Titulo documento de tesis:
‘Celda de Combustible Económica’
Asesor:
Jaime Loboguerrero Jurado:
Hugo Quintero Presentado por: Luis Fernando Pulido C.
199911698
Universidad de los Andes
Departamento de Ingeniería Mecánica 2005
Agradecimientos
Especial agradecimiento a mi asesor Jaime Loboguerrero y a todo el cuerpo de profesores que durante mi vida estudiantil ha orientado y enriquecido mis conocimientos. A mis padres Fernando y Ruby gestores de lo que soy, a mi familia apoyo de mi vida y a todos aquellos que de una u otra forma están conmigo y me estiman.
Para reflexionar
… No hay limites para la imaginación ni para la creatividad estos limites son impuestos por nuestra mente y nuestra habilidad. Cuando uno se propone algo no existe barrera para hacerlo… Metas grandes logros grandes…
Contenido
Propuesta y expectativas 12
Introducción 15
1 Historia del Arte 17
1.1 Estado Actual 20
1.2 Investigación en la universidad 29
2 Generalidades del Hidrógeno 32
2.1 Proveniencia del hidrógeno 33
2.2 Seguridad del hidrógeno 36
3 Definición de una celda de combustible 40
3.1.1 Funcionamiento 40 3.1.2 Esquema de funcionamiento 43 3.1.3 Clasificación 45 3.1.4 Componentes 52 3.1.5 Electrolito 54 3.1.6 Electrodo 56 3.1.7 Usos y Aplicaciones 59
3.1.8 Tipos de combustibles utilizados 67
3.1.9 Emisiones contaminantes 69
3.2 Comparación de eficiencia con motores a gasolina 70
3.2.1 Peso 70
3.3.3 Desventajas 73
4 Aspectos teóricos 75
5 Análisis de níquel y platino (catalizadores) 85
5.1 Definición catalizador 85
5.2 Generalidades del Níquel 87
5.3 Generalidades del Platino 88
5.4 Estudios actuales para minimizar costos 90
6 Combustibles Actuales 91
6.1 Estado Actual del Petróleo 81
6.2 Precio del Petróleo 95
6.3 Gas natural: Una salida provisoria 97
6.4 Combustibles alternativos 99
6.5 Análisis de costos 100
6.6 Análisis del mercado 100
7 Diseño del electrodo en una celda tipo MCFC 104
7.1 Aspectos Generales 105
7.2 Consideraciones de diseño 106
7.3 Aspectos influyentes 106
7.4 Montaje 108
7.5 Procedimiento 109
7.6 Desempeño del electrodo 112
8 Análisis y viabilidad 115
10 Conclusiones 121
11 Bibliografía 124
Lista de Tablas
Tabla 2.1 Producción actual de Hidrógeno
Tabla 3.1 Reacciones electroquímicas en una celda de combustible Tabla 3.2 Tipos de celdas de combustible
Lista de Figuras
Figura 1.1 Modelo preliminar de Grove para generar electricidad Figura 2.1 Combustibles Alternativos para motores
Figura 2.2 Costo de producción del Hidrógeno
Figura 3.1 Principio de funcionamiento de una pila de combustible alimentada con hidrógeno y oxígeno
Figura 3.2 Esquema general de una planta basada en una pila de combustible Figura 3.3 Esquema general de la celda
Figura 3.4 Configuración Química del NafionTM Figura 4.1 Gráfica Densidad Corriente – Voltaje Figura 4.2 El potencial ideal v/s temperatura
Figura 4.3 Dependencia del Voltaje inicial de operación c/r a la T Figura 6.1 Curvas de Gubert
Figura 6.2 Posibles escenarios de producción de petróleo a futuro Figura 6.3 Tendencia para el precio del petróleo
Figura 6.4 Producción mundial del gas natural Figura 7.1 Montaje del arreglo
Figura 7.2 Proceso de atomización Figura 7.3 Proceso de combinación Figura 7.4 Proceso de compactación
Figura 7.5 Tratamiento térmico de sinterizado
Propuesta y expectativas
En el presente escrito pretendo analizar y recopilar la información existente en el tema de celdas de combustible. Hay basta cantidad de información que va desde artículos aficionados hasta artículos científicos y bien enfocados. Pretendo en la primera parte de la investigación actuar como periodista, en el sentido de recopilar la información que a mi punto de vista sea la más pertinente para analizar y que además pueda enfocarme a conclusiones validas. En este sentido hay que tener sumo cuidado por cuanto hay que filtrar la información dentro de los miles de artículos que se pueden encontrar, y en este aspecto será fundamental mi habilidad de abstracción de información.
Desafortunadamente la mayor parte de información que se encuentra no revela en alto porcentaje la verdad acerca del tema. Por lo tanto en este aspecto entrara en juego mi conocimiento ingenieríl para atar la parte investigativa con la parte analítica. Además un ingeniero esta preparado para analizar gran cantidad de datos y cifras haciendo estimaciones y comparaciones al respecto, y considero que en este aspecto esta el verdadero sentido de mi escrito. Un periodista es capaz de recopilar y presentar una cantidad de información pero un ingeniero es capaz de recopilar, analizar, debatir, concluir y presentar el informe teniendo en cuenta el conocimiento al respecto, cosa que no posee un periodista.
Pretendo centrar mi análisis en el estudio de los materiales más económicos y que pueden ser eventualmente viables para un desarrollo sostenible. Por lo tanto ahondaré mi investigación en el tipo de celda de carbonatos fundidos (MCFC) puesto que es la celda que utiliza materiales de bajo costo con un buen rendimiento en términos de eficiencia, sin embargo trataré en general todos los tipos de celdas existentes. El uso de estas celdas se da principalmente en el ámbito residencial, pero dados los avances sería incluso posible utilizarla en vehículos.
Inevitablemente para reducir costos será necesaria una disminución de la eficiencia de la celda. El diseño estará centrado en el electrodo, que como lo veremos es el de mayor peso en términos de costos.
El principal ítem y creo que el más importante es la viabilidad de costos frente a las actuales alternativas como los motores de combustión interna. De aquí que el tema comparativo va ha ser un método importante para determinar la verdadera competitividad con respecto a las actuales alternativas.
Además se harán estimaciones a futuro en términos de precios de los actuales combustibles, como por ejemplo gasolina, diesel, gas natural, entre otros. Así como una estimación de las reservas actuales y a futuro para predecir una eventual crisis.
El análisis final estará centrado en determinar el costo real en términos US$ y eficiencia. Y teniendo en cuenta los datos de reservas de materiales, reservas de combustible y viabilidad de la tecnología, se concluirá si en realidad es posible que las celdas de combustible se conviertan en un recurso alterno para solucionar los problemas ambientales y energéticos que nos aquejan actualmente y que serán mucho peores dentro de unos años. La mayor parte de la literatura habla maravillas de la tecnología de celdas de combustible pero no hay un análisis profundo que diga si en realidad esa tecnología es viable y será una solución al problema ó si simplemente será un ‘juguete tecnológico’ para estudios académicos ó para gustos estrambóticos de industrias ó particulares adinerados.
El tema de celdas de combustibles ha sido mi pasión desde que descubrí que es una tecnología sumamente antigua, data de 1839, y por eso me gusto escoger el tema para profundizar más aun mi conocimiento al respecto, y tratar de encontrar una explicación al porque siendo una tecnología de antigua data no es utilizada
actualmente. Mi gran expectativa es sembrar una semilla para que estudiantes de la Universidad continúen ó se interesen en el tema y así no dejar morir este interesante contenido.
Finalmente me gustaría que lo investigado pudiera ser plasmado en un modelo tangible, aunque para esto será necesario un buen patrocinio por los altos costos que acarrea la construcción del prototipo. Y sería un buen tema para una tesis futura.
Introducción
Los combustibles fósiles cubren más del 86% de las necesidades energéticas del mundo entero. Pero inevitablemente en aproximadamente 50 años escasearan y será inevitable un cambio de combustibles. Maravillas se habla de la celda de combustible tal como que es la perfecta solución al problema pero ¿será tanto portento cierto?
Las celdas actualmente están en desarrollo y empresas están haciendo esfuerzos muy grandes para minimizar el costo de las celdas. Las celdas implementadas actualmente se dan en el sector estacionario y a nivel de investigación en el ámbito vehicular.
Este trabajo pretende analizar la información necesaria para concluir si en realidad es viable o no una celda de combustible frente a la tecnología convencional. Además se pretende diseñar y analizar el electrodo de una celda tipo MCFC (Celda de Combustible de Carbonatos Fundidos), para dejar un abrebocas a tal vez una futura construcción del prototipo y así poder hacer un análisis mucho más práctico del diseño.
Primero se verá el tema a nivel general es decir teoría acerca de las celdas de combustibles, después se hará un análisis alrededor de las partes más influyentes de la celda de combustible como son los electrodos, al igual se presentarán los datos existentes de los combustibles actualmente en uso y finalmente se hará un esquema general del diseño propuesto para el electrodo.
El análisis final pretende abarcar toda la información recopilada para dar una respuesta final: ‘serán ó no serán las celdas de combustible una solución’. Con el tema del diseño pretendo dejar abierta la posibilidad de un futuro proyecto de grado que analice mucho más a profundidad el modelo con un prototipo tangible,
es decir pretendo que un estudiante intente hacer el electrodo de la celda para posteriormente hacerle las pruebas necesarias, pruebas basadas en las investigaciones hechas por los anteriores estudiantes en sus proyectos de grado alrededor de las celdas de combustible (Celda de combustible hidrógeno/oxígeno, autor: Edgar Alberto Medina Bohórquez y Análisis de celda de combustible del tipo membrana de intercambio de protones, autor: Flor Ángela Andrade Sierra).
1. Historia del Arte
“Los primeros prototipos de laboratorio de lo que se llamaba "batería de gas" y hoy conocemos como "pila de combustible" se realizaron en 1839 y en 1845 la demostración definitiva del sistema. Sin embargo, los principios básicos de funcionamiento de la pila de combustible los descubrió algo antes (en 1938) el profesor suizo Christian Friedrich Schoenbein (1799 –1868).
Como en tantas otras ocasiones a lo largo de nuestra evolución tecnológica, los principios científicos básicos que sustentan nuestra actual tecnología de pilas de combustible se descubrieron mucho antes de que sus aplicaciones fueran siquiera imaginables. En 1839, el inglés William Grove, jurista de profesión y físico de vocación había hecho público un experimento que demostraba la posibilidad de generar corriente eléctrica a partir de la reacción electroquímica entre hidrógeno y oxígeno. Su original experimento consistía en unir en serie cuatro celdas electroquímicas, cada una de las cuales estaba compuesta por un electrodo con hidrógeno y otro con oxígeno, separados por un electrolito. Grove comprobó que la reacción de oxidación del hidrógeno en el electrodo negativo combinada con la de reducción del oxígeno en el positivo generaba una corriente eléctrica que se podía usar a su vez para generar hidrógeno y oxígeno.
Grove usó cuatro celdas grandes, con H2 y O2 para producir energía eléctrica que a su vez se podía usar para generar
hidrógeno y oxígeno (en la celda superior, más pequeña).
Figura 1.1 Modelo preliminar de Grove para generar electricidad
Nos podríamos imaginar fácilmente los sarcásticos comentarios de los pragmáticos escépticos de la época. ¡Valiente negocio!, emplear cuatro volúmenes de gases para generar electricidad que genera un solo volumen. ¡Menuda pérdida de tiempo!. Sin embargo el experimento de Grove mostraba la esencia y el camino. La esencia, la interconvertibilidad entre la energía química de un combustible y la energía eléctrica; el camino, la posibilidad de convertir esa energía directamente en electricidad sin pasar por un proceso intermedio de combustión.“1
El tema de celdas de combustibles como vemos es una tecnología con bastante tiempo de ser inventada. Entonces la primera pregunta que se le viene a la mente a una persona interesada en el tema es: ¿Por qué siendo una tecnología antigua no ha sido posible una entrada masiva al mercado? Y la primera respuesta que se plantea y la más obvia pudiese ser porque las actuales tecnologías y combustibles proveen buena cantidad de energía con mínima inversión de dinero. Y efectivamente una de las principales razones nace del hecho que el petróleo necesita de pocos procesos de refinamiento para producir gasolina, generalmente
1
se realiza un proceso llamado destilación y consiste en calentar el líquido para así aprovechar las distintas volatilidades de los componentes presentes para luego recuperar los componentes por medio de la condensación. El componente final es líquido y es almacenado fácilmente. Mientras que la extracción del hidrogeno se hace mucho más complicado porque generalmente se encuentra en estado natural en forma de compuestos como el agua ó hidrocarburos, por lo que se necesita de procesos intermedios más complicados y costosos para su extracción y el almacenamiento es mucho más arduo puesto que el componente final es un gas.
Por lo tanto se puede ver que el combustible actual y más común que es la gasolina se extrae con mucha facilidad y por ende posee precios todavía competitivos. El siguiente cuestionamiento al respecto sería ¿Cuánto debe costar un combustible como la gasolina para que la tecnología con hidrógeno sea competitiva? Actualmente los precios de los combustibles convencionales han tenido una escalada acelerada debida a problemas sociales y políticos en el medio oriente, principal productor de petróleo. Por lo que uno de mis propósitos en este escrito será estimar el precio de los actuales combustibles a futuro para saber en que punto las celdas de combustible serán viables. Así como también una estimación de los costos que tendrá la tecnología con los distintos avances tecnológicos al respecto.
En el tema de la infraestructura a base de hidrogeno debería aparecer el siguiente cuestionamiento ¿Cuál sería la inversión para convertir la actual infraestructura de abastecimiento a base de gasolina a hidrogeno? En este aspecto sería más natural y más eficiente pensar en cambiar por un combustible con similares características que la gasolina como el metanol que al contener buena relación hidrogeno/carbono se convierte en un solución viable, además es posible la extracción de este combustible en el procesamiento de la biomasa. Actualmente esta en auge el uso de gas natural por lo que ya se encuentran estaciones de servicio de gas natural y podría ser otra eventual salida.
Seguidamente se cuestionaría el hecho de si ¿Los materiales utilizados en una celda de combustible están en la naturaleza con suficiente abundancia para reemplazar el equivalente a los motores de combustión interna? Es otro ítem muy importante puesto que algunos tipos de celda de combustible utilizan materiales como el platino que además de ser un material costoso hay pocas reservas por ser un material poco abundante. Otro es el caso del níquel, que aunque mas económico y abundante en la actualidad ya existe escasez del mismo y las probables reservas es el mismo material desechado en el proceso de extracción del metal (mineral de níquel).
En el tema costo, históricamente ha sido una tecnología muy fuera de los límites. Sugiere por ende hacerse la pregunta de ¿Cuanto vale realmente una celda de combustible frente a un motor de combustión interna y por lo tanto cuando vale un kW instalado frente a uno de combustión interna? ¿Es más la energía y el costo requerido para instalar un sistema de estos frente a los sistemas convencionales? ¿Realmente hay ahorro de energía? Creo que son los cuestionamientos más importantes puesto que el tema económico es la materia más importante para que una tecnología surja.
Históricamente se ha dado que mientras una tecnología sea más utilizada, así mismo habrá un desarrollo tecnológico en el tema y en la misma medida un abaratamiento en los precios de la misma. Pero aparentemente este no es el caso de esta tecnología por los temas antes expuestos, temas que serán analizados con profundidad mas adelante.
1.1 Estado Actual
“En las dos últimas décadas está teniendo lugar una verdadera revolución en los métodos de producción, almacenamiento y conversión de energía. El empleo en este sentido de combustibles fósiles, tales como el petróleo, el carbón y el gas
natural, constituye la piedra angular sobre la que se ha fundamentado el espectacular avance tecnológico e industrial que ha experimentado el mundo occidental desde mediados del siglo pasado, pero hoy en día sus reservas están próximas a agotarse y, además, son considerados como altamente peligrosos para la supervivencia del hombre y del medio ambiente que lo rodea. Es por ello que en los últimos años se están desarrollando nuevas tecnologías para generar energía de forma limpia, eficiente y descentralizada. De entre todas ellas, son las llamadas pilas de combustible (‘fuel cell’ en el mundo anglosajón) las que mejores expectativas presentan. De hecho, las pilas de combustible parecen destinadas a ser campos de alta tecnología a principios del próximo siglo. Se prevé que la operación de estas instalaciones, así como la construcción de aplicaciones, sistemas y componentes, creará en un futuro próximo numerosos puestos de trabajo de alto contenido tecnológico.”2
“No debemos olvidar que ni el hidrógeno ni los otros combustibles mencionados crecen en los árboles (aunque, bien pensado, se podrían generar a partir de biomasa). El hidrógeno no es un combustible que exista como tal en la naturaleza. No obstante, se puede obtener fácilmente a partir del agua, eso sí, con un aporte de energía externo (energía eléctrica o solar). El hidrógeno es por tanto un combustible de los que llamamos "secundarios", un vector energético, y como tal, será tan verde o ecológico como la energía que se haya empleado en generarlo. En otras palabras, el hidrógeno generado con electricidad de una central térmica podría servir para reducir la contaminación local en áreas urbanas pero no para reducir la contaminación global. Tampoco se podría considerar como parte de un proceso energético eficaz. Las pilas de combustible serán por tanto piezas clave pero integradas en un nuevo esquema energético que debe incluir además generación a partir de energías renovables en una sociedad que debe ir
2
controlando, por su propio bien, su adicción al petróleo y otros combustibles fósiles.“3
“Una de las principales preocupaciones del mundo moderno es encontrar nuevas alternativas de generación de electricidad, no sólo para abastecer los cada vez mayores requerimientos sino también para proteger el medio ambiente y abaratar precios. Dentro de ese contexto los países desarrollados vienen efectuado múltiples investigaciones.
Las tecnologías existentes para generar electricidad son diversas. Para un sistema eléctrico interconectado, donde se requiere energía en grandes cantidades, ésta se produce en plantas generadoras, en base a carbón mineral, diesel, residual, uranio, gas y fuentes energéticas renovables como las hidroeléctricas.” 4
“Tradicionalmente el desarrollo de las celdas de combustible había sido dirigido a sistemas con alta confiabilidad pero también con un alto costo, tal es el caso de las misiones espaciales de la National Aeronautics Space Administration (NASA), en donde el desempeño es de mayor importancia y el costo no es prioritario. Como consecuencia de esto, los diseños realizados, los materiales empleados y los sistemas de control desarrollados han reflejado esta situación y, en muchos casos, tales sistemas han sido sobre-diseñados para aplicaciones comerciales que son sensibles al costo. Y es que en el mundo “terrenal” la competitividad en costos y el desempeño de una tecnología de generación de energía eléctrica es cada día más importante, particularmente si el alto desempeño es evaluado también por su relación con el ambiente y su protección, así como con el óptimo uso de las fuentes primarias de energía.”5
3
Tomado de: http://www.cienciateca.com/fuelcells.html
4
Tomado de: ipen.gob.pe/site/publicaciones/ boletines/boletin_24_04.pdf
5
Gobierno de E.U.A. frente al tema
“El apoyo del gobierno puede otorgar un momentum duradero para el desarrollo de nuevas tecnologías. Las agencias de gobiernos alrededor del mundo están haciendo su parte en investigación y desarrollo de celdas de combustible (I&D). En Enero del 2002, el Secretario de Energía de los E.U.A. Spencer Abraham anunció una nueva asociación de cooperación en investigación automotriz llamada FreedomCAR con el Consejo para la Investigación Automotriz de los E.U.A. (USCAR) y los tres grandes fabricantes de autos: Ford, General Motors y DaimlerChrysler. Este programa reemplaza la Asociación para una Nueva Generación de Vehículos (Partnership for a New Generation of Vehicles - PNGV) y avanzará los vehículos con celdas de combustible, así como atacará problemas relacionados con la creación de infraestructura.
“Bajo este Nuevo programa… el gobierno y el sector privado financiarán investigación hacia tecnología de celdas de combustible avanzada y eficiente, la cual use hidrógeno para alimentar automóviles sin crear ninguna contaminación,” Abraham dijo. “Los resultados de largo plazo de este esfuerzo conjunto serán autos y camiones que son más eficientes, baratos de operar, libres de contaminación y competitivos. Este plan esta basado en el llamado del Presidente Bush, lanzado en Mayo de 2002 en el Plan Nacional de Energía, para reducir la dependencia Estadounidense en petróleo externo mediante un balance de la producción de energía doméstica y nueva tecnología para promover mayor eficiencia energética.”
Este es quizás el paso más grande que el gobierno de los E.U.A. haya tomado para apoyar la tecnología de celdas de combustible, pero no es el primero. En el 2000, el Departamento de Energía de los E.U.A. (DOE) comprometió US$ 135 millones en financiamiento para la investigación, incluyendo proyectos en celdas de combustible avanzadas, hidrógeno y motores de gasolina con emisiones
extremadamente bajas de óxidos de nitrógeno (NOx). El DOE también otorgó US$ 17.9 millones en asistencia financiera compartida para financiar nueva investigación en celdas de combustible avanzadas en tres compañías de Massachusetts: Nuvera Fuel Cells, Mechanology LLC, y Arthur D. Little Inc.
En 2000, el DOE formó SECA, Solid State Energy Conversion Alliance, compuesta por fabricantes comerciales, universidades, laboratorios nacionales y agencias del gobierno para desarrollar celdas de combustible de estado sólido de bajo costo y alta densidad de potencia, para una amplio rango de aplicaciones.
El gobierno de los E.U.A. también tiene y opera 30 unidades de cogeneración de celda de combustible, la flota de celdas de combustible más grande del mundo, en conjunto con los programas de investigación del Centro de Investigación y Desarrollo de Ingeniería de la Armada de los E.U.A. y del Laboratorio de Investigación de Ingeniería de Construcción.
El Departamento del Transporte mantiene un programa de investigación de autobuses con celdas de combustible. La Agencia de Protección Ambiental (Environmental Protection Agency – EPA) tiene un programa para facilitar el uso de celdas de combustible en rellenos sanitarios y plantas de tratamiento de agua, con varias celdas de combustible ya habiendo sido instaladas a través de los Estados Unidos de América.
Lanzado en 1996, el Programa de Celdas de Combustible para el Cambio Climático del Departamento de la Defensa (Department of Defense’s – DOD, Climate Change Fuel Cell Program) otorga bonos de 1,000 US$/kW a compradores de plantas de celdas de combustible. Este programa de compra ha otorgado más de US$ 18.8 millones para la compra de 94 unidades de celdas de combustible. El DOD también tiene un programa demostrativo de celdas de
combustible residenciales, que incluye 21 unidades en 12 diferentes locaciones militares.
Durante la mayor parte de los 1970s e inicios de los 1980s, un programa federal que incluía la Oficina de Energía Fósil del DOE y varios fabricantes de celdas de combustible, se colaboró en el desarrollo de sistemas de celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC). Hoy en día, en gran parte debido a estos esfuerzos, UTC Fuel Cells esta fabricando y vendiendo PAFCs alrededor del mundo.
A finales de los 1980s, este programa cambió su énfasis hacia sistemas de celdas de combustible de carbonatos fundidos y de óxido sólido. En el resumen del presupuesto del año 2003 (FY2003 Budget briefing), la Oficina de Energía Fósil sugirió que estos programas habían progresado más allá de la etapa de desarrollo, diciendo “las celdas de combustible de carbonatos fundidos y de óxido sólido están listas para pasar a la etapa comercial y usos tempranos de la tecnología”.
El anuncio reciente del FreedomCAR ha creado una nueva conciencia pública sobre tecnología de celdas de combustible, pero el interés del gobierno de los E.U.A. en celdas de combustible ha estado allí desde hace mucho. Finalmente, las celdas de combustible han estado obteniendo un montón de atención y exposición de los medios, y la gente está aprendiendo sobre sus beneficios y aplicaciones. Con el apoyo del gobierno, los E.U.A. pueden mantenerse en la carrera de las celdas de combustible y posiblemente salir adelante.”6
Otros paises frente al tema
“Los E.U.A. encaran una fuerte competencia de otros países. Canadá, Japón y Alemania están promoviendo fuertemente el desarrollo de celdas de combustible
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con bonos de crédito, préstamos con bajos intereses y financiamiento para apoyar la compra temprana y conducir hacia abajo los costos. Lo que a continuación sigue es solo la punta del iceberg de las actividades de celdas de combustible que ocurre fuera de los E.U.A.
En Canadá, la Iniciativa Nacional de Innovación e Investigación de Celdas de Combustible (National Fuel Cell Research and Innovation Initiative), formada por el Ministerio Federal ha invertido unos CAN$ 30 millones (US$ 20,255,215) para reforzar la investigación y el desarrollo de la industria. Como parte de esta iniciativa, los ministraos inauguraron una nueva instalación de Investigación de Celdas de Combustible en el Centro de Innovación del Consejo Nacional de Investigación (National Research Council's - Innovation Center) en la Universidad de la Columbia Británica. El gasto Federal de CAN$ 100 millones (US$ 67,604,093) estimularán nuevas tecnologías ambientales que reduzcan emisiones de gases tipo invernadero tales como turbinas de viento, celdas de combustible y materiales avanzados, con el Fondo de Desarrollo Tecnológico Sustentable (Sustainable Development Technology Fund). NETL estima que gasto total de programas del gobierno e industria Canadienses es de al menos $116 millones. También en Canadá, Ballard Power Systems recibió US$ 30 millones del gobierno Canadiense. Ballard ha hecho equipo con una subsidiaria de una compañía eléctrica en Nueva Jersey para comercializar unidades de cogeneración de celdas de combustible estacionarias. DaimlerChrysler recientemente invirtió CAN$ 450 millones en efectivo en Ballard para el desarrollo de vehículos con celdas de combustible. DaimlerChrysler ha ya revelado cinco vehículos de celdas de combustible, siendo el último NECAR 5, un vehículo de celdas de combustible a metanol para pasajeros basado en el auto Mercedes clase-A.
En Europa, el gobierno federal de Alemania aumentó sus fondos para la investigación de tecnologías no nucleares en el 2000, para hacerla equivalente con la cantidad de 1995, la cual había caído un 30% hasta el 1999. El presupuesto
del 2000 para celdas de combustible se incrementó de 6.5 millones de EUROS a 8.5 millones de EUROS (US$ 7,355,900).
En 1998, Italia gastó US$ 6.1 millones (11.2 mil millones de liras) en I&D de celdas de combustible. El programa de celdas de combustible PEM para 2000-2004 incluye cooperación cercana entre gobierno e industrias de celdas de combustible, automotrices y del petróleo con el objetivo de desarrollar vehículos de celdas de combustible para el 2004. Varias opciones de combustible serán consideradas, incluyendo combustibles tradicionales así como hidrógeno y metanol. El presupuesto solicitado para 2000-2004 fue aproximadamente de US$ 108.5 millones (200 mil millones de liras). El presupuesto para MCFC requerido va de US$ 5.4 a 24.4 millones (10 a 45 mil millones de liras) por año para los próximos cinco años, con la meta principal de desarrollar grupos de celdas de combustible MCFC con capacidades de hasta 500 kW.
En Japón, el presupuesto para las celdas de combustible en el Ministerio de Comercio e Industria Internacional (MITI) para el año 2000 (FY2000) fue de 8,510 millones de yens (US$ 79,514,132), casi el doble del presupuesto de 1999. Muchas compañías Japonesas están trabajando en celdas de combustible incluyendo Toyota, Toshiba, Suzuki y Sanyo.
BP y el Panel de Desarrollo Económico (Economic Development Board - EDB) han firmado una carta de intención para construir estaciones de abastecimiento de hidrógeno para motoristas en Singapur que manejen vehículos que usen hidrógeno. BP planea instalar estas estaciones de abastecimiento, con costos entre US$ 500,000 y US$ 1.5 millones cada una, en 2003.
En Corea, como parte de un programa de cooperación con el gobierno coreano, la empresa Hyundai Motor Company ha ordenado US$ 391,000 en valor de grupos
de celdas de combustible de Ballard Automotriz. Las celdas serán usadas en un programa para la evaluación y desarrollo de tecnología de celdas de combustible.
China planea invertir 1 mil millones de yuans (US$ 120 millones) en investigación de automóviles eléctricas impulsados por celdas de combustible. China tiene ahora más de 20 institutos y empresas especializadas en celdas de combustible. Un plan es también el desarrollo donde el gobierno municipal de Shangai invertirá 100 millones de yuans (US$ 12 millones) por año en apoyo a la investigación y desarrollo de celdas de combustible.
En el Reino Unido (RU), el consumo de electricidad a partir de Fuentes nuevas ó renovables de energía sumó un 2% (US$ 20 millones [£ 15 millones]) en 1998. El gobierno intenta incrementar el segmento de Mercado con renovables hasta un 5% en el 2003 y 10% en el 2010. El gobierno también usará medidas para la estimulación de Mercado tales que la provisión de mercados garantizados para generadores de combustibles no fósiles (vía la iniciativa Non-Fossil Fuel Obligation), y dirigir apoyo para I&D de tecnologías de energías renovables. Las tecnologías que están siendo consideradas por su potencial de exportación t su potencial de contribuciones a la meta del Reino Unido del 2010 del 10% de renovables incluyendo celdas de combustible, fotovoltaica, viento costa afuera, y cosechas de energía. La Investigación apoyada por este programa apunta hacia mejoras de reducción de costos que permitirán el aumento comercial de sistemas de energía renovable en una escala significativa. El gobierno provee fondos para I&D de energías renovables, sobre una base de compartición de costos con compañías del RU y busca nivelar sus recursos con aquellos de programas de I&D de la CEU tales como el SAVE y el THERMIE. Adicionalmente, el Consejo de Investigación de Ciencias Físicas e Ingeniería de la Gran Bretaña (Britain's Engineering and Physical Sciences Research Council) ha lanzado un programa expandido a 5 US$ millones/año para I&D fundamental enfocado a energía renovable.
Islandia esta liderando el camino en la carrera hacia la primera economía de hidrógeno. La compañía Icelandic New Energy (INE) Ltd. es una empresa unida de: VistOrku hf (EcoEnergy), DaimlerChrysler AG, Norsk Hydro ASA, y Shell Hydrogen BV. El propósito de esta compañía, encabezada por Jon Bjorn Skulason, es investigar el potencial para eventualmente reemplazar el uso de combustibles en Islandia con combustibles basados en el hidrógeno y crear la primera economía de hidrógeno del mundo. La compañía encabezará varios proyectos incluyendo el Sistema de Transporte de la Ciudad Ecológica (ECTOS) incluyendo tres autobuses Mercedes-Benz Citaro con celdas de combustible a hidrógeno en Reykjavik. Este proyecto se espera que inicie en el 2002. Otro proyecto con DCH Technology Inc se enfocará en el uso de celdas de combustible comerciales en Islandia.”7
1.2 Investigación en la universidad
Las tesis hasta ahora realizadas han tomado un camino práctico en el sentido que se ha tratado de hacer modelos o prototipos en base a los ya existentes en el mercado, tal vez tratando de mejorar el diseño del armazón, en el tema estructural, pero muy poco se ha tratado en el tema materiales y posibles alternativas.
La primera tesis realizada por ‘Edgar Alberto Medina B.’ y titulada ‘Celda de combustible hidrogeno/oxigeno‘, centro su propósito en realizar un prototipo experimental para el cual hubo un diseño de la estructura (cilíndrica), diseño del molde para el soporte estructural de la celda, preparación del electrodo y electrolito, y determinación de los diferentes procesos para la construcción de la celda o prototipo (celda tipo PEM, Polymer Eectrolyte Membrane). En el área de investigación se hizo una búsqueda exhaustiva del tema hidrogeno, que abarcaba desde la importancia hasta la seguridad, pasando por la producción, almacenamiento, distribución, entre otras. Y en el campo de la celda de
7
combustible se profundizo en los principios, clasificación, desempeño, componentes entres otros.
La segunda tesis al respecto estuvo a cargo de ‘Flor Ángela Andrade Sierra‘ y se titulo ‘Análisis de celda de combustible del tipo membrana de intercambio de protones‘. Este escrito siguió el camino práctico de la anterior tesis, mejorando el diseño estructural y penetrando en el tema de materiales sustitutos para el armazón, como fue el caso del diseño y construcción del soporte estructural de la celda en caucho teniendo en cuenta las consideraciones necesarias de elongación, consistencia y medidas del soporte. Así como también el cambio estructural al pasar de un diseño cilíndrico a un diseño convencional cúbico para así disminuir los costos y el desperdicio de material (electrolito NafionTM8 y electrodo ELAT9, materiales sumamente costosos). En el área de la investigación este escrito fue muchas más conciso, describiendo el tema con más brevedad. Los principales ítems fueron generalidades, aspectos teóricos construcción y análisis de operación de una celda de combustible tipo PEM.
Resumen de los proyectos de grado:
1er. Proyecto
“El trabajo busca profundizar acerca del funcionamiento de la celda de combustible como un sistema de conversión de energía alternativo que permite obtener energía limpia. El trabajo trata la tecnología de la celda de intercambio protónico (PEM ó PEFC) puesto que es la más conveniente para ser aplicada en el transporte terrestre, muestra además el diseño de una PEM, cuyas características principales son: compacto, durable, resistente y didáctico.
8
NafionTM es una marca registrada de Dupont®
9
Se realiza un estudio descriptivo de varios sistemas de celda de combustible, esto surge de la importancia de este sistema para el desarrollo de una fuente de energía sostenible, tomando el hidrogeno como el combustible más conveniente para un vehículo accionado por celdas de combustible y analizando el desempeño de estos sistemas de acuerdo a las variables que influyen en él, ilustrando el comportamiento químico y electroquímico de la celda de combustible.”10
2do. Proyecto
“El presente trabajo expone los conceptos, relaciones y bases teóricas de las celdas de combustible, siendo más especifico en los detalles de construcción y funcionamiento de las celdas de tipo de intercambio protónico.
A partir de los principios teóricos, térmicos y electroquímicos, de los aspectos económicos, de manufactura y utilización se analiza un diseño de celda de combustible realizado previamente, de esta manera se evalua sus ventajas y desventajas proponiendo un nuevo diseño.
Con el nuevo diseño, se hacen los arreglos de manufactura necesarios para iniciar la construcción de la celda de combustible a partir del soporte y el mecanismo de operación, así como se proponen las pruebas futuras para evaluar su funcionamiento, indicando la respuesta esperada gracias a las bases teóricas de operación y a la comparación de otras pruebas en celdas comerciales de similares características.”11
10
Resumen de proyecto de grado. Edgar Alberto Medina
11
2. Generalidades Hidrógeno
El hidrógeno es el átomo más ligero y simple de todos los elementos del sistema periódico, con número atómico 1 y peso atómico 1,00794 g/mol. Fue descubierto en 1776 por el químico y físico inglés Henry Cavendish al que bautizó como aire inflamable. Finalmente fue el químico francés Antoine Laurent de Lavoisier quien le dio el nombre de hidrógeno.
En condiciones normales de presión y temperatura es un gas biatómico de fórmula H2, no tóxico y muy inflamable (sobre todo en contacto con flúor y cloro), incoloro e inodoro. Tiene una gravedad específica de 0.0899g/l (el aire es 14.4 veces más pesado). Su punto de ebullición de tan sólo 20,27 K (-252,88 ºC) y un punto de fusión de 14,02 K (-259,13 ºC).
El hidrógeno a pesar de ser el elemento más abundante en el universo, no constituye directamente un combustible aprovechable, y por lo tanto, no es una fuente de energía, sino un vector energético (es decir, un portador de energía).
Combustibles alternativos para motores
Fuente: Comisión Europea
Aunque el hidrógeno no constituye un recurso renovable, éste puede producirse mediante energía solar, eólica o hidráulica como fuentes de electricidad, aunque hoy en día aproximadamente el 95 % se obtiene a partir de combustibles fósiles.
Su "densidad energética" es tres veces superior a la de la gasolina. Su combustión con el oxígeno, produce agua y calor.
Según cifras actuales, la producción de hidrógeno está distribuida de la siguiente forma:
Fuente Cantidad en billones de m3 por año Porcentaje Gas natural 240 48 Petróleo 150 30 Carbón 90 18 Electrólisis 20 4 Total 500 100
Fuente: Fuel c ells . E nergy E ffic ienc y and Renewable E nergy. U .S. Department E nergy
Tabla 2.1 Producción actual de Hidrógeno
2.1 Proveniencia del hidrogeno
“El hidrógeno hecho a partir de energías renovables provee una fuente abundante y limpia de energía, capaz de cubrir la mayoría de las grandes necesidades de energía del futuro. Cuando se usa hidrógeno como fuente de energía en una celda de combustible, la única emisión que se genera es agua, la cual puede ser electrolizada para hacer más hidrógeno – el subproducto suministra más combustible. Este ciclo continuo de producción de energía tiene el potencial de reemplazar las Fuentes de energía tradicionales en cualquier capacidad – no más baterías inservibles acumulándose en los basureros ó motores de combustión humeantes causando contaminación. El único inconveniente es que el hidrógeno
aún es más caro que otras Fuentes de energía tales como el carbón, petróleo gas natural. Los investigadores están ayudando a desarrollar tecnologías para aprovechar este recurso natural y generar hidrógeno en cantidades masivas y bajos costos para competir con fuentes tradicionales de energía. Hay tres métodos principales que los científicos esta investigando para la generación barata de hidrógeno. Los tres separa al hidrógeno de “material prima” inicial, por ejemplo combustible fósil ó agua – pero mediante métodos muy diferentes.
Reformadores – Una gran situación sobre las celdas de combustible, es que no importa de donde viene el hidrógeno - agua, metanol, etanol, natural gas, gasolina o diesel, amonio ó borohidruro de sodio. Los combustibles que contienen hidrógeno generalmente requieren un “reformador de combustible” que extrae el hidrógeno. La energía también podría ser suministrada a partir de biomasa, viento, potencia solar u otras fuentes renovables de energía. Las celdas de combustible de hoy están funcionando con diferentes combustibles, hasta con gas de rellenos sanitarios y plantas de tratamiento de agua.
Cuando se usa un combustible distinto a hidrógeno, se requiere un reformador ó
procesador de comb ustib le. Un reformador es un dispositivo que produce
hidrógeno a partir de combustibles como la gasolina, metanol, etanol o naftas. Existen tres diseños básicos de reformadores, los cuales están siendo evaluados para vehículos con celdas de combustible: reformador a vapor, oxidación parcial y reformación autotérmica. Reformadores a vapor combinan el combustible con vapor de agua y calor para producir hidrógeno. El calor requerido para operar el sistema es obtenido mediante la quema de combustible ó exceso de hidrógeno de la salida del conjunto de celdas de combustible. Los Reformadores de Oxidación Parcial combinan al combustible con oxígeno para producir hidrógeno y monóxido de carbono. El monóxido de carbono reacciona con vapor de agua para producir más hidrógeno. La oxidación parcial libera calor, el cual es atrapado y usado en otras partes del sistema. Los Reformadores Auto-térmicos combinan el
combustible con ambos, vapor de agua y oxígeno de tal manera que la reacción está en balance respecto del calor involucrado. La reformación auto-térmica, a pesar de no estar tan desarrollada como los otros procesadores, ofrece la mayor flexibilidad en cuanto al manejo de calor. En general, tanto gasolina como metanol pueden ser usados en cualquiera de los tres diseños de reformador. Sin embargo, las diferencias en la naturaleza química de los combustibles puede favorecer a un diseño sobre el otro.
Encimas – Otro método para generar hidrógeno es con bacterias y algas. La cianobacteria, un organismo monocelular abundante, produce hidrógeno a través de su función metabólica normal,. La Cianobacteria puede crecer en el aire ó en el agua y contiene enzimas que absorben energía de la luz del sol y separan las moléculas de agua, produciendo así hidrógeno. Ya que la cianobacteria toma agua y la sintetiza en hidrógeno, el subproducto es más agua que se convierte en alimento para la siguiente metabolización.
Generación mediante energía Solar y del Viento – Mediante la recolección de energía renovable del sol y del viento, los investigadores son capaces de generar hidrógeno utilizando potencia fotovoltaica (PVs), celdas solares ó turbinas eólicas para electrolizar agua y convertirla en hidrógeno y oxígeno. De este modo, el hidrógeno se convierte en un transportador de energía – capaz de transportar la potencia desde el sitio de su generación a otra localización para ser usado en una celda de combustible. Esto sería una verdadera forma de cero emisiones de generar hidrógeno para una celda de combustible. “12
12
Costo de producción del Hidrógeno
Fuente: I nternational E nergy A genc y (I E A )
Figura 2.2 Costo de producción del Hidrógeno
2.2 Seguridad del hidrogeno
“Muchas preguntas han surgido acerca de la seguridad del hidrógeno como transportador de energía. El hidrógeno es altamente flamable y requiere poco hidrógeno en el aire para su combustión. Sin embargo, si es manejado adecuadamente es tan seguro ó mas seguro que la mayoría de los combustible, así mismo, los productores de hidrógeno y los usuarios de hidrógeno han generado records de seguridad impecables a lo largo de los últimos cincuenta años.
Existen muchos mitos acerca del hidrógeno, que recientemente han sido desacreditados. Un estudio del incidente del Hindenburg encontró que no fue el hidrógeno lo que causó el accidente.
Estudios muy profundos han demostrado que el hidrógeno presenta menos riesgos referentes a la seguridad en su uso, que otros combustibles incluyendo
gasolina, propano y gas natural. En 1997, la compañía Ford Motor Company junto con el Departamento de Energía publicaron un "Reporte de Seguridad del Hidrógeno en Vehículos " en el cual concluyeron que, "la seguridad de un sistema de hidrógeno [Vehículo con celdas de combustible] es potencialmente mejor que los registros de seguridad demostrados por gasolina ó propano e igual ó mejor que aquellos de gas natural." El estudio citó las propiedades boyantes mayores en el hidrógeno, más alto límite inferior de flamabilidad y mucho más alto limite inferior de detonación como los principales contribuyentes al mayor potencial en seguridad del hidrógeno.
Específicamente, el estudio compara la seguridad de varios sistemas de combustible durante colisiones en espacios abiertos, en túneles y a lo largo del ciclo de vida del combustible. El estudio encontró que en una colisión en espacios abiertos, los vehículos alimentados con hidrógeno eran mas seguros que autos con motor de combustión interna (ICE) a gasolina, propano o gas natural debido a cuatro factores.
• Los tanques de fibra de carbón del hidrógeno tienen alta resistencia a la ruptura aun en alto impacto. En general, los tanques de hidrógeno y sistemas de operación están diseñados para resistir sin ruptura presiones 2.25 a 3.5 veces su presión de operación, colisiones a alta velocidad y disparos directos de rifles y pistolas de alta potencia.
• El hidrógeno posee una densidad de solo el 7% la del natural aire y tiene alta boyancia de tal modo que tenderá a elevarse y disiparse sin viento ni ventilación. La densidad del gas Natural es 55% la del aire mientras que tanto los vapores de la gasolina (3.4 a 4 veces más pesados) y del propano (1.52 veces mas pesados) son más pesados que el aire. El hidrógeno también tiene un coeficiente de difusión 3.8 veces mayor que el del gas natural, 6.1 veces mayor que los vapores de propano y 12 veces mayor que
los vapores de la gasolina. Consecuentemente, el gas hidrógeno se eleva y difunde lateralmente más rápido que el gas natural, propano ó la gasolina. En espacios abiertos, la velocidad de dispersión mayor del hidrógeno debe traducirse en menos incendios. También, para que el hidrógeno se queme hacia abajo, i.e. cuando el punto de ignición está por encima del gas, la mezcla hidrógeno / aire debe ser al menos 9% de hidrógeno ó mayor. ("Si la fuente de ignición está arriba un 10% ó menor que la mezcla flamable del hidrógeno, el hidrógeno por debajo de la fuente no iniciaría una ignición."). En comparación, el metano tiene un límite inferior de flamabilidad de propagación hacia abajo de 5.6% haciendo que el metano sea más propenso a iniciar una ignición que el hidrógeno debido a una fuente de ignición localizada por encima de la mezcla gas / aire.
• Un vehículo con celda de combustible podría transportar aproximadamente un 60% menos energía que un vehículo de combustión interna por que es más eficiente. Si se quemara el hidrógeno de un auto con celda de combustible generaría menos energía térmica comparado con una misma cantidad de gas natural, propano o gasolina de un auto de combustión interna. El hidrógeno gas se quemaría también más rápido en caso de fuego ya que tiene una velocidad de quemado unas 7 veces mayor que la del gas natural o de la gasolina. El resultado podría ser una pluma rápida de fuego ó fuego que no causaría tanto daño como el fuego iniciado por gasolina.
• Un auto alimentado por una celda de combustible tendrá menos sensores de seguridad y dispositivos que detengan el flujo de hidrógeno a través del sistema si ocurriera una fuga del combustible o en caso de un impacto. Mediante el sellado del tanque, las medidas de seguridad disminuirán las posibilidades de que una ruptura en la línea causen una fuga continua que conduzca a una concentración suficiente para iniciar la ignición. El diseño
del vehículo también cortará le energía eléctrica de las baterías eliminando así una fuente de ignición.
En una colisión en un túnel, las mismas propiedades que hacen al hidrógeno más seguro en espacios abiertos al aire, deberán hacerlo más seguro. El gas hidrógeno se dispersará más rápido que otros combustibles, creando sin embargo una pluma más larga de gas que pueda potencialmente hacer contacto con más fuetes de ignición que por ejemplo una pluma de gas natural.
Si es manejado adecuadamente, el ciclo de vida del hidrógeno deberá probar ser más seguro que los del gas natural, propano y gasolina. La producción y transporte del hidrógeno tendría menos riesgos públicos directos ya que líneas de tubería de hidrógeno y camiones pipa presentan menos riesgos públicos que camiones pipa con petróleo (ver arriba). Además, el hidrógeno no es tóxico y no contaminará al ambiente como lo haría un derrame de propano, gasolina ó aun del gas natural.
Los records en seguridad del hidrógeno no muestran evidencia de riesgos inusuales. Los camiones de hidrógeno líquido han llevado a lo largo de los caminos del país un promedio 70 millones de galones de hidrógeno líquido por año sin ningún serio incidente. Una mezcla gaseosa alta en hidrógeno llamada "gas de ciudad" (town gas) utilizado para iluminar las calles y casas ha mostrado tener una misma tasa de seguridad que gas natural usado de manera similar. El hidrógeno ha sido manejado y enviado a través de cientos de millas de tubería con relativa seguridad para las industrias del petróleo, química y del acero. Más aún, la NASA ha usado hidrógeno líquido como su principal fuente de combustible durante los últimos cincuenta años sin ningún serio accidente.“13
13
3 Definición de una celda de combustible
En la literatura existe extensa cantidad de definiciones al respecto. Como por ejemplo: "es un dispositivo electromecánico que convierte directamente energía química en energía eléctrica" y otros autores la definen como: "Es una batería o celda electroquímica para producir electricidad, en que sus electrodos componentes son reemplazados constantemente", “Una pila de combustible se define como un dispositivo electroquímico que transforma directamente y, lo que es más importante, de forma continuada, la energía química almacenada por un combustible en energía eléctrica” o “Una celda de combustible (fuel cell) es un dispositivo electroquímico que genera electricidad y calor combinando hidrógeno y oxígeno sin ninguna combustión”. Fusionando estas definiciones podemos decir que una celda de combustible es: ‘Es un dispositivo que reúne un oxidante y un combustible por medio de una reacción química isotérmica para producir electricidad’.
3.1.1 Funcionamiento
“Las celdas de combustible son similares, en funcionamiento, a las baterías que producen corriente directa (CD). Pero a diferencia de éstas una celda de combustible no se recarga. “Su principio de funcionamiento es inverso al de una electrólisis. Por ejemplo, en la electrólisis del agua, se separa este compuesto en sus dos componentes, hidrógeno y oxígeno, mientras que en una pila de combustible se obtendría una corriente eléctrica por medio de la reacción entre estos dos gases.”14
“Las celdas de combustible están compuestas por dos electrodos, un ánodo y un cátodo, separados por un electrolito. Como en las baterías, las celdas de
14
combustible se agrupan en pilas para obtener un voltaje aceptable así como cierta potencia de salida.
En una celda de combustible típica, un combustible en estado gaseoso (Hidrógeno), es continuamente suministrado al compartimento del ánodo (-). Por otro lado se suministra continuamente un oxidante (Aire) en el compartimento del cátodo (+). La reacción electroquímica se produce en los electrodos donde se da origen a una corriente eléctrica.
Sin ser baterías, como parece, las celdas de combustible no liberan energía almacenada, esto debido a que la energía eléctrica que se produce por la reacción electroquímica entre el Hidrógeno y el Oxígeno, se tiene que consumir en ese preciso instante.”15
“El combustible que se inyecta debe ser hidrógeno, con un oxidante que debe ser oxígeno. La mezcla hidrógeno-oxígeno es explosiva, por lo que dentro de la máquina se separan por dos membranas porosas con un electrolito en medio. Estas membranas porosas tienen un elemento conductor, generalmente metálico, para recoger la corriente eléctrica que se puede originar por la diferencia de potencial que se presenta entre las dos membranas, debido a la reacción química básica: Ánodo H2 Æ 2H+ + 2e 15 Tomado de : www.conae.gob.mx/work/sites/CONAE/resources/LocalContent/466/1/images/celdas.pdf
Cátodo
O2 + 4H+ + 4e- Æ 2H2O
“La reacción global de formación de agua a partir de hidrógeno y oxígeno es espontánea, pero adolece de una cierta lentitud cuando transcurre de forma separada en cada uno de los electrodos. Es por ello que sobre la superficie de los mismos se suelen incorporar catalizadores que aceleran la reacción. “ 16
Reacción Global
2 H2 + O2 Æ 2 H2O
Tabla Reacciones químicas en los diferentes tipos de celdas de combustible Celdas de combustible Reacción en el ánodo Reacción en el cátodo ALC H2+2(OH)- Æ 2H20 + 2e- 0,5O2 + H2O + 2e- Æ 2(OH)
-PEM H2 Æ 2H+ + e- 0,5O2 + H+ + 2e- Æ H2O
PAFC H2 Æ 2H+ + e- 0,5O2 + H+ + 2e- Æ H2O
MCFC H2+CO32- Æ H2O+CO2+2e- 0,5O2 + CO2 + 2e- ÆCO3
2-SOFC H2 + O2- Æ H2O + 2e- 0,5O2 + 2e- Æ O
2-DMFC CH3OH + H2O Æ CO2 + 6H +
+ 6e- O2 + 4H +
+ 4e-Æ 2H2O
Tabla 3.1 Reacciones electroquímicas en una celda de combustible
“Todas las celdas de combustible se basan en este principio, pero varían en el contenido del electrolito, en los materiales de las membranas y electrodos, y además en su construcción, y por lo tanto, también en las reacciones químicas dentro de la máquina. Desde luego esto sin contar los procesos auxiliares para producir el hidrógeno y el oxígeno necesarios, del control de la energía eléctrica producida, y de otros sistemas probables.”17
16
Tomado de: http://usuarios.tiscali.es/casteasu/pilas.htm
17
3.1.2 Esquema de Funcionamiento
Figura 3.1 Principio de funcionamiento de una pila de combustible alimentada con hidrógeno y oxígeno
“Como se dijo anteriormente, la unidad fundamental, llamada también celda, no es suficiente para aplicaciones prácticas, uniéndose varias de ellas para conseguir la potencia y tensión adecuadas, formando de esta manera una pila de combustible. Las celdas están unidas eléctricamente en serie. Cada cierto número de celdas unitarias se inserta un dispositivo que permite extraer el calor generado por la reacción electroquímica, manteniendo de esta forma la temperatura dentro de los márgenes óptimos para cada tipo de celda. El calor extraído a través del circuito interno de refrigeración es recogido mediante una serie de intercambiadores que lo entregan a un circuito externo, produciéndose en el mismo agua caliente o vapor, dependiendo de la temperatura de funcionamiento de la pila. La energía térmica así obtenida puede emplearse como tal, o bien utilizarse en la generación de una cantidad adicional de energía eléctrica, aumentando así el rendimiento del sistema.
La corriente continua proporcionada por la pila debe ser transformada en corriente alterna apta para el consumo, con una especial atención a los parámetros eléctricos (voltaje, frecuencia, armónicos, etc.) de la red. La parte eléctrica encargada de esta transformación recibe el nombre de sistema de acondicionamiento de energía, y su componente más importante es el inversor, que transforma la corriente continua producida por la pila en corriente alterna.
Puesto que el único combustible admitido por las pilas de combustible es el hidrógeno, gas que no se encuentra libre en la naturaleza, se requiere una etapa química previa para su obtención a partir de sustancias orgánicas que lo contengan. Uno de los procesos adecuados para este fin es el reformado catalítico con vapor de agua, siendo su rendimiento mucho mayor cuanto más alta sea la relación hidrógeno/carbono de la materia prima empleada. El metano contenido en el gas natural es, entre los combustibles disponibles, el que posee una relación hidrógeno/carbono más elevada. Ello convierte a este combustible en el idóneo para el funcionamiento de estos equipos.
Con el objeto de hacer más versátil el funcionamiento de las pilas de combustible, se añaden una serie de equipos auxiliares, que no por ello son menos importantes: sistemas informáticos de gestión y control, condensadores de vapor, sistemas de suministro de gases, calderines, ventiladores, etc. Todas estas partes, junto con las descritas anteriormente, forman lo que se llama una planta basada en una pila de combustible o, sencillamente, una pila de combustible. El esquema general de una planta basada en una pila de combustible aparece representado en la Figura 3.2.
Figura 3.2 Esquema general de una planta basada en una pila de combustible
A modo de resumen de todo lo expuesto hasta ahora, podemos afirmar que una pila de combustible es un sistema electroquímico que, alimentado con combustible reformado, proporciona energía eléctrica y agua como productos finales de una reacción que transcurre de forma separada en cada uno de los electrodos. Como subproducto, se obtiene energía térmica. “18
3.1.3 Clasificación
“Las pilas de combustible pueden clasificarse atendiendo a muy diversos parámetros: temperatura de trabajo, tipo de electrolito, tipo de combustible y de oxidante, etc. El parámetro que ha predominado es el electrolito utilizado, que a su vez condiciona la temperatura de operación. De acuerdo con este criterio, las pilas de combustible más prometedoras se clasifican en:
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Tipo y Siglas en inglés
electrolito temperatura combustible aplicaciones ventajas desventajas
poliméricas (PEMa) Nafion 60-100 ºC H2 transporte equipos portátiles electricidad baja temperatura, arranque rápido electrolito sólido (reduce corrosión, fugas, etc.) la baja temp. requiere catalizadores caros (Pt) y H2 puro. alcalinas
(AFC) KOH (aq.) 90-100 ºC H2
militares espaciales mejores prestaciones de corriente debido a su rápida reacción catódica. Requiere eliminar el CO2 de aire y combustible. de ácido fosfórico (PAFC) H3PO4 175-200 ºC H2 electricidad eficiencia de hasta un 85% (con cogeneración de calor y electricidad). Posibilidad de usar H2 impuro como comb. catalizador de Pt. corriente y potencia bajas. peso y tamaño elevados. de carbonatos fundidos (MCFC) carbonatos
Li, Na, K 600-1000 ºC H2 electricidad
ventajas derivadas de las altas temperaturas.b las altas temperaturas aumentan la corrosión y ruptura de componentes de óxido sólido (SOFC) (Zr,Y)O2 800-1000 ºC H2 electricidad ventajas derivadas de las altas temperaturas.b El electrolito sólido reduce corrosión, fugas, etc. las altas temperaturas facilitan la ruptura de componentes (sellos...) conversión directa de metanol (DMFC) Nafion, KOH 60-100 ºC CH3OH transporte equipos portátiles electricidad combustible líquido, más cercano a la tecnología actual, más las ventajas de las PEM.
a) PEM (Proton Exchange Mem brane, o Poly m er Electroly te Mem brane) b) m ay or eficiencia, posibilidad de usar catalizadores más baratos que el platino y flexibilidad para usar otro tipo de com bustibles (incluso hidrocarburos)19
Tabla 3.2 Tipos de celdas de combustible
19
Pilas de polímero sólido (PEM)
Estas pilas emplean como electrolito una membrana de intercambio catiónico que trabaja a una temperatura de 80-100oC. Cuando se satura de agua, la membrana se vuelve conductora de protones, los cuales son transferidos del ánodo al cátodo.
Su baja temperatura de operación requiere de un sistema de eliminación de calor muy eficiente y del uso de catalizadores. Ello conlleva la exigencia de una alta pureza del hidrógeno alimentado (por ejemplo, está completamente vedada la presencia de monóxido de carbono) trayendo consigo, por lo tanto, un alto costo de producción. A pesar de todo ello, presentan ventajas sustanciales frente a otros tipos de pilas: son de menor tamaño, más ligeras, de arranque más rápido y con una respuesta más rápida a los cambios de carga. Es por ello que se consideran este tipo de pilas de combustible como las primeras candidatas para el suministro de energía en vehículos eléctricos, en sustitución de las baterías recargables.
“La eficiencia de estas celdas puede llegar hasta el orden de 50 por ciento y su densidad de potencia es del orden de 1.35 kW por decímetro cúbico. Las celdas individuales se conectan en series y paralelos para dar la tensión y potencia eléctrica requeridas de la máquina. Estas características hacen que la comparación de esta celda de combustible con las máquinas de combustión interna en los automóviles actuales sea razonable, y ya se tienen varios vehículos de prueba en funcionamiento.
Actualmente se tiene el inconveniente de que la baja temperatura de operación hace difícil de mantener la reacción química, pero con los avances en la tecnología de materiales y sus catalizadores, han hecho posible la construcción de algunas máquinas que incluso ya se tienen en el comercio.
El precio de estas unidades ha estado descendiendo conforme a aumentado la demanda, principalmente en el Oeste de los Estados Unidos. Existen unidades entre 3 kW y 250 kW de potencia eléctrica, con un costo probable de $ 4000 dólares por kW instalado.”20
Pilas alcalinas (AFC)
“En esta celda se usa hidróxido de potasio como catalizador con un compuesto para formar el electrolito, con lo que se acelera la reacción. Opera a una temperatura entre 150 y 200 grados C, y la eficiencia alcanzada es del orden del 70 por ciento, por lo que la NASA a usado este sistema en las misiones espaciales. Los sistemas actuales tienen una potencia entre 300 W y 5 kW, pero su costo es muy elevado.”21
Pilas de ácido fosfórico (PAFC)
En este tipo de pilas se emplea ácido fosfórico concentrado como electrolito. La temperatura de trabajo debe situarse entre 160oC y 220oC. Los electrodos, a su vez, se componen de grafito fibroso con platino dispersado en su interior, el cual actúa como catalizador.
La ventaja de este tipo de pilas es la facilidad con que se recupera el calor residual generado, pudiéndose llegar a rendimientos del 80%. Es decir, proporcionan tanto energía eléctrica como calor a los usuarios. De ahí que los lugares más apropiados para instalar este tipo de tecnologías sean hoteles, hospitales, restaurantes, etc. Se puede decir que son el tipo de pilas de combustible más avanzado de los disponibles hoy en día, tanto desde el punto de vista tecnológico como comercial.
20
Tomado de: ruelsa.com/cime/boletin/b55COMBUSTIBLE-1.PDF
21
“Dado que la temperatura de operación es del orden de 200 ºC, se necesita unos tubos de enfriamiento en el interior del ensamble. Su densidad de potencia en kW por decímetro es menor que la PEM.
Sus potencias nominales son de 200 a 1000 kW. El costo unitario por potencia de una planta de celdas de combustible de ácido fosfórico es mayor que la de membrana de intercambio de protones, por las instalaciones auxiliares necesarias, y en condiciones iguales. Pero se hace notar que las aplicaciones pueden ser distintas, o que invalida esta comparación.
Las plantas generadoras por celdas de combustible con ácido fosfórico fueron de las primeras en el mercado, y en la actualidad se supone en operación poco más de 200 de las diferentes marcas.”22
Pilas de carbonato fundido (MCFC)
Como electrolitos utilizan carbonatos de litio y potasio o de litio y sodio, los cuales presentan una elevada conductividad iónica en estado fundido. Las temperaturas de funcionamiento son lógicamente muy elevadas, en torno a 650-700 oC, lo que permite recoger el calor excedente para la generación adicional de electricidad. Se emplean electrodos porosos de níquel u óxido de níquel.
En el cátodo, además del oxígeno, se alimenta dióxido de carbono. Este gas se recupera posteriormente en el ánodo, con el inconveniente que esto plantea de cara a la regulación automática del proceso. Por otro lado, el monóxido de carbono producido durante el reformado del combustible puede ser alimentado directamente a la pila, donde se comporta como un combustible, lo que supone una considerable ventaja.
22
Las aplicaciones de las pilas de carbonato fundido se centran en la generación de energía eléctrica como alternativa a las centrales térmicas. Están consideradas como la segunda generación de pilas de combustible.
“Gran parte de estas celdas por lo general se fabrican de acero inoxidable, por su gran durabilidad a las temperaturas de operación.
El uso de estas plantas, de 250 a 3000 kW de capacidad, es como auxiliares en las empresas de electricidad, en complejos industriales, y en todos aquellos lugares en que se pueda dar uso al calor producido, a una temperatura de 650 grados, como se dijo antes.
Esta tecnología aun está en experimentación, y se espera que dentro de unos años este disponible a un costo del orden de 2000 a 3000 US$ por kW.” 23
Pilas de óxido sólido (SOFC)
Las pilas de óxido sólido emplean materiales cerámicos porosos recubiertos de membranas de óxido de itrio y circonio como electrolitos, los cuales se ven sometidos a altas temperaturas, de hasta 1000ºC, a las cuales adquieren conductividad iónica. El ánodo consiste en una placa compuesta de níquel y óxido de circonio, mientras que el cátodo está formado por un óxido de manganeso y lantano.
Al igual que en el caso de las pilas de carbonato fundido, se puede utilizar el monóxido de carbono residual como combustible, pero en este caso no es necesaria la aportación de dióxido de carbono en el cátodo. Por otro lado, el
23
sistema tolera la llegada hasta el ánodo del combustible sin reformar, por lo que no se requieren catalizadores de reformado de altas prestaciones.
Puesto que en este tipo de pilas el electrolito es sólido, se eliminan los problemas derivados de la corrosión asociada al electrolito, a la vez que se dificulta la difusión de los gases de un electrodo a otro. Asimismo, se mejora la estabilidad dimensional del sistema y se evitan inundaciones en los electrodos. En contrapartida, las altas temperaturas empleadas ocasionan problemas mecánicos en los materiales de la celda.
Los rendimientos en la generación de energía eléctrica alcanzan un 60-65%, sobre todo si se acopla la salida de los gases con una turbina de gas, obteniéndose al mismo tiempo densidades de corriente muy elevadas. Por ello se considera a este tipo de pilas de combustible, junto con las de polímero sólido, como las de mayor interés potencial. En la actualidad, han encontrado una aplicación en la cogeneración industrial de electricidad y calor, sustituyendo ventajosamente a las centrales térmicas basadas en turbinas de gas. “24
“En la actualidad se están haciendo pruebas con celdas operando a más baja temperatura, del orden de 600 a 800 grados Celsius, con cerámica porosa a los protones a la temperatura de operación, lo que logrará disminuir los costos actuales. Los sistemas en prueba son de una potencia hasta de 3000 KW. El uso recomendado por los fabricantes es como suplemento en los sistemas de distribución, en los centros de consumo, con lo que se evita reconstruir líneas adicionales o aumentar el calibre del conductor. Esta tecnología es una de las más prometedoras para comercializarse en el futuro, pues su densidad de potencia es elevada, dependiendo del tamaño de la planta. Los costos actuales son del orden de 8000 US$ por kW, y se espera reducirlo hasta $ 50 US$ por kW en el futuro.”25
24
Tomado de: http://usuarios.tiscali.es/casteasu/pilas.htm
25
Pilas de conversión directa de metanol (DMFC)
“Estas celdas son muy semejantes a las PAFC, pero en lugar de hidrógeno usan metanol en agua en el ánodo, dando un electrolito acuoso.
El hecho de usar metanol directamente tiene la ventaja de que se evitan todas las instalaciones de manejo del hidrógeno, evitando así su peligrosidad. El costo de la instalación es más barato comparado con las dos anteriores. Pero se tiene el inconveniente de que las membranas de polímero actuales dejan pasar algo de metanol, que reacciona en el cátodo directamente, sin producir energía eléctrica, y por lo tanto bajando su eficiencia.
La densidad de potencia es baja, inconveniente que unido a su baja eficiencia hacen que estas plantas tengan poco uso en la actualidad. Su aplicación más frecuente es el reemplazo de bancos de baterías, con la ventaja de simplicidad en la instalación y que se evita el reemplazo del banco de baterías periódicamente.”26
3.1.4 Componentes
Figura 3.3 Esquema general de la celda
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