producción de hidrógeno y células de combustible. estado actual y perspectivas

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Producción de hidrógenoy células de combustible.Estado actual y perspectivas.

Álvaro Segovia PavónI.T.I. Electrónica IndustrialEnergías renovables.2008/2009



Producción de hidrógeno y células de combustible. Estado actual y perspectivas

Índice

1.- Introducción del trabajo............................................................................................34.- Tipos de células de combustible................................................................................75.- Producción de combustible......................................................................................126.- Estado actual y perspectivas...................................................................................137.- Conclusiones.............................................................................................................198.- Bibliografía...............................................................................................................20

Álvaro Segovia Pavón2




1.- Introducción del trabajo.

En este trabajo se va a intentar que el lector comprenda el funcionamiento de

este dispositivo, así como los tipos de tecnologías que se están desarrollando y sus usos.

Se intentará hacer una visión lo más global posible del uso actual de esta tecnología y

de los desarrollos que se prevén en un futuro próximo, utilizando algunos ejemplos de

desarrollos que a mi parecer son importantes. Al final del trabajo dedicaré un apartado a

una conclusión personal que no tiene porqué coincidir con la del lector. A partir de los

datos que expongo el lector debe sacar su propia conclusión sobre las células de

combustible.

2.- ¿Qué es una pila de combustible?

Una pila de combustible es un dispositivo de conversión energética que produce

electricidad directamente de combustibles por combinación electroquímica de los

mismos con un oxidante, encontrándose ambos generalmente en estado gaseoso. Cada

pila consta de dos electrodos, un ánodo y un cátodo separados por un electrolito. El

combustible se suministra al ánodo, donde ocurre la reacción de oxidación, libera

electrones al circuito externo. El oxidante se suministra al cátodo, donde llegan los

electrones del circuito externo, y ocurre la reacción de reducción. El flujo de electrones,

desde el ánodo al cátodo, produce corriente eléctrica. El electrolito es un aislante

electrónico que permite el transporte de iones óxido o protones entre los dos electrodos.

El hidrógeno es el combustible empleado normalmente debido a su alta reactividadelectroquímica y a que puede ser obtenido, con relativa facilidad, a partir de

hidrocarburos, alcoholes e incluso del agua. En el caso de emplear hidrógeno como

combustible, el único "residuo" generado en la interfase electrodo-electrolito será agua.

En cuanto al oxidante, el oxígeno es el más utilizado debido a que se encuentra en el

aire y, por tanto, su obtención es sencilla.





1

En las condiciones típicas de funcionamiento de una pila de combustible, esdecir operando a 900 ºC, empleando hidrógeno y oxígeno como combustible y oxidante,

respectivamente, se produce alrededor de 1 V (valor que viene dado por la expresión de

Nerst). Aunque el voltaje útil, en torno al máximo de la densidad de corriente

producida, suele estar comprendido entre 0.5 y 0.7 V. Por tanto, para que estos

dispositivos sean aprovechables deben de combinarse en serie dando lugar a "stacks".

En este caso se hace necesaria la presencia de otro componente para facilitar las

conexiones entre el cátodo de una celda con el ánodo de la siguiente: las placas

bipolares o interconectores.

2

2 “Stack” de célula de combustible.

Las pilas de combustible convierten energía química en eléctrica en un sólo paso,

mientras que, en un proceso térmico convencional, la energía química del combustible

se transforma primero en energía térmica después en energía mecánica y finalmente en

1 Esquema funcionamiento pila de combustible.





eléctrica. Por tanto, son dispositivos que ofrecen una más alta eficiencia en el empleo de

hidrocarburos.

3

3

Conversión de Energía química en eléctrica.

3.- Los Orígenes de las pilas de combustible.

Los fundamentos de las pilas de combustible fueron dados a conocer por primera

vez en 1839 por Sir William Grove, a pesar de que fue Christian Friedrich Schoenbein

quien descubrió los efectos de la "electrolisis inversa" un año antes. La pila de Grove

usaba ácido sulfúrico como electrolito y trabajaba a temperatura ambiente.

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4





El término "pila de combustible" fue acuñado por primera en 1889 cuando L.

Mond y C. Langer intentaron construir una unidad que utilizaba aire y gas de hulla

industrial.

Por aquella época, el fenómeno de la conducción eléctrica no estaba claro. Se

sabía que los metales conducían de acuerdo con la ley de Ohm y que las disolucionesacuosas iónicas conducían grandes entidades llamadas iones. En 1893, Ostwald clarificó

este panorama al determinar experimentalmente la función de los diferentes

componentes de una pila de combustible como son electrodos, electrolito y, agentes

reductores y oxidantes.

Las pilas de combustible cerámicas vendrían mucho mas tarde y comenzarían

con el descubrimiento de Nernst, en 1899 de los electrolitos de óxidos sólidos. Nernst

observó que la zirconia dopada con diferentes elementos presentaba diferentes tipos de

conducción eléctrica. Así, era aislante a temperatura ambiente, de 600ºC a 1000ªC

conducía iones y a 1500ºC presentaba conductividad mixta. Entonces propuso utilizar

sólidos de ZrO2 dopados con 15% de Y2O3, llamada "masa de Nernst" para reemplazar los filamentos de carbono de las lámparas eléctricas. Pero no fue hasta 1935 que se

pudo aprovechar este electrolito. En dicha fecha, Schottky publicó un artículo

sugiriendo que la “masa de Nernst” podría ser utilizada como un electrolito sólido en

una pila de combustible.

Sin embargo, la operación de la primera pila de combustible cerámica, a

1000oC, vendría de la mano de Baur y Preis en 1937. Ellos usaron conductores iónicos

como electrolitos basados en ZrO2 dopado con Mg o Y, con forma de crisol tubular.

Hierro o carbón como ánodo y Fe3O4 como cátodo. Obtuvieron potenciales en circuito

abierto (OCV) que oscilaban de en torno a 1.1V a ≈1000ºC, utilizando hidrógeno o CO

como combustible y aire como oxidante. Sin embargo las densidades de corriente

obtenidas eran muy bajas debidos en parte a la gran resistencia interna.

En 1958, Francis Bacon sustituyó los electrolitos ácidos por electrolitos básicos,

como el KOH, que no es tan corrosivo con los electrodos y supuso el desarrollo de las

AFCs. Estas pilas tenían un coste muy elevado, pero su fiabilidad las llevó a ser

empleadas en el programa espacial Apolo (1968), proporcionando energía y agua para

la nave.

Otro momento importante llegó en 1970 cuando DuPont desarrolló las

membranas de NafionTM

, lo que supuso la puesta en marcha de las pilas PEFC. Durantela década de los 70 y primeros años de los 80 se produjeron numerosos avances de cara

al desarrollo práctico de la pilas. Por ejemplo, en las pilas cerámicas se pasó de la

clásica configuración plana, con electrolitos muy gruesos a nuevas configuraciones

como la tubular, empleando el concepto de electrolito en capa delgada para mejorar el

rendimiento de las pilas.

Así llegaron los grandes avances como el primer vehículo propulsado por pilas

de combustible de la compañía canadiense Ballard (1993). En la actualidad existen

numerosas compañías trabajando en la optimización de esta tecnología en busca de su

comercialización. De hecho, se pueden encontrar automóviles o autobuses con sistemas

de propulsión basados en pilas de combustible, así como plantas que pueden generar hasta decenas de MW.





4.- Tipos de células de combustible.

Existen varios tipos de pilas que suelen ser clasificados fundamentalmente en el

rango de temperatura de trabajo y en la naturaleza del electrolito. Los cinco tipos

clásicos de pila son: de membrana polimérica (PEMFC), alcalinas (AFC), ácido

fosfórico (PAFC), de carbonato fundido (MCFC) y las de óxidos sólidos (SOFC). De

todas ellas, las PAFCs fueron las primeras en ser comerciales, seguidas por las MCFCs

y las AFCs.

5 Esquema de funcionamiento de los tipos de células de combustible.

Las SOFC pueden suministrar en torno a 200kW en configuración tubular yentre 5 y 50kW en la planar, las PEFC en torno a los 250kW, las de carbonato fundido

unos 2MW, las de fosfórico entorno a 11MW y las alcalinas se encuentran en desarrollo

para obtener entre 10 y 100kW.





6 Características de los tipos de células de combustible.

Pilas de combustible de membrana polímera (PEMFC): El electrolito en estas

pilas es una membrana de intercambio iónico que es un excelente conductor protónico.

Generalmente se emplea un polímero de ácido sulfónico fluorado (Nafion™) o algún

derivado. Los electrodos son generalmente de Pt soportado en C (que actúa como

catalizador) dentro de una matriz polimérica. El único líquido en la pila es agua por lo

que los problemas asociados con la corrosión son mínimos. La membrana tiene que

estar perfectamente hidratada, por tanto, el agua suministrada no debe de evaporarse

más rápidamente que la generada para evitar la pérdida de hidratación comentada. La

temperatura de trabajo es de unos 80-120ºC, obteniéndose rendimientos de 40-50%. La

pila trabaja en un medio rico en combustible y requiere una alta cantidad de catalizador,

encareciendo el producto final. El principal problema es que el catalizador se puede

envenenar por la presencia de CO, por lo que el combustible no debe de poseer trazas de

éste. Es por ello que se emplee fundamentalmente H2 y CH3OH de elevada pureza.

Las bajas temperaturas de trabajo hacen de estas pilas unos candidatos

interesantes para aplicaciones de uso doméstico y portátil (ordenadores, teléfonos

móviles). Tampoco hay que olvidarse de las aplicaciones de este tipo de pilas al

transporte, ya que las mayores compañías del campo, como BMW, Toyota, Daimler-Chrysler, Fiat, Ford, Honda, General Motors, Renault y un largo etcétera han

desarrollado gamas de autobuses y coches que trabajan con PEFCs desde 1995.

Pila de combustible alcalina (AFC): Las AFCs emplean KOH concentrado

(85% en peso) como electrolito con un rango de temperatura de trabajo que se sitúa en

torno a los 250°C, con eficiencias de hasta el 70%. El electrolito se mantiene en una

matriz, generalmente de asbesto, y se pueden utilizar un amplio rango de catalizadores

tales como Ni, Ag, óxidos metálicos, espinelas y metales nobles. También en este caso

el CO es un veneno y el CO2 reaccionará con el KOH formando K 2CO3. Incluso una

pequeña cantidad de CO2 en aire resulta perjudicial para la pila y se debe emplear H2 de

alta pureza para su correcto funcionamiento. También habría que destacar el elevadocoste de fabricación de las AFCs.





A pesar de todo, las AFCs han encontrado aplicaciones en transporte usando Co

como catalizador para reducir los gastos, celdas ZEVCO. Sin embargo, este tipo de

pilas no es nuevo y se han utilizado en misiones espaciales como las del programa

Apolo-Gemini de EEUU en la década de los 60-70 para proporcionar electricidad y

agua potable.

Pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC): Las PAFCs fueron las primeras

pilas de combustible comerciales. El electrolito es ácido fosfórico concentrado al 100%,

mientras que la matriz usada para fijar el ácido es carburo de silicio y el catalizador

tanto en el ánodo como en el cátodo es platino. Las eficiencias pueden llegar hasta un

80% en el caso de co-generación de energía eléctrica por vapor de agua. A temperaturas

bajas el ácido fosfórico es un pobre conductor iónico y el envenenamiento por CO del

Pt en el ánodo es muy importante. La alta estabilidad relativa del ácido fosfórico

comparado con otros ácidos favorece el trabajo un amplio rango de temperaturas.

Además el uso de ácido concentrado al 100% facilita el tratamiento del agua generada.Entre los inconvenientes cabe destacar el coste ocasionado por el empleo de Pt y la

naturaleza corrosiva del electrolito que limitan la elección de materiales

Pila de combustible de carbonato fundido (MCFC): El electrolito es una

combinación de carbonatos alcalinos que son fijados en una matriz cerámica de LiAlO2.

Los electrodos son Ni (ánodo) y NiO (cátodo) y no requiere Pt como catalizador, lo que

abarata la fabricación. El rango de trabajo está entre 600 y 700°C donde los carbonatos

alcalinos forman una sal fundida. La eficiencia de este tipo de pila puede ser de hasta el

80% con co-generación.

La principal limitación de las MCFCs es la necesidad de dos flujos, uno de CO y

otro de O2 en el cátodo y la formación de H2O en el ánodo que puede diluir el

combustible. Por otra parte, la combinación de altas temperaturas y el carácter corrosivo

del electrolito afectan de manera muy negativa a la durabilidad.

Las pilas MCFC encuentran aplicación en plantas de generación de 2 MW, como

las probadas con éxito en Italia o Japón y existen diseños para plantas de hasta 100MW.

Pila de combustible de óxidos sólidos (SOFC): Son las que están generando una

ingente actividad investigadora en los últimos años, prueba de ello es que son las pilas

de combustible más desarrolladas después de las poliméricas. Se espera que para el2008 el negocio generado ronde los 200 millones de dólares.

Las pilas SOFC se basan en la capacidad de ciertos óxidos de permitir el

transporte de iones óxido a temperaturas moderadamente altas (600-1000ºC),

consiguiéndose eficiencias de hasta un 85% con la cogeneración. Además, no se

necesitan combustibles de alta pureza debido a las altas temperaturas de operación e

incluso se pueden emplear mezclas. Las altas temperaturas favorecen el reformado

interno para extraer el hidrógeno de algunos combustibles, sin embargo, afectan

negativamente a la durabilidad de los equipos y limita la elección de materiales como el

acero inoxidable, lo que resulta en un claro encarecimiento. Es por ello que su éxito

comercial de estas pilas pasará necesariamente por la obtención de nuevos materialesque permitan trabajar de un modo eficiente a temperaturas entre 500 y 800ºC.





El electrolito en este caso es un óxido sólido no poroso, generalmente ZrO 2

estabilizado con óxido de itrio (YSZ) o de escandio (SSZ). Normalmente el ánodo es un

composite de NiO e YSZ que al reducirse in situ forma un cermet de Ni-YSZ. El cátodo

es generalmente una manganita, por ejemplo LaMnO3 sustituido con Sr.

También existe la posibilidad de pilas que operen con electrolitos que son

conductores protónicos. En este caso, los protones generados en el ánodo son

transportados hacia el cátodo donde reaccionan con los iones óxido formando agua,

mientras que los electrones se mueven desde el ánodo al cátodo a través del circuito

externo. La ventaja de esta configuración radica precisamente en la formación de agua

en la interfase cátodo-electrolito, con lo que se evita la dilución del combustible en el

ánodo. La temperatura ideal de trabajo para este tipo de pilas de sitúa en torno a los

600ºC.

Las pilas SOFC tienen su principal aplicación en la generación de electricidad en

grandes plantas de varios cientos de kW como los desarrollados por Siemens

Westinghouse. Por otra parte, las SOFCs se están comenzando a implantar con vistas al

transporte. Como prueba de ello, se pueden destacar el modelo 745h de BMW, un coche

que se propulsa con la electricidad que proporciona la llamada unidad SOFC-APU

(acrónimo del inglés unidad de suministro auxiliar SOFC) presentado en 2001. Y más

recientemente en el 2004, el BMW H2R, basado totalmente en el hidrógeno y que ha

batido numerosos records entre este tipo de vehículos, como el de máxima velocidad,

alcanzando los 301km/h.

7

7 Estado actual de las distintas tecnologías.

Nuevos tipos de pilas: Actualmente existen varios tipos de pilas entre las que

podemos citar las pilas de combustible biológicas (MFC), las de Energía Azul, pilas de

Zinc, pila de combustible reversible, pila redox (aunque puede ser vista mejor como una batería),pila de combustible de borohidruro (BHFC), pila de combustible de ácido





fórmico (DFMC), pila de combustible de metanol (DMFC), pila de combustible de

etanol (DEFC). Sin embargo nos centraremos en la descripción de 2 de estas nuevas de

pilas de combustible, que constituyen modificaciones de algunas de las anteriores pero

que por si mismas adquieren entidad propia.

Por un lado tendríamos las Pilas de Combustible de uso Directo con Metanol(DMFC). La aparición de este tipo de pilas es bastante reciente. Como su nombre indica

utilizan metanol en vez de hidrógeno. Aquél es directamente oxidado en el ánodo,

situándose su rango de trabajo entre los 50 y 100ºC. Sus aplicaciones más inmediatas

son en transporte y soporte energético para móviles y baterías. Los inconvenientes

pasan porque las densidades de corrientes obtenidas son relativamente bajas y la

cantidad de catalizador (Pt) que se utiliza suele ser elevado. El otro principal problema

es la difusión del metanol a través de la membrana desde el ánodo al cátodo, que

disminuye el rendimiento y consume innecesariamente combustible. La principal

ventaja es que el almacenamiento del metanol no requiere de sistemas aparatosos y

voluminosos como en el caso del hidrógeno y tampoco necesita reformadores externos,

todo ello se traduce una reducción drástica de costes para este tipo de pilas. Además esconsiderado como un dispositivo de emisión cero.

Y el segundo tipo de pilas sería las denominadas Pilas de combustible

Regenerativas (RFC). Estas pilas, son capaces de separar agua en sus componentes

básicos, hidrógeno y oxígeno, por medio de un electrolizador que funciona con energía

solar. El hidrógeno y el oxígeno generados son posteriormente utilizados como

combustibles y oxidantes de una pila de combustible que generará electricidad, calor y

agua. El agua se vuelve a recircular hacia el electrolizador y así puede continuar el

proceso regenerativo. La principal ventaja es que no hay que desarrollar una

infraestructura específica para el manejo del hidrógeno, mientras que el inconveniente

serían los costes extras de hacer la pila reversible.

A continuación muestro una gráfica que ilustra los principales desarrolladores de

las distintas tecnologías de células de combustible.

8 Principales innovadores de cada tecnología.





5.- Producción de combustible.

El hidrógeno no es un recurso, aunque sea muy abundante en nuestro planeta, no

se encuentra en estado libre, sino formando distintos compuestos. Por lo tanto para

conseguir hidrógeno es necesario extraerlo de unos recursos tales como agua o fósiles,

consumiendo una fuente primaria de energía. Existen varios métodos para producir el

hidrógeno. Los dos métodos actuales de producción industrial de hidrógeno son el

reformado con vapor o “steam reforming” (con gas natural o hidrocarburos) y la

gasificación de carbón, siendo el 99% del hidrógeno que se utiliza proveniente de

combustibles fósiles. La gasificación se empleaba en las primeras plantas de producciónde hidrógeno, pero hoy en día ha quedado en un segundo plano, ya que el steam

reforming es un método de extracción de hidrógeno mucho más efectivo. La única

manera de que en un futuro se use el carbón sería que se acabaran los yacimientos de

gases hidrocarbonatos, y a su vez no se desarrollen otros métodos para conseguir

hidrógeno, cosa que parece bastante poco probable.

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9 Datos de steam reforming y gasificación.

En los últimos años se está tomando en consideración otro proceso capaz de

obtener hidrógeno, la electrólisis. El principal problema de este método es que se

precisa electricidad para separar las moléculas de H2O y obtener el hidrógeno y oxígeno

separados. En la mayoría de los países esta electricidad proviene de centrales quefuncionan con combustibles fósiles por lo que en estos casos la obtención de hidrógeno

por steam reforming es más barata y eficiente. En cambio, en lugares donde la energía

provenga de energías renovables y estas no sean absorbidas por la red, la electrólisis

puede suponer una buena alternativa.





10

10 Opciones de producción de H2.

En este diagrama obtenido del centro de desarrollo energético de Holanda (ECN)

podemos ver los dos caminos posibles que se pueden usar para conseguir hidrógeno. Se

parte de 1kWh de energía renovable, que se puede usar para el proceso de electrólisis y

obtener así 0.72kWh de hidrógeno, o bien, esa energía puede ser absorbida por la red, lo

que significaría un ahorro de gas natural o carbón equivalente a 2.5kWh, que mediante

steam reforming se convertiría en 1.46kWh de hidrógeno, casi el doble que con la

electrólisis.

6.- Estado actual y perspectivas.

En años recientes el interés por comercializar esta tecnología amigable con elmedio ambiente se ha intensificado. Pero existen problemas: No es posible recargar el

tanque de hidrógeno en la mayoría de las estaciones de servicio. Y los automóviles y

computadores energizados por células de combustible aún resultan relativamente caros.

Estos obstáculos han relegado las células de combustible a un pequeño número de

vehículos de prueba y a algunas aplicaciones especializadas, como el suministro de

energía a bordo del Transbordador Espacial, o sistemas auxiliares de energía para

hospitales y aeropuertos.

Actualmente se están llevando a cabo investigaciones para hacer más económica

la célula de combustible. Por ejemplo se está intentando reducir la temperatura de

operación de las células. Un estudio de la NASA consiguió reducir la temperatura a la

que operan las células de 1000 ºC a 500 ºC, utilizando una célula de óxido sólido con

una lámina de electrolito de solamente una micra de espesor. Para conseguir ese espesor

hacen crecer el electrolito átomo a átomo, depositando capas de átomos, una por una, en

un proceso llamado epitaxia. Al obtener la misma potencia al 50% de la temperatura se

logra una reacción en cadena con respecto a ahorros en el costo. Por una parte, se

pueden emplear materiales más baratos para construirlas, en comparación con las caras

cerámicas tolerantes a altas temperaturas, y a los aceros de alta resistencia. Todo esto

inclina la balanza de la viabilidad económica en la dirección deseada.

El consenso de soporte para las células de combustible como sucesoras de losmotores de combustión interna es amplio y se extiende a todos los campos. La mayoría

de los fabricantes de automóviles están desarrollando afanosamente vehículos con estas





células, por ejemplo General Motors pasó de invertir en esta tecnología de 1 millón de

dólares en 1990 a 100 millones de dólares en 2003. La industria de la electrónica

portátil está también explorando la utilización de células de combustible en miniatura

como un reemplazo con más potencia y duración que las baterías. Intel, por ejemplo,

fundó una compañía llamada PolyFuel con el objetivo de desarrollar células de

combustible para computadores portátiles.

Sin embargo, aparece el problema de “la gallina y el huevo”: ¿Quién va a

comprar vehículos alimentados con hidrógeno hasta que la mayoría de las estaciones de

servicio tengan surtidores de hidrógeno? Además, ¿qué compañía va a financiar la

instalación de surtidores de hidrógeno en miles de estaciones de servicio hasta que las

calles estén llenas de vehículos dotados de células de combustible? Puede haber una

solución a este problema, algunos tipos de células pueden operar utilizando como

combustible metanol o gasolina, que aunque produciría CO2, perdiendo la mayor parte

del beneficio ambiental de las células de combustible , más adelante se podría cambiar a

usar de combustible hidrógeno puro cuando esté disponible. El uso de un combustible

distinto al hidrógeno también influye en la potencia de la pila, aun así hay estudios queindican que el uso de células de combustible SOFC puede llegar a alcanzar una

eficiencia del 50% usando iso-octano (un compuesto similar a la gasolina) que es muy

superior al 10-15% de eficiencia que tienen los actuales motores de combustión y de los

vehículos híbridos que han llegado a conseguir una eficiencia del 32%.

11

11 Rendimiento de una SOFC usando distintos combustibles.

Actualmente hay muchos prototipos funcionando, tanto de empresas como de

universidades y centros de investigación. A continuación voy a exponer algunos que me

parecen interesantes.

Plug Power acaba de presentar su estación de energía doméstica de segunda

generación. Es un aparato que según un artículo en Smalltimes, podría afectar a una

variedad de industrias si un día resulta asequible para el público. El aparato funciona

con gas natural o propano y agua con los que se hace hidrogeno lo que alimenta una

célula de combustible que, as su vez, genera electricidad. Se disipa el calor residuo o seaprovecha para el sistema de calefacción de una casa. Además se almacena el hidrógeno





a alta presión para su uso en un coche de célula de combustible. En el futuro la

posibilidad de adquirir una fuente de energía que suministra electricidad y calefacción a

una casa y combustible a un coche podrá resultar una opción muy atractiva para el

mercado de consumo. Su director ha afirmado que no existe limitaciones en cuanto al

posible mercado y que la empresa podría venderla a gasolineras o propietarios de casas

particulares, y que podría trabajar con Honda u otra empresa automovilística paracomercializar la estación de energía doméstica y el coche de célula de combustible a la

vez.

Un ejemplo de coche impulsado únicamente por hidrógeno es el Nissan X-Trail

FCV (Fuel Cell Vehicle). El interior del coche es exactamente igual a su análogo de

gasolina. El exterior también es igual con la diferencia de que la parrilla frontal es más

larga para tapar el radiador, que es más grande con el objeto de mantener una

temperatura inferior más baja (el hidrógeno se transporta a -253 ºC). El motor es

totalmente silencioso, durante la conducción solo se escucharían los ruidos de rodadura

y aerodinámicos, lo que repercutiría en una reducción sustancial del ruido en lasciudades.

Como características técnicas, tiene una potencia de 122 CV, alcanza los 150

km/h con una aceleración de 0 a 100 en 14 segundos. Además tiene una autonomía de

500 km y su depósito se llena de 3 a 5 minutos. En 2010 está prevista la fase de

introducción y expansión de modelos FCV y se espera que en 2015 circulen en masa en

España.





12 Esquema del funcionamiento interno del vehículo.

Otro ejemplo es un artículo no muy actual, de 2005. Es un prototipo desarrollado

por el ejército de Estados Unidos y QTWW (Quantum Fuel Systems Technologies

Worldwide). Se trata del “Quantum Aggressor”. Es un vehículo militar impulsado por

célula de combustible. Seguramente a fecha de hoy el prototipo haya sido mejorado,

pero aún así expondré sus características porque me parece de importancia mostrar que

el ejercito también está interesado en esta tecnología.





13

13 Vista frontal del Quantum Aggressor.

Es capaz de acelerar de 0 a 60km/h en aproximadamente 4 segundos y de

conseguir una velocidad máxima de 130km/h. Lo que realmente hace interesante el uso

de esta tecnología es su sigilo, como ya sabemos los vehículos impulsados por célula de

combustible son mucho más silenciosos. Además con el “Quantum Aggressor” puedes

ir a alguna zona sin electricidad y usarlo como un generador silencioso que produce

electricidad de alta calidad para telecomunicaciones, supervivencia y equipos militares.

Además de la célula de combustible, tiene una batería, que es recargada tanto

por la célula, como por el freno regenerativo. La autonomía es escasa, entre 150 y 160

km, debido a la limitación del depósito de hidrógeno. Para el depósito en vez de metalse usa una fibra de carbono (que es más ligera) modificada para que sea resistente al

impacto.

También existe interés en telefonía, Motorola dio a conocer los resultados de sus

últimos avances en el desarrollo para fabricar células de combustible miniatura para

alimentar dispositivos portátiles tales como teléfonos móviles, ordenadores portátiles y

todo tipo de dispositivos alimentados con baterías. Como ya sabemos este tipo de

baterías tiene diversas ventajas: se pueden recargar en 2-3 segundos, la carga dura

aproximadamente un mes, son más ligeras que la mayoría de baterías actuales, son más

ecológicas y tienen una tensión constante independiente del estado de la carga.

El sistema que desarrolla Motorola junto con Los Alamos National Laboratory

utiliza como combustible metanol (CH3OH) y como producto de la reacción con el

oxígeno se produce (aparte de electricidad) agua y anhídrido carbónico. El metanol

tiene una alta concentración de energía (6KW/m3) y es barato, (0'15 dólares/litro). La

célula de demostración fabricada por Motorola ha proporcionado 200mA a 0'5 voltios,

con un volumen de 10 centímetros cúbicos, lo que representa una densidad de energía

de 10KW/m3. Se espera conseguir una densidad de energía diez veces superior a las

actuales baterías de Ion-Litio. La recarga de la batería se efectuará con pequeños

cartuchos de metanol.





14

14 Prototipo desarrollado por Motorola.

Pero aún quedan algunos problemas que solucionar: apagar la batería para que

no consuma combustible mientras no se necesita energía y verificar la vida útil de la

batería, es decir, cuanto tiempo es capaz de funcionar antes de que la membrana secontamine y pierda rendimiento. Aún así, se espera que en un plazo de 3 a 5 años haya

en el mercado este tipo de baterías para teléfonos móviles, ordenadores portátiles,

aparatos musicales y aplicaciones semejantes.

Toshiba también lanzó en 2005 dos prototipos de célula de combustible. Esta

marca japonesa es de las que más avanzada está en esta tecnología aplicada a

dispositivos móviles. Utiliza una célula DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) que se

recarga con metanol altamente concentrado. Este nuevo prototipo mejora al anterior

porque utiliza el agua que se desprende de la célula para diluir el metanol, lo que

permite utilizarlo en mayor concentración (99.5%) y así disminuir el tamaño de lacélula a una décima parte del tamaño del anterior prototipo de Toshiba.

15 16

15 Mp3 Toshiba con célula de combustible.16 Vista de la célula de combustible.





17 Datos técnicos de las 2 células de combustible desarrolladas.

Hemos visto varios ejemplos de lo que se puede conseguir en un futuro próximo,

pero no todos los estudios sobre la instauración de una economía basada en el hidrógeno

son positivos. Un estudio llevado a cabo en la Universidad de Texas por el Director

Asociado del Centro para Energía Internacional y Política Ambiental, Michael Webber,

ha calculado los efectos que tendría establecer una economía basada en hidrógeno y ha

concluido que con los avances actuales, no habría suficiente agua para mantener este

tipo de economía, mientras que siempre se ha supuesto que el agua es un recurso

virtualmente inacabable. En su estudio destaca que si la electrólisis se convierte en el

método más extendido de producción de hidrógeno, la electricidad necesaria para este

proceso debería de venir de otra fuente distinta a la energía termoeléctrica, ya que la

mayor parte del agua utilizada en la producción de hidrógeno sería la usada como

refrigerante en centrales termoeléctricas, así que para que una economía basada en

hidrógeno haría falta sustituir la energía termoeléctrica por energías renovables como la

eólica y la solar así como desarrollar nuevos métodos de refrigeración sin agua. “El

hidrógeno, así como el etanol, el viento, el sol, u otras elecciones alternativas, tienen

muchas ventajas, pero también algunos impactos importantes que conviene tener en

mente, como intenta sugerir este artículo. Animaría a continuar con la investigación en

la producción de hidrógeno como parte de un conjunto exhaustivo de aproximaciones atener en cuenta para gestionar la transición a la era de la energía verde. Pero, debido a

algunos de los impactos inesperados — por ejemplo los recursos del agua — parece

prematuro determinar que el hidrógeno es la respuesta que debemos seguir y excluir el

resto de opciones” dijo Webber.

7.- Conclusiones.





Se ha visto anteriormente que hoy en día para producir hidrógeno se utilizan

métodos que son contaminantes, métodos que desprenden CO2 a la atmósfera, pero aun

así, es preferible utilizar hidrógeno que seguir usando combustibles fósiles. Veámoslo

con cifras en el caso de los automóviles. Un motor de gasolina produce de media 160

gr/km de CO2 y producir gasolina supone unas emisiones de 30 gr/km. En total supone

190 gr/km. En el caso del hidrógeno, producirlo supone 90 gr/km, que es una cantidadsuperior a la de producir gasolina, pero se compensa con que produce cero emisiones.

Total: 90 gr/km. Yo pienso que las células de combustible se deben de ir imponiendo en

el mercado, porque se produce una disminución de la contaminación, y no sobrecarga

tanto los combustibles fósiles, que van camino de agotarse. Además a la larga,

introduciendo las energías renovables en el proceso energético, se puede conseguir un

tándem que ayude a solucionar sus mutuos problemas, destacándose, desde mi punto de

vista, como la mejor solución para el problema energético del futuro. Transformar la

energía proveniente de fuentes renovables en hidrógeno a través de la electrólisis

soluciona el problema de almacenamiento de energía, y en particular el principal

problema de las renovables, que es su intermitencia, ya que estas fuentes no generan

electricidad de forma continua. Los excesos temporales de energía renovable se puedeninvertir en la producción de hidrógeno, que a su vez será empleado por una pila de

combustible para generar electricidad que se vuelque a la red en las horas valle. Por lo

que el hidrógeno pasaría de ser considerado un vector energético poco eficiente a una

reserva energética para complementar el aporte de energía proveniente de fuentes

renovables.

Con vistas a un futuro más lejano, se podría llevar esta idea a las casas, donde se

obtendría energía a partir de fuentes renovables como la solar, esta energía se invertiría

en la producción de hidrógeno, que serviría tanto como combustible para el coche,

como para la generación de electricidad, y a su vez, esta generación de electricidad en la

vivienda produciría calor, aprovechable como calefacción. Con esto se conseguiría una

descentralización de la energía, pero esta es una visión mucho más utópica y que aún

queda muy lejana.

8.- Bibliografía.

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producción de hidrógeno y células de combustible. estado actual y perspectivas

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