxido de potasio, oxido cerámico etc. través. Tipos de células (hidrogeno como combustible): Estas se clasifican según su temperatura de trabajo, electrolito y el ion de intercambio. -AFC (célula de combustible alcalina), quizás fue la primera célula de combustible en desarrollarse a principios de 1960, fue usada en el programa espacial de EEUU en este se alcanzaron la mayores cifras de eficiencia 60%; el electrolito usado es una solución alcalina de hidróxido de potasio fue desarrollada para trabajar por encima de los 250ºC pero actualmente produce a 80ºC, se pueden llegar a obtener 100KW,la reducción del oxigeno es mas rápida en ambientes alcalinos que en medios ácidos por lo que se pueden usar una amplia gama de electrocatalizadores como Spinel, Ni, Ag, óxidos metálicos etc.

Oxidación: H2 + 2OH- => 2H2O + 2e- Reducción: 1/2O2 + H2O + 2e- => 2OH- --------------------------------------------------- Global: H2 + 1/2O2 => H2O


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En esta célula se intercambian aniones hidroxilo OH-; el combustible es hidrogeno puro y oxigeno, es importante evitar el contacto del electrolito con CO2 que formaría sales K2CO3 dañinas para la célula, por lo que el principal problema es filtrar el aire empleado para eliminar el CO2 lo que hace que se vuelve costosa y delicada a ciertos niveles (automoción).

-PAFC (célula de combustible de acido fosfórico),el electrolito es acido fosfórico, el desarrollo de material que pueden soportar medios ácidos han permitido operar con acido concentrado lo que aumenta la conductividad del electrolito, los electrocatalizadores son de carbono con platino en el ánodo y carbono con rutenio en el cátodo (pueden variar) , el ion que atraviesa es el H+ y la reacción es la misma que la expuesta en la definición de la pila de hidrogeno, la temperatura de trabajo ronda los 200ºC por lo que es menos sensible a impurezas como el CO y casi insensible al CO2 aun que no puede ser alimentada directamente con aire, trabaja tanto con hidrogeno como con gas natural reformado, estas se podrían utilizar en plantas de energía estacionaria así como vehículos de grandes dimensiones, genera hasta 10MW.


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-PEMFC(célula de combustible con membrana de intercambio de protones), la reacción es la misma que en la PAFC pero este sistema utiliza una membrana solida polimérica como electrolito(fluoropolymer sulphonated,politetrafluoroetileno), las ventajas de un polímero es que es químicamente inerte hasta cierto punto y actúa como limitador de la temperatura, estas pueden operar entre 120ºC y 130ºC llegando con una membrana de poli-benzimidasol (PBI) a los 200ºC, como las temperaturas son bajas son necesarios catalizadores, puede funcionar directamente con aire, con hidrogeno o gas natural. En estas el principal problema es la gestión del agua no por refrigeración sino por inundaciones del ánodo, el agua puede atravesar la membrana, por lo que es importante controlar la humedad. Este sistema se puede aplicar tanto a la generación portátil como a la estacionaria. Es simple, rápido y trabaja a bajas temperaturas proporcionando una alta densidad de potencia. Pueden llegar a generar hasta 500KW.

-MCFC(célula de combustible de carbonato fundido),el electrolito suele ser Li2CO3/K2CO3 (litio/carbonato de potasio) o Li2CO3/Na2CO3 (litio/carbonato de sodio) en una matriz base de LiAlO2 ( cerámica de aluminio) es decir se clasifica como un electrolito cerámico poroso, el ion intercambiado es (CO3)2-,las temperaturas de trabajo son de entre 600ºC y 700ºC a estas temperaturas las cinéticas del cátodo se mejoran drásticamente(no son necesarios costosos catalizadores aunque se suele usar en el cátodo oxido de níquel y en el ánodo níquel Raney) y los carbonatos forman sales altamente conductivas.

Este sistema tiene la particularidad de que se puede incorporar un ciclo rankine debido a la generación de vapor de agua a alta temperatura, el sistema si puede alcanzar una eficiencia del 50%, además debido a la temperatura de trabajo no tiene problema con el CO2 ni el CO aunque el catalizador tiene una baja tolerancia al azufre (usarla con cas natural), la temperatura de trabajo cambia el planteamiento global del armazón, el sellado y los materiales son más costosos. Pueden generar hasta 100MW, son la opción principal de generación de energía eléctrica para la red.


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-SOFC(célula de combustible de oxido solido),el electrolito es un oxido metálico solido como el ZrO2 este garantiza la conducción iónica de los iones O2-, este sistema es más estable y seguro que el CFCM además la célula puede adoptar varias formas (tubulares, planas etc. Se pueden realizar en formas que mejoren el intercambio de calor y el sellado), la temperatura de trabajo está entre 700ºC y 1000ºC (se investiga para reducir esta temperatura, los metales disminuyen la conductividad de forma directamente proporcional a su temperatura), no son necesarios costosos catalizadores. Se puede usar tanto hidrogeno como gas natural (la mayor temperatura reduce el problema con el azufre). Oxidación: H2 + O2- => H2O + 2e- Reducción: 1/2O2 + 2e- => O2- --------------------------------------------- Global: H2 + 1/2O2 => H2O Combinándolas con turbinas en un ciclo rankine su puede alcanzar la misma eficiencia que una MCFC pero de forma más estable. También está pensada para plantas generadoras y generadores de funcionamiento continuo (no dinámico cuesta poner en marcha el proceso), un problema es la durabilidad de las interconexiones (electrodos bipolares para conexión en serie) debido a las altas temperaturas. Pueden generar hasta 100MW.

Lo más eficiente es realizar una sola pieza formada por capas que realiza la labor de electrodo y catalizador, una capa difusora para el intercambio de electrones y el soporte del catalizador junto con una capa catalítica. Dos montajes posibles son el MPCE en el cual se emplea una película de polímero conductora de protones mediante dopado(electrolito) que se empaqueta con planchas de grafito prensado(electrodo, capa difusora) por encima de las cuales se deposita platino por el método del negro platino(catalizador, capa catalítica) El otro es el DLI-MOCUD , la capa difusora está formada por carbono poroso sobre el que se deposita el catalizador a una temperatura de entre 200ºC y 300 ºC por lo que queda inmovilizado en forma de nano partículas. Vonen Engineering usa de capa difusora nanotubos de carbono Multi walled o carbono Ketjenblack sobre los que se dispone el catalizador.


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Hidrogeno: El hidrogeno es el menor de los elementos, compuesto por un electrón y un protón. Constituye el 75 % de la materia visible del universo y el 90% de los átomos, En nuestro planeta es el 10º elemento más abundante en la corteza terrestre Lo encontramos combinado en forma de agua (su compuesto más abundante, cubre el 80% de la superficie del planeta), materia viva (hidratos de carbono y proteínas; constituye el 70% del cuerpo humano), compuestos orgánicos, combustibles fósiles (petróleo y gas natural), etc. Curiosamente, es poco abundante en la atmósfera terrestre debido a que su reducida masa molecular hace difícil su retención gravitatoria. En condiciones normales es un gas diatómico H2(g), es el más ligero de los elementos y su calor de combustión(densidad energética gravimétrica) es mas de dos veces el del metano y más de tres veces el de la gasolina, tiene la relación poder calorífico-peso más alta, aunque como en la tierra en condiciones normales se encuentra en estado gaseoso diatómico su densidad volumétrica de energía es la cuarta parte que la de los hidrocarburos, el producto de su combustión es el H2O a diferencia de los hidrocarburos no genera CO ni CO2. La importancia del hidrogeno desde el punto de vista de este trabajo es la capacidad que posee de producir energía a partir de una reacción controlada, la energía eléctrica en si a día de hoy no se puede almacenar, la única forma de almacenarla es transformándola bien sea cargando baterías o produciendo hidrogeno para poder liberarla cuando queramos en una reacción electroquímica (que genere electricidad en vez de calor) limpia (por limpia me refiero a que no dañe el medioambiente), además también se puede emplear como combustible en motores de combustión generando energía calorífica (combustible para cohetes). Por todo esto el hidrogeno es un vector energético para el futuro inmediato de nuestra sociedad. Forma de obtención del Hidrogeno: Debido a que el hidrógeno es escaso en forma libre, es uno de los gases minoritarios de la atmosfera y la mayor parte de él se encuentra combinado con otros elementos, no es una fuente de energía primaria, como sí lo son el gas natural, el petróleo y el carbón. Es renovable y limpio si la fuente primaria de obtención lo es. En realidad el hidrógeno es un vector energético, es decir un portador de energía que se debe producir a partir de fuentes primarias. La fuente más común de hidrógeno es el agua, compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O). Otras fuentes son la mayor parte de los compuestos orgánicos, incluyendo todas las formas de vida conocidas, los combustibles fósiles y el gas natural. El metano, producto de la descomposición orgánica, está adquiriendo una creciente importancia como fuente de hidrógeno. Actualmente el 95% del hidrogeno se obtiene a partir de los combustibles fósiles. A partir del agua H2O podemos obtenerlo por medio de los procesos: Gas de agua: Es el producto del método mas usado para la obtención de hidrogeno gaseoso a partir de agua su reacción es C(s) + H2O (g) => CO (g) + H2 (g). El producto final es venenoso. Otra reacción empleada es CO (g) + H2 (g) => CO2 (g) + H2 (g). Los procesos mencionados emplean un agente reductor y calor (descomposición térmica) se denominan ciclos termoquímicos. Rectificación de metano: Diferenciamos 2, la primera se denomina Reformado con vapor de agua (MSR). Se obtiene por reformado del metano a partir del vapor de agua. La reacción de obtención a partir de metano es CH4 (g) + H2O (g) => CO (g) + 3H2 (g) es necesario alcanzar temperaturas muy altas entre 1200ºC y 1700ºC por lo que se necesitan materiales especiales para el reactor.


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El segundo proceso se denomina descomposición (MD), su reacción es CH4 => C(s) + 2(H2)(g) las temperaturas de operación son más bajas entre 500ºC y 950ºC, necesita catalizadores metálicos como Ni, Fe etc., o catalizadores carbonosos, el subproducto es carbono solido por lo que tiene salida comercial y da viabilidad al proceso. Estos proceso se estiman disponible durante 65 años (el metano se puede obtener de muchas fuentes gas natural, biomasa, residuos orgánicos etc. Refino petróleo: El hidrogeno en estado diatómico se puede obtener a partir de un segundo refino del petróleo. Este proceso emplea calor aunque también podrían considerarse los catalizadores usados en las torres de fraccionamiento que no están directamente involucrados en la obtención del H2 Electrolisis del agua: Es la descomposición de del agua al aplicarle una corriente eléctrica es decir el proceso inverso que el efectuado en una célula de combustible. Sería rentable si la energía eléctrica fuera barata por ejemplo un modelo de futuro seria la energía atómica de fusión combinado con el hidrogeno... Su reacción es 2(H2O) (l) =======>2(H2) (g) + O2 (g) H2SO4 (aq) Electrolisis cloro-sosa: La reacción es 2(NaCl) + 2(H2O) => Cl2 + NaOH + 2(H2) (g) podría ser un subproducto en la obtención del cloro y la sosa caustica (NaOH) a partir del cloruro de sodio. Estos dos métodos mencionados emplean energía eléctrica. En cuanto a los procesos que emplean energía radiante es decir el sol, tenemos... Fotodescomposición: Denominado también como fotolisis del agua, se produce por la interacción de la energía radiante, fotones y una molécula, su reacción es 2(H2O) + 2fotones => 4H+ + O2 + 4e- Diferenciamos 2, el primero desarrollado por Fujishima y Honda (trabajo publicado en Nature en 1972) se denomina producción fotoelectroquímica, el sistema se compone de un cátodo de platino y un photo-ánodo de TiO2 (donde inciden los fotones) en una solución de acido sulfúrico como electrolito H2SO4, se produce tanto H2 como O2, el proceso es muy complejo y existe photocorrosión de electrodos. El segundo se denomina produccion fotocatalítica de H2 es más sencillo también se produce O2 y menos photocorrosivo. El photocatalizador es de nuevo el TiO2. El funcionamiento es el de un semiconductor los fotones hacen que en un lado del semiconductor la reaccion sea H2O +2h => 2(H+) + 1/2O2 a su vez los fotones estimulan los electrones que saltan a la siguiente banda de valencia reduciendo el 2H+ a H2. La eficiencia es baja pero están en desarrollo. Biorreactores de algas: Ciertas algas unicelulares fotosintéticas (Chlamydomonas reinhardtii) privadas de la fuente de azufre y que al realizar la fotosíntesis producen H2 y no O2 como seria lo habitual. Hemos de destacar que todos los procesos pueden derivar de la obtención de energía a partir del sol para la obtención de H2 como muestra la siguiente figura.


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Almacenamiento del Hidrogeno: El siguiente paso en la cadena del hidrogeno que se debe construir para poder depender del mismo como vector energético es su almacenamiento, lo cual es un elemento clave de la cadena una buena gestión del almacenado no solo permitirá una producción continua de hidrogeno aprovechable sino que también será el soporte para una buena distribución. El equivalente en hidrogeno a un litro de gasolina son 4,6 litros de H2 a 700 Bar de presión. La elección del tipo de almacenamiento depende de la aplicación en concreto. Los grandes tanques presurizados generalmente son la mejor opción para aplicaciones estacionarias. En aplicaciones móviles o portátiles la relación peso/tamaño es crucial. En estas aplicaciones (se incluyen los vehículos) el intervalo de operación y el tiempo está limitado por la cantidad de combustible y esta debe ser la mayor posible teniendo siempre en cuenta los costes totales. Cabe destacar que a día de hoy para el almacenamiento en vehículos aun es necesario un avance decisivo en la tecnología para competir con los hidrocarburos aun se mejora con creces el resultado de las baterías, el peso es mucho menor y el tiempo de recarga es comparable al de un vehículo actual (depende de la forma en la que se almacene el H2) Este puede almacenarse como gas presurizado, en estado líquido, embasado por absorción, embasado por adsorción etc.

o Hidrogeno gaseoso: Se debe realizar una compresión a muy alta presión, actualmente lo normal se encuentra entre los 200-350Bar de presión, en estas condiciones la densidad volumétrica de energía sigue siendo mucho menor que la del petróleo. Se desarrollan depósitos prototipo de hasta 700 Bar para automóviles donde el tamaño es un elemento clave, para almacenar hidrogeno a gran escala de forma estacionaria la presión de almacenado ira en función del coste del depósito es decir si el material del depósito supera en coste de producción a la producción de energía del H2 almacenado a largo plazo es rentable diseñar otro depósito que soporte mayores presiones. Por norma general los tanques son de aceros bajos al carbono, composites de carbono con metales, aunque todos los metales con estructura FCC sirven.


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o Hidrogeno líquido: El hidrogeno en estado líquido se considera criogénico pues su ebullición se encuentra a -250ºC, para licuar el H2 y mantenerlo en ese estado es necesaria una gran cantidad de energía, sería necesario desarrollar un proceso continuo a gran escala para compensar la energía empleada. En estado líquido su densidad de energía volumétrica es mayor que la de la gasolina. Este se puede contener en depósitos Dewar al vacio o dobles recipientes criogénicos ( para mantener la temperatura), en algunos países se plantea la opción de un almacenamiento subterráneo en depósitos de hormigón. En cuanto al fenómeno de cambio de estado, el hidrogeno sufre una conversión orto-para, paralela (orto-hidrogeno) y antiparalela (para-hidrogeno) la cual tiene un nivel menor de energía, es necesario la licuefacción en presencia de un catalizador para pasar de orto a para en regímenes aceptables, a 20,3ºK el 99,7% de hidrogeno se encuentra en forma para, la energía necesaria para la transformación es de 14,1MJ/kg.

Deposito de hidrogeno liquido desarrollado por BMW todos los componentes están en el interior y esta realizado en su mayor parte en composite para ahorrar peso.

o Hidruros químicos: Otra opción es enlazar el hidrogeno químicamente de forma que la reacción pueda ser reversible, ya sea directamente en la pila de hidrogeno como es el caso del metanol o con un subproceso anterior a la entrada del hidrogeno en la pila. Algunos ejemplos son NaBH4, metanol, NaH, LiBH4 etc. Con esto conseguimos no solo almacenarlo con más facilidad también conseguimos una mayor densidad volumétrica de energía. El posible inconveniente lo podemos tener con la reacción en la célula.


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o Estructuras carbonosas: El carbono es muy abundante aunque como su producción es escasa a día de hoy es caro, el carbono puede adsorber(fuerzas de Van der Walls) el hidrogeno en forma de polvo o en una estructura de nanotubos (fullerenos largos) ya sea en monocilindro SWDT (single walled) o en policilíndrica MWNT(multi walled, serian varios nanotubos coaxiales de diferentes diámetros).A 300ºK los nanotubos abierto y organizados en hexagonal muestran un alto grado de adsorción cuando se disminuye la temperatura a 150ºK el carbono tiene la capacidad maxima de adsorción Las ventajas del carbono son el poco tiempo global de adsorción y desorción y que podría llegar a superar el 10% de hidrogeno almacenado en peso.

o Hidruros metálicos(MH): El hidrogeno no es almacenado ni como gas ni como liquido si no que es almacenado directamente en la red estructural de la materia de un hidruro metálico, alcanzando una muy alta densidad volumétrica de energía, mayor incluso que en estado liquido, además de bajas presiones 2-4 Bar, no presenta efecto autodescarga por lo que pueden ser almacenados durante años además de la alta pureza del hidrogeno contenido ya que el hidruro solo absorbe hidrogeno, no pierde capacidad de almacenamiento con el uso, los hidruros metálicos so forman con aleaciones de magnesio o tierras raras, los metales se alean para optimizar el peso y la adsorción. La recarga produce calor y para descargarlo es necesario un aporte de calor (este se puede conseguir con una pequeña descompresión), presenta ventajas en manejo y seguridad frente a los otros métodos de almacenamiento, el problema es el elevado coste del material el peso y una carga relativamente lenta, ya son empleados en submarinos y Vonen Engineering los comercializa en pequeños envases.

Envase de hidrogeno de hidruro metálico modelo HC-MH1200 almacena 1200L de hidrogeno, peso 11Kg, dimensiones 350mm altura 150mm diámetro, potencia estimada según célula 2600Wh.


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3. ANÁLISIS DEL CICLO DE VIDA DE UNA PILA DE HIDRÓGENO

El análisis del ciclo de vida de un producto se divide en cinco partes:

1º Adquisición de materias primas

2º Fabricación, procesado y formulación de productos

3º Distribución y transporte

4º Uso/reutilización y mantenimiento

5º Gestión de residuos

Las cuales vamos a analizar con más detalle:

ADQUISICIÓN DE MATERIAS PRIMAS

El hidrógeno elemental es muy escaso en la Tierra y es producido industrialmente a partir de hidrocarburos como, por ejemplo, el metano. La mayor parte del hidrógeno elemental se obtiene "in situ", es decir, en el lugar y en el momento en el que se necesita. El hidrógeno puede obtenerse a partir del agua por un proceso de electrólisis, pero resulta un método mucho más caro que la obtención a partir del gas natural.

Este elemento se encuentra en abundancia en las estrellas y los planetas gaseosos gigantes. Las nubes moleculares de H2 están asociadas a la formación de las estrellas. El hidrógeno también

juega un papel fundamental como combustible de las estrellas por medio de las reacciones de fusión nuclear entre núcleos de hidrógeno.

Los principales procesos de obtención del hidrógeno son los siguientes:

Electrolisis: El proceso de la electrólisis consiste en la descomposición del agua utilizando la electricidad. Es un proceso que está disponible comercialmente con una tecnología comprobada. Es un proceso industrial conocido desde hace tiempo y por ello perfectamente entendido; tiene la ventaja de que es modular y puede adaptarse fácilmente para pequeñas o grandes cantidades de gas; el hidrógeno que se obtiene mediante este procedimiento tiene una gran pureza. Otra ventaja de la electrólisis es su posible combinación con las energías renovables para producir H2 a partir de fuentes renovables, compensando la naturaleza intermitente de algunas de estas fuentes. Plantea una competencia directa con el uso directo de la electricidad renovable: la energía generada se vierte a la red o se emplea en la electrólisis.

Reformado (aplicaciones estacionarias y en vehículos): Consiste en la reacción de hidrocarburos con calor y vapor de agua. También es un proceso generalizado a gran escala y permite obtener un hidrógeno de bajo coste a partir de gas natural. Plantea oportunidades para combinarse con la fijación de CO2 a gran escala (“almacenamiento del carbono”). Como contrapartida las unidades a pequeña escala no son comerciales y el hidrógeno contiene algunas impurezas (en algunas aplicaciones puede resultar necesaria una limpieza del gas o reacciones secundarias para la eliminación del CO). Las emisiones de CO2 junto al proceso de fijación del CO2, que genera costes adicionales, son los inconvenientes que se le pueden encontrar a este proceso.


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Gasificación: Partiendo de hidrocarburos pesados y biomasa se forma hidrógeno y gases para reformado mediante la reacción con vapor de agua y oxígeno. Perfectamente adecuado para hidrocarburos pesados a gran escala, puede utilizarse para combustibles sólidos, como el carbón, y líquidos. Presenta algunas similitudes con combustibles sintéticos derivados de la biomasa –la gasificación de biomasa en fase de demostración-. Las unidades pequeñas son muy escasas, ya que el hidrógeno suele exigir una limpieza sustancial antes de su uso. La gasificación de biomasa aún es objeto de investigación y tiene implicaciones debido a la utilización de grandes extensiones de tierra. El hidrógeno que se obtendría mediante este proceso entra en competencia con los combustibles sintéticos derivados de la biomasa.

Ciclos termoquímicos que utilizan el calor barato de alta temperatura procedente de la energía nuclear o solar concentrada. Este proceso sería potencialmente atractivo para su aplicación a gran escala, con bajo coste, y sin emisión de gases de invernadero, para la industria pesada o el transporte. Para ello existen diferentes proyectos de colaboración internacional (Estados Unidos, Europa y Japón) sobre investigación, desarrollo y puesta en operación de plantas que operen con este proceso. Actualmente hace falta una mayor investigación y desarrollos no comerciales sobre el proceso que pueden alargarse durante los próximos diez años: los temas que se estudia desarrollar son materiales, tecnología química, y la implantación del reactor nuclear de alta temperatura (HTR).

Producción biológica: Las algas y las bacterias producen directamente hidrógeno en determinadas condiciones. Durante los últimos años se estudia este recurso de gran envergadura potencial aunque con un ritmo de producción de hidrógeno bastante lento. Se necesitan grandes superficies y la mayor parte de los organismos apropiados no se han encontrado todavía. Hoy día está siendo objeto de estudio en distintos centros investigación.

FABRICACIÓN, PROCESADO Y FORMULACIÓN DE PRODUCTOS

Una pila de combustible está formada por la unión en serie de varias celdas individuales. Cada una de las celdas consta por dos electrodos (ánodo y cátodo) donde se produce respectivamente la oxidación del hidrógeno y la reducción del oxígeno. Cuentan además con un electrolito (que puede ser en medio ácido o básico, tal y como se muestra en la figura 1) que permite el intercambio de iones de ambas reacciones. Uniendo una celda con la siguiente se encuentra la placa bipolar (con la función de canalizar los gases) que permite la circulación de electrones, que pasando por circuito externo, completa las reacciones dando electricidad. En la figura siguiente se muestra de manera esquemática el funcionamiento de una pila de combustible:


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Tipos de Pilas de Combustible y sus aplicaciones

La clasificación de las pilas de combustible se realiza en base al electrolito que utilizan, en la tabla que se ofrece a continuación aparecen los distintos tipos de pilas, así como las temperaturas a las que suelen trabajar y otros datos:


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Las más adecuadas para aplicación en tracción eléctrica de vehículos son las pilas de electrolito polimérico, también conocidas como de membrana intercambiadora de protones (PEM según sus siglas en inglés). Como su nombre indica, el electrolito de estas pilas poliméricas, está constituido por una membrana de un polímero especial, conductor de protones (H+). Actualmente el polímero más utilizado para el desarrollo de este tipo de pilas es el Nafion, un polímero perfluorado con grupos sulfonato polares cuya estructura se esquematiza en la siguiente figura.


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Dentro de las aplicaciones del hidrógeno y las pilas de combustible se incluyen prácticamente todas las que necesitan energía eléctrica y mecánica en cualquier rango de potencia, como pueden ser:

-dispositivos portátiles (teléfonos móviles, ordenadores portátiles)

-instalaciones remotas

-cogeneración residencial (para producir electricidad dentro de los hogares

-cogeneración distribuida o centralizada (plantas de producción de electricidad más grandes para edificios)

-transporte (desde bicicletas hasta aviones, barcos o naves espaciales).

Fabricación de pila de combustible

Los stacks de una pila de combustible de ácido fosfórico poseen los siguientes componentes básicos:

• Electrodos (ánodo y cátodo). Fase líquida (ácido fosfórico),

• Matriz conteniendo el electrolito (ácido fosfórico).

• Separador y platos de enfriamiento.

• Sistema de entrada múltiple (manifolds).

• Otros componentes más pequeños

La estructura básica de una PAFC consiste en un electrolito (ácido fosfórico) que está contenido en una matriz, la cual se encuentra introducida entre dos electrodos, que son el ánodo y el cátodo.

Cada electrodo contiene una capa de catalizador en la que se producen las siguientes reacciones:

ÁNODO

H2 (g) → 2H+ + 2e-

CÁTODO

2e-+ 2H+ + 1⁄2O2 (g) → H2O (g)


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Los iones de hidrógeno son transferidos desde el ánodo al cátodo a través del electrolito, y los electrones del ánodo al cátodo vía circuito externo.

La reacción global es la siguiente:

H2 (g) + 1⁄2O2 (g) → H2O (g)

Las reacciones, tanto en el ánodo como en el cátodo, ocurren en la llamada zona de tres fases. Recibe este nombre porque en esa zona están presentes las tres fases:

Fase solida (catalizador -Pt-),

Fase líquida (ácido fosfórico),

Fase gas (hidrógeno y oxígeno).

La estructura de la celda es la siguiente:

Para que esta reacción tenga lugar eficientemente, la capa porosa de catalizador debe ser fabricada de manera que tenga suficientes poros para que los gases se difundan libremente y el ácido penetre adecuadamente, ofreciendo un contacto suficiente sobre la superficie de


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catalizador de Pt. En cuanto a los "manifolds" su primera función es la de alimentar los reactivos gaseosos hasta cada celda. Es importante la alimentación de la corriente de H2 y de CO2 debido a su diferencia de densidades.

El electrodo está compuesto de una capa de catalizador donde tiene lugar la reacción electroquímica y un sustrato donde la capa de catalizador esta soportada mecánicamente.

Los componentes de la capa de catalizador son:

Carbón para soporte del catalizador

El catalizador (Pt) altamente dispersado

Un agente hidrofóbico como el PTFE (teflón).

La superficie de contacto del platino es alta por lo que se utiliza como catalizador. La utilización del Pt es debido a que la reacción ocurre a una temperatura de trabajo baja comparada con las demás pilas de combustible, por lo que dicha reacción debe ser promovida por un catalizador.

Ácido Fosfórico:

El ácido utilizando como electrolito es el fosfórico por las siguientes razones:

Buen rendimiento bajo condiciones de alta temperatura

Tolerancia al CO2

Baja presión de vapor

Alta solubilidad para el O2,

Buena conductividad iónica a alta temperatura,

Baja velocidad de corrosión a altas temperaturas, y

Elevado ángulo de contacto.

La Matriz


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El ácido fosfórico está contenido en la matriz propiamente dicha. La función de la matriz es contener el ácido fosfórico por acción capilar. La matriz normalmente usada está compuesta de SiC con una pequeña cantidad espolvoreada de PTFE.

El espesor de la matriz debe ser lo más pequeño, para así, minimizar la resistencia interna.

Los requerimientos básicos de la matriz que contiene el ácido fosfórico son los siguientes:

Elevada acción capilar para retener el ácido.

Prevenir el cruce de los gases dentro de la celda.

Estabilidad química a elevadas temperaturas.

Alta conductividad térmica.

Suficiente resistencia mecánica.

La estructura de la matriz corriente puede cumplir todas estas condiciones exceptuando la de resistencia mecánica. El circuito eléctrico de la celda está completado por un camino externo para los electrones debido a la conductividad de los separadores.

Separadores:

La característica principal de los separadores es la de impedir la mezcla del gas rico en H2 del ánodo con el aire del cátodo de la celda contigua, además, de conectar a dos celdas eléctricamente.

Los requerimientos de los sustratos se exponen a continuación:

Suficiente impermeabilidad para prevenir la mezcla de los gases.

Estabilidad química a alta temperatura y presión, además,a la naturaleza del ácido fosfórico.

Alta conductividad eléctrica y térmica.

Elevada resistencia mecánica.

El material utilizado en la fabricación de los separadores es carbón vítreo o un polímero de carbón. El espesor de los separadores no debe ser muy elevado, para que no disminuya su conductividad.


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Método de construcción para los electrodos y el sustrato

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.

Estos soportes se fabrican con un tipo de carbón especial (carbón activado), conocido en el mercado como carbón ETJEN, VULCAN XC72R.

Para la construcción de los electrodos ánodo – cátodo se deben de seguir las siguientes etapas:

1) Etapa de impregnación.

2) Etapa de reducción y filtrado.

3) Etapa de secado y prensado.

En las cuales se deben experimentar con los factores de Presión de prensado, temperatura de prensado, tiempo de prensado, % de capa de catalizador y carbón, de forma que se encuentre un equilibrio entre resistencia mecánica y porosidad para el soporte, para que éste posea una contextura aceptable (resistente mecánicamente y con superficie homogénea y sin fisuras)

Acople final de todas las piezas que conforman la celda. En primera instancia, se debe hacer un sándwich entre la matriz y los dos electrodos. El procedimiento para lograr unir estas tres partes es el de prensado en caliente; proceso que se debe de llevar a cabo controlando la presión y la temperatura y cuyo producto final adopta la apariencia de un sándwich. Este sándwich va en medio de los platos distribuidores y se pone lo más centradamente posible. En el canal más externo de cada plato se coloca un empaque y la acción combinada de estos dos empaques ajustan el borde más externo del sándwich. De esta forma se previenen el paso de gases del ánodo al cátodo y viceversa, evitando así el corto circuito. Estos platos a su vez se ponen en medio de dos placas de cobre (colectoras de electricidad) y todo el conjunto se ajusta a través de cuatro tornillos, ( o más dependiendo del tamaño final), que están aislados eléctricamente.


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DISTRIBUCIÓN Y TRANSPORTE

Almacenamiento y transporte de hidrógeno

Existen distintos métodos para el trasporte y almacenamiento de hidrógeno, las posibilidades dependen de la aplicación para la que se destina el hidrógeno y de la complejidad de ejecución.

Los sistemas de almacenamiento y transporte de hidrógeno pueden ser clasificados en función de su estado gaseoso, líquido o sólido. Para llegar a emplear sistemas de distribución a gran escala la tecnología de tuberías subterráneas debe estar bien desarrollada y los costes económicos deben ser favorables de manera que sea más barato distribuir la energía bajo tierra que como electricidad mediante cables aéreos. Las opciones principales para el almacenamiento y transporte en cantidades apreciables son los gases comprimidos, los líquidos criogénicos y los hidruros metálicos, cada sistema tiene sus pros y sus contras en función de la aplicación deseada.

Almacenamiento de hidrógeno en forma gaseosa

Dado que los sistemas y métodos de producción generan hidrógeno gaseoso en lugar de líquido o almacenado mediante combinación química y que el hidrógeno se emplea en su forma gaseosa, parece ventajoso almacenar y transportar el hidrógeno en dicho estado.

La comparación frente a otros combustibles indica que el almacenamiento del hidrógeno gaseoso en recipientes a presión no es competitivo. Esto es debido a la baja densidad del hidrógeno gaseoso y al alto coste de los recipientes a presión. El almacenamiento de hidrógeno gaseoso comprimido es voluminoso y/o pesado y el coste por unidad de energía es alto.

Almacenamiento gaseoso en tanques metálicos

Para aplicaciones especiales se fabrican tanques con aceros bajos al carbón, normalmente tipo 4130 mediante una técnica que proporciona tubos no soldados muy resistentes


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Transporte de hidrógeno en forma gaseosa

El creciente interés en el uso del hidrógeno como vector energético ha dado lugar a numerosos estudios acerca de la viabilidad del transporte de hidrógeno mediante tuberías. Se compara entonces las tuberías de hidrógeno con las tuberías de gas natural existentes. La estructura de los sistemas de hidrógeno es similar a la del gas natural con algunos cambios en ciertos parámetros como el diámetro, el nivel de presión y las distancias entre las estaciones de compresión debido a las propiedades físico químicas del hidrógeno gaseoso.

Compresores para tuberías de hidrógeno

Dentro del mundo del hidrógeno la compresión es un aspecto que no se conoce lo suficiente. En este momento, en la industria del gas natural, se emplean dos tipos de compresores para incrementar la presión en los sistemas de tuberías. Dichos tipos son: de pistón o compresores alternativos y los turbocompresores radiales o compresores centrífugos.

Debido a las diferencias entre las propiedades del gas natural y del hidrógeno se producen problemas en ambos tipos de compresor si se utiliza el mismo equipo con ambos gases. Razón por la cual habría que modificar su diseño para que pudieran operar con el hidrógeno. Sin embargo el principal problema no está en el diseño sino en las necesidades de capacidad, presiones operativas, relación de compresión y diferencias de presión.

Almacenamiento de hidrógeno en forma líquida

Introducción a los procesos de criogenización

La criogenización está íntimamente relacionada con las propiedades y usos de los materiales a temperaturas extremadamente bajas en las etapas de producción, almacenamiento y operación de los fluidos criogénicos.

Un gas es considerado criogénico si puede cambiar a estado líquido al reducir su temperatura a un valor muy bajo. Normalmente los fluidos criogénicos son gases a temperatura y presión ambiente.

La consecución de temperaturas tan bajas se logra mediante recipientes de almacenamiento aislados por vacío llamados Dewar o bien mediante tanques de doble capa que contienen otro fluido criogénico intermedio como puede ser el nitrógeno líquido.

Propiedades del hidrógeno líquido relativas al almacenaje y manipulación

El hidrógeno líquido es transparente, incoloro, inodoro e insípido. Las propiedades más importantes desde el punto de vista del almacenamiento y manipulación son su baja temperatura de ebullición, baja densidad y alta volatilidad.

El hidrógeno muestra un fenómeno de conversión orto-para. Este fenómeno se produce porque el hidrógeno tiene dos disposiciones posibles: la paralela (orto-hidrógeno) y la antiparalela (para-hidrógeno). Está última configuración tiene el menor nivel de energía sin embargo la configuración orto tiene el triple de niveles de energía disponibles. De manera que a elevada temperatura (temperatura ambiente y superiores) el hidrógeno en equilibrio está formado por un 75% en forma orto y un 25% en forma para. A temperatura de 20.3 K estos porcentajes varían hasta alcanzar un 99.7 en forma para. Si el hidrógeno se licua sin la presencia de un catalizador que acelere la conversión de hidrógeno orto a para el producto resultante tiene básicamente la misma composición que tendría a temperatura ambiente (hidrógeno “normal”). La energía teórica para la licuefacción del hidrógeno es de 11.8 MJ/kg aunque si la conversión transcurre durante la licuefacción la energía necesaria se eleva hasta 14.1 MJ/kg.


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A pesar de estas y otras dificultades la tecnología para el manejo y almacenamiento de hidrógeno líquido se ha desarrollado de forma exitosa.

Almacenamiento criogénico

Una vez que el hidrógeno ha sido licuado y purificado se necesita de un sistema que permita su trasiego y almacenaje. Los objetivos principales de estos sistemas están orientados a minimizar las pérdidas de fluido criogénico y a mantener las velocidades de transferencia dentro de unos parámetros de seguridad, fiabilidad y costes.

Sistemas de aislamiento

El avance experimentado en el desarrollo de materiales y técnicas para el aislamiento ha sido formidable. Existen múltiples sistemas para el aislamiento, la mayoría de ellos empleados en el almacenamiento: vacío con “escudo” de nitrógeno líquido, vacío+espumas, vacío+perlita y vacío+multicapas, “superaislamiento”. La elección de uno u otro para una aplicación en particular depende de factores como el coste, la rugosidad, el peso, el volumen y la fiabilidad. La propiedad más importante de los aislamientos es su conductividad térmica. Para una pérdida de calor dada el espesor de los aislamientos puede variar mucho en función del tipo escogido.

Depósitos Dewar

Los recipientes a presión de hidrógeno líquido se construyen en una gran variedad de tamaños desde frascos de laboratorio de un litro hasta Dewars de 3 millones de litros en las aplicaciones aeroespaciales. El funcionamiento de estos depósitos de almacenamiento varía y depende principalmente del tipo de aislamiento empleado, del tamaño y forma del depósito y del soporte estructural del mismo.

Almacenamiento a gran escala

La situación se divide en dos partes:

Almacenamiento en superficie:

o Pared simple:

-Aislados externamente.

-Aislados internamente.

o Doble pared (ambas rígidas)

-Aislamiento de perlita.

-Aislamiento de perlita con vacío en el espacio intermedio.

-Aislamiento de capas múltiples con vacío en los espacios intermedios.

o Doble pared (una pared flexible)

-Aislamiento mediante esferas de vidrio hueco con vacío en los espacios intermedios.


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Almacenamiento subterráneo:

o Congelado en el suelo o en cavernas interiores.

o Hormigón pretensado.

Transporte de hidrógeno en forma liquida

El transporte de hidrógeno líquido está bien establecido y se realiza a través de transporte rodado, ferrocarril y transporte marítimo.

El transporte por carretera se realiza en depósitos Dewar de 48000 l y 52000 l montados en camiones. Hay camiones especiales que son capaces de transportar depósitos de 80000 l. Todos estos depósitos están equipados con aislamiento multicapa con pérdidas por ebullición del 0.25% por día.

Las cisternas de ferrocarril para el transporte de hidrógeno líquido son depósitos Dewar horizontales de forma cilíndrica con una capacidad de 10000 l sin embargo algunas cisternas especiales alcanzan la capacidad de 120000 l.

Las cisternas utilizadas en los buques de carga también son Dewar. Estos depósitos tienen una capacidad de 1 millón de litros. Un ejemplo de este tipo de servicio es el que se realiza entre Luisiana y el Kennedy Space Center en Florida.

El hidrógeno se transporta en forma líquida por una cuestión económica. Un camión cisterna transporta en hidrógeno líquido el equivalente de 15 a 30 camiones de hidrógeno gaseoso a presión. Posteriormente el hidrógeno se convierte a gas ya en la planta donde vaya a ser

utilizado, la capacidad típica de estos convertidores es de hasta 3000 m3/h.

Situación actual de los sistemas de transferencia

El transporte de hidrógeno licuado se realiza por cualquiera de estos dos métodos.

En Dewars (discutido en puntos anteriores)

Por tuberías especiales

El diseño de tuberías para la transferencia de hidrógeno es de vital importancia especialmente cuando se requiere de altas eficiencias a largas distancias. Las tuberías de transferencia para fluidos criogénicos suelen ser de tres tipos:

No aisladas (tuberías desnudas)

Aislamiento poroso

Aislamiento por vacío ( puede estar combinado por multicapa o aislamiento en polvo)

El aire líquido, el oxígeno, el nitrógeno se transfieren a través de tuberías no asiladas en tramos de pequeña longitud. Este tipo de tuberías tienen la ventaja de su bajo coste, bajo mantenimiento, facilidad de diseño y adaptabilidad sobre el terreno. Las desventajas se centran fundamentalmente en su alta conductividad. A pesar de ello Richard realizó un estudio para determinar la fuga energética y la caída de presión para este tipo de tuberías si se emplearan con hidrógeno líquido. El estudio concluye que es posible emplear este tipo de tuberías siempre y cuando el periodo de uso sea corto o si las instalaciones son de carácter temporal o experimental.


ECOLOGÍA

Los sistemas con aislamiento son más utilizados. En el caso del oxígeno líquido o nitrógeno se emplean lana de vidrio, espuma de poliuretano o espuma de polimetano. Además es necesario colocar una barrera de vapor en la cara exterior del aislamiento como protección frente al vapor de agua. El aire puede condensar dentro del aislamiento con lo cual aumenta el riesgo de explosión razón por la cual no se emplean los aislamientos porosos con el hidrógeno líquido.

La forma más usual de aislamiento es emplear vacío rodeando a modo de camisa la tubería de trasferencia. Los tamaños varían desde ¼ a 20 pulgadas de diámetro, las presiones van desde unos pocos kilopascales a 20 bares y las longitudes van desde unos pocos metros a un par de kilómetros.

Los materiales empleados en la construcción de los sistemas de transferencia criogénicos deben ser compatibles con las necesidades operativas. Si el material se va a utilizar estructuralmente es importante que mantenga la ductilidad a la temperatura de funcionamiento. Por tanto la posibilidad de fragilización es una característica importante. Cuando el problema viene dado por la transmisión de calor se deben utilizar materiales de baja conductividad. También se deben considerar todos aquellos procedimientos auxiliares que contribuyan a la seguridad y eficiencia del sistema. El purgado antes y después del funcionamiento elimina problemas de contaminación que podrían desembocar en mezcla explosivas. Por tanto las tuberías de transferencia deben disponer de instrumentación adecuada de temperatura y presión

Tecnología de los hidruros metálicos

Ventajas de los hidruros metálicos

Como se ha introducido en puntos anteriores el almacenamiento de hidrógeno gaseoso comprimido necesita de altas presiones en los depósitos de confinamiento mientras que el almacenamiento líquido necesita de depósitos criogénicos. Ambos sistemas presentan dificultades, el almacenamiento gaseoso es muy voluminoso y el almacenamiento líquido es poco práctico en aplicaciones no industriales además de caro. En esta coyuntura aparece el almacenaje por hidruros metálicos que soslaya algunos de los inconvenientes anteriores y presenta un modo compacto, intermedio en peso, para el almacenamiento.

Teoría de los hidruros metálicos

Los hidruros metálicos se dividen en tres categorías generales en función del tipo de enlace: iónicos, metálicos y covalentes.

Los distintos grupos de hidruros candidatos al almacenamiento de hidrógeno se denominan como AB, AB5 y A2B. Cada grupo tiene características especiales. Los AB son los de menor

coste, los A2B son más ligeros y los AB5 muestra poca histéresis, tolerancia a las impurezas y

fácil hidrogenación además tanto los AB como los AB5 tienen presiones de equilibrio de unos

pocos bares hasta 100 ºC.

El almacenamiento se produce del siguiente modo. Al principio el metal está libre de hidrógeno. A una temperatura dada el hidrógeno se disuelve en la fase metálica aumentando la presión. Al aumentar la temperatura llega un momento en el que la fase alfa se convierte en la fase hidruro. Conforme aumenta la presión los incrementos en el contenido de hidrógeno son cada vez menores hasta que el material puede considerarse cargado. En la descarga la presión disminuye de manera que debe suministrarse calor si se quieren mantener condiciones isotermas de reversibilidad. Sin embargo, aun en el mejor de los casos, se produce un efecto de histéresis.


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Problemas técnicos del almacenamiento de hidruros

Los problemas encontrados hasta el momento están relacionados con la transferencia de calor, el deterioro del lecho metálico, la seguridad, la fragilización, la baja densidad de almacenamiento, la baja densidad de energía y la necesidad de desarrollar compresores de hidrógeno fiables.

La velocidad en el proceso de carga y descarga del hidrógeno depende del coeficiente de transmisión de calor en el lecho metálico y de las presiones y temperaturas de almacenamiento. Sin embargo no se trata de un aspecto que no pueda ser superado con eficacia.

La emisión y absorción de calor asociada a los procesos de hidrogenación y deshidrogenación parece causar el descascarillado de los hidruros metálicos debido al cambio de volumen. Con el tiempo esta tendencia disminuye el tamaño de grano del lecho metálico lo que supone una limitación en el proceso.

USO/REUTLIZACIÓN Y MANTENIMIENTO

Las aplicaciones de las pilas de combustible pueden abarcar una amplia variedad de productos: desde dispositivos portátiles (teléfonos móviles, ordenadores, pequeños electrodomésticos), donde las pilas empleadas son de pequeño tamaño, pasando por aplicaciones móviles como vehículos de todo tipo (coches, autobuses y barcos), hasta generadores de calor y energía en aplicaciones estacionarias para empresas, hospitales, zonas residenciales, etc.

Se ha previsto que los futuros sistemas energéticos dispondrán de conversores mejorados de energía convencional basados en el hidrógeno (motores de combustión interna, motores de Stirling o turbinas), así como otros vectores energéticos (calor y electricidad producidos directamente a partir de energía renovable y biocarburantes para el transporte).

A continuación se presentan los principales usos que pueden tener las pilas de combustible

Industria militar

Se espera que las aplicaciones militares supongan un mercado muy significativo para la tecnología de pilas de combustible. La eficacia, versatilidad, prolongado tiempo de funcionamiento y su operatividad sin ruidos, hacen de las celdas de combustible un sistema a la medida para las necesidades de los servicios militares. Las pilas de combustible podrían aportar una solución de generación energética válida para el equipamiento militar portátil terrestre o marítimo.

Las pilas de combustible en miniatura podrían ofrecer grandes ventajas sobre las pilas sólidas convencionales voluminosas y además se eliminaría el problema de su recarga.

Siguiendo la misma tónica, la eficacia de las pilas de combustible para el transporte vería reducida drásticamente la necesidad de combustible necesario durante las maniobras. Los vehículos serían capaces de recorrer grandes distancias o trabajar en áreas remotas durante más tiempo y la cantidad de vehículos de apoyo, personal y equipamiento necesario en la zona de combate podrían reducirse. Desde 1980 la marina estadounidense ha empleado celdas de combustible en embarcaciones para el estudio de profundidades marinas y en submarinos no tripulados.


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Dispositivos portátiles

El desarrollo continuo de las pilas de combustibles ha contribuido al desarrollo de numerosos dispositivos electrónicos móviles. La miniaturización de las pilas de combustible ofrece serias ventajas respecto a las baterías convencionales, tales como el incremento del tiempo de operación, la reducción del peso y la facilidad de recarga.

Para este tipo de aplicaciones como ordenadores portátiles, teléfonos móviles y videocámaras, será necesario considerar los siguientes parámetros que deben darse en las pilas:

Baja la temperatura de operación, Disponibilidad de combustible Activación rápida.

En este punto, la investigación se centra en dos tipos de pilas: las pilas de membrana polimérica (PEM) y las pilas de combustible de metanol directo (DMFC).

El uso de metanol en las DMFCs ofrece una gran ventaja sobre las baterías sólidas en cuanto a la recarga con el combustible en lugar de la utilización de una carga eléctrica externa durante largos periodos de tiempo. Las desventajas actuales son relativas al coste del catalizador de platino necesario para convertir el metanol en dióxido de carbono y energía eléctrica a bajas temperaturas y baja densidad energética. Si se logran superar dichos inconvenientes, entonces no habrá dificultad para que se promuevan este tipo de pilas. Se han efectuado ensayos de DMFC en Estados Unidos para el suministro energético a teléfonos móviles, mientras que los ensayos en ordenadores portátiles se han desarrollado en Alemania.

Abastecimiento energético en viviendas

Las dificultades técnicas a la hora de diseñar las pilas de combustibles se simplifican en las aplicaciones estáticas. La mayoría de las pilas de combustibles comercializadas, si no todas, son inmóviles y trabajan a gran escala (generando más de 50 kW de energía eléctrica). Hay, sin embargo, un potencial significativo para unidades menores para aplicaciones en viviendas (menores que 50 kW).

Todo el calor y los requerimientos energéticos de residencias privadas o pequeños negocios podrían servirse de pilas de membrana polimérica (PEM) ó de ácido fosfórico (PAFC). Actualmente, estas unidades no se encuentran fácilmente disponibles. Sólo existen algunos casos en los Estados Unidos, Japón y Alemania de pilas de membrana polimérica (PEM). Este tipo de pilas ofrecen una mayor densidad energética respecto a las PAFC, pero éstas pueden ser más eficientes y su fabricación actualmente es más económica. Las unidades podrían abastecer a casas independientes o grupos de viviendas y podrían diseñarse para satisfacer todas las necesidades energéticas de los habitantes.

Para permitir un arranque inicial de esta tecnología, se pueden emplear redes de distribución de gas natural que será la fuente para obtener el combustible de hidrógeno. Sin embargo, los fabricantes pronostican fuentes alternativas de combustible para poder así reducir aún más las emisiones y encontrar nuevos huecos en el mercado. La última incorporación dentro del mercado estacionario de pilas de combustible es la General Motors, que desarrolló una unidad en agosto de 2001.


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Misiones espaciales

La necesidad del gobierno estadounidense de identificar una energía de confianza y segura que sirviera como fuente de abastecimiento para misiones espaciales tripuladas a finales de los 50 y principios de los 60, proporcionó el ímpetu y la ayuda para el avance considerable de la industria de pilas de combustible.

La combinación de su peso ligero, el aporte de electricidad y calor sin ruidos significativos y vibraciones y con la ventaja añadida de la producción de agua potable, otorgaron a las pilas de combustibles ventajas considerables con respecto a otras fuentes de energía alternativas.

La pila de combustible Grubb-Niedrach producida por General Electric fue la primera usada por la NASA para suministrar energía al proyecto espacial Gemini. Este fue el primer uso comercial de las celdas de combustible.

La compañía aeroespacial Pratt & Whitney ganó el contrato para el suministro de pilas de combustible al programa Apolo desde principios de los 60. Las celdas de combustible de Pratt & Whitney se basaban en las modificaciones de las patentes de Bacon del modelo de pilas alcalinas. Estas pilas de combustible que operan a baja temperatura son las más eficientes. Con tres unidades capaces de producir 1.5 kW, o 2.2 kW durante cortos periodos de tiempo, operando en paralelo. Pesando alrededor de 114 kg por unidad y alimentadas por hidrógeno criogenizado y oxígeno, lograron soportar 10.000 horas de funcionamiento durante 18 misiones espaciales sin que hubiera ningún incidente a bordo.

International Fuel Cells (IFC), una compañía hermana de Pratt & Whitney, ha seguido con el suministro de pilas de combustible alcalinas a la NASA para su empleo en transbordadores espaciales desde el comienzo del programa en los 80. Todos los requerimientos eléctricos han sido paliados mediante tres pilas de combustible de 12 kW. No existen baterías de seguridad. El desarrollo técnico que ha continuado el IFC ha hecho que las pilas de combustible que usan los transbordadores espaciales puedan actualmente abastecer unas diez veces la energía que proporcionaban unidades similares usadas en la nave Apolo. Utilizando como combustible hidrógeno criogenizado y oxígeno, las celdas son 70 % más eficientes y pueden completar 80.000 horas de funcionamiento en más de 100 misiones.

Generación de energía a gran escala

Actualmente, el mercado más desarrollado de las pilas de combustible está presente en fuentes estacionarias de electricidad y calor. La eficacia y el volumen reducido de emisiones respecto a los dispositivos que emplean combustibles fósiles tradicionales, hacen de la tecnología de las pilas de combustible una atractiva opción para los usuarios. Operando a temperaturas por debajo de los 80 °C, las pilas de combustible pueden ser instaladas en cualquier vivienda privada además de poder satisfacer las necesidades energéticas de los procesos industriales.

Hasta ahora, los fabricantes de células de combustible se han centrado en aplicaciones no residenciales. International Fuel Cells, el único suministrador a nivel comercial de pilas de combustible, ha instalado más 200 pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) en diversos lugares, incluyendo escuelas, bloques de oficinas e instalaciones bancarias. En el futuro, las pilas de combustible que operan a altas temperaturas, como de carbonato fundido (MCFC) y de óxido sólido (SOFC), podrían adaptarse a aplicaciones industriales y generar energía a gran escala (megavatios). Operando a temperaturas entre 600-1100 °C estas pilas de combustible "de altas temperaturas" pueden tolerar una fuente de hidrógeno contaminada, por ello pueden emplear gas natural no reformado, gasoil o gasolina. Además, el calor generado puede ser usado para producir electricidad adicional mediante turbinas de vapor.


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Transporte

La legislación ambiental, cada vez más, fuerza a los fabricantes de automóviles a sustituir aquellos vehículos que produzcan gran cantidad de emisiones contaminantes. La tecnología de pilas de combustible ofrece una oportunidad tangible para alcanzar este requerimiento. Investigaciones llevadas a cabo en el Pembina Institute for Appropriate Design de Alberta (Canadá), han mostrado que la cantidad de dióxido de carbono procedente de un coche pequeño puede reducirse hasta en un 72 % cuando se emplea una pila de combustible de hidrógeno obtenido a partir de gas natural en lugar de un motor de combustión interna de gasolina. Sin embargo, si las pilas de combustible reemplazan a los motores de combustión interna, la tecnología deberá no sólo satisfacer la estricta legislación sobre emisiones, también aportarán soluciones para el transporte. Las pilas de combustible que utilicen los vehículos serán capaces de alcanzar las temperaturas operativas con rapidez, proveer una economía competitiva de combustible y ofrecer unas prestaciones aceptables.

Las pilas de membrana polimérica (PEM) son las más adecuadas para cumplir estos requerimientos. Con una baja temperatura de funcionamiento, alrededor de 80 °C, las PEM pueden alcanzar rápidamente la temperatura operativa. Estas pilas pueden ofrecer una eficacia superior al 60 % comparada con el 25 % que se consigue con los motores de combustión interna. Investigaciones efectuadas en el Pembina Institute indican que los vehículos que emplean metanol como combustible pueden alcanzar eficiencias de 1.76 veces las de vehículos impulsados por un motor de combustión de gasolina. Las pilas de combustible PEM tienen además la mayor densidad energética de entre todas las actuales pilas de combustible, un factor crucial a la hora de considerar el diseño de vehículos. Además, el electrolito polimérico sólido ayuda para minimizar la corrosión y evitar problemas de gestión. Un posible inconveniente es la calidad del combustible. Para evitar el envenenamiento catalítico a esta baja temperatura de funcionamiento, las pilas PEM necesitan hidrógeno no contaminado como combustible.

La mayoría de los fabricantes de automóviles ven las pilas PEM como sucesoras de los motores de combustión interna. General Motors, Ford, DaimlerChrysler, Toyota, Honda entre otros, disponen de prototipos con esta tecnología. Los ensayos en carretera han sido positivos empleando distintos vehículos y lugares. Se han realizado con éxito ensayos en autobuses impulsados con pilas PEM en Vancouver y Chicago. Se están llevando a cabo experiencias similares en distintas ciudades de Alemania junto con otras diez ciudades europeas incluida Madrid.

Actualmente, el problema principal para impulsar esta tecnología en el sector del transporte reside en el elevado coste de fabricación, la calidad del combustible y el tamaño de la unidad. Las investigación realizada en este ámbito, parece que ha optado por emplear metanol como fuente de combustible y utilizar el oxígeno del aire. Este hecho podría eliminar el proceso de reformado del combustible.

Se estima que en unos 30 años, los parques automovilísticos de los países desarrollados (actualmente con más de 750 millones de unidades incluyendo turismos, autobuses y camiones) contarán con más vehículos con motor eléctrico alimentado por pila de combustible que con motor de combustión interna.


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GESTIÓN DE RESIDUOS

Reciclaje baterías:

I. Etapa 1: Fundido y valorización energética

En este primer paso, las baterías con su carcasa de plástico son introducidas directamente en un horno para conseguir:

Evaporar el electrolito (si está presente).

Fundir todos los metales.

Recuperar toda la capacidad calorífica de los plásticos y otros compuestos inorgánicos.

Usar el grafito del electrodo como agente reductor en la zona de reacción del horno para reducir todos los óxidos de metales a su forma metálica.

Una gestión muy precisa de este paso resulta fundamental para mantener la seguridad y evitar grandes riesgos de fugas al aire de compuestos orgánicos volátiles

(Dioxinas, Furanos,...etc.). Para cuestiones relacionadas con el control del riesgo y la seguridad del proceso, un control muy estricto de la temperatura del proceso es fundamental: las baterías son productos sellados que contienen un electrolito por lo que su presión interna puede aumentar si el tiempo no es suficiente para permitir la salida del gas formado. Si esto ocurre (el tiempo no es suficiente y aumenta la presión en demasía), los riesgos de explosión son potencialmente altos.

Por otro lado, la instalación de tratamiento de gases representa un equipo clave del proceso global por varios motivos.

En primer lugar, las baterías contienen plásticos, polímeros y otras sustancias que contienen halógenos. Cuando se exponen de manera conjunta materiales orgánicos y halógenos a altas temperaturas, se produce la recombinación de estos elementos dando lugar a Dioxinas y Furanos. Para deshacerse de las dioxinas, el método más extendido es añadir filtros eficientes en la retención de estas en las instalaciones de tratamiento de gases. En esta instalación se ha utilizado un concepto totalmente diferente: en lugar de deshacerse de las dioxinas, simplemente evitan que se formen.

Para la formación de dioxinas, se deben cumplir unas condiciones concretas: debe haber cadenas orgánicas que permanezcan intactas, halógenos y un tiempo sustancial de permanencia a una temperatura por debajo de 900 ºC y por encima de los 400 ºC. Para solucionar el problema una antorcha de plasma se ha añadido después del horno para


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incrementar los gases de salida a una temperatura por encima de los 1200o C y mantener el gas bajo condiciones reductoras. A esta temperatura, todos los enlaces orgánicos se rompen: este es el llamado syngas (gas de síntesis). Debido a las condiciones reductoras, los halógenos se encuentran en su forma reducida (HBr, HCl), mucho más estable que la forma molecular (Cl2, Br2). Después, la temperatura del syngas es reducida instantáneamente de 1250oC a menos de 350oC, por lo que las cadenas carbonadas no tienen tiempo para re-combinarse, y por encima de todo, no se pueden unir carbonos y halógenos. De esta forma, la formación de dioxinas no tiene lugar.

II. Etapa 2: Refinado y tratado de metales

Esta segunda etapa, existe como proceso productivo en el seno de Umicore desde hace décadas y está certificada con las ISO 9001 y la ISO 14001 (de calidad y de gestión medioambiental respectivamente). Se trata del “core value29” de Umicore, es un proceso hidro- metalúrgico en el que la aleación producida en la etapa 1 (que contienen metales como Cobalto, Níquel, Cobre y Hierro) es lixiviada en ácido sulfúrico.

Después de muchas disoluciones y tras ajustarse el pH de la disolución, se puede conseguir la separación de los metales principales y se obtiene una disolución de NiSO4 y una de CoCl2.

La disolución de NiSO4 es re-purificada mediante la extracción del disolvente y se produce la formación de cristales de NiSO4. Estos cristales se pueden transformar en componentes esféricos Ni(OH)2 para su aplicación potencial en baterías secundarias.

La disolución de CoCl2 es también re-purificada en una nueva extracción de disolvente para producir una disolución pura de CoCl2 que es enviada a la etapa 3.

Etapa 3 y 4: Oxidación

El CoCl2 es oxidado en un horno dedicado exclusivamente a este propósito en un proceso desarrollado por Umicore [35] bajo unas condiciones específicas. El control estricto de los parámetros del proceso permite la obtención de un óxido de cobalto de gran calidad, requerido para la obtención de un compuesto que también contiene Litio.

En la etapa 4 se obtiene LiCoO2 como producto final que es utilizado en la fabricación de nuevas baterías de Li-ion o Li-polímero como material para el cátodo.

Reciclaje catalizadores:

Desactivación de los catalizadores

La actividad de los catalizadores de tres vías se asegura por la estructura altamente porosa, con un gran área superficial, donde se encuentran los metales nobles. Sin embargo, tiende a disminuir con el tiempo y con el uso, debido, principalmente, a la pérdida de superficie activa y a la disminución de la dispersión de los metales nobles.


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Las principales causas de su desactivación están relacionadas con las severas condiciones de operación a las que están sometidos, pero también influyen las propiedades de los combustibles utilizados. Suelen clasificarse en tres grupos, térmicas, químicas y mecánicas, y pueden aparecer separadamente o en combinación, pero el efecto neto es siempre la pérdida de actividad catalítica.

La desactivación mecánica implica fracturas físicaso el agotamiento del monolito y es irreversible.

En cuanto a la desactivación térmica, ocurre debido a que el sustrato y los metales activos se ven afectados en el rango de variación de la temperatura de operación (20-850oC, e incluso superior). Se producen cambios cristalográficos en los constituyentes del sustrato, interacciones entre sustrato y metales activos, aleaciones, etc., que reducen el número de sitios activos del catalizador y, por tanto, su actividad. Además, estos cambios térmicos, junto con el efecto del flujo de las partículas de la corriente gaseosa, promueven la pérdida mecánica de material. Al igual que la desactivación mecánica, la térmica también es normalmente irreversible, aunque en algunos casos esta última puede revertirse mejorando la dispersión de los metales en la superficie.

Sin embargo, a diferencia de las anteriores, la desactivación química es reversible. Debido a que se produce como consecuencia del envenenamiento de los sitios activos del catalizador por impurezas (compuestos contaminantes presentes en las emisiones gaseosas), si éstas se retiran, el catalizador recupera su actividad. Las impurezas proceden de aditivos de los combustibles (por ejemplo, Pb y S, que se están reduciendo en las últimas décadas, y también Si, Mg, Mn, Cr y P), de aditivos de aceites lubricantes (por ejemplo, P, Zn y Ca) y de materiales que forman parte del motor y del tubo de escape (por ejemplo, Fe, Ni, Cu y Cr) [2], y suelen formar compuestos que son adsorbidos o reaccionan de modo irreversible con los componentes de superficie activa del catalizador provocando su desactivación.

Las formas comunes en las que aparecen las impurezas anteriores en los catalizadores, en la capa de alúmina, son fosfatos del tipo M 3(PO 4) 2, siendo M= Zn, Ca o Mg, o fosfato de aluminio AlPO4. También se ha detectado que, compuestos como CePO4 y Ce(PO4)3 forman una película densa que causa la obstrucción de los poros y no permite el contacto entre el catalizador y el gas [4]. Igualmente se ha observado que compuestos de zinc, como el zinc dialquilditiofosfato (ZDDP) derivado de aceites antioxidantes, aparecen en la corriente gaseosa después de la degradación térmica e hidrolítica del aceite y se depositan en la superficie del catalizador en forma de Zn3(PO4)2, CaZn2(PO4)2, MgZn2(PO4)2 y Zn2P2O7.Otros compuestos que desactivan el catalizador y que se forman cuando el SO2 está presente en los gases de escape son sulfatos metálicos y sulfuros como, por ejemplo, Ce(SO4)2, Ce2(SO4)3, Al2(SO4)3 o Ce2O2S .

Por otra parte, debe señalarse que el grado de retención de los contaminantes principales en el catalizador depende de su naturaleza, habiéndose encontrado que sigue el orden siguiente: P>Pb>Zn>Ca>>S


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Además, su acumulación en la superficie del catalizador depende de la temperatura y se ve favorecida a bajos valores de la variable. Con respecto a la distribución de los contaminantes, estudios de macro y microdistribución han demostrado que la mayor parte se acumula en la superficie externa del sustrato, siendo uniforme la distribución radial. En cuanto a la distribución axial, las mayores acumulaciones se producen en la entrada de los gases de escape.

Finalmente, cabe indicar que, aunque la escala de tiempo para la degradación depende de factores como las condiciones de conducción, el tipo de combustible, etc., suele considerarse que, aproximadamente, el tiempo de vida de los catalizadores de tres vías es de 100.000 km o 5 años. Por otro lado, la aparición de cada uno de los tres fenómenos de desactivación descritos, aunque depende de varios factores y se da durante toda la vida útil del catalizador, ocurre a diferentes escalas de tiempo.

Por ejemplo, el fenómeno de desactivación química es proporcional al tiempo de operación, mientras que los efectos causados por las altas temperaturas decaen de forma exponencial con el tiempo. Además, el caso de la desactivación total por roturas mecánicas se considera un evento puntual, mientras que el desgaste físico del monolito va ocurriendo de forma gradual.

En cualquier caso, en general la desactivación química se produce mucho antes que las otras.


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4. ORIENTACIÓN DE CARA A SUS POSIBLES USOS

Como sabemos hoy en día se está buscando un sustituto a los combustibles fósiles debido a que cada vez quedan menos reservas y a su contaminación y a día de hoy su posible sustituto más aventajado son las pilas de combustibles que nos permiten generar energía con menor contaminación e incluso guardarla. Estas pilas comienzan a tener diversas utilidades para campos distintos, a continuación se muestran una variedad de ejemplos de utilización de las pilas de combustibles:

Los usos de las pilas de combustible son diversos y cada vez más:

Los campos donde tienen o podrían tener presencia son:

o Plantas de potencia o Vehículos Eléctricos o Sistemas Auxiliares de Energía o Sistemas de apoyo a la red eléctrica o Industria militar o Dispositivos portátiles o Abastecimiento energético en viviendas o Misiones espaciales

Aplicando unidades de cogeneración para usos de calentamiento industriales y domésticos y para cubrir necesidades eléctricas obtenemos un mayor aprovechamiento de los recursos empleados que con los convencionales ya que se desaprovecha el calor generado.

Generación eléctrica:

Aplicaciones portátiles: Pequeños generadores que suplen a los grupos electrógenos de combustión de carburante fósil.

Aplicaciones estacionarias: Transformadores y grandes generadores de carácter industrial formados por pilas de combustible que alimentan a las turbinas.

Transporte:

Transporte terrestre: Baterías utilizadas como acumuladores de electricidad para su transporte y almacenaje.

Automóviles: Muchas empresas están investigando y diseñando los coches adaptándose a las nuevas tecnologías que son las de impulsar los vehículos con motores eléctricos alimentados por pilas de combustible, los vehículos que utilizan pilas de combustible tienen un alcance de varios cientos de kilómetros y reabastecimiento de combustible en cuestión de minutos frente a los eléctricos de gama baja que tiene la necesidad de horas de recarga y menor autonomía.


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Ciclomotores, Camión híbrido, Autobuses: Estos tres grupos son similares a los automóviles donde se busca sustituir los motores de combustión interna por pilas de combustible para conseguir la propulsión del vehículo mediante las pilas de combustible manteniendo las prestaciones de un motor de combustión interna.

Vehículos movilidad personal, Carretillas elevadoras, Plataformas elevadoras, Carritos de golf, Locomotoras de minas: Este conjunto está compuesto por medios de transporte con motor eléctrico en su mayoría y alimentados con baterías cuya desventaja es el gran tiempo de recarga y su poca autonomía, con implantación de las pilas de combustible se conseguiría una mayor autonomía y una reducción considerable en el tiempo de carga de unas horas (convencionales) frente a unos minutos (con tecnología de pila de combustible).

Transporte marítimo:

Submarinos: usando las pilas de combustible del hidrógeno de la membrana del intercambio de protón de Siemens (PEM). El submarino puede funcionar en la velocidad en energía diesel o cambiar al sistema del AIP para cruzar lento silencioso, permaneciendo sumergido por hasta tres semanas sin la salida a la superficie y sin calor del extractor.

Lanchas acuáticas: Con la pila de combustible se alimenta la propulsión y los aparatos de la lancha Emitiendo sólo vapor de agua como subproducto de la generación de energía eléctrica, la Pila de Combustible HC permite a los equipos ser usados en ambientes interiores de la embarcación y la potencia depende de cuantas pilas se le asocie sin tener número máximo.

Hidrodeslizadores: Al igual que las lanchas el motor es propulsado por la pila de combustible y cuenta con las ventajas que esto supone.


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Transporte aéreo:

Avionetas: Propulsadas mediante motor eléctrico alimentado por pilas de combustible, y cuyo funcionamiento es similar al de los vehículos

Naves espaciales: Pilas alimentadas de hidrógeno mas oxígeno criogenizados para alimentar los aparatos y con el H2O producido se utiliza como base para las bebidas de los astronautas.

Aplicaciones portátiles:

Electrónica portátil: Baterías de los móviles hechas con nuevas tecnologías como puede ser el metanol, que mejoran su autonomía y prestaciones como puede ser menor tiempo de recarga y menor peso.

Aplicaciones para viviendas:

Sistemas regenerativos: – DURANTE EL DIA Paneles fotovoltaicos generan hidrogeno y oxigeno por medio de un electrolizador. – DURANTE LA NOCHE Se genera electricidad por medio de la pila de combustible. Posibilidad de almacenar grandes cantidades de energía sin que se descargue. El hecho de que las pilas de combustible desprendan calor durante su funcionamiento, además de su reducido tamaño y posibilidad de escalado, las hacen perfectas para ser utilizadas en aplicaciones residenciales, donde cada familia pueda tener calor y electricidad en su casa.

PILAS HIDROGENO

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