Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación

Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
“CELDAS DE HIDROGENO Y SU POTENCIAL DE
APLICACION”
MONOGRAFÍA
Que para obtener el título de:
INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA
PRESENTA:
OSCAR ADRIAN AGUIRRE GUEVARA
DIRECTOR:
DR.JORGE ARTURO DEL ANGEL RAMOS
XALAPA, VER.
SEPTIEMBRE 2013
I
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
II
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Agradecimientos
Este trabajo se lo dedico a mis padres que me apoyaron a lo largo de mi carrera,
agradezco a los ingenieros de esta facultad por transmitir los conocimientos y
experiencia, a mi director de tesis Dr. Jorge Arturo del Angel Ramos y a los
jurados. También agradezco a todo el apoyo y compresión que me dio mi esposa
Gina. Gracias.
III
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Índice
Introducción ............................................................................. 1
Capítulo 1: CARACTERÍSTICAS DEL HIDROGENO ............. 3
1.1 Características: ...................................................................................................................... 3
1.2 Descubrimiento ...................................................................................................................... 6
1.3 Producción del hidrógeno ..................................................................................................... 7
1.4 Economía del hidrógeno ....................................................................................................... 8
1.5 Producción distribuida ........................................................................................................... 9
1.6 Producción centralizada...................................................................................................... 10
1.7 Procesos térmicos ............................................................................................................... 10
1.7.1 Reformado de gas natural: ............................................................................... 10
1.7.2 Gasificación ..................................................................................................... 11
1.7.3 Pirólisis ............................................................................................................ 13
1.7.4 Termólisis del agua .......................................................................................... 13
1.8 Procesos electrolíticos ........................................................................................................ 14
1.8.1 Electrólisis........................................................................................................ 14
1.9 Procesos fotoliticos .............................................................................................................. 15
1.9.1 Fermentación anaeróbica ................................................................................ 15
1.10 Procesos fotobiológicos .................................................................................................... 15
Capítulo 2: Celdas de combustible ....................................... 18
2.1 Historia de las celdas de combustible .............................................................................. 18
2.2 Tipos de celdas de combustible ........................................................................................ 22
2.2.1 Celdas de combustible de intercambio de protones (PEM) .............................. 22
2.2.1.1 Partes que integran una celda de combustible PEM....................................... 26
2.2.1.2 Formación de una pila .......................................................................................... 30
2.2.1.3 Tendencias futuras de las PEMFC ..................................................................... 32
2.2.2 Celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) ............................................... 33
2.2.2.1 Ventajas de las celdas SOFC ............................................................................. 34
IV
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
2.2.2.2 La temperatura: principal desventaja ............................................................... 35
2.2.2.3 Celdas SOFC planas .......................................................................................... 36
2.2.2.4 Celdas SOFC tubulares ...................................................................................... 36
2.2.2.5 Micro-SOFC .......................................................................................................... 37
2.2.2.6 Micro-SOFC plana ................................................................................................ 37
2.2.2.6 Micro-SOFC tubular .............................................................................................. 38
2.2.2.7 Comercialización de las SOFC ........................................................................... 39
2.2.2.8 Aportaciones nanotecnológicas. ......................................................................... 40
2.2.3 Celdas de combustible de carbonatos fundidos (MCFC).................................. 42
2.2.4 Celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC). .......................................... 43
2.2.5 Celdas de combustible de electrolito alcalino (AFC) ........................................ 45
2.2.6 Celdas de combustible de metanol directo (DMFC) ......................................... 46
2.2.7 Celdas de combustible de Zinc (ZAFC) ............................................................ 48
2.2.7 Celdas de combustible cerámicas (PCFC) ....................................................... 49
2.2.8 Celdas de combustible bilógicas (BFC). ........................................................... 50
2.3 Datos estadísticos. .............................................................................................................. 52
2.3.1Panorama de costos de las celdas de combustibles ......................................... 54
2.4 Almacenamiento del hidrogeno ......................................................................................... 55
2.4.1 Hidrogeno comprimido ..................................................................................... 58
2.4.2 Hidrogeno líquido. ............................................................................................ 60
2.4.3 Hidruros metálicos ........................................................................................... 64
2.4.4 Absorción en solidos porosos .......................................................................... 66
2.4.4.1 Carbón activado .................................................................................................... 68
2.4.4.2 Nanotubos y nanofibras de carbono ................................................................. 71
2.4.5 Almacenamiento subterráneo de hidrógeno gaseoso ...................................... 72
Capítulo 3: celdas acumuladoras de energía ........................ 73
3.1 Definición: ............................................................................................................................. 73
3.2 Pilas (no recargables): ........................................................................................................ 73
3.2.1 Pila seca o de zinc carbón ............................................................................... 73
3.2.2 Pilas alcalinas .................................................................................................. 74
3.2.3 Pilas de litio...................................................................................................... 75
3.2.4 Pilas de monofluoruro de litio-carbón ............................................................... 75
V
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
3.2.5 Pilas de litio-thionyl .......................................................................................... 75
3.2.6 Pilas de dióxido de litio-sulfuro ......................................................................... 75
3.2.7 Pilas tipo botón ................................................................................................ 76
3.2.8 Pilas de óxido de mercurio ............................................................................... 76
3.2.9 Pilas de óxido de plata ..................................................................................... 76
3.3 Baterías acumuladoras (recargables): ............................................................................. 76
3.3.1 Acumuladores de plomo- ácido ........................................................................ 76
3.3.1.1 Componentes de un acumulador de plomo ácido ........................................... 77
3.3.1.2 Manejo de baterías en servicio ........................................................................... 78
3.3.1.3 Determinación del estado de carga .................................................................... 79
3.3.1.4 Interacción de la temperatura y la batería ......................................................... 79
3.3.1.5 Clasificación de las baterías de plomo ácido .................................................... 80
3.3.2 Baterías de níquel cadmio (Ni/Cd) ................................................................ 82
3.3.2.1 Carga de la batería .............................................................................................. 82
3.3.3 Baterías de níquel-hidruro metálico (Ni/MH) ................................................ 83
3.3.3.1 Carga de las baterías Ni/HM ............................................................................... 84
3.3.4 Baterías de zinc-aire ...................................................................................... 84
3.3.5 Baterías de litio ............................................................................................... 86
3.3.5.1 Características de las baterías de litio ............................................................... 87
3.3.5.2 Baterías de ion-litio ............................................................................................... 87
3.3.5.3 Ciclo de carga y descarga ................................................................................... 88
3.3.6 Baterías de polímero de litio (LiPo) .................................................................. 88
3.3.7 Baterías de ion de litio con cátodo LiCoO2 ....................................................... 89
3.3.8 Baterías de ion de litio con cátodo de LiFePo4 ................................................. 90
3.3.9 Avances tecnológicos de las baterías de litio ................................................... 91
Capítulo 4: Aplicaciones actuales de las celdas de
combustible ........................................................................... 93
4.1 Aplicaciones portátiles ........................................................................................................ 93
4.2 Aplicaciones estacionarias ................................................................................................. 95
4.2.1 Fuente ininterrumpida de energía .................................................................... 97
4.2.2 Generación de electricidad con celdas de combustible .................................... 98
4.2.3 Convirtiendo desechos en energía ................................................................. 102
VI
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
4.3 Aplicaciones en el transporte ........................................................................................... 105
4.4 Estaciones de recarga de hidrógeno .............................................................................. 112
Conclusiones y recomendaciones ...................................... 116
Bibliografía .......................................................................... 119
VII
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Introducción
En la actualidad el promedio de energía utilizado por persona es mucho
más alto que hace 50 años, y en los últimos años esta cantidad crece más rápido,
debido en parte a la comodidad que nos provee la tecnología, y la mayoría de
esta energía es aportada o suministrada por recursos no renovables como el
petróleo, gas natural y carbón. Sin embargo en los últimos años ha surgido una
nueva preocupación hacia las energías renovables, cada año se invierte un poco
más en cuanto a estos recursos y se llevan a cabo reformas energéticas o
alianzas entre países, donde se firman acuerdos de menos emisiones de gases de
invernadero aunque sigue siendo mucho mayor la energía que aportan los
combustibles fósiles.
La revolución industrial se caracterizó por las grandes máquinas de vapor
como las locomotoras y los barcos que eran impulsados por el mismo, sin
embargo para calentar el agua y producirlo se necesitaba de grandes cantidades
de carbón, aunque en esa época no se tomaba tanto en cuenta la eficiencia ni el
consumo ilimitado de los recursos, pues había gran abundancia. Con la
introducción del motor de combustión interna en la sociedad y su popularidad, la
demanda de estos recursos creció aún más. Actualmente es más difícil obtener
esos recursos, el petróleo en la mayoría de los yacimientos ha llegado ya, a su
punto más alto de producción y ahora está en decaimiento en contraste con la
demanda.
Una de las tecnologías que encaja muy bien con las energías renovables
para el futuro a mediano y largo plazo es la del hidrógeno ya que este gas es visto
como vector energético, es decir que es portador de energía pues la tecnología de
celdas de combustible, permite usar el hidrógeno como almacenamiento de
energía.
Sin embargo el hidrógeno no existe de manera aislada, siempre forma parte de
otro compuesto, como los derivados de petróleo, el gas natural, el carbón, el agua
o la biomasa por mencionar algunos. La manera menos contaminante de obtener
hidrógeno es del agua mediante la electrolisis, y la más contaminante y barata,
cuando se obtiene de gas natural, por lo que es el método que más se utiliza.
Las celdas de hidrogeno son una tecnología prometedora, ya que genera
electricidad cuidando el medio ambiente, tiene décadas que está en desarrollo.
1
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
El problema es que no existe suficiente información actualizada en libros,
revistas o periódicos, por lo que se propone realizar un trabajo de investigación
acerca de las celdas de hidrógeno, su funcionamiento, partes que lo componen,
aplicaciones y retos tecnológicos a los que se enfrenta.
El objetivo de esta monografía es recopilar información de distintas fuentes
de información de celdas de combustible, para aportar una colección detallada de
datos importantes así como su vínculo con el hidrógeno.
Objetivos específicos:




Capítulo 1: Explicar las principales características del
hidrógeno, la historia de su descubrimiento y las diferentes maneras
de obtenerlo.
Capítulo 2: investigar las distintas clases de celdas de hidrógeno
que existen, la evolución de esta tecnología a lo largo del tiempo,
componentes que utiliza, las características y condiciones de
funcionamiento, ventajas, desventajas, y finalmente hablar del
almacenamiento que es uno de los principales problemas de esta
tecnología.
Capítulo3: Recopilar información de las variedades de celdas
acumuladoras que existen, desde las pilas convencionales hasta las
nuevas recargables, así como sus prestaciones y aplicaciones.
Capítulo 4: Presentar las aplicaciones actuales de las celdas de
hidrógeno en las distintas áreas de consumo como el transporte, la
industria, plantas eléctricas y los problemas que enfrenta para una
introducción más profunda en el mercado.
2
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Capítulo 1: CARACTERÍSTICAS DEL
HIDROGENO
1.1 Características:
El hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica, es un gas incoloro,
no huele ni tiene color, está compuesto por moléculas diatómicas, es el número
uno en la tabla periódica tanto en fila como en columna lo que nos indica que solo
tiene una órbita y solo tiene un electrón en ella es por ello que se forman las
moléculas diatómicas, su símbolo es la letra H y el hidrógeno se representa por H2
su número atómico es 1 y un peso atómico de 1.00797, tiene una densidad de
0.071g/ml su punto de ebullición es a -252.70C, su punto de fusión es de -259.20C.
Se convierte en líquido a presión atmosférica aproximadamente por debajo de los
20. 390K.y a 200K su densidad es de 76.4 kg/m3 que es 850 veces mayor que la
del hidrogeno en condiciones normales lo que permite confinarlo en recipientes no
muy voluminosos, y ahorrar espacio en su almacenamiento.
Es un gas difícilmente licuable (el más difícil después del helio), con la
particularidad de que al expandirlo se calienta. Se transporta por tuberías y en
contenedores a presión, su compresión es muy peligrosa, pues cualquier fuga
puede ocasionar atmosferas explosivas. La licuación del hidrogeno puede hacerse
con ayuda de nitrógeno líquido.
El isotopo del hidrógeno más común en la naturaleza, es conocido como
protio, tiene un solo protón y ningún neutrón. El hidrógeno puede adquirir carga
positiva convirtiéndose en un catión llamado hidron H+ o carga negativa
convirtiéndose en un anión conocido como hidruro, H-.
Figura 1.1: átomo de hidrógeno
3
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
El hidrógeno es uno de los elementos más abundantes en todo el universo,
constituyendo aproximadamente el 75% de la materia, uno de los principales
elementos que constituyen el agua y de toda materia orgánica. Es el combustible
para producir la energía que el sol emite a nuestro sistema solar; en el sol se
producen reacciones de fusión en la que la enorme presión del centro, combinado
con las altas temperaturas hacen que el hidrogeno se transforme en helio,
produciéndose la energía que irradia gracias al hidrogeno que se quema.
Figura 1.2: hidrógeno como combustible del sol
El hidrógeno líquido es el elemento
hidrógeno
en
estado
líquido.
Es
comúnmente usado como combustible en la
industria aeroespacial para impulsar sus
motores, donde se suele abreviar como
LH2, ya que en la naturaleza se encuentra
en forma molecular H2. El hidrógeno líquido
también es un método de preservación
utilizado en la mayoría de los laboratorios
criogénicos, al permitir congelar sustancias
casi de inmediato sin dañar las células.
Figura 1.3: aplicación aeroespacial
Otra de las aplicaciones y objeto de estudio de esta investigación es la
celda de combustible, la cual está diseñada para trabajar como una batería
4
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
convencional, alimentada con hidrógeno y oxígeno es capaz de producir
electricidad, pero a diferencia de las baterías convencionales, seguirá produciendo
electricidad en tanto no se agote el combustible.
Figura 1.4: esquema de una celda de combustible
También se utiliza para obtener la reacción de fusión que es una tecnología
que trata de revolucionar la generación de energía ya que intenta imitar la
reacción que se lleva a cabo en el sol que se trata de fusionar dos formas de
átomos de hidrogeno el deuterio que se obtiene del agua del mar y el tritio que se
puede obtener del litio. Lo que se pretende es unir los núcleos de deuterio y del
tritio al unirse liberan una gran cantidad de energía, pero para lograr esto se
necesita una gran cantidad de energía, en el sol se necesitan 15 millones de
grados para que se fusionen pero una gran parte de esa energía la aporta la
enorme presión a la que están sometidos, en Europa en el reino unido, se
alcanzan 170 millones de grados por lo que ningún material podría soportar tal
temperatura, así que lo que mantiene ese plasma es un campo eléctrico muy
poderoso que mantiene el plasma. Esta tecnología lleva décadas en la cual están
trabajando en conjunto varias naciones e invirtiendo miles de millones de dólares.
5
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Actualmente se está construyendo el ITER al sur de Francia, se pretende que
este reactor de fusión nuclear esté terminado para el 2018 y pueda estar en
funcionamiento en la red eléctrica para el 2030 sin embargo no es seguro que esto
se lleve a cabo, por la dificultad de esta tecnología es prácticamente una apuesta
en la cual están involucrados muchos países y en la que se han invertido muchos
recursos.
Figura 1.5: reactor de fusión nuclear
1.2 Descubrimiento
Hidrógeno del latín “hydrogenium” y este del griego antiguo hydro “agua” y
genos “generador” que quiere decir “generador de agua”.
Fue formalmente descrito por primera vez por T. Von Hohenenheim (14931541) fue un alquimista, médico y astrologo suizo fue conocido por que creía que
había logrado obtener oro del plomo y por haberle dado al zinc su nombre.
Obtuvo el hidrógeno mezclando metales con ácidos fuertes pero no sabía
que el gas inflamable generado por estas reacciones era el hidrógeno.
En 1671 Robert Boyle describió la reacción que se producía entre limaduras
de hierro y ácidos diluidos que generaban hidrogeno gaseoso.
Fue hasta 1766 que Henrry Cavendish (1731-1810) físico químico británico
nacido en Niza presenta ante la Royal Society los primeros resultados obtenidos
6
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
con un gas que generaba gracias a la reacción de un ácido sobre un metal
(hidrógeno).
Determino la densidad de diversos gases encontrando la relación entre la
densidad del aire y el hidrogeno. Descubrió que el agua no es un elemento,
sintetizándola por combustión de hidrógeno en aire, también determino la
composición del aire. Fue uno de los fundadores de la moderna ciencia de la
electricidad, aunque gran parte de sus trabajos fueron ignorados durante un siglo.
1.3 Producción del hidrógeno
El hidrógeno, aunque es un elemento muy abundante en la naturaleza no
se encuentra en forma natural, siempre esta combinado con otros elementos así
que no existen yacimientos como el petróleo o el gas natural por lo que debe ser
sometido a diversos tratamientos para poder separarse
El hidrógeno se puede producir usando diferentes tecnologías como pueden
ser procesos térmicos o catalíticos (reformado de gas natural o de diferentes
hidrocarburos), de los procesos electrolíticos como la descomposición del agua y
también fotolíticos (a partir del agua utilizando el sol mediante materiales
biológicos y electroquímicos).
Lo mejor opción en relación al medio ambiente seria la producción del
hidrógeno con una energía limpia, utilizando materias primas renovables como la
biomasa cuyas emisiones de gases de efecto invernadero sean cercanas o
iguales a cero o se utilicen fuentes de energía renovable como la solar, eólica,
hidroeléctrica o geotérmica.
Para que el hidrógeno tenga un gran auge en el mercado actual, aunque es
necesario para diversos procesos, desde el enfoque de producción de electricidad
debe ser competitivo en relación con las alternativas actuales en términos de
coste.
La meta seria en un futuro en el mercado de transporte, por ejemplo los
vehículos ligeros de 2 a 5 plazas basados en celdas de combustible de hidrógeno
tuvieran el mismo precio que uno hibrido o de combustión interna .Existen
bastantes métodos para producir hidrógeno, con grandes diferencias y similitudes,
además de procesos de producción con fines industriales suficientemente
probados, pues se generan aproximadamente en el mundo 41 millones de
toneladas de hidrógeno anualmente, lo que corresponde a 5000TJ. La mayoría de
los métodos de producción industrial del hidrógeno tienen el problema de liberar
cantidades considerables de gases de efecto invernadero a la atmosfera.
7
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Grafica 1: métodos para producir hidrogeno
Aunque por otro lado sus costos de producción son relativamente más
bajos comparados con los procesos en los que se producen pocas o casi nulas
cantidades de estos gases. En la siguiente figura puede comprobarse que
actualmente las fuentes no renovables utilizadas para la generación de hidrógeno
abarcan un 96% de la generación total, mientras que solo un 4% de este gas es
producido con fuentes renovables.
1.4 Economía del hidrógeno
Jeremy Rifkin Presidente de la fundación de tendencias económicas y autor
de la economía del hidrógeno predice que en el futuro habrá una red de energía
basada en este ya que el petróleo está llegando a niveles altos en cuanto a costos
de extracción además de la disminución de las reservas naturales.
La producción del hidrógeno centralizada, semi-centralizada o distribuida,
juega un papel muy importante en la evolución a largo plazo del uso del hidrógeno
como portador de energía se cree que las nuevas tecnologías son tan
revolucionarias que se tenga un nuevo fenómeno llamado la economía del
hidrogeno.
A comienzos de los años setenta surgió el concepto de economía del
hidrógeno, en torno a la celebración de un seminario, celebrado en 1973 en
Estados Unidos, para analizar cuáles serían los nuevos esquemas para la
producción y distribución de energía en el año 2000. Entre las propuestas
discutidas estaba la producción centralizada de hidrógeno lo que hacía
tecnológicamente posible y económicamente viable en función de los costos de
8
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
producción. La primera conferencia internacional sobre este tema se celebró en
marzo de 1974.
Se trata de un escenario energético futuro en el que se pretende
reemplazar a los combustibles fósiles, por lo que se requiere toda una
infraestructura para contar con la capacidad para producirlo en las cantidades
necesarias. El objetivo principal es reducir las emisiones de gases de efecto
invernadero y otros contaminantes, además de contribuir a una mejor utilización
de los recursos naturales locales, reduciendo la dependencia del exterior.
Japón fue el primer país en establecer un plan nacional para la utilización
del hidrógeno en celdas de combustible, como base de un nuevo sistema
energético, y en enero de 2003 fue el lanzamiento de la “Hydrogen Fuel Initiative”
con un presupuesto de 1200 millones de dólares por el presidente George Bush
en EU. El objetivo de esta iniciativa es acelerar el desarrollo de tecnologías
capaces de producir, transportar, almacenar y utilizar el hidrógeno paralelamente
al desarrollo de celdas de combustible para vehículos, de manera que en el año
2030 el hidrógeno pueda ser competitivo en el sector del transporte.
La Plataforma Tecnológica Europea del Hidrógeno y las Celdas de
Combustible, creada por la Comisión Europea, tiene como objetivo facilitar el
desarrollo y acceso a los mercados de sistemas energéticos y de tecnologías
basadas en hidrógeno y celdas de combustible para aplicaciones en el transporte,
sistemas estacionarios y aplicaciones portátiles.
1.5 Producción distribuida
El hidrogeno se puede producir en plantas de mediana capacidad en el
punto estratégico donde es necesario. Por ejemplo una estación de servicio para
recargar el combustible; este tipo de distribución puede ser el acercamiento a
corto plazo más viable para introducir el hidrogeno, en parte a que la demanda
inicial será baja. Dos de las principales maneras de obtener el hidrogeno podrían
ser el reformado del gas natural o de combustibles líquidos tales como el petróleo,
el bio-etanol o bioaceite y otro es la electrolisis del agua pero en menor
proporción, ya que es más costosa aunque se pretendería cambiar esa proporción
ya que esta última no produce residuos contaminantes
9
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
1.6 Producción centralizada
En un plazo mayor (largo plazo) las instalaciones de producción
centralizada que aprovechan de la economía a gran escala serán necesarias para
responder a la gran demanda prevista de hidrógeno aunque esta requerirá mayor
inversión e infraestructura tanto de instalaciones como de transporte
Las tecnologías de la producción del hidrógeno se clasifican en tres
categorías generales:



Procesos térmicos
Procesos electrolíticos
Procesos fotoliticos
1.7 Procesos térmicos
En estos procesos se utiliza la energía de recursos como gas natural,
carbón o biomasa para obtener hidrógeno que forma parte de su estructura
molecular.
1.7.1 Reformado de gas natural:
Las materias primas más utilizadas para su producción en este proceso
industrial son el agua y el gas natural, el gas de refinería como el metano,
propano, etc.
Este es el método más empleado a escala industrial (“steam reforming”) del
gas natural y del gas de refinería, ocupando alrededor de 48% de la producción
total, otras basadas en los hidrocarburos el 30% en el carbón 18% y en la
electrolisis el 4% [datos obtenidos del documento “Aprovechamiento de recursos
energéticos renovables no integrables en la red eléctrica” de la universidad de
Sevilla] conforme a las reacciones:
CH4 +H2O = 3H2 + CO ∆H =+208.00 KJ/Kmol
CO + H2O = H2 + CO2 ∆H = -41.20 KJ/Kmol
Estas reacciones se llevan a cabo simultáneo y consecutivamente en uno o
varios reactores, por lo que el gas producido consiste en una mezcla de H2, CO y
CO2, además de vapor de agua, algo de CH, sin reaccionar. A este conjunto de
gases de reacción se le conoce como gas de síntesis.
Las reacciones cuyas formulas aparecen arriba son fuertemente
endotérmicas es decir que necesitan gran cantidad de calor para llevarse a cabo
10
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
por lo que se realizan en fase gas a altas temperaturas, arriba de 800 0C que son
inyectados a la mezcla, procurando la máxima conversión de metano, como se
puede observar en el diagrama siguiente:
Grafica 1.2: componentes del gas de síntesis
Para aumentar la velocidad de reacción se utilizan catalizadores de níquel
para maximizar la producción de hidrógeno a costa del CO presente en el gas
reformado se completa a continuación la “shift- conversión” en otro reactor
separado, a temperaturas del orden de 5000C, en presencia de catalizadores de
óxidos de hierro y cromo o a menores temperaturas con catalizadores de
zinc/cobre. Para producirse un alto volumen de hidrogeno, esta se realiza a
presión de 28 a 36 bares para evitar la necesidad de comprimir el hidrógeno
producido.
1.7.2 Gasificación
La gasificación del carbón y de fracciones pesadas del petróleo es un
proceso que consiste en la combustión con ausencia de oxígeno en la que se
obtiene monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno y metano en
11
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
diversas cantidades según la composición de la materia prima y las condiciones
en que se lleva a cabo el proceso. La temperatura se mantiene entre 700 y
15000C. La gasificación puede aplicarse tanto a la biomasa como al carbón.
Cuando se introduce aire en la reacción se obtiene un gas pobre, por
ejemplo en el caso del carbón o coque contiene entre 25% y 30% de monóxido de
carbono, entre el 65% y el 70% de nitrógeno y algo de oxígeno y dióxido de
carbono.
Para obtener hidrógeno es necesario aplicar una reacción de
desplazamiento sobre el gas anteriormente mencionado. Ahora si lo que se
agrega a la reacción es oxígeno y vapor de agua lo que se obtiene es un gas de
síntesis que contiene hidrógeno y monóxido de carbono y este gas puede ser
utilizado para para producir el propio hidrógeno y además combustibles líquidos
como lo es el metanol.
Por lo que es una mejor opción aunque más costosa utilizar oxígeno y
vapor de agua en la reacción. En la siguiente figura se muestra un esquema
elemental del proceso de gasificación. Una vez limpiado de compuestos de azufre
y cenizas, el gas obtenido después del proceso de gasificación se somete a una
reacción de desplazamiento dando como resultado una mezcla de hidrógeno y
dióxido de carbono. Al final del proceso el hidrógeno y el dióxido de carbono se
dividen y para obtener solo el hidrógeno en concentraciones de 99.99%.
Figura 1.6: esquema de gasificación
12
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
1.7.3 Pirólisis
La pirólisis se trata de la descomposición de un combustible sólido ya sea
carbón o biomasa mediante la acción de calor donde normalmente esto ocurre a
4500C para la biomasa y 12000C para el carbón pero en ausencia de oxígeno. Los
productos finales de este proceso dependen de las características del
combustible, temperatura de la presión y de la cantidad de tiempo en que están
sometidos a este proceso los productos finales que se pueden obtener son:
 Gases compuestos por hidrógeno, monóxido
carbono, dióxido de carbono e hidrocarburos
 Líquidos hidrocarbonados
 Residuos carbonosos, también llamado coque
de
Como el interés es producir hidrógeno interesa controlar la reacción para
que se produzca un gas de síntesis que posteriormente, pueda separarse
mediante la reacción de desplazamiento y un proceso de purificación, similar a las
dos últimas fases del método de reformado con vapor de gas natural.
La pirolisis se ha utilizado desde hace tiempo [arco eléctrico-1969] para
obtener el llamado gas de hulla o gas de coque que mediante calor se obtiene la
siguiente reacción:
CH4 + H2O → CO + 3 H2
La hulla se introduce en un horno pirólitico en el que en ausencia de
oxígeno a 12000C se descompone en carbón y gas teniendo como resultado los
siguientes: 50% de hidrogeno, 10% dióxido de carbono, 2% de dióxido de
carbono, 30% de metano, 4% de nitrógeno y 4% de otros hidrocarburos. Esto es
por el lado de gas es decir por cada kilogramo de hulla se obtienen 350g de gas y
650g de carbón.
1.7.4 Termólisis del agua
En este método se utiliza agua como fuente principal primaria el agua en
este caso este proceso consiste en calentar el agua para separar la molécula en
hidrogeno y oxígeno para llevar a cabo esta reacción se eleva la temperatura del
agua hasta los 43000C que es cuando se rompe el enlace hidrógeno y oxígeno
para después separar el gas de hidrogeno y el oxígeno.
13
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
1.8 Procesos electrolíticos
1.8.1 Electrólisis
Los procesos electrolíticos utilizan electricidad para romper la molécula de
agua en hidrógeno y oxígeno. El hidrogeno producido vía electrolisis se lleva a
cabo mediante la energía eléctrica por lo que si la fuente de electricidad proviene
de energías renovables como la eólica, solar, hidráulica, etc. se podría decir que
las emisiones de gases invernadero son cero o cercanas a cero ya que la propia
reacción solo produce hidrógeno y oxígeno. El proceso se trata de fundir o disolver
el electrolito en agua, se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de
electrodos que están conectados a una fuente de corriente directa el electrodo
negativo se conoce como cátodo, y el electrodo conectado al polo positivo se
llama ánodo, cada electrodo mantiene atraídos a los iones de carga opuesta. Por
lo que los iones de carga opuesta son atraídos al ánodo y al cátodo, es decir los
iones positivos son atraídos al cátodo y los iones negativos al ánodo.
Como electrolito se usa comúnmente sosa caustica (NaOH) o potasa
caustica (KOH) para tener una buena conductividad ionica.
Figura 1.8: funcionamiento de la electrolisis
14
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
1.9 Procesos fotoliticos
Los procesos fotolíticos utilizan energía de baja intensidad para romper la
molécula de agua en hidrogeno y oxígeno. Actualmente están en las primeras
etapas de investigación, pero estos procesos ofrecen ventajas a largo plazo para
la producción sostenible para un de hidrogeno con bajo impacto sobre el medio
ambiente.
1.9.1 Fermentación anaeróbica
También es llamada como digestión anaeróbica, esta reacción se lleva a
cabo sin presencia de oxigeno es una fermentación en la que se produce una
mezcla de gases principalmente metano y dióxido de carbono esta mezcla de
gases es conocida como biogás.
La materia prima para producir biogás es biomasa residual con alto
contenido de humedad, especialmente desechos ganaderos y lodos de plantas de
aguas residuales además la basura orgánica ya que diariamente se producen
miles de toneladas de ella, algunos parámetros importantes que se han
identificado durante el proceso son la temperatura en el que se ha determinado
aproximadamente 350C rendimiento óptimo la acidez que se controla para un pH
entre 6.6 y 7.6 contenido en solidos que se procura menor al 10% así como la
existencia de nutrientes para las bacterias y la supresión de inhibidores del
proceso tales como el amoniaco, sales minerales detergentes y pesticidas. Así
bajo estas condiciones se produce un biogás con contenido de entre 50 y 70% de
contenido de metano y entre un 50 y 30% de contenido de dióxido de carbono.
1.10 Procesos fotobiológicos
Existen algunos microorganismos que pueden actuar como catalizadores
biológicos produciendo hidrogeno a partir de agua y enzimas como la hidrogenaza
y la nitrogenaza. Entre estos microorganismos se encuentran las algas verdes, las
cianobacterias, las bacterias fotosintéticas y las bacterias de fermentación oscura.
La diversidad de organismos susceptibles de generar hidrógeno hace posible la
hibridación como se muestra en la siguiente figura.
15
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 1.8: Esquema de cómo trabajan los microorganismos para producir hidrogeno
De esta figura se desprenden dos reactores
Motorreactor: contiene tanto algas verdes, sensibles a

la luz visible como bacterias fotosintéticas y cianobacterias, que son
sensibles a la luz infrarroja. Además de hidrogeno estas bacterias
producen azucares que pueden ser conducidos al fermentador.

Fermentador: se trata de un digestor anaeróbico que
contiene otro tipo de bacterias que producen la fermentación de
azucares envinados desde el fotorreactor y la biomasa alimentada
desde el exterior. Como producto de la fermentación se obtiene
hidrogeno además de otros componentes que son transportados al
fotorreactor.
Finalmente se podría decir que hay muchos métodos para producir
hidrógeno algunos con mayor eficiencia que otros y con diferencias en cuanto a
tecnología y emisión de gases de invernadero; sin embargo los más utilizados son
los que dependen de recursos no renovables como el gas natural, el carbón o el
petróleo debido principalmente a su costo en relación con los de energías
alternativas ,si se quiere que la tecnología del hidrógeno en aplicaciones de celdas
de combustible crezca habrá que encaminarse hacia una producción mediante
fuentes renovables como el viento, el agua y el sol aunque son considerablemente
más caras son una solución a largo plazo, a la creciente demanda de energía y
también al crecimiento en los precios de la misma, ya que cada día es más difícil
extraer los recursos y las reservas se están agotando, por lo que las tecnologías
que dependen de recursos renovables deberían destinar parte de las ganancias
hacia el estudio de nuevas tecnologías basadas en recursos no renovables y
asegurar a largo plazo su estabilidad en cuanto a la producción de hidrógeno.
Este es un panorama de los costos que tiene cada tecnología en cuanto a
producción de hidrogeno hasta el año 2010:
16
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Grafica 1.3: costos de diferentes tecnologías de producción de hidrogeno
Este es un panorama de un futuro basado en el hidrogeno y las pilas de
hidrogeno según lo ve Felipe Andrés Días Alvarado en su tesis doctoral:
“GASIFICACIÓN DE CARBON EN CHILE, PARA OBTENCION DE HIDROGENO
Y ELECTRICIDAD EN PLANTA DE CICLO COMBINADO”
Figura 1.9: esquema del hidrógeno y su interacción
17
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Capítulo 2: Celdas de combustible
2.1 Historia de las celdas de combustible
Las celdas de combustible son dispositivos electroquímicos que mediante
una reacción química transforman el combustible y un oxidante, en electricidad y
calor. A diferencia de las pilas convencionales almacenadoras, que dependen de
la cantidad de reactivos contenidos en ellas, las celdas de combustible necesitan
de un suministro constante para generar energía eléctrica, por lo que son capaces
de producir energía eléctrica de manera constante, mientras no se agote el
suministro de combustible y oxidante, está formada por dos electrodos: en el
ánodo se encuentra el combustible y en el cátodo está el oxidante, y entre estos
electrodos se encuentra una membrana que obliga a los electrones a pasar por el
ánodo hacia el cátodo.
La celda de combustible está compuesta por dos electrodos dentro de un
electrolito, donde el ánodo es alimentado por el hidrogeno o combustible y el
cátodo por el oxígeno u oxidante. Un catalizador separa los electrones de la
molécula de hidrogeno, por lo que el hidrogeno ionizado pasa por una membrana
a través del electrolito y los electrones se mueven al ánodo recombinándose con
el oxígeno y el hidrogeno formando agua.
Las celdas de combustible se pueden conectar en serie para elevar el
voltaje deseado, de esta manera se crea lo que se denomina una pila (stack) o
celda de combustible.
El fenómeno de celdas de combustible fue descubierto por el abogado
Galés William Grove en 1839, unos pocos años después de que Michel Faraday
descubriera las leyes de la electrólisis. Grove mostró que era posible producir
energía eléctrica y agua haciendo burbujear H2 y O2 en agua y obtener energía
eléctrica en este proceso. Así publicó un documento en el que describía una celda
de combustible formada por un conjunto de pares de electrodos de platino
sumergidos en acido, Grove llamo a este artefacto “pila de gas” y tiempo más
tarde se llamó “pila de combustible”.
La ciencia de materiales no estaba muy desarrollada en esa época y no se
le dio continuidad a ese descubrimiento.
18
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 2.1: primera celda de combustible
Pero casi un siglo después, Francis T Bacon desarrollo una celda de
combustible utilizando electrolizadores de platino y solución alcalina como medio
conductor, esta producía una potencia de 1Kw. Lo anterior sirvió a General
Electric quien desarrolló una celda de combustible alimentada por hidrogeno que
se utilizó en el módulo espacial Gemini el cual llevó al primer hombre a la luna en
la década de los 60. Este primer desarrollo fue seguido por el programa espacial
Apollo, el cual empleó pilas de combustible para generar electricidad empleada
Figura 2.2: historia de las celdas de combustible
Para el uso diario, estas pilas fueron desarrolladas por Pratt y Whitney, basados
en la licencia tomada sobre la patente de Francis T Bacon pero aún eran muy
costosas y pesadas además de ocupar un gran volumen.
19
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 2.3: a la izquierda pila de combustible de electrolito utilizada en los transbordadores
modernos y a la derecha la alcalina utilizada en el módulo de mando Apollo.
La pila utilizada en el Apollo podía generar una potencia de hasta 12KW,
pesaba 120Kg y media 36x38x14cm. El cilindro blanco en la imagen de la
derecha, contiene la pila de combustible, compuesta por 32 celdas conectadas en
serie, mientras que el resto son los sistemas auxiliares (control electrónico y
bombas de presión). Cada monocelda podía trabajar a un voltaje de 0.875V.
A finales de la década de 1960 General Motors fue la primera compañía
que incorporó una celda de combustible desarrollada por Unión Carbide a una
furgoneta (combi) pero la celda era tan pesada y voluminosa que del auto de 6
asientos solo se podían utilizar 2 y el platino utilizado costaba tanto como una flota
de camionetas.
Después de esto no se tomaron en cuenta las pilas de combustible hasta la
década de los noventa, donde se utilizaba más de ½ kilo de platino para la pila de
combustible que costaba 8000 dólares. A partir de este momento se probaron
sistemas de pilas de combustible en todo tipo de aplicaciones, como autos,
submarinos, residencias, etc. y en forma paralela también se desarrolló la
tecnología, se obtuvieron laminas delgadas de platino más pequeñas que el
grosor de un cabello humano y se utilizaron menos de 60 gramos de platino en el
modelo equinox de Chevrolet.
20
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 2.4: evolución de la celda en aplicaciones móviles
El año pasado (2012) en la UNED (Universidad Nacional de Educación a
Distancia) de España, se publicó que se había obtenido una carga de 0.01mg/cm 2
de platino, pudiendo obtener 10Kw/g de platino. Este se presume, es un gran logro
ya que el departamento de energía de los estados unidos había impuesto como
meta, que entre 2017 y 2020 se obtuvieran cargas de hasta 0.125mg/cm 2 y
producir una potencia de 8Kw/g, este resultado ha sido patentado por los
investigadores como el método de deposición de capas delgadas y
nanoestructuras de electrocatalizador (platino), sobre los electrodos las cuales se
unen por simple contacto a los dos lados de la membrana polimérica, a este
método también se le ha llamado “electrospray” lo cual aumenta de manera
considerable el rendimiento de la pila. Según explica uno de los investigadores del
departamento de física matemática y de fluidos de la UNED, José Luis Castillo han
logrado controlar las propiedades como la porosidad y rugosidad del material
generado por las partículas cuando se depositan, aumentando favorablemente la
superficie activa, ya que según explica el rendimiento de la celda depende de la
superficie del catalizador que esté en contacto con el gas de reacción y ellos han
logrado agrandar esta superficie activa alcanzando así un mayor rendimiento.
Además de lo anterior mencionado este procedimiento tiene la facilidad de
ser escalado es decir que estos elementos de las celdas de combustible pueden
producirse a distintos tamaños y escalas de manera industrial y un bajo coste, ya
que el precio del catalizador equivale a más del 30% del total de la celda de
combustible.
21
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 2.5: aplicación de platino en el electrodo
2.2 Tipos de celdas de combustible
Existen diferentes tipos de pilas de combustible según el tipo de electrolito
utilizado, ya sea sólido o líquido. La naturaleza del electrolito le da diferentes
características de funcionamiento, además parámetros como pueden ser la
temperatura de operación, los gases reactantes, los materiales usados para su
construcción intervienen en su vida útil y área de aplicación. También se pueden
utilizar diferentes combustibles como lo son la gasolina, gases licuados de
petróleo, metanol, etanol etc., que necesitan de un tratamiento adecuado para
adaptarlos a los diferentes tipos de celdas de combustible. Las pilas de
combustible que operan a bajas temperaturas suelen usar catalizadores basados
en metales más nobles, como el platino, con el fin de que se den las reacciones en
los electrodos de manera más eficiente.
2.2.1 Celdas de combustible de intercambio de protones (PEM)
Entre las variadas formas de las celdas de combustible que existen las de
membrana de intercambio de protones (PEM) o también llamadas celdas
poliméricas, son actualmente la opción más viable para las aplicaciones de
transporte gracias a su buena eficiencia, densidad de corriente y relativamente
baja temperatura de operación.
22
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Las celdas de combustible de tipo PEM tienen un electrolito que está
constituido por una membrana polimérica que separa la parte del ánodo de la del
cátodo en una celda, su función es el permitir solo el paso de los iones de
hidrogeno (H+) a través de ella y ser impermeable al paso de otros agentes como
son los gases o impurezas.
Una celda está compuesta por básicamente por tres componentes
elementales el ánodo que es el portador de la carga positiva, el cátodo con la
carga negativa y una membrana electrolítica que se encarga de filtrar los iones de
hidrogeno e impide el paso de los gases.
El combustible en este caso es el hidrógeno, el cual se introduce por una
placa bipolar del lado del ánodo, y guiada a través de una capa difusora la cual se
encarga de distribuir el hidrogeno hacia la capa catalizadora, donde se lleva a
cabo la reacción del hidrogeno. La capa difusora es de un material poroso, ya que
esta propiedad permite que el hidrogeno se distribuya de una manera óptima al
momento de entrar en contacto con la superficie del catalizador.
Figura 2.6: funcionamiento de una celda de combustible PEM
23
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Esta membrana es como un filtro ya que los protones la pueden atravesar
pero los electrones no, debido a su resistencia eléctrica por lo que se ven forzados
a viajar por la capa difusora que además de ser porosas son de un material que
contiene carbono o grafito y es mejor conductor, después se dirigen hacia las
placas del ánodo, por lo que se produce una corriente eléctrica. Del lado opuesto
es decir el lado del cátodo el aire entra a través de canales en el cátodo que al
igual que en el ánodo está dispuesto por capas difusoras y el oxígeno contenido
en el aire entra en contacto con la capa catalítica, con los protones que
atravesaron la membrana y con los electrones que viajaron a través de los
electrodos generando agua y calor, los cuales son evacuados a por el flujo de gas
del cátodo, las reacciones electroquímicas pueden resumirse de la siguiente
manera:
Ánodo: H2
→ 2H+ + 2e-
Cátodo: ½ O2 +2H+ + 2e- → H2 O
Global: H2 + ½ O2 → H2 O
Se pueden apilar varias monoceldas para formar una pila, la circulación
eléctrica varía ya que los electrones generados en el ánodo no se recombinan en
la reacción catódica de la misma celda, si no en el cátodo de la celda siguiente.
Este proceso de generación y recombinación en celdas consecutivas lo que
provoca una corriente eléctrica global a través del sistema.
Actualmente el control del agua y el calor son los principales problemas que
presentan las celdas, ya que tanto como un exceso o déficit de los mismos
disminuye el rendimiento de estos dispositivos pues la membrana es sensible a los
cambios en estos parámetros.
El potencial teórico que puede generar una pila de combustible de tipo PEM
que emplee hidrógeno y oxígeno a 250C es de 1.23V con una eficiencia de 83%.
Sin embargo, el potencial real de una celda se reduce debido a las pérdidas que
se dan durante el proceso, que se traduce en pérdidas de la potencia final
entregada por la pila, estas pérdidas se pueden resumir como:

Pérdidas por activación
Provienen de las reacciones químicas que se llevan a cabo en el sistema
principalmente en los electrodos y estas pérdidas dependen de la calidad del
24
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
material con que están construidos, los componentes como la membrana o la capa
difusora.

Pérdidas por resistencia natural
Estas se deben a la resistencia propia del electrolito y los electrodos, los
contactos etc., es la resistencia natural de los materiales para que fluyan tanto los
electrones como los iones de hidrogeno; es decir la densidad de corriente
dependen del material utilizado, la forma y la temperatura de operación de la pila.

Perdidas por concentración
Son el resultado de las limitaciones, debido a las tasas de transferencia de
electrones y de iones de hidrogeno así como de oxígeno para que se produzca la
reacción y estas pérdidas dependen de la construcción y las propiedades con que
están hechas las pilas.
Estas pérdidas se pueden apreciar en la siguiente grafica que también es
llamada curva de polarización de la pila.
Grafica 2.1: curva de polarización de una PEMFC
25
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 2.7: esquema del funcionamiento de una PEMFC
2.2.1.1 Partes que integran una celda de combustible PEM
Las celdas de combustible están compuestas por varios elementos que son
indispensables para un correcto funcionamiento, los cuales deben estar diseñados
y construidos de manera que favorezcan la reacción que se lleva a cabo
internamente aunque se necesita además de sistemas periféricos que suministran
el hidrogeno y el oxígeno. A continuación se mencionan los principales
componentes de una celda de hidrogeno.

Electrolito
Es una membrana sólida echa de un polímero cuyo nombre comercial es
Nafion construida por Dupont, esta membrana tiene la característica de alto grado
de conducción de protones a través de ella, además de ser impermeable a los
gases y aislantes eléctricos. Sin embargo estas características son afectadas por
diferentes variantes, como pueden ser el índice de humedad o la temperatura,
además aunque la tecnología tiene algún tiempo de haberse descubierto aún está
en etapa de estudio, por lo que aún se sigue experimentando con algunos efectos
por ejemplo, se ha comprobado que la cantidad de agua contenida en el polímero
es determinante en el funcionamiento de la celda, una hidratación adecuada
fomenta la circulación de protones, por lo que el control de la cantidad de agua es
un estudio clave en el desarrollo de las pilas.

Capas catalíticas
26
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Se trata de los electrodos que se encuentran ubicados entre la membrana y
las capas difusoras, están formados por material carbonoso y altamente poroso en
el cual están distribuidas de manera uniforme las moléculas del catalizador. Esta
característica permite que se realice la reacción química, cuanto mayor sea el
punto de contacto entre el gas y el catalizador, mayor será el número de veces
que se presente la reacción simultáneamente y en consecuencia se obtendrá
mayor potencia final. Este material carbonoso debe poseer alta conductividad
eléctrica y una alta estabilidad química y mecánica. Por otro lado la fase activa
debe tener un número elevado de centros activos (deben ser partículas pequeñas
y muy bien dispersas).

Capas difusoras
Las capas difusoras sirven de soporte mecánico a los electrodos. Están
formadas por materiales porosos que favorezcan la conductividad eléctrica, la
característica de porosidad permite que los gases se distribuyan uniformemente
sobre las capas catalíticas, favorezcan la extracción de agua líquida por la parte
del cátodo y absorban el calor para transferirlo a la salida, por lo que también
deben ser buenos conductores de calor además también son permeables.
Normalmente se utilizan telas carbonosas o papeles carbonosos, capaces de dar
el soporte mecánico necesario a la membrana y la capa catalítica. Para evitar que
se acumule agua en su interior y se vea obstaculizado el paso de los gases, se
incorpora un material que rechace el agua como el teflón.
Normalmente estos tres elementos (electrolito, capas difusoras y capas
catalíticas) son un solo elemento llamado sistema membrana- electrodo o MEA
por sus siglas en ingles. Las capas catalíticas se pueden depositar ya sea sobre la
membrana polimérica o sobre las capas difusoras.

Placas bipolares y monopolares
En el caso de monoceldas solo existen dos placas que se encuentran en los
extremos del resto de los componentes. En estos casos, estas placas deben tener
las conexiones de entrada y de salida de gases, los canales para la distribución de
gases en la superficie del electrodo, así como el sistema de cierre. Es decir, son
los elementos que forman las celdas ubicadas entre las placas terminales; las
bipolares tienen celdas a ambos lados, las monopolares son aquellas que solo
tienen una celda en una de sus caras, mientras la otra está en contacto con el
colector de corriente de una de las placas terminales. Sus principales funciones
imponen los requisitos o características principales que deben tener los materiales
por ejemplo: deben conectar eléctricamente celdas adyacentes por lo que deben
ser de un material buen conductor eléctrico, deben distribuir eficientemente los
27
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
gases sobre los electrodos a través de los canales y favorecer la evacuación de
agua por lo que el material del que estén construidas de ser de maleable para que
permita moldear la figura deseada del canal, debe dar soporte estructural a los
electrodos sin incrementar considerablemente su peso o volumen por lo que
deben estar hechos de materiales rígidos, resistentes a la compresión y a la ves
ligeros y finalmente deben separar los gases de celdas adyacentes así que otra
característica del material es que necesita ser impermeable a los gases. Algunos
de los materiales más comunes son el electrografito, el acero inoxidable, el
aluminio, a los que se aplican tratamientos superficiales para evitar la corrosión y
la disolución de iones.

Colectores de corriente
La función de este elemento es la de cerrar el circuito eléctrico de la pila y
permitir la conexión hacia una carga eléctrica exterior, estos elementos
generalmente están separados de las placas terminales y como consecuencia de
su función deben estar hechos de materiales buenos conductores usualmente de
cobre o bien otro material recubierto con un fino baño de oro.

Placas terminales
Estos elementos tienen la responsabilidad del cierre de la celda y de
mantenerla hermética por lo que su construcción debe encaminarse hacia un
acople de manera que todos los elementos que se encuentran en su interior
queden bien apretados, de no ser así puede haber fugas hacia el exterior de los
gases reactantes, además también deben incluir las conexiones para el flujo de
gases reactantes.

Sellos y juntas
Estos elementos ayudan a un cierre hermético entre los elementos, además
de proteger el rozamiento de los mismos y absorber energía por impacto, se
encargan de evitar fugas de gas o que se mezclen los gases reactantes. Estos
elementos pueden ser individuales o formar parte de otros por ejemplo en el
electrodo. Los materiales para su construcción son generalmente polímeros
termoplásticos con la propiedad de soportar las condiciones de operación de una
celda como lo son el teflón, caucho de etileno propileno dieno, floruro de
vinildieno, siliconas, entre otros.
28
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 2.8:
Figura 2.9: stack o pila de combustible
29
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
2.2.1.2 Formación de una pila
Los valores finales entre los que oscila el voltaje que entrega una
monocelda son aproximadamente 0.45 y 0.55 volts por lo que si se requieren
valores más altos de voltaje o de corriente es necesario unir varias monoceldas,
ya sea en serie para obtener mayor voltaje o en paralelo para mayor intensidad de
corriente. Por ejemplo supongamos que se requiere una potencia de 1KW, y el
voltaje entregado por una monocelda está entre 0.45 y 0.55 Volts, entonces se
requiere una corriente de aproximadamente 2000 Ampers, esto implicaría un área
activa de aproximadamente 4000cm2 ya que la densidad de corriente es de unos
0.5 A/cm2, por lo que se debe recurrir a otra solución para poder proveer esta
potencia y una solución viable es conectar varias monoceldas en serie de forma
que el voltaje aumente y en consecuencia la corriente necesaria disminuya
obteniendo la misma potencia.
A el proceso de apilar varias monoceldas en serie se le conoce como
formación de una pila o stack en inglés este método consiste en una sucesión de
celdas individuales, cada una de ellas formadas por placas bipolares y los
conjuntos membrana electrodos.
El primer paso es saber cuál será la potencia requerida, lo cual nos indicara
el tamaño del área activa y el número de monoceldas que se necesitan, por lo que
el diseño de dicha pila está sujeto a la potencia requerida una, vez fijada la
potencia podemos utilizar la siguiente ecuación para obtener la corriente.
(Ec. 1)
Donde P es la potencia requerida, V es el voltaje entregado por la pila y
finalmente ITotal es la corriente que habrá en la pila. Cuando estén apiladas las
monoceldas el voltaje total será la suma de todos los voltajes individuales y como
se supone que todas trabajan a un determinado voltaje se podría expresar como
promedio ese valor por lo que:
(Ec. 2)
30
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Así mismo se puede calcular el área efectiva del electrodo teniendo en
cuenta que la densidad de corriente (J) se encuentra entre 0.3 y 0.5 A/cm2
quedando de la siguiente manera:
(Ec. 2)
De estas tres ecuaciones podemos deducir que el área del electrodo
depende del voltaje que se aplique es decir si se necesita reducir el área del
electrodo es necesario aumentar el número de celdas que habrán de apilarse lo
que ocasionará una disminución de la corriente total y en consecuencia una
reducción de área.
Estas relaciones se pueden apreciar en la siguiente grafica de la curva de
polarización, en estas curvas generalmente se determina de forma experimental
con cargas aleatorias de potencia como se puede apreciar a continuación además
se observa la relación entre el voltaje de una monocelda y la densidad de corriente
(figura A). También cómo se comportan diferentes pilas o stack variando la
potencia y el voltaje (figura B)
Grafica 2.2: a) grafica de potencial de celda vs densidad de corriente
31
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Grafica 2.3: b) comportamiento de una celda de combustible PEM
Ahora debemos tomar en cuenta que es posible sea de alguna manera
sencillo, obtener los valores de voltaje y corriente necesarios para alguna potencia
requerida pero se debe considerar los límites físicos y tecnológicos de dichos
valores por ejemplo un número muy grande de monoceldas con áreas muy
pequeñas dificultan el alineamiento y el ensamblaje de la pila, y por el contrario un
número muy pequeño de monoceldas implica una área total grande y en
consecuencia una corriente elevada también lo que nos da como resultado elevar
las perdidas por resistencia eléctrica. Actualmente estos parámetros se han
limitado experimentalmente en el rango de áreas efectivas hasta los 1000cm 2
siendo los más comunes entre 50 y 600 cm 2 y con el tema del número de
monoceldas en un stack entre 200 y 250 se han obtenido resultados satisfactorios.
Para áreas de electrodos muy grandes es lógico que sea más difícil obtener una
distribución uniforme de los gases reactantes sobre las capas catalíticas así
mismo muchas monoceldas en una pila necesitan una presión elevada del flujo de
los gases lo que implicaría una estructura más robusta y pesada para los canales
y las membranas de intercambio de protones.
2.2.1.3 Tendencias futuras de las PEMFC
Algunos investigadores están haciendo esfuerzos para el desarrollo de
nuevos catalizadores que sustituyan al platino, debido principalmente a su alto
precio. Por ejemplo, se está tratando de introducir nuevos catalizadores de
platino/rutenio, los cuales parecen más resistentes al envenenamiento por CO,
32
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
también se están haciendo ensayos con otras aleaciones de platino como cobalto
y cromo.
A su vez se está investigando en la creación de nuevos materiales de
membrana que remplacen al nafion, que pueda funcionar a temperaturas de unos
1800C, que sean menos propensos al envenenamiento, que puedan utilizarse de
una mejor manera en aplicaciones automotrices. El nafion tiene las desventajas de
ser costoso y a temperatura por arriba de los 80 0C, se produce la pérdida de
conductividad protónica debido a la deshidratación. Por ejemplo se están
introduciendo termoplásticos de alta temperatura denominados polyfhtalazinones,
silicatos orgánicamente modificados y otros polímeros.
También se trabaja en el desarrollo de nuevos tipos de placas bipolares,
actualmente se fabrican de grafito o de acero inoxidable y que se pretenden
sustituir por polímeros o aleaciones de acero más baratas.
2.2.2 Celdas de combustible de óxido sólido (SOFC)
Estas celdas de combustible tienen un electrolito sólido que está formado
por una dura membrana cerámica, no porosa de óxido de zirconio (ZrO 2) dopado
con ytrio, que permite la circulación de iones de oxígeno. El ánodo está formado
por óxidos de níquel o cobalto, aleados con circonio, mientras que el cátodo esta
echo de estroncio dopado con óxidos de manganeso. La química en este celdas
es más complicada sobre todo por la temperatura de operación, operan a
temperaturas cercanas a los 10000C, debido a esta elevada temperatura no
requiere la utilización de metales preciosos, siendo esta celda la que mejor resiste
los compuestos de azufre y monóxido de carbono, como consecuencia de las altas
temperaturas de operación es lenta a la hora de producir energía se necesitan
aislar térmicamente para proteger a los operadores y además son muy costosas
sin mencionar el tamaño de las mismas, existen tres formas principales de
construir celdas de óxidos sólidos: tubular, bipolar y plana. Sin embargo la elevada
temperatura en la que operan y están sometidos los materiales de la celda
reducen la vida útil de la misma.
La tecnología tubular ha demostrado ser capaz de producir más de 220 KW,
Japón es la nación que cuenta actualmente con dos unidades de 25KW, en estado
operativo, por otro lado en Europa se hacen investigaciones sobre plantas de 100
kW.
33
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Las SOFC se utilizan generalmente en plantas grandes donde se puede
cogenerar electricidad con energía térmica, debido a la alta temperatura de
operación; en estas plantas se pueden alcanzar eficiencias entre el 60% y el 85%
donde se pueden generar hasta 100kw de potencia.
Figura 2.9:
2.2.2.1 Ventajas de las celdas SOFC
Las altas temperatura de operación en conjunto con los materiales
constituyentes de las celdas de combustible de óxido sólido favorecen el uso de
combustible como el gas natural, el gas de síntesis que básicamente es una
mezcla de monóxido de carbono y de hidrogeno, propano, butano o también
carbón en polvo. Además el empleo de combustibles mencionados anteriormente,
deja utilizar la tecnología con la que se cuenta para contenedores, sistemas de
procesamiento y sistemas de suministro de combustible.
Aunque estos combustibles fósiles nos producen emisiones de dióxido de
carbono además de otros gases de invernadero, comparado con la eficiencia
energética de una planta de carbón que es de aproximadamente el 30% y una de
SOFC con un valor alrededor del 60%, se puede hablar de un ahorro de energía
del 50% ya que al poder tomar en cuenta que una celda SOFC puede operar
también con carbón y tener una eficiencia del doble de una de carbón
convencional, esto se traduce en un gasto de la mitad de combustible para
producir la misma cantidad de energía, además de que la emisión de dióxido de
34
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
carbono se reduce aún más al utilizar gas natural por ejemplo, ya que este
combustible produce un 50% menos dióxido de carbono que el carbón.
Con respecto a las pilas de ion de Litio la densidad energética de algunas
SOFC es mayor que las de Litio por ejemplo se calcula que una computadora
portátil operaria mayores rangos de tiempo con una micro-SOFC.
2.2.2.2 La temperatura: principal desventaja
La misma temperatura que permite la utilización de combustibles de uso
cotidiano, también reduce la cantidad de materiales que se pueden utilizar para su
construcción, las aleaciones metálicas mejor calificadas para operación a altas
temperaturas son más costosas y por ello, elevan el costo de la producción de las
celdas. Aunque se han diseñado algunas aleaciones metálicas económicas como
el CroFer 22 APU, desarrollado en el centro de investigación de Jülich Alemania.
Por otro lado el uso de materiales cerámicos, indispensables para la
reacción química de la celda reduce las propiedades mecánicas de la celda, ya
que la cerámica tiende a ser quebradiza y generalmente mal conductor del calor,
lo cual produce restricciones importantes en el diseño y operación de las celdas.
Otro factor importante derivado también de la temperatura de operación es
el tiempo de arranque o tiempo de precalentamiento, ya que a cada inicio del ciclo
de trabajo la celda requiere un precalentamiento previo, así como un incremento
lento ya que la cerámica podría sufrir fracturas como consecuencia de un cambio
de temperatura alto en un periodo corto de tiempo.
Estos tiempos de precalentamiento pueden extenderse hasta 60 min para
calentar a 7500C en algunas unidades estacionarias, por lo que es uno de los
inconvenientes al tratar de utilizar esta tecnología en aplicaciones móviles como el
transporte, y en consecuencia sus posibilidades de aplicaciones comerciales se
reducen. Otra desventaja y otra vez, debido a la alta temperatura, son las
propiedades mecánicas que se ven degradadas y esto reduce la vida útil de la
SOFC.
35
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
2.2.2.3 Celdas SOFC planas
La configuración plana presenta la ventaja de que la conexión en serie entre
celdas es interna a estas mientras que en el caso de la configuración tubular esta
conexión es externa, lo que genera más perdidas de carga, el sellado del gas de
compresión de los elementos que forman la pila es complicado y por lo regular
lleva asociada una degradación de las superficies en contacto, por el grado de
desarrollo se encuentra por detrás de las celdas SOFC tubulares.
Figura 2.10: celda de combustible SOFC plana
2.2.2.4 Celdas SOFC tubulares
Originalmente, la configuración planteada fue plana, sin embargo, los
problemas de sellado del gas entre las finas láminas que componen las pilas,
motivo la adopción de un modelo tubular. En este diseño dos cilindros huecos
cuyas paredes están formadas por los dos electrodos y el electrolito entre ellos,
garantiza que el gas permanezca o no se filtre por los conductos por los que
circula, estos tubos se agrupan posteriormente mediante conexiones internas. La
figura de la derecha representa un acoplamiento de varias unidades. En cada
extremo de estos agrupamientos se disponen placas o bandejas metálicas que
actúan de colectores que recogen la corriente generada por los tubos.
36
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 2.11: celda de SOFC tubular
2.2.2.5 Micro-SOFC
Como se ha mencionado anteriormente, las SOFC convencionales no han
podido alcanzar dos metas principales que aquejan a estas celdas para
introducirse a nivel portátil, las cuales son, tener una temperatura de operación
baja y un tiempo de arranque corto, aunque investigaciones recientes han
ayudado a recobrar la viabilidad de estas celdas, estas investigaciones se tratan
de las micro-SOFC en la cual se hacen cambios en la geometría de las celdas así
como en el tamaño, obteniendo como resultado módulos de micro-SOFC que
producen potencias de entre 1 y 20W y su tamaño y peso son adecuados para
utilizarlas en aplicaciones portátiles.
2.2.2.6 Micro-SOFC plana
En estas celdas las monoceldas están dispuestas en forma plana además
de tener dimensiones de espesor de no más de 1mm, y un diámetro de no más de
100mm. Dichas dimensiones facilitan la reducción de la temperatura de operación
y de manera paralela obtener tiempos reducidos de arranque, y esta reducción se
puede lograr gracias a la utilización de materiales catódicos avanzados lo cual ha
llevado a la obtención de una densidad energética de 150mW/cm 2 a 5500C, el
diseño comprende, también los sistemas periféricos que se necesitan para su
funcionamiento como lo es el reformador de gas de síntesis, el aislamiento térmico
y un intercambiador de calor para la entrada y salida de gases.
37
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
2.2.2.6 Micro-SOFC tubular
Gracias a su geometría tubular y su tamaño, soportan mejor los gradientes
de temperatura y logran pequeños tiempos de arranque, además de no presentar
problemas de sellado ya que en este tamaño de celdas, la implementación de
materiales para el sellado es una de las problemáticas más fuertes en sistemas de
celdas planas; esto se debe a la geometría tubular, que permite un mejor
acoplamiento entre las celdas y los elementos estructurales que la soportan,
además de una separación natural de las corrientes de combustible y
oxígeno/aire. Japón ha reportado módulos del tamaño de una canica,
aproximadamente 1cm3, alcanzando densidades de potencia de 2W/cm 3 a 5500C,
este módulo llamado cubo de azúcar está compuesto por celdas microtubulares
con diámetros de 0.8 a 2mm. El diseño de este módulo y la microestructura del
cátodo están optimizados porque el aire fluye por convección natural, reduciendo
así los costos de operación.
Figura 2.12: tipo de celda de SOFC
38
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
2.2.2.7 Comercialización de las SOFC
Según el doctor en ingeniería química Rodrigo Mayen Mondragón, quien
estuvo 3 años investigando en Alemania sobre la SOFC la apertura del camino
hacia la comercialización de este tipo de celdas depende esencialmente del
desarrollo de dicha tecnología en cumplimiento de los siguientes objetivos:




Reducción de los costos de fabricación
Reducción de los costos de operación
Mejoramiento del desempeño de las celdas
Extensión del tiempo de la vida útil
Asociados, hay una serie de requerimientos específicos que han sido
identificados como clave para lograr los objetivos propuestos, dichos
requerimientos se presentan de la siguiente manera:
a) Implementación de nuevos procesos de manufactura. Una parte
importante del costo de las celdas está asociado en el proceso de
fabricación. Los componentes principales se acoplan entre sí en forma
de películas con espesores en el rango de micrómetros o algunos
milímetros, esto supone procesos tecnológicamente avanzados y en
consecuencia costosos.
b) Reducción de la temperatura de operación de las celdas. Esto ayuda a
reducir la contaminación generada por el transporte de los materiales
que conforman el electrodo hacia el electrolito. De esta manera se eleva
el desempeño y tiempo de vida útil de la celda, se reducen los tiempos
de arranque y se logra alcanzar una temperatura exterior del dispositivo
de acuerdo con la requerida para aplicaciones portátiles. Por otra parte,
permite emplear materiales más económicos para los elementos de
construcción de la celda. También se debe tomar en cuenta que al
reducir la temperatura se deben rediseñar los materiales catódicos, ya
que el desempeño de estos se ve disminuido al bajar la temperatura de
operación.
c) Implementación de materiales avanzados para el ánodo. Los ánodos
convencionales no presentan la resistencia deseada al ataque de
contaminantes presentes en los combustibles procesados, se requiere
incrementar la resistencia a la formación de depósitos de carbón en el
ánodo (coquización) y el ciclado-RedOx que se refiere al cambio
irreversible en la microestructura de los ánodos convencionales de
níquel, y que ocurre durante los ciclos de arranque e interrupción de la
operación.
d) Reducción del tamaño y peso de las celdas (y los dispositivos
acoplados). Este requisito es especialmente importante sobre todo para
39
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
e)
f)
g)
h)
aplicaciones portátiles o unidades de potencia auxiliar (APU); aun para
aplicaciones estacionarias, la reducción del tamaño implica una
reducción de los costos de fabricación.
Implementación de nuevos materiales para interconectores y colectores.
Estos elementos deben estar fabricados de materiales que no
contaminen los electrodos durante la operación, por ejemplo el
envenenamiento de los cátodos convencionales de manganita con el
cromo proveniente de lo interconectores metálicos.
Desarrollo de materiales avanzados para pastas de contacto. Estas
pastas disminuyen la resistencia al contacto entre los electrodos e
interconectores, los materiales deben ser de bajo costo, estables y
además compatibles con la temperatura de procesamiento de los
materiales usados para sellar.
Mejoramiento del diseño e implementación de nuevos materiales para
sellar los módulos de SOFC. Este requerimiento es especialmente
importante para módulos de celdas planas. Un sellado adecuado de las
celdas permite incrementar el desempeño y tiempo de vida útil. Los
materiales de sellado deben tener la característica de baja volatilidad,
tener alta resistencia eléctrica y un coeficiente de expansión térmica
similar al del resto de los componentes.
Desarrollo de métodos para la evaluación del desempeño de las celdas.
Fundamentalmente, se requiere evaluar la operación durante más de
10000h, más de 100 ciclos térmicos (arranque-interrupción) y también
determinar la influencia de la composición del combustible.
2.2.2.8 Aportaciones nanotecnológicas.
El uso de la nanotecnología en la fabricación de materiales para las SOFC
como lo son los componentes cerámicos, puede inclinar la balanza a favor del
progreso en la introducción de estas celdas al mercado. Por ejemplo, en el caso
del electrolito policristalino, la conductividad iónica del material disminuye al
reducir el tamaño de los dominios cristalinos (regiones con la misma orientación
cristalina). La razón es el incremento del número de fronteras de grano (fronteras
entre regiones cristalinas) que son de menor conductividad. Sin embargo, la
dependencia “conductividad iónica” vs “tamaño de grano” se vuelve
inesperadamente opuesta cuando el tamaño del grano se reduce hasta
dimensiones nanometricas.
El procesamiento de los componentes cerámicos de las celdas se ve
también favorecido con el empleo de nanotecnología. Por ejemplo, las
temperaturas requeridas para la sinterizacion (en la fabricación de cerámicas, este
tratamiento térmico transforma un producto en polvo en otro compacto y
40
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
coherente) de electrodos/electrolito fabricados a base de nanopartículas, son
significativamente menores que cuando se fabrican a partir de micropartículas.
El doctor Mayen también participo en el proyecto de fabricación de celdas
SOFC basado en técnicas electroforéticas, en Alemania. El proceso desarrollado
inicia con la fabricación por sedimentación reactiva de una plantilla de cristales
coloidales compuesta de microesferas poliméricas. La plantilla es impregnada con
una mezcla de nanopartículas cerámicas para conformar el ánodo. Después de
esto, se deposita una película de nanopartículas de electrolito sólido. Ambos
procesos se llevan a cabo en suspensión acuosa y asistida por campo eléctrico
(impregnación electroforética y depositario electroforética). Posteriormente la
plantilla se polariza en un horno y el sustrato cerámico se sinteriza. Como
resultado se obtiene un sistema bicapa ánodo-poroso + electrolito-sólido-denso,
ambos con espesor controlado. Una de las ventajas de este proceso es la
generación, en un solo paso, de ánodo con porosidad funcional. Dicho proceso,
por su bajo costo, facilidad de implementación, bajos tiempos de procesamiento y
compatibilidad ambiental, resulta una interesante opción más económica de celdas
SOFC.
Figura 2.13: electrodo poroso
41
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
2.2.3 Celdas de combustible de carbonatos fundidos (MCFC)
Estas celdas de combustible no se envenenan con compuestos de óxidos
de carbono, siendo también muy resistentes a las partículas y al azufre, utilizan un
electrolito compuesto por una sal de carbonato fundido, suspendido en una matriz
cerámica de óxido de aluminio y litio (LiAlO2) inerte. Operan a temperaturas
menores que rondan entre 6000C y 6500C, por lo que no necesitan catalizadores
basados en metales preciosos, su aplicación está restringida para uso estacionario
en generación eléctrica de gran potencia.
Estas celdas de combustible no requieren un reformador externo para
convertir combustibles energéticamente densos en hidrógeno. Ya que a la
temperatura en la que opera los combustibles se descomponen en hidrogeno por
si mismos dentro de la pila, lo cual reduce también los costos.
Las MCFC tienen una eficiencia que ronda entre el 60% y el 85%,
incluyendo la cogeneración por energía térmica, esta eficiencia es posible gracias
a la temperatura de operación que además de permitirle la flexibilidad en el uso de
combustible, es necesaria para lograr una buena conducción iónica en el
electrolito.
Las celdas de combustible de carbonatos fundidos pueden utilizar una gran
cantidad de combustibles, como lo son el hidrógeno, monóxido de carbono,
propano, gas natural, productos de la gasificación del carbón y aceite diésel. Son
capaces de producir potencias de entre 10KW hasta 2MW, y se han probado
numerosos tipos de combustibles antes mencionados.
Una de las desventajas en este tipo de celdas es la temperatura, ya que las
elevadas temperaturas a las que operan producen problemas de corrosión, pues
al trabajar con compuestos que oxidan los materiales a estas temperaturas se
reduce la vida útil de la misma, así como fallas por sobrecalentamiento.
Los esfuerzos de desarrollo tecnológico de este tipo de celdas de
combustible se centran principalmente, en la búsqueda de materiales resistentes a
la corrosión, que aumenten los tiempos de vida útil de las pilas, ya que los
materiales deben soportar un aproximado de 40,000 horas a 650 0C en presencia
de una sal fundida en condiciones oxidantes. Además, se pretende resolver el
problema de la degradación de níquel de los electrodos, el cual penetra en el
electrolito y causa cortos circuitos.
42
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Con respecto a la cogeneración se plantea la simplificación del sistema y
utilizar el calor del proceso para mover turbinas de vapor y mejorar la eficiencia
eléctrica, así como también el diseño de celdas MCFC que utilicen otros
combustibles, como lo son los hidrocarburos líquidos, biocombustibles, gases
procedentes de biodigestores o residuos, etc., ya que este tipo de las MCFC
permiten el CO2 que aporta el combustible.
Figura 2.14: celda MCFC
2.2.4 Celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC).
Estas celdas de combustible suelen emplear como combustible un
hidrocarburo, como el gas natural o la gasolina, que posteriormente es reformado
aunque también pueden utilizar hidrógeno directamente. Se basan en un
electrolito de ácido fosfórico contenido en una matriz de carburo de silicio y operan
alrededor de los 2000C, ya que a temperaturas inferiores el electrolito no conduce
bien los iones. Utiliza electrodos de carbono poroso que contienen platino. Las
PAFC fueron las primeras en ser comercializadas, pero no se utilizan en
aplicaciones automotrices por ser bastante costosas y muy pesadas. Sin
embargo, están muy desarrolladas tecnológicamente, por lo que se emplean
abundantemente en plantas estacionarias de generación eléctrica. Existen varios
cientos de sistemas de este tipo que se han fabricado, probado, comercializado e
instalado a lo largo del mundo.
43
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
La mayoría de centrales eléctricas que se utilizan, generan potencias de
entre 50 y 200KW, pero también existen estaciones que operan con potencias de
entre 1MW y 5MW. La mayor planta generadora basada en esta tecnología se
encuentra en Tokio y es capaz de generar hasta 11MW de potencia.
Este tipo de generador electroquímico puede producir electricidad con una
eficiencia del 40%, y puede aumentar si se utiliza el vapor para cogeneración.
Debido a que las PAFC también utilizan platino comparten el problema del
envenenamiento por CO, pero la ventaja de esta tecnología es que este efecto se
reduce considerablemente a medida que aumenta la temperatura, ya que por
arriba de 1900C las pilas de combustible PAFC pueden tolerar concentraciones de
Monóxido de Carbono de hasta 1.5%.
El uso de platino en estas celdas de combustible eleva el precio de las
mismas. Además de que se trata de máquinas relativamente grandes y pesadas.
Sin embargo este tipo de tecnología es la única que ha alcanzado el mercado de
forma significativa, debido fundamentalmente a los esfuerzos por las compañías
UTC, Fuji, Toshiba y Mitsubishi.
Las investigaciones para mejorar estos sistemas se centran en los
siguientes aspectos:



Desarrollo de nuevos catalizadores más eficientes, resistentes a la
presencia de CO y Azufre.
Mejora significativa de las capas de difusión de los electrodos,
haciéndolas más resistentes a la corrosión.
Perfeccionar los diseños de los reformadores y sistemas auxiliares,
para lograr mayor fiabilidad y menos coste.
Figura 2.15: celda de combustible PAFC
44
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
A pesar de los esfuerzos y la madurez en la que se encuentran las PAFC, la
mayoría de empresas dedicadas a la investigación se están inclinando por las
tecnologías PEM y SOFC. Esta decisión se basa fundamentalmente en el alto
precio de los catalizadores y de los sistemas auxiliares, así como el bajo
rendimiento que presenta en comparación con las tecnologías mencionadas, por
lo que se espera que estos sistemas vayan decayendo a medida que se alcancen
mejoras en otros sistemas como las PEM y SOFC.
2.2.5 Celdas de combustible de electrolito alcalino (AFC)
Estas celdas de combustible son unas de las primeras tecnologías en ser
desarrolladas, principalmente para producir energía eléctrica y agua a bordo de
naves espaciales. Su nombre proviene del hecho de que el electrolito es alcalino,
principalmente el hidróxido de potasio, y se pueden utilizar metales no preciosos
como catalizadores en los electrodos, operan a temperaturas entre 23 0C y 700C.
El hecho de disponer de una solución acuosa como electrolito, se dice que
es una ventaja, ya que la reacción química en el cátodo se lleva a cabo más
rápidamente, de ahí que en las AFC se tenga una eficiencia que ronda por el 70%.
Existen varias compañías que están investigando métodos de reducción de
costos y obtención de mayor flexibilidad de operación, tales como JPL, UTC, y
Billard. Una pila típica es capaz de generar una potencia de entre 300W y 5Kw.
Una de las ventajas de las celdas AFC respecto a las PEMFC, es que los
materiales necesarios para su funcionamiento, como lo son el electrolito y los
catalizadores, son más económicos, las AFC utiliza tanto metales preciosos como
no preciosos como el níquel, sin embargo persiste el problema del
envenenamiento y su alta sensibilidad al mismo lo que ha provocado que esta
tecnología se encuentre en un relativo estado de abandono ya que el interés en su
estudio ha decaído en los últimos años a favor del estudio de las celdas PEM.
La mayor desventaja de este tipo de celdas de combustible es que se envenena
fácilmente con CO2, lo que disminuye su vida útil, de echo es muy sensible a este
compuesto ya que una pequeña cantidad de CO2 en la atmosfera, puede afectar
la operatividad de las AFC, lo que obliga a purificar tanto el hidrógeno como el
oxígeno que se suministran a la misma. Como consecuencia no se puede obtener
el oxígeno directamente de la atmosfera. Además los tiempos de vida de estas
celdas de combustible son bajos con lo que se espera de la misma.
45
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 2.16: celda de combustible alcalina
2.2.6 Celdas de combustible de metanol directo (DMFC)
Las celdas de metanol directo utilizan como electrolito el mismo tipo de
membrana que las PEM, sin embargo, el combustible utilizado es metanol, en
lugar de hidrógeno puro.
Les celdas que funcionan directamente con metanol han generado interés
en aplicaciones portátiles, ya que el hecho de disponer de un depósito que
contenga un combustible líquido, similar al de los vehículos de combustibles
fósiles como la gasolina, ofrece la posibilidad de rellenarlo cada vez que sea
necesario. Además de tener la posibilidad de ser más seguro que un depósito
lleno de hidrógeno para usar como combustible, ya que el metanol no es tan
volátil.
Por otra parte la disponibilidad del metanol es mayor en comparación con el
hidrógeno puro, al poder obtenerse sin demasiadas dificultades del reformado de
la gasolina o la biomasa.
De la misma manera que las celdas PEM en las de metanol fluye a través
de unos canales a través del ánodo, y se divide en protones, electrones y agua,
aunque solo tienen una quinta parte de la densidad de energía contenida en el
hidrógeno, por unidad de masa, el metanol puede ofrecer más de cuatro veces la
densidad de energía por unidad de volumen que el hidrógeno.
Si se toma como referencia el poder calorífico superior del metanol, se
obtiene un valor de tensión de celda de 1.1790V, lo cual es ligeramente menor que
46
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
el valor obtenido para el caso del hidrógeno (1.185V). Un aspecto importante es
tener en cuenta que en las celdas de metanol directo, es el hecho de que la
oxidación del metanol produce compuestos carbonados intermedios, lo cual
contamina y envenena los electrodos, así como los problemas de baja velocidad
de reacción del oxígeno en el cátodo y la pérdida de corriente por el efecto de
crossover el cual puede hacer que se pierda hasta un 30% de combustible.
Si se utiliza aire en el cátodo, las celdas DMFC son capaces de generar una
densidad de corriente que oscila entre los 180 y 250 mA/cm 2. La carga de platino
suele ser de 4mg/cm2, cantidad más elevada que en las PEM, la eficiencia de
estas celdas se encuentra alrededor del 40% cuando opera a una temperatura de
1000C, lo que se considera como baja temperatura, estas características
convierten a las celdas de metanol directo en dispositivos atractivos para
aplicaciones portátiles y de poca potencia.
Actualmente existen algunas compañías dedicadas a la investigación y
fabricación de prototipos, utilizados por los militares para alimentar pequeños
equipos electrónicos y de comunicaciones, la principal ventaja frente a la
tecnología competidora (baterías de ion-litio), radica en la facilidad de recarga, es
decir que basta con reemplazar el cartucho usado de metanol por uno nuevo. NEC
y Toshiba han presentado prototipos que se encuentran cercanos a la
comercialización.
Figura 2.17: celda de combustible de metanol directo
47
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
2.2.7 Celdas de combustible de Zinc (ZAFC)
Estas celdas dispone de un electrodo de difusión de gas denominado GDE,
(Gas Difusión Electrode ), un ánodo de Zinc separado del GDE por una membrana
electrolítica, y un separador mecánico que asegura la rigidez del sistema. El GDE
es una membrana que puede ser atravesada por el oxidante, el ion OH - reacciona
con el agua para crear hidróxido de Zinc, el cual reacciona con el propio Zinc del
ánodo para crear una corriente eléctrica.
Las celdas ZAFC comparten muchas de sus características con otros
dispositivos similares, pero cuando se habla del suministro de combustible, éstas
se asemejan más a las baterías.
Estos dispositivos están dotados de un depósito que contiene Zinc en forma
de polvo o limaduras, las cuales se regeneran después de utilizarse en la pila.
Cuando se consume el combustible, los electrones que se liberan reaccionan con
el oxígeno del aire, con lo que se generan una serie de compuestos intermedios
del zinc. Después de aprovechar la circulación de los electrones en la carga, se
utiliza la electrolisis para devolver estos compuestos a su estado original en forma
de polvo de Zinc y oxígeno.
Este proceso regenerativo se lleva a cabo utilizando una fuente externa de
energía, como por ejemplo una batería o un panel solar, de manera que el proceso
se puede repetir tantas veces como se desee.
Por este motivo, las celdas ZAFC son conocidas también como celdas
regenerativas, un sistema de alimentación regenerativo se puede definir como
aquel en el que ni se añade combustible, ni se gasta ninguno de los productos
obtenidos; pero también es aquel que necesita de una fuente de energía externa
para alimentar un electrolizador que regenere el combustible y los residuos. La
eficiencia de este tipo de celdas esta entre el 30% y el 50%, dependiendo de la
temperatura y de las características del electrolizador.
La principal ventaja que tiene la tecnología de las celdas de zinc sobre las
baterías, es su alta energía específica. Las celdas ZAFC se han utilizado para
impulsar vehículos electicos, y han demostrado ser capaces de generar potencia
durante mucho más tiempo que las baterías de peso similar, además los
materiales necesarios para su construcción son relativamente baratos y
abundantes, ya que el zinc es un material muy común utilizado en la industria.
48
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 2.18: celda de combustible de Zinc
2.2.7 Celdas de combustible cerámicas (PCFC)
La tecnología de las PCFC es un desarrollo reciente dentro del campo de
los generadores electroquímicos de potencia. Su funcionamiento se basa en un
electrolito cerámico, que tiene la característica de muy alta conductividad protónica
a elevadas temperaturas. Este tipo de celdas de combustible difiere del resto en
que son capaces de conducir protones a través del electrolito, a temperaturas
mucho mayores que las demás.
Gracias a esta propiedad, las pilas cerámicas no solo ofrecen las mismas
ventajas cinéticas y térmicas que las de carbonatos fundidos y las de óxidos
sólidos, sino también las características eléctricas de las PEM y PAFC.
El hecho de operar a temperaturas muy altas es necesario en este
dispositivo para alcanzar una alta eficiencia en el consumo de combustible. Este
se oxida rápidamente en el ánodo, eliminando el paso intermedio del reformado
para obtener hidrógeno, el cual resulta siempre ser costoso. Después de oxidarse,
se liberan átomos de hidrógeno que son absorbidos por el electrolito cerámico.
La obtención de potencia eléctrica, como tal, se logra gracias a la reacción
de oxidación del hidrogeno obtenido tras la oxidación directa del combustible. Es
interesante mencionar que, al contrario que ocurre en las demás celdas de
combustible de alta temperatura, la oxidación tiene lugar en el ánodo de la pila.
49
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 2.19: celda de combustible cerámica
2.2.8 Celdas de combustible bilógicas (BFC).
Una celda de combustible bilógica es un dispositivo que convierte la energía
bioquímica directamente en electricidad. Dentro de una celda se produce una
reacción RedOx en un compuesto que contiene hidratos de carbono (glucosa o
metanol), gracias a la presencia de microorganismos o enzimas que se utilizan
como catalizador.
El funcionamiento básico es similar al resto de las celdas de combustible
pero la principal diferencia se encuentra en los microorganismos o enzimas
utilizados en las celdas.
Aún queda camino que recorrer en esta tecnología hasta conseguir que
este tipo de celdas sean eficientes ya que debido a la naturaleza de estos
organismos la reacción es lenta, pero se han llevado a cabo progresos como son
la selección de microorganismos, fabricación de electrodos apropiados y estudio
de bases acuosas para la generación de electricidad.
Existen estudios de la Helinski University de Toronto, que investigan sobre
métodos relativamente simples de monitorización y control de los enzimas dentro
de cada celda. Por otra parte, han realizado estudios y pruebas con los que
llegaron a las siguientes conclusiones:
50
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación




Las complejas reacciones químicas y enzimáticas que suceden en el
interior de cada celda, hacen que la eficiencia sea bastante menor
que en el resto de los generadores (del 15% al 25%).
La densidad de corriente por unidad de volumen del ánodo aumenta
a medida que disminuye el tamaño total de la pila.
La potencia de salida de la celda aumenta cuando disminuye la
movilidad de las bacterias que actúan en las reacciones químicas.
Reemplazar las bacterias por enzimas hace que los procesos de
oxidación sean más fáciles de controlar, debido fundamentalmente a
lo simple de las reacciones enzimáticas.
Aunque los experimentos realizados con reacciones enzimáticas han
demostrado ser capaces de generar mayores densidades de corriente que las
bacterianas, y a pesar de lo visto hasta ahora, queda patente que son aún muchas
las barreras que hay que superar y mejorar, sobre todo en lo referente a la
velocidad de respuesta de las pilas biológicas.
Tabla 2.1: comparación de las distintas celdas de combustible
51
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
2.3 Datos estadísticos.
Las pilas de combustible se distinguen en tres niveles, las pilas de
combustible estacionarias con potencia mayor a 10Kw, estacionarias de pequeño
tamaño y portátil. En el caso de las estacionarias se pueden utilizar tanto
conectadas a la red eléctrica, como de manera aislada generando electricidad y
calor que se puede aprovechar en algunos casos, siendo la celdas de combustible
de carbonato fundido (MCFC) la más utilizada con el 40% y la de ácido fosfórico
(PAFC) 35%, oxido sólido (SOFC) 15% y la de membrana de intercambio de
protones (PEMFC) el 10% aproximadamente. Juntas estos tipos de tecnologías
alcanzaron la cantidad de 180MW acumulados de potencia a nivel mundial (2008).
En el caso de las pilas de combustible estacionarias de pequeño tamaño
hasta el año 2008 se tenían alrededor de 11000 unidades instaladas a nivel
mundial siendo la tecnología de membrana de intercambio de protones la más
utilizada prácticamente en la totalidad de las instalaciones.
Grafica 2.4: evolución de las celdas estacionarias
52
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Grafica 2.5: evolución de las celdas estacionarias de pequeño tamaño
En el caso de las celdas de combustible portátiles, los nichos de mercado
en los que se está aplicando de forma más intensa esta tecnología son en
unidades militares, juguetes educativos, ordenadores portátiles y cámaras en
modelos aun pre-comerciales. Hasta el año 2008 se alcanzaban las 23000
unidades acumuladas a nivel mundial, siendo la tecnología PEMFC la más
utilizada alrededor del 70%, seguida de las DMFC con el 24% y resto las demás
tecnologías. El combustible que más se utiliza en el hidrógeno, aunque también
se utiliza metanol y en menor medida, propano/ butano y otros alcoholes.
En función del grado de penetración en el mercado, las distintas tecnologías
de celdas de combustible se pueden encuadrar en distintas etapas de desarrollo,
de este modo se observa que aunque la mayoría de las tecnologías han entrado
en el mercado, todas ellas aún están lejos de poder competir de forma libre en el
mismo. Por otro lado, las tecnologías MCFC y PAFC ya se encuentran
relativamente desarrolladas, mientras que las PEMFC son las que abarcan más
etapas dado que están bastante introducidas en el mercado, aunque se sigue
desarrollando mucha investigación para mejorar su rendimiento y costes. Por otro
lado, la tecnología MCFC se puede considerar que ya ha desbancado a la
tecnología PAFC, aunque tiene dificultades para entrar en el mercado, mientras
que la tecnología SOFC sería la que se encuentra en una etapa más inicial de
desarrollo.
53
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Grafica 2.6: evolución de las celdas de combustible portátiles
2.3.1Panorama de costos de las celdas de combustibles
Respecto al coste de las celdas de combustible existen muy pocos datos
fiables, debido a que para potencias medias o altas las celdas de combustible se
suelen fabricar bajo encargo, otro factor es que al ser una tecnología con
mercados muy reducidos se suelen fabricar manualmente, lo que hace difícil la
comparación de costos con las tecnologías ya establecidas como las de
combustibles fósiles.
La evaluación de costos se hace, generalmente en términos de capital
invertido por unidad de potencia instalada ($/KW o $/KW), dado que el hidrogeno
como vector energético puede ser producido de distintas tecnologías, esto también
hace variar su precio en forma sustancial.
Algunos estudios situaban el coste en 2009 de las PEMFC para automoción
alrededor de 1800US$/KW. Los costos más importantes se deben a las
membranas poliméricas que suelen ser de nafion, los electrodos de compuestos
de platino que implican aproximadamente 1.4g de Pt por KW, y las placas
bipolares fabricadas de materiales compuestos grafito-polímero. Las perspectivas
futuras indican que en un plazo de unos 15 a 20 años los precios se reducirán por
debajo de 100US$/KW.
En el caso de sistemas estacionarios basados en SOFC y MCFC, otros
estudios nos dicen que el costo de unidades con potencia de 200-300 KW en unos
12000US$/KW. Aquí de nuevo se espera que en el futuro, con el desarrollo de
nuevas tecnologías, así como la implementación de técnicas de producción a gran
escala, los precios se reduzcan de manera sustancial.
Las PAFC tienen problemas para reducir sus costes, especialmente por
basarse en una tecnología muy madura y por los requerimientos de platino, por lo
54
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
que alguna empresa que fabricaba estas celdas ha optado por cambiar a otra
tecnología con un mayor potencial de reducción de costos.
El objetivo para hacer competitiva la tecnología de celdas de combustible es
lograr posicionarse entre los 50-100US$/KW en costos de inversión, pensando
principalmente en aplicaciones de automoción, aunque se considera que por
debajo de los 2000US$/KW, ya podría ser competitiva para aplicaciones en
algunos mercados como el de autobuses. En este sentido, se estima que las
PEMFC podrían rondar entre 35-75US$/KW de costes de inversión hacia el año
2030. Una razón para esta importante bajada de precios es que, actualmente las
PEMFC, se fabrican manualmente por decirlo de alguna manera, al fabricarse a
gran escala de manera industrial se bajarían en gran medida los costos.
Para realizar una primera aproximación sobre paridad, se puede comparar
el costo de inversión en celdas de combustible y en centrales de ciclo combinado
alimentadas por gas natural, teniendo estas unos costos de inversión alrededor de
los 600-700US$/KW y con eficiencias que rondan el 60%. Las centrales de ciclo
combinado se estima son las principales competidoras de esta tecnología en
aplicaciones estacionarias; para aplicaciones móviles se prevé que el rango para
ser competitivo en automoción se sitúa en los 50-200US$/KW.
2.4 Almacenamiento del hidrogeno
Como se ha mencionado anteriormente, el hidrógeno no es un recurso que
se encuentre de manera aislada, por lo regular siempre forma parte de un
compuesto químico, por lo que se necesita energía para aislarlo y poder utilizarlo
de ahí el nombre de vector energético.
La dificultad que existe para el almacenamiento de hidrógeno se puede
deducir de sus propiedades físico-químicas, por ejemplo el hidrógeno posee un
punto de ebullición a 1atm de tan solo 20.39k, este valor es muy cercano a su
temperatura crítica (33.18 K), y a su punto de fusión (13.95K).
Tabla 2.2: propiedades del hidrogeno
55
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
En la gráfica 2.7 se representa el diagrama de fases del hidrogeno. Se
puede ver como la mayor parte de este diagrama de fases nos muestra que el gas
se encuentra en condiciones supercríticas, y solo una pequeña región que esta
coloreada de azul se encuentra en estado líquido.
Estas propiedades del hidrógeno implican que a temperaturas por encima
de 33.18K se encuentre como fluido supercrítico, lo que hace que su densidad sea
muy baja.
Grafica 2.7: diagrama de fases del hidrógeno
Por ejemplo si comparamos la densidad del hidrógeno frente a la presión,
se tiene que a la temperatura de 250C si tomamos una presión de 100 atmósferas,
la densidad del hidrógeno es de tan solo 0.00776 kgH 2/L. incluso aumentando la
presión hasta valores de 700 atmósferas la densidad sigue siendo muy baja
(0.03928) kgH2/L.
En cuanto a las características energéticas del hidrogeno, su densidad
energética gravimétrica es tres veces superior a la de la gasolina, sin embargo su
densidad volumétrica es la cuarta parte como se puede observar en la siguiente
gráfica.
56
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Grafica 2.8: comparación de hidrógeno y otros combustibles
Por lo que su aplicación en un sector, como el automovilístico, se ve
restringida debido a las limitaciones existentes en lo relativo al peso y al volumen
del depósito. El departamento de la Energía de los Estados Unidos (DOE) y otros
organismos internacionales como la Plataforma Europea del Hidrógeno y las
celdas de combustible HFP han establecido una serie de criterios provisionales
que tienen que cumplir los sistemas de almacenamiento de hidrógeno para su
implantación en vehículos propulsados con celdas de combustible.
Algunos de los requisitos establecidos por la DOE se han establecido
tomando como referencia un peso promedio de 1740Kg que corresponde al
WSCV, que comprende furgonetas, camiones ligeros y coches con una autonomía
de 300 millas. Donde los objetivos fijado en términos de peso y volumen (densidad
gravimétrica y volumétrica, respectivamente) se refieren al sistema de
almacenamiento completo, incluyendo el combustible (hidrógeno), el propio tanque
y todos los componentes adicionales necesarios (válvulas, sensores, tuberías,
compresores, filtros,…). Se presentan a continuación en la tabla 2.3.
En la actualidad el estudio del almacenamiento del hidrógeno, en cuanto disminuir
el tamaño del recipiente sin que se tenga que presurizar demasiado el gas, es una
prioridad para darle una mejor versatilidad a la tecnología de las celdas de
combustible portátiles.
Las distintas estrategias que se están estudiando para aumentar la
densidad del hidrógeno pasan por un aumento en la presión hasta valores
elevados, una disminución de la temperatura hasta condiciones criogénicas, el uso
de compuestos químicos o absorbentes, o una fusión de todas ellas. A
57
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
continuación se enuncian diferentes métodos de almacenamiento de hidrogeno
pasando desde los convencionales como la alta presión y la licuefacción hasta los
métodos novedosos que aún están en estudio como lo son la formación de
hidruros metálicos y la absorción de solidos porosos.
Tabla 2.3: criterios establecidos por el DOE para sistemas de almacenamiento de H 2
2.4.1 Hidrogeno comprimido
El almacenamiento de hidrogeno en recipientes a alta presión es uno de los
métodos industrialmente más desarrollados. Existen distintos depósitos
comerciales para almacenar hidrogeno a 200 atm. El principal problema es que a
esta presión no se consigue alta densidad volumétrica, y a esta presión son
necesarios contenedores robustos y pesados, aunque hay avances en cuanto a
cilindros recubiertos con fibra de carbono.
Para solucionar el problema, en los últimos años diversas empresas han
desarrollado depósitos fabricados con materiales compuestos, que los hacen más
58
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
ligeros y capaces de soportar presiones de hasta 700 atm y obteniendo valores de
0.03928 kgH2/L, sin embargo este valor no cumple con los criterios dictados por el
DOE.
Figura 2.20: sistema de almacenamiento de hidrógeno comprimido a 700 bar
Estos sistemas son los que principalmente se están usando en los
prototipos de vehículos impulsados por hidrógeno. La autonomía de estos
vehículos depende del diseño del mismo, y la cantidad de hidrogeno almacenada.
Por ejemplo, el prototipo con celda de combustible HydroGen3 de General Motors
está desarrollado para un rango de conducción de 270Km con 3.1 Kg de
hidrógeno a 700 bar.
Los principales problemas de esta manera de almacenamiento, son el costo
de los tanques, ya que se debe principalmente a la cantidad de fibra de carbono
usada para reforzar el tanque, y los problemas de seguridad y aceptación del
mercado derivado del uso de altas presiones.
La investigación en este campo está orientada hacia el desarrollo de
nuevas fibras de carbono, de bajo costo y capaces de alcanzar los valores
requeridos para estas altas presiones. Otra de las desventajas es que el
hidrogeno tiene una taza de permeabilidad a través de estos revestimientos, dicha
penetración no solo genera una pérdida gradual de la presión del hidrógeno, sino
que además el hidrogeno que se escapa puede dañar y debilitar la capa de
reforzamiento del tanque. Este debilitamiento podría generar una fatiga cíclica u
otros fallos del tanque por lo que una buena barrera para un tanque que almacene
hidrógeno a presión alta debe tener las siguientes características:



Baja permeabilidad.
Buena adhesión al revestimiento polimérico.
La rigidez de la capa debería ser igual a la del polímero para evitar
la rotura cuando se presurice el tanque.
59
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación


El método de aplicación debería permitir por la capa interior que un
tanque con cuello pequeño resultara en capas herméticas sin
orificios.
El material y el método para cubrir del tanque no deben constituir
una cantidad considerablemente alta ni del peso, ni del precio total
del tanque.
Por otro lado, se está estudiando el desarrollo de tanques adaptables a
diferentes geometrías y espacios, ya que los tanques de hidrógeno comprimido
por lo general están limitados en tamaño y forma, por lo que no ofrecen flexibilidad
en términos de adaptación al vehículo.
2.4.2 Hidrogeno líquido.
En este método el hidrógeno es almacenado en forma de líquido, lo cual
implica trabajar con temperaturas por debajo de 20.39K. El hecho de que el
hidrógeno líquido se encuentre limitado por una pequeña zona de su diagrama de
fases, hace que la tecnología de obtención del mismo sea costosa, y se necesiten
cantidades grandes de energía para licuarlo.
El hidrógeno líquido se obtiene a partir de la licuación del mismo, la
licuación es el proceso de pasar de gas a líquido mediante una modificación de
sus condiciones de presión y temperatura. El proceso de licuación utiliza una
combinación de compresores, intercambiadores de calor y válvulas de expansión
para lograr el enfriamiento necesario. El proceso de licuación más simple es el
ciclo de Linde o ciclo de expansión de Joule-Thompson. En este proceso, el gas
sufre una compresión isotérmica, a temperatura ambiente, 1→2, después un
enfriamiento a presión constante en un intercambiador de calor, 2→3, y finalmente
una expansión isoentálpica, 3→4, y 4→5. En este último proceso parte del gas se
licua y el resto es recirculado por el intercambiador de calor, y vuelta al compresor
para cerrar el ciclo, 5→1. A continuación se muestran los diagramas de flujo y
temperatura-entropía del ciclo de Linde.
60
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 2.21: ciclo de Linde
El ciclo de Linde funciona con gases como el nitrógeno, que se enfría al
expansionarse a temperatura ambiente. Sin embargo, el hidrógeno, se calienta al
expansionarse a temperatura ambiente. Para enfriar el hidrógeno gaseoso en la
expansión, su temperatura tiene que ser menor que su temperatura de inversión,
que es 202K (-950C). Para alcanzar dicha temperatura de inversión, los procesos
de licuación utilizan nitrógeno líquido para pre enfriar el hidrógeno gaseoso hasta
una temperatura inferior a 78K (-3190C) antes de la primera expansión de la
válvula. El nitrógeno gaseoso es reciclado en un ciclo continuo de refrigeración.
Una alternativa al proceso de pre enfriamiento de Linde es hacer pasar el
gas a alta presión a través de una turbina. Una turbina siempre enfría el gas, sea
cual sea su temperatura de inversión. El proceso teórico se denomina licuación
ideal y utiliza una expansión reversible para reducir la energía necesaria en la
licuación. Consiste en un compresor isotérmico seguido de una expansión
isoentrópica para enfriar el gas y producir líquido. En la práctica, la turbina se
puede utilizar para enfriar la corriente de gas, pero no para condensarlo, porque la
formación de líquido dañaría los álabes de la turbina.
La molécula de hidrógeno existe en dos formas, para y orto, dependiendo
de la configuración de los electrones en los dos átomos individuales. En el punto
de ebullición, la concentración de equilibrio es prácticamente todo para-hidrógeno,
pero a temperatura ambiente o superior, el equilibrio de concentración es de un
61
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
25% para-hidrógeno y de un 75% orto-hidrógeno. Si la licuación del hidrógeno se
produce de forma rápida, el hidrogeno puede estar licuado, pero todavía contener
importantes cantidades de orto-hidrógeno. Este orto-hidrógeno se convierte con el
tiempo en para-hidrógeno a través de una reacción exotérmica. Esto se supone un
problema, ya que se libera una cantidad importante de calor. Si el orto-hidrógeno
permanece tras la licuación, este calor de transformación, se irá liberando
lentamente, produciendo la evaporación de hasta el 50% del hidrogeno liquido en
tres días. De modo que el almacenamiento de larga duración de hidrógeno líquido,
requiere la conversión de su forma orto a su forma para y minimizar las perdidas
por evaporación. Esto se puede llevar a cabo utilizando una serie de catalizadores
entre los que se encuentra el carbón activado, el óxido férrico, compuestos de
uranio, óxido crómico, y algunos compuestos de níquel. El carbón activado es el
más utilizado, pero el óxido férrico también es una alternativa económica.
Figura 2.22: diagrama de flujo de una licuación con pre-enfriamiento
La mayor amenaza en el almacenamiento de hidrógeno líquido es minimizar
las perdidas por evaporación flash. Si el hidrógeno se almacena como líquido
criogénico, se está almacenando en su punto de ebullición, y por lo tanto cualquier
transferencia de calor al líquido supone alguna evaporación del hidrógeno. Las
fuentes de calor pueden ser, la conversión de orto-hidrógeno a para-hidrógeno, la
mezcla o bombeo de energía, o la transferencia de calor radiante, por conducción
o por convección. Cualquier evaporación, supondrá una pérdida neta en la
eficiencia del sistema, debido al trabajo necesario para licuar ese hidrógeno, pero
las perdidas pueden ser mayores, si el hidrógeno es liberado a la atmosfera en
vez de ser recuperado.
62
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
La primera medida para evitar las perdidas por evaporación flash, es
ejecutar la conversión de orto a para-hidrógeno durante la licuefacción, para evitar
cualquier transformación posterior, otra medida importante para prevenirla es
utilizar contenedores criogénicos aislados térmicamente.
Los contenedores criogénicos, están diseñados para minimizar la
transferencia de calor por conducción, convección y radiante desde la pared
exterior del contenedor hasta el líquido. Todos los contenedores criogénicos tienen
una doble pared y entre ellas el vacío, esto prácticamente elimina las
transferencias de calor por conducción y convección. Para evitar la transferencia
de calor radiante se ponen entre 30 y 100 capas reflexivas de baja emitancia,
normalmente, plástico aluminado Mylar. Una alternativa más barata que la película
de Mylar es la perlita (silicona coloidal) colocada entre las paredes del tanque.
Algunos contenedores grandes, tienen además, una pared exterior con un espacio
relleno de nitrógeno líquido.
La mayoría de los tanques de hidrógeno son esféricos, porque esta forma
tiene la menor superficie de transferencia por unidad de volumen. A medida que el
diámetro del tanque aumenta, el volumen crece más que el área, de modo que los
tanques grandes tienen proporcionalmente menos transferencia de calor que los
tanques pequeños, reduciendo la evaporación flash. Los tanques cilíndricos, se
utilizan también, ya que son más fáciles y más baratos de construir que los
esféricos, y la relación volumen-área de transferencia es casi la misma.
Los contenedores de almacenamiento de hidrógeno líquido en los puntos
de utilización, tienen normalmente capacidades de entre 110 y 5300kg, mientras
que las plantas de licuación de hidrógeno tienen tanques de unos 11500kg. El
mayor tanque esférico del mundo pertenece a la NASA, y tiene una capacidad de
228000kg de hidrógeno líquido. Incluso teniendo un buen aislamiento, parte del
hidrógeno se evapora. Este hidrógeno puede ser purgado o capturado y devuelto
al proceso de licuación. Esta segunda opción solo es posible se el hidrógeno es
almacenado en el mismo sitio donde es licuado. Al capturarlo, no se produce una
gran pérdida debido a que el hidrógeno gaseoso está todavía frio, es más fácil de
comprimir. En aplicaciones de transporte de larga duración, como puede ser el
transporte en buques, la evaporación flash se considera combustible de
transporte, de modo que el hidrógeno que se evapora del líquido, se captura y
alimenta la caldera del barco.
Finalmente se puede decir que el proceso de licuación del hidrógeno
consume una buena cantidad de energía hasta el 30% de la cantidad almacenada,
se necesitan contenedores especialmente aislados que encajen con los
63
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
dispositivos apropiados de manejo de combustible, y es muy propenso a la
evaporación y fugas durante su almacenamiento y transporte.
Figura 2.23 esquema de un contenedor de hidrógeno líquido
2.4.3 Hidruros metálicos
Los hidruros metálicos
son materiales que absorben hidrogeno
reversiblemente en condiciones moderadas. El hidrógeno puede ser absorbido y
liberado cambiando la presión del hidrógeno, la temperatura o ambas y la
densidad de hidrógeno por unidad de volumen en estos materiales llega a ser
mayor que la del hidrógeno líquido.
Los hidruros metálicos tienen dos problemas prácticos principales cuando
se utilizan para el almacenamiento de hidrógeno, el primero es que los hidruros
metálicos, en general se rompen en finas partículas después de repetidas
absorciones y liberaciones de hidrógeno.
Los hidruros se pueden clasificar en tres tipos, según la naturaleza de los
enlaces y de la estructura:



Hidruros metálicos.
Hidruros iónicos o salinos.
Hidruros covalentes o moleculares.
64
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
La electronegatividad de un elemento respecto al hidrógeno
determinara que tipo de hidruro se forma, un metal electropositivo forma
hidruros iónicos, mientras que un metal electronegativo forma hidruros
metálicos, aunque en algunos casos solo son estables a presiones
elevadas. Un indicador de la variación de la estabilidad en los hidruros de
metales de transición es la entalpía de formación.
Los elementos más electropositivos son los más reactivos frente al
hidrógeno, por ejemplo, Sc, Y, lantánidos, actínidos y miembros del grupo
del Ti y V.
La reacción del metal con el hidrógeno gaseoso comienza con la
absorción del hidrógeno molecular en la superficie, donde se separa y
difunde a los huecos intersticiales a través de la red metálica formándose
una solución solida de hidrógeno en metal, denominada fase α. Al aumentar
la concentración de hidrógeno (H/M>0.1), la interacción hidrógenohidrógeno es más importante y se forma el hidruro, que es la fase β.
Cuando la fase α y la fase β coexisten, aparece un fenómeno llamado
“plateau” el cual consiste en que la presión no aumenta al aumentar la
cantidad de hidrógeno absorbido. En la fase β pura, la presión del
hidrógeno aumenta rápidamente con la concentración.
Grafica 2.9: composición para la absorción de hidrógeno líquido en LaNi 5
65
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Durante la absorción del hidrógeno se obtiene calor ya que esta es una
reacción exotérmica, la misma cantidad de calor se tendrá que suministrar al
hidruro metálico para recuperar el hidrógeno. Cuanto más estable es el hidruro,
más calor será necesario para liberar el hidrógeno. Por tanto, los hidruros
metálicos formados por metales ligeros de los grupos I y II necesitan altas
temperaturas para liberar el hidrógeno absorbido.
Los hidruros formados por metales de transición absorben y devuelven el
hidrógeno a temperaturas y presiones cercanas al ambiente. Estos hidruros
poseen una densidad volumétrica de átomos de hidrógeno presentes en el hidruro
muy alta, por ejemplo se alcanza una densidad volumétrica de 115Kg/m 3 para el
hidruro LaNi5H6. Sin embargo, todos estos hidruros formados por metales de
transición presentan densidades gravimétricas por debajo del 3% en peso, por
ejemplo, la densidad gravimétrica del LaNi5H6 es solo 1.4%.
Por otro lado, los hidruros formados por los metales de los grupos I y II
poseen densidades gravimétricas más elevadas, pero al mismo tiempo también
necesitan altas temperaturas para devolver el hidrógeno. Así para liberar el
hidrógeno del MgH2 se requieren temperaturas de 620K a 5 bares. En la
actualidad se realizan investigaciones en esta área con vistas a aumentar la
cinética del proceso y disminuir la temperatura de descomposición de hidruros de
elementos ligeros como el magnesio. Las dos estrategias más relevantes que se
están estudiando, son la disminución del tamaño del hidruro (formación de nanopartículas) y la desestabilización mediante la formación de hidruros intermetalicos.
Unos de los principales problemas que presenta este tipo de
almacenamiento para su aplicación en vehículos es la gestión del calor. Se hace
necesario el uso de equipos secundarios, intercambiadores de calor, que disipen
el calor generado durante la formación de hidruros, y estos equipos penalizan el
peso y el volumen que ocuparía el sistema de almacenamiento.
2.4.4 Absorción en solidos porosos
Otro método para el almacenamiento de hidrógeno que tiene grandes
expectativas actualmente es la absorción en solidos porosos. En este método de
almacenamiento el hidrógeno se acumula en la superficie del sólido por efecto de
las fuerzas de Van der Waals, es por lo tanto un proceso de fisisorcion. En este
proceso el calor de absorción es mucho menor que el calor formado por hidruros,
y por lo tanto no se requieren sistemas adicionales para el intercambio de calor.
66
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Debido a que las interacciones son débiles, la fisisorcion de gases solo es
significativa a baja temperatura.
Los materiales que se están estudiando para el almacenamiento de
hidrógeno son muy variados por ejemplo: zeolitas, materiales carbonosos
(nanotubos y nanofibras de carbono, carbones activados, fibras de carbono
activadas, etc.) y más recientemente compuestos de coordinación
macromoleculares, conocidos como Metal Organic Frameworks.
El almacenamiento de hidrógeno en zeolitas puede ocurrir por dos vías:
fisisorcion, que es normalmente a temperaturas criogénicas, y encapsulación que
es a temperatura ambiente y altas temperaturas. La encapsulación de gases en
zeolitas es un proceso donde las moléculas de gas con tamaños similares o
menores que las ventanas de los poros de zeolitas son atrapados dentro de las
cavidades de la misma. El tamaño de la ventana se puede cambiar incrementando
la temperatura, los estudios teóricos sobre la encapsulación de hidrógeno en
materiales con estructura de sodolita estiman capacidades optimas de unas 8
moléculas de hidrógeno por caja de sodolita, y que es posible llegar hasta 16
moléculas de hidrógeno por caja, lo que corresponde a una capacidad de
almacenamiento de entre 4.3% y 5.3% en peso. Sin embargo, los estudios
experimentales muestran cantidades menores de 0.3 moléculas por caja de
sodolita.
Con respecto a la absorción física en zeolitas a temperatura ambiente, los
valores publicados en menores a 0.2-0.3% en peso, a temperaturas criogénicas, la
cantidad de hidrógeno absorbido por zeolitas aumenta linealmente con la
porosidad de las mismas, alcanzando valores de alrededor del 2% del peso a 77k
y 15 bares. Debido a la limitación en el desarrollo de la porosidad hace que estos
materiales no sean muy atractivos para esta aplicación en comparación con otros
materiales porosos que poseen mayor desarrollo de porosidad, como los
carbones activados o los MOF.
Los MOF son sólidos cristalinos que están formados por la conexión de
iones metálicos o clusters (unidades inorgánicas) a través de puentes moleculares
(unidades orgánicas). Las unidades inorgánicas son metales como Zn, Cu, Ni, Al,
Cr, Mg. Las unidades orgánicas son compuestos carboxílicos basados en
moléculas de fenilo o poli-fenilo. Ambas unidades se unen a través de grupos
carboxilato. De esta manera se han preparado MOF con áreas superficiales desde
100 a 500m2/g y con aperturas de poro entre 0.3 y 3nm.
A temperaturas ambiente y presiones moderadas se han publicado
capacidades de absorción altas para estos materiales. Por ejemplo Rosi y Col
67
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
publicaron una capacidad de absorción de hidrógeno del 1% en peso a
temperatura ambiente y 20 bares de presión. Este valor no pudo ser confirmado y
se atribuyó a presencia de impurezas en el hidrógeno. Otros autores también han
publicado valores altos en otros tipos de MOF pero aún están pendientes de
confirmación.
Respecto a la absorción en materiales carbonosos, los estudios realizados
incluyen una amplia variedad de ellos como: carbones activados, fibras de
carbono activadas, nanotubos de carbono (mono capa y multicapa), nanofibras de
carbono y materiales de carbono ordenados preparados usando sólidos
inorgánicos.
Los nanotubos de carbono despertaron gran interés a partir de los
espectaculares resultados publicados por Chambers y col. En nanofibras de
carbono, y por Dillon y col. En nanotubos de carbono. Los primeros publicaron un
resultado de 67.55% en peso en nanofibras de carbono con estructura fishbone, y
un 53.68% en peso para nanofibras con estructura platelet, a temperatura
ambiente y 112 atmosferas. Pero todo esfuerzo por reproducir este resultado ha
fracasado. Mas publicaciones han dado resultados pero muchos de ellas no se
pueden reproducir de manera satisfactoria, además de arrojar valores muy
aleatorios, sin embargo las nanofibras y nanotubos de carbón activado han dado
valores más modestos pero más consistentes y cada vez más favorables.
2.4.4.1 Carbón activado
El término carbón activado se aplica a una serie de materiales carbonosos
que presentan una amplia porosidad y una elevada superficie interna, y que se
pueden preparar a partir de diversos precursores. Estas características le dan al
carbón activado sus propiedades absorbentes, que hacen que sean utilizados en
una amplia variedad de aplicaciones.
La preparación de carbones activados tiene como punto de partida la
elección del precursor. Los precursores que se utilizan son materiales ricos en
carbono, como maderas, cascaras y huesos de frutas, breas, carbón mineral,
polímeros, residuos agrícolas o industriales, etc.
La siguiente etapa de la preparación del carbón activado, consiste en la
elección del método de activación, que influirá en la estructura porosa final del
material, los distintos procesos de activación se pueden englobar en dos grupos
denominados comúnmente activación física y activación química. La diferencia
entre ambos grupos radica en el procedimiento y los agentes activantes utilizados.
68
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
La activación física se lleva a cabo normalmente en dos etapas. Una
primera etapa consiste en la carbonización del material, llamada etapa de pirolisis.
El proceso consiste en someter al precursor a un tratamiento térmico a alta
temperatura (700-11000C) en atmosfera inerte, que dará lugar a un material más
ordenado y rico en carbono. La eliminación de hidrógeno y oxígeno del precursor,
provocará la formación de una estructura porosa básica.
La segunda etapa de este proceso consiste en un tratamiento térmico, entre
650 y 10000C, en el que el material carbonizado se pone en contacto con una
atmosfera oxidante, normalmente CO2, vapor de agua o aire. El resultado de este
proceso es una eliminación selectiva de átomos de carbono dando lugar al
desarrollo de la porosidad.
En el caso de la activación química, el proceso generalmente, tiene lugar en
una sola etapa térmica, este método consiste en poner en contacto el precursor
carbonoso con un agente activante, tras lo cual se lleva a cabo la pirolisis en el
rango de temperaturas de 300 a 9000C. El resultado de este proceso es un
material mucho más rico en carbón, y después de eliminar el agente activante y de
sus productos de reacción, presenta una porosidad muy desarrollada. Entre los
agentes activantes comúnmente empleados están el ácido fosfórico, el cloruro de
Zinc, el hidróxido potásico y el hidróxido sódico.
La activación química presenta ventajas respecto a la activación física, que
se pueden resumir en los siguientes puntos:



Se obtiene mayor rendimiento.
Se emplea menor temperatura y menor tiempo de tratamiento
térmico.
Generalmente se obtiene un mayor desarrollo de la porosidad.
Por otra parte, la activación química presenta la desventaja de la
etapa de lavado tras el tratamiento térmico y el empleo de agentes químicos
más caros y corrosivos.
El análisis de los diferentes tipos de poros de los carbones activados
es importante para predecir sus aplicaciones, estos se clasifican como:



Macroporos, poseen una anchura superior a 50 nm.
Mesoporos, poseen una anchura comprendida entre 2 y
50nm.
Microporos, con una anchura inferior a 2nm.
69
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Los macroporos actúan como poros de transporte, permitiendo que el gas
absorbido alcance los poros situados en el interior de las partículas del material.
Figura 2.24: esquema de un carbón activado con sus distintos tipos de poros
Los mesoporos sirven de unión entre los macroporos y los poros más
pequeños así como sitios de absorción de moléculas más grandes. Los
microporos son los responsables principales de la capacidad de absorción de un
carbón activado. Dentro de los microporos se pueden distinguir los microporos de
menor tamaño, denominados ultra microporos estrechos y los microporos más
anchos, llamados supermicroporos. En el caso de los microporos estrechos
(tamaño menor a 0.7nm), la proximidad de las paredes del poro produce un
aumento de la energía de interacción absorbente- absorbato dando lugar al
llenado completo de los poros a presiones relativas muy bajas. A este proceso se
le denomina absorción primaria. Por otro lado, el mecanismo de llenado de los
supermicroporos (tamaño entre 0.7 y 2nm) se le denomina absorción secundaria o
cooperativa.
Además de la clasificación de la porosidad por su tamaño, también se
clasifica por la facilidad de acceso a los poros, los poros que comunican con la
superficie externa se denominan poros abiertos, ya que facilitan el acceso a
moléculas que se encuentran en el medio que rodea al sólido. Los poros cerrados
son todo lo contrario, son los que no tienen comunicación con el exterior, esta
porosidad cerrada afecta las propiedades mecánicas y a la densidad del material
sólido.
70
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Las características de elevada superficie específica, distribución de
tamaños de poro y capacidad de presentar diferente química superficial hacen del
carbón activado uno de los absorbentes más versátiles.
2.4.4.2 Nanotubos y nanofibras de carbono
Dentro de las diferentes configuraciones de nanoestructuras de carbono
para almacenamiento de hidrógeno se pueden distinguir las nanofibras de grafito
(GNF), los nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) y los nanotubos de
carbono de pared compuesta (MWNT).
La capacidad de almacenamiento del hidrógeno depende también de los
procedimientos de deposición y tratamientos del absorbente, los diferentes
métodos de carga del hidrógeno, y la liberación. También son muy importantes los
elementos extraños o impurezas absorbidas o incorporadas a los materiales de los
nanotubos.
Figura 2.25: a) nanotubos de pared compuesta; b) nanotubos de pared simple
La presencia de pequeñas cantidades de ciertas sustancias han
demostrado realzar las capacidades de absorción del hidrógeno de los materiales
grafito. La adición de potasio mejora la capacidad del grafito para absorber
hidrógeno, si se procesa bajo condiciones controladas, los átomos de potasio
pueden separar las capas de grafito y formar una estructura hexagonal abierta ya
que el grafito intercalado con potasio puede absorber y liberar hidrógeno a una
temperatura de 77K. La separación enrejada que producen los átomos de
hidrógeno entre las capas de grafito se pueden acomodar mejor al tamaño de la
molécula de hidrógeno.
Este mismo razonamiento debería producir un efecto similar en los
nanotubos de carbono de pared simple, además de tener el efecto de aumentar el
71
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
área superficial que tiene un grafito normal. Sin embargo, los nanotubos
generalmente forman estructuras rígidas debido a las interacciones de Van der
Waals, limitando el área superficial. La parte interior de los nanotubos se dopan
con diferentes átomos y grupos de metales encapsulados para habilitarlos para el
almacenamiento de hidrógeno. La absorción física del hidrógeno con los
nanotubos produce un enlace muy débil, y la absorción química produce un enlace
muy fuerte. Por lo tanto, con el dopado, se pretende establecer un enlace
covalente débil donde la donación de un electrón de hidrógeno dope los tubos,
pero que no rompa la unión hidrógeno-hidrógeno.
2.4.5 Almacenamiento subterráneo de hidrógeno gaseoso
Un caso especial de almacenamiento, es el uso de grandes cavidades
subterráneas, similares a las que actualmente se usan para almacenar el gas
natural. El almacenamiento subterráneo de gas es común, y el almacenamiento de
helio, que se difunde más rápidamente que el hidrógeno, se ha realizado de forma
satisfactoria en Texas.
Para almacenamiento subterráneo es necesario una gran cueva o roca
porosa con una capa de cierre impermeable. Una capa de roca saturada con
agua, es un buen ejemplo de capa de cierre. Otras posibilidades son pozos
abandonados de gas natural, o cuevas realizadas por el hombre.
Los dos métodos de almacenamiento subterráneo que son adecuados tanto
para el hidrógeno como para el gas natural son el uso de cavidades usadas con
anterioridad para la minería, y acuíferos vacíos. En el Reino Unido, en Tees
Valley, una colina de sal, bajo una área urbana, se usa para almacenamiento hay
un gaseoducto de distribución de 30 Km.
Al igual que con el gas comprimido almacenado en contenedores, hay que
tener en cuenta el colchón de gas que ocupa el volumen de almacenamiento
subterráneo al final de cada descarga.
72
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Capítulo 3: celdas acumuladoras de
energía
3.1 Definición:
Se llama acumulador eléctrico, o acumulador a un dispositivo
electroquímico que permite almacenar energía por procedimientos químicos
mediante el proceso de carga, y liberarla como energía eléctrica, durante la
descarga, mediante reacciones químicas reversibles, cuando se conecta con un
circuito de consumo externo. Todas las baterías son similares en su construcción y
están formadas por un número de celdas compuestas de electrodos positivos y
negativos, separadores y de electrolitos.
Otro dispositivo similar es la pila, la cual identifica a todos los generadores
de electricidad no recargables, es decir que una vez que se ha terminado el
elemento electrolítico en su interior no hay manera de revertir el proceso. Tanto
batería como pila son términos provenientes de los primeros tiempos de la
electricidad, en los que se apilaban varios elementos o celdas, para el caso de las
pilas o se distribuían lateralmente, que es el caso de las baterías. Pero con el
tiempo el término batería se ha dado a los dispositivos recargables y pila a los no
recargables, aunque comúnmente se utiliza indistintamente el término batería o
pila a ambos dispositivos y al agregar el término recargable o no recargable se
distingue uno de otro.
3.2 Pilas (no recargables):
3.2.1 Pila seca o de zinc carbón
Esta pila es desechable y es de las más conocidas y utilizada, aunque
actualmente rápidamente está siendo reemplazada por las baterías recargables.
Contiene un electrolito de cloruro de amonio, un cátodo de carbono y un ánodo de
zinc. El electrodo negativo es de la forma del recipiente y contiene el resto de los
elementos de la pila, el elemento positivo tiene una forma similar a una varilla de
carbón que se encuentra situada en el centro de la pila, el electrolito está
mezclado con almidón o con harina formando una pasta, y cuando este se seca la
pila deja de funcionar. Alrededor del electrodo de carbón se coloca una capa de
dióxido de manganeso que actúa como despolarizador.
73
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 3.1: esquema de una pila de zinc-carbón
Su funcionamiento está basado en la oxidación del cinc en medio
ligeramente ácido. La cubierta de zinc atrae electrones y se carga negativamente y
el carbón pierde electrones y se carga positivamente, debido a que la reacción
química oxida el zinc tiene una vida útil limitada, sirven para aparatos sencillos y
de poco consumo.
3.2.2 Pilas alcalinas
La diferencia con la pila seca es el electrolito utilizado, en este caso,
hidróxido de potasio, en vez de cloruro de amonio, y el zinc esta en polvo. Son de
larga duración, casi todas están blindadas, lo que dificulta el derramamiento de los
constituyentes. Sin embargo, este blindaje tiene duración limitada.
La capacidad de una pila alcalina es mayor que la de una pila seca o de
zinc carbón de igual tamaño, porque el material ánodo es dióxido de manganeso
más puro y más denso. Una pila alcalina puede proporcionar entre tres y cinco
veces más tiempo de funcionamiento.
La tensión de una pila disminuye de manera constante durante el uso, por
lo que la capacidad total utilizable depende de la tensión de corte de la aplicación.
A diferencia de las pilas secas, la pila alcalina proporciona casi igual capacidad
para uso intermitente o continuo con cargas ligeras. La tensión nominal de una pila
alcalina es de 1.5V pudiendo variar hasta 1.65V esta tensión disminuye al usar la
carga contenida en ella por lo regular una pila descargada tiene un potencial de
entre 0.8 y 0.1V. Además de trabajar en un mayor rango de temperaturas.
74
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
La cantidad de corriente eléctrica que una pila alcalina puede producir es
aproximadamente proporcional a su tamaño físico. Una pila alcalina AA puede
entregar 700mA las pilas más grandes como los tipos c y d pueden entregar más
corriente para aparatos que requieren más consumo de la misma.
Algunas pilas alcalinas están diseñadas para ser recargadas pero la
mayoría no lo son. Los intentos de recarga de una pila que no está diseñada para
ser recargada pueden causar ruptura o filtración de líquidos peligrosos que
provocan corrosión en los equipos.
3.2.3 Pilas de litio
Producen tres veces más energía que las pilas alcalinas, considerando
tamaños equivalentes, esta gran mejora viene dada por su bajo peso atómico 6.9
contra 209 del plomo, poseen un mayor voltaje de alrededor de 3V se utilizan en
relojes, calculadoras, flashes de cámaras fotográficas etc. Tiene menor tasa de
auto descarga, pero una rápida degradación y sensibilidad a las elevadas
temperaturas, que pueden resultar en su destrucción por inflamación o incluso
explosión.
3.2.4 Pilas de monofluoruro de litio-carbón
Estas pilas han sido una de las pilas de litio más exitosas en el mercado,
de larga vida, alta densidad energética, buena adaptación a temperaturas y con un
voltaje de 3.2V. Sin embargo, el costo de monofluoruro de carbono es alto.
3.2.5 Pilas de litio-thionyl
Este tipo de pila provee una de la más alta densidad energética disponible
en el mercado. El cloruro de thonyl no sirve solo como un solvente del electrolito
sino que también como material del cátodo. Su funcionamiento es bueno, ya sea a
temperatura ambiente o hasta -540C, por muy debajo del punto donde sistemas
líquidos dejan de funcionar. Se usa en vehículos militares, vehículos
aeroespaciales, y equipos que necesiten trabajar en condiciones extremas.
3.2.6 Pilas de dióxido de litio-sulfuro
Este tipo de pila ha sido usado de forma extensiva en los sistemas de
energía de emergencia en aviones principalmente. El cátodo consiste en un gas
bajo presión con otro químico como electrodo salino;
75
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
3.2.7 Pilas tipo botón
Son llamadas así las pilas de tamaño reducido de forma chata y redonda.
Son indispensables para audífonos, marcapasos, relojes, calculadoras y aparatos
médicos de precisión.
Figura 3.2: pilas tipo botón
3.2.8 Pilas de óxido de mercurio
Son las más toxicas, contienen un 30% aproximadamente de mercurio.
Deben manipularse con precaución en los hogares, dado que su ingestión
accidental, que es factible por su forma y tamaño, puede resultar letal.
3.2.9 Pilas de óxido de plata
Son de tamaño pequeño usualmente de tipo botón. Contienen 1% de
mercurio aproximadamente por lo que tienen efectos tóxicos sobre el ambiente.
3.3 Baterías acumuladoras (recargables):
3.3.1 Acumuladores de plomo- ácido
Las baterías de plomo acido son uno de los más usados en la actualidad,
en parte debido a su uso en los automóviles, estas baterías contienen
componentes potencialmente contaminantes, lo cual hace necesario establecer
medidas para su manejo adecuado una vez se termine su vida útil.
Cuando la batería está cargada, el electrodo positivo tiene un depósito de
dióxido de plomo y el electrodo negativo de plomo. En la descarga se produce
separación del ácido sulfúrico de manera que el dióxido de plomo y el plomo se
transforman gradualmente en sulfato de plomo. También se forma agua, con lo
cual el electrolito va disminuyendo su densidad y quedando menos ácido, de esta
76
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
manera cuando el acumulador esta descargado, la masa activa de las placas es
en gran parte sulfato de plomo y el electrolito está constituido por una disolución
de ácido sulfúrico, cuya densidad ha disminuido aproximadamente desde
1.28g/cm3 a 1.10g/cm3.
Durante la carga, el paso de la corriente hace que en las placas se
produzca la separación del sulfato de plomo, mientras que en el electrolito se
produce la electrólisis del agua conduciendo la liberación de hidrógeno y oxígeno,
y la disminución de la cantidad de agua, por lo que el sulfato de plomo de la placa
positiva se trasforma en dióxido de plomo y el de la placa negativa en plomo.
Además se forma ácido sulfúrico nuevamente y aumenta la densidad del
electrolito.
3.3.1.1 Componentes de un acumulador de plomo ácido
 Electrolito: Solución diluida de ácido sulfúrico en agua (33.5%
aproximadamente) la cual puede encontrarse en tres estados: líquido, gel o
absorbido.
 Placas o electrodos: Estas se componen de la materia activa y la rejilla. La
materia activa que rellena las rejillas de las placas positivas es dióxido de
plomo, por otro lado la materia activa de las placas negativas es plomo
esponjoso. En estas últimas también se emplean pequeñas cantidades de
sustancias como sulfato de bario y lignina.
 Rejillas: La rejilla es el elemento estructural que soporta la materia activa.
Su construcción es a base de una aleación con algún agente endurecedor,
como el antimonio o el calcio. Otros metales como el arsénico, el estaño, el
selenio y la plata son también utilizados en pequeñas cantidades en las
aleaciones, estas rejillas se fabrican en forma plana o tubular.
 Separadores: Los separadores son elementos de material micro poroso
que se colocan entre las placas de polaridad opuesta para evitar un corto
circuito. Entre los materiales más usados en los separadores tipo hoja se
encuentran, los celulósicos, los de fibra de vidrio y los PVC.
 Carcasa: Es fabricada generalmente de PP y en algunos casos de ebonita
(caucho endurecido); en algunas baterías estacionarias se utiliza el estireno
acrilonitrilo (SAN) que es transparente y permite ver el nivel del electrolito.
En el fondo de la carcasa o caja hay un espacio vacío que actúa como
recolector de materia activa que se desprende de las placas.
 Conectores: Piezas destinadas a conectar eléctricamente los elementos
internos de una batería; están hechos con aleaciones de plomo-antimonio o
plomo-cobre.
77
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación

Terminales: Bornes o postes de la batería a los cuales se conecta el
circuito externo. Generalmente las terminales se fabrican con aleaciones de
plomo.
Tabla 3.1: composición en peso de una batería de plomo ácido
Los acumuladores de plomo tienen numerosas aplicaciones y sus pesos
abarcan, por ejemplo desde 0.3Kg hasta 10,000Kg. Las de mayor consumo en
número son las baterías de autos que pesan alrededor de 18Kg.
Figura 3.3: componentes y estructura interna de los acumuladores de plomo convencionales
3.3.1.2 Manejo de baterías en servicio
Con el tiempo, todas las baterías pierden la capacidad de acumular carga,
ya que con cada descarga se pierde algo de material activo. Sin embargo, la vida
útil de las mismas puede ser prolongada si se las mantiene cargadas, no se
sobrecargan ni descargan en exceso, permanecen en un lugar que no sufre
temperaturas extremas, no son sometidas a cortocircuitos, y se reemplaza el agua
78
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
que pierden. Se considera que una batería llega al fin de su vida útil cuando no
puede entregar el 80% de su capacidad nominal.
La vida de una batería varía considerablemente en función de factores tales
como la composición de las placas; modo de empleo de la misma y profundidad
de las descargas y mantenimiento. Una batería de automóvil puede durar hasta
seis años, no obstante, en la práctica solo el 30% del total llega a ese límite; el
70% restante debe ser reemplazado luego de 6 a 48 meses de uso.
Las baterías deben recargarse inmediatamente después de su utilización.
Si se dejan descargadas, se disminuye la vida útil. Cuando una batería está
completamente cargada, y continua recibiendo una corriente de intensidad
elevada, se producirá un exceso de gases que escapará del electrolito
produciendo un intenso burbujeo o gasificación. El fenómeno es perjudicial no solo
porque se producirá una fuerte corrosión en las rejillas positivas, sino también
porque la pérdida de agua hará que el nivel de electrolito descienda dejando parte
de las placas sin cubrir, con el consiguiente riesgo de cortocircuito debido al
resecamiento y desprendimiento de la materia activa. Por último, la gasificación
excesiva arrastrara parte del electrolito, que será expulsado a través de los
tapones de respiración.
3.3.1.3 Determinación del estado de carga
El valor del voltaje a circuito abierto para una batería no representa una
buena indicación del estado de carga o la vida útil de la misma. Para que esta
medición sea significativa, la lectura debe ser precedida por la carga misma,
seguida de una inactividad de varias horas. La medición de la densidad del
electrolito constituye una evaluación más fiable, pues se mide un grupo de celdas
por separado. Las diferencias relevantes en el valor de la densidad entre un grupo
de celda y los restantes indica el envejecimiento de la misma. Un voltaje que es
importante es el de final de descarga para la batería, este valor está dado por el
fabricante, que es generalmente 10.5V, para una batería de plomo ácido de 12V
trabajando a una temperatura cercana a los 250C.
3.3.1.4 Interacción de la temperatura y la batería
Un problema que suele presentarse cuando la temperatura del electrolito
alcanza los 00C está relacionado con el estado de carga de la batería. Si está
prácticamente descargada, la cantidad de agua en la solución electrolítica es
mayor, al bajar la temperatura del electrolito existe la posibilidad de que el agua
se congele, si esto ocurre, su volumen aumenta. La fuerza de expansión
79
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
distorsiona los electrodos, pudiendo dañar las celdas o quebrar la caja. El ácido
del electrolito actúa como anticongelante, de manera que es importante mantener
la carga de las baterías cuando la temperatura disminuye.
Por otro lado las altas temperaturas también son perjudiciales para las
baterías, pues la mayor actividad química se traduce en una reducción en la vida
útil de una batería como se muestra a continuación.
Tabla 3.2: relación de la temperatura con la batería de plomo ácido
Cuando una batería de plomo ácido esta próxima a alcanzar el 100% de su
carga, la cantidad de agua en el electrolito ha sido reducida considerablemente.
Los iones que ésta provee se hacen más escasos, disminuyendo la posibilidad
para que el ion de hidrógeno y el de oxigeno reaccionen químicamente, si la
corriente de carga continua al mismo nivel, el exceso de gases escapa del
electrolito produciendo un intenso burbujeo, al que se le conoce como gasificación.
3.3.1.5 Clasificación de las baterías de plomo ácido
 Baterías de arranque: Diseñadas especialmente para arrancar los
motores de combustión, son utilizadas en automóviles, camiones,
motos, tractores, embarcaciones, y aeronaves entre otros. Las
baterías de arranque están diseñadas para suministrar gran
intensidad de corriente en pocos segundos y resistir profundidades
de descarga no mayores del 10% o 20%.

Baterías de tracción: Especialmente construidas para suministrar
energía a vehículos eléctricos tales como grúas, montacargas
eléctricos, carros de golf, sillas de rueda, etc. Las baterías de
tracción están diseñadas para suministrar cantidades relativamente
bajas de corriente por largos periodos de tiempo, soportando un
elevado número de ciclos profundos de carga y descarga.
80
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación

Baterías estacionarias o de reserva: Diseñadas para aplicaciones
en
sistemas
de
alimentación
ininterrumpida
(UPS)
y
telecomunicaciones, entre otros. Las baterías estacionarias están
constantemente siendo cargadas para compensar la pérdida de
capacidad por el auto descarga que se lleva a cabo, y están
construidas para resistir descargas profundas esporádicas.
Alternativamente, se pueden clasificar en baterías de arranque y baterías
de ciclo profundo, siendo estas últimas aquellas que están especialmente
diseñadas para soportar un alto número de descargas de hasta un 80%. Según la
tecnología de fabricación empleada, se distinguen:

Batería abierta o ventilada: Las baterías abiertas son las más
convencionales y se caracterizan por tener orificios de acceso a su
interior, con tapones removibles que permiten la verificación del nivel
del electrolito, la eventual reposición del agua pérdida, y que los
gases producidos en su interior puedan escapar. Las baterías
abiertas de plomo calcio son clasificadas como “libre de
mantenimiento” y las de plomo selenio “bajo mantenimiento”.

Batería sellada o regulada por válvula: en esta batería el escape
de los gases producidos por la electrólisis, es controlado
automáticamente por la válvula de presión. Las baterías selladas
emplean placas de plomo calcio y son “libres de mantenimiento”.
Según el estado en que se encuentre el electrolito las baterías
selladas se clasifican en: baterías de gel y baterías de electrolito
absorbido. Las baterías de recombinación son aquellas donde, por
un proceso electroquímico, el oxígeno y el hidrógeno producidos
internamente vuelven a combinarse formando agua para
reincorporarse de nuevo a su celda. Las baterías selladas ofrecen
algunas ventajas sobre las abiertas tales como ausencia de derrame
de electrolito, mínima emisión de gases, bajos requerimientos de
mantenimiento. Sin embargo, también presentan limitaciones como
un menor número de ciclos de vida, la imposibilidad de reponer el
agua perdida en un exceso de sobrecarga, el no poder verificar en
forma confiable el estado de carga, y en algunos casos su mayor
sensibilidad a la temperatura de operación.
81
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
3.3.2 Baterías de níquel cadmio (Ni/Cd)
Están basadas en un sistema formado por hidróxido de níquel, hidróxido de
potasio y cadmio metálico. Poseen ciclos de vida múltiples, presentando la
desventaja de su relativamente baja tensión. Pueden ser recargadas hasta 1000
veces y alcanzan a durar hasta decenas de años. No contiene mercurio, pero el
cadmio, es un metal con características tóxicas. Cada vez se usan menos, debido
a su efecto memoria y al cadmio, muy contaminante. Sin embargo, tienen una
mayor capacidad de corriente de las Ni/MH. Por el mencionado efecto memoria,
deben ser descargadas completamente de vez en cuando para recuperar la carga
total. Son las que se usaban en los primeros móviles.
La tensión media entre bornes del elemento es de 1.2V aproximadamente,
en cuanto a formas y tamaños, en general, se adoptan las normalizadas para las
pilas secas y alcalinas, de forma que pueda existir intercambio entre ambos tipos.
Según el tipo de fabricante las baterías de Ni-Cd pueden descargarse en un
margen comprendido entre -40 y -200C hasta 45 y 600C. La capacidad nominal se
establece a 200C a temperaturas superiores hay un ligero aumento de la
capacidad efectiva menor al 5%, pero a temperatura bajo cero hay una
disminución importante.
3.3.2.1 Carga de la batería
Como norma general la carga de las baterías de Ni-Cd debe realizarse a
intensidad constante, normalmente la intensidad nominal.
La carga a tensión constante no es aconsejable, pues puede dar lugar a
intensidades muy elevadas si los elementos están muy descargados. Durante el
proceso de carga la tensión en bornes de la batería aumenta gradualmente, pero
no hay un cambio brusco al alcanzar la carga completa, de forma que este
parámetro no es útil para controlar el proceso de carga que debe controlarse a
través de la intensidad de la corriente suministrada a la batería y de la duración de
la carga.
La batería no almacena toda la energía eléctrica que recibe por lo que la
cantidad de electricidad suministrada debe ser mayor que la teóricamente
necesaria. Trabajando entre 5 y 250C el factor de carga es de 1.4 es decir que
debe suministrarse una carga que sea un 40% superior a la deseada.
El tiempo de carga puede estimarse con la ecuación:
⁄
Donde C es la capacidad que debe recibir la batería en mAh e I es la
intensidad de carga, si la batería está totalmente descargada, entonces C=C 10,
82
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
pero si la descarga es parcial el valor de C puede estimarse como el producto de
la intensidad media suministrada durante la descarga por el tiempo de duración de
la misma.
3.3.3 Baterías de níquel-hidruro metálico (Ni/MH)
Las primeras pilas recargables de Ni/MH de venta al consumidor para
pequeños usos aparecieron en el mercado en 1989. Son pilas secundarias como
las de níquel-cadmio, pero donde el cadmio ha sido reemplazado por una aleación
metálica capaz de almacenar hidrógeno, que cumple el papel de ánodo. El cátodo
es óxido de níquel y electrolito hidróxido de potasio. La densidad de energía
producida por las pilas de Ni/MH es el doble de la producida por las Ni-Cd, a
voltajes operativos similares, por lo que representan la nueva generación de pilas
recargables que reemplaza a las de Ni-Cd. Aunque son más caras, tienen
aproximadamente un 50% más de energía a igualdad de peso, pero al igual que
estas tienen efecto memoria, aunque menos importante. Se usan en teléfonos
móviles.
Figura 3.4: baterías de Ni-HM
Tiene una vida útil considerablemente baja, aproximadamente 400 a 700
ciclos de carga y descarga. El rendimiento de la batería está relacionado
directamente con la profundidad de los ciclos de descarga, muchas de estas
baterías están hechas con metales como el Titanio, el Zirconio, el Vanadio, el
Níquel y el Cromo, lo que las hace encarecer, también genera más calor mientras
se carga, estas no aceptan una recarga rápida como las de Ni-Cd, el tiempo de
recarga es casi el doble de las de Ni-Cd por lo que la carga de estas baterías debe
ser más cuidadosa.
83
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
3.3.3.1 Carga de las baterías Ni/HM
Hay algunos límites que se deben tomar en cuenta para recargar una
batería, ya que al abusar de la corriente de carga reducimos la vida útil de la
batería. En la mayoría de los casos el límite es 5ª (para baterías de potencia
considerable) y solo en algunos casos puede llegar a 6A. Además de la corriente
de carga es importante la detección del pico delta. El pico delta es el sistema de
detección de fin de carga de la mayoría de los cargadores, y consiste en que
conforme la batería se está cargando aumenta su tensión, y cuando llega al final
de carga la tensión disminuye apreciablemente. En el caso de las de Ni-Cd, una
disminución de 60-90mV es un buen indicador de que la batería está totalmente
cargada. Sin embargo para las de Ni-HM la disminución de la tensión es mucho
más lenta, por lo que los cargadores han de regularse generalmente para una
disminución de entre 30-40mV. Aunque en los cargadores de las Ni-HM es muy
útil el uso de una sonda de temperatura, ya que cuando la batería está cargada la
energía sobrante se transforma en calor, pero se debe tener cuidado ya que una
temperatura ambiente elevada podría dar una falsa recarga.
Tabla 3.3: cargas recomendadas para distintos tipos de Ni-HM
3.3.4 Baterías de zinc-aire
Se las distingue por tener gran cantidad de agujeros diminutos en su
superficie. Tienen mucha capacidad y una vez en funcionamiento su producción
de electricidad es continua. Con una fabricación más barata y capacidades que
pueden superar tres veces las de litio, algunas baterías de zinc- aire funcionan
utilizando el oxígeno almacenado en un cuarto electrodo, mientras la batería
contiene un electrolito y el electrodo de zinc permite que el aire circule dentro de
una caja porosa, produciéndose electricidad. Las baterías de zinc tienen como
principal ventaja la posibilidad de ser recicladas sin límite, sin perder ni sus
cualidades químicas, ni sus cualidades físicas.
84
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Las principales aplicaciones de esta batería se encuentran en prótesis de
oído, aparatos electrónicos portátiles y en el sector automotriz
Figura 3.5: batería de Zinc- aire
En el 2012, la empresa Eos Energy Storage, anuncio el desarrollo de una
batería de zinc-aire preparada para su instalación en autos eléctricos y que
proporcionaría una autonomía de unos 77 kilómetros por cada 10kwh, que podría
lograr unos precios más competitivos que las baterías de litio, al utilizar materiales
más comunes, a lo que se suma la no toxicidad de su reciclado y el elevado
número de ciclos de carga y descarga que pueden alcanzar, ya que según sus
investigadores han logrado alcanzar alrededor de 2000 ciclos.
Gracias a su mayor densidad energética, una batería de estas
características podría almacenar unos 60kwh de capacidad, lo que proporcionaría
a un modelo como el Nissan leaf una autonomía de más de 450 kilómetros con
cada carga, y con un precio por debajo de los 10,000 euros similar al de las
actuales baterías.
Según los responsables de Eos, la batería está completamente desarrollada
y ahora solamente falta la financiación para llevarla a un nivel de producción
suficientemente elevado para lograr precios competitivos.
Figura 3.6: acumulador de Zinc-aire
85
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
3.3.5 Baterías de litio
Durante muchos años la batería de Ni-Cd fue la principal tecnología para
aplicaciones portátiles como teléfonos móviles, ordenadores, aeromodelos, etc. A
finales de la década de los 80 aparecieron las baterías de Ni-MH y las de ion- litio,
ofreciendo mayores capacidades y menores pesos. Ambas tecnologías lucharon
por la superioridad de una sobre la otra, pero sin duda la ganadora ha sido las de
ion-litio.
El litio es metal más ligero que existe, ya que al tener únicamente tres
protones, su peso atómico es muy bajo, de ahí su potencial químico para crear
baterías de gran capacidad y poco peso.
Grafica 3.1: capacidad de almacenamiento de energía de distintas baterías
Los primeros intentos de crear una batería de litio metálico fallaron debido a
problemas de seguridad, consecuencia de la inestabilidad del litio, especialmente
durante su carga, así que los investigadores decidieron utilizar una forma química
del litio que no fuera metálico para mejorar la seguridad en las baterías. Y en 1991
la compañía Sony comercializó la primera batería de Ion-Litio y después otros
fabricantes le siguieron.
86
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
3.3.5.1 Características de las baterías de litio
La densidad de energía de una batería de la familia del litio es
aproximadamente más del doble que una batería de Ni-Cd, el voltaje de una
batería de litio está entre los 3.3 y 3.7 V, lo que permite diseñar baterías de única
celda que tienen aplicaciones en teléfonos móviles, mientras que con una de NiCd sería necesario utilizar tres células conectadas en serie.
Este tipo de baterías no requiere mantenimiento, aunque si necesita de
cuidados especiales en la carga y descarga, no tiene efecto memoria y no es
necesario realizar un reciclado cada cierto número de cargas. Sin embargo su
estructura es frágil y requiere de un circuito de seguridad, ya que necesita de un
circuito que limite el voltaje mínimo de cada célula durante la descarga y un voltaje
máximo durante la carga. El factor de carga oscila entre 1C o 2C.
El envejecimiento de las baterías de litio es un tema poco tocado pues ya
que las capacidades químicas de una batería se degradan notablemente en un
año de uso continuo o regular. Aunque constantemente se mejoran sus cualidades
y capacidades ante la degradación química.
3.3.5.2 Baterías de ion-litio
En las baterías de ion-litio el ánodo no está formado por litio metálico sino
por otro material más seguro, como el grafito, capaz de intercalar iones de litio en
una forma menos reactiva, sin que sufra una relativa caída de su densidad
energética. Durante toda la descarga el voltaje de la batería apenas varía, por lo
que los sistemas que detectan el fin de carga deben ser lo suficiente sensibles
para detectar los pequeños cambios de voltaje que la anuncian.
Tienen una baja tasa de autodescarga, cuando se almacena una batería,
esta se descarga aunque no la usemos, en el caso de las baterías de Ni-Cd esta
autodescarga es de alrededor de un 20% mensual, mientras que las de iones de
litio es de 6%.
Una dificultad es la pasivación que consiste en la formación de una película
de cloruro de litio en la superficie del ánodo, de algún modo sirve para evitar la
autodescarga, así esta delgada película hace de resistencia, sin embargo también
produce una disminución de voltaje, conforme la batería es utilizada esta fina
película va desapareciendo, pero si se requiere una descarga profunda
momentánea esta película puede hacer que por ejemplo se apague una cámara,
eso dependerá de la potencia requerida en el momento en que se formó la
película.
87
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
3.3.5.3 Ciclo de carga y descarga
Cuando la batería esta descargada los iones de litio se encuentran en el
cátodo, al cargar la batería y fluir la corriente en sentido contrario, los iones de litio
van desplazándose hacia el ánodo y la batería se carga, una vez que se encuentra
cargada los iones de litio se encuentran en el ánodo y la cantidad de energía
almacenada está en su punto máximo. Una vez cargada la batería se le puede
conectar una carga, ahora los iones de litio van desplazándose del ánodo al
cátodo cediendo electrones y la cantidad de energía acumulada va disminuyendo
hasta llegar a su punto mínimo cuando los iones de litio nuevamente se
encuentran en el cátodo.
Figura 3.6: esquema del ciclo de carga y descarga de una batería de iones de litio
3.3.6 Baterías de polímero de litio (LiPo)
La batería de polímero de litio también conocida como LiPo, se diferencia
del resto de las baterías por el electrolito usado. El diseño original data de los años
70 usando un polímero sólido como electrolito, este electrolito se ensamblaba en
un recipiente plástico que no conducía la electricidad, y que impedía el paso de los
electrones. El polímero sólido ofrece ventajas de fabricación, permitiendo alcanzar
grosores de 1 milímetro, lo que permite crear baterías con el espesor de una
tarjeta de crédito.
88
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Desafortunadamente el polímero sólido sufre de baja conductividad debido
a la alta resistencia interna, por lo que no ofrece la suficiente capacidad de
descarga, además de aumentar su temperatura hasta cerca de 60 0C, lo que la
hace viable para ciertas aplicaciones que no demanden una densidad de energía
alta.
Las celdas de polímero de litio, utilizan una bolsa flexible de aluminio en
lugar de fundas rígidas, esto conlleva a un ahorro considerable en el peso y el
tamaño que demanda una celda, alrededor de un 20% más ligero que las
cilíndricas.
3.3.7 Baterías de ion de litio con cátodo LiCoO2
Las baterías de ion de litio con cátodo de LiCoO 2 (litio- óxido de cobalto),
son comunes en la electrónica de consumo. Se trata de uno de los tipos más
populares de baterías recargables para dispositivos electrónicos portátiles, como
la mejor relación peso- energía, sin efecto memoria y una lenta pérdida de la carga
cuando no están en uso.
Están creciendo en popularidad para usos militares, vehículos
aeroespaciales y distintas aplicaciones debido a su alta densidad energética.
Las investigaciones están introduciendo mejoras en la densidad energética,
durabilidad, costo y seguridad de estas baterías. Este tipo de batería posee la
mayor densidad energética, pero por el contrario poseen una de las capacidades
de descarga más bajas, razón por la cual suelen encontrarse en la mayoría de los
aparatos electrónicos que no exigen bruscas descargas de corriente, como es el
caso de portátiles, móviles, etc.
Figura 3.7: batería de iones de litio de un ordenador portátil
89
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
3.3.8 Baterías de ion de litio con cátodo de LiFePo4
Las baterías de ion de litio con cátodo de LiFePO 4, son una variación de las
de cátodo LiCoO2. Son normalmente conocidas por las siglas “LIFE”.
El fosfato de hierro litio (LiFePO4), posee un bajo costo, no es toxico, tiene
una alta abundancia de hierro, una excelente estabilidad térmica, buenas
características de seguridad y un rendimiento electroquímico bueno. La mejora de
su conductividad respecto a la de ion de litio con cátodo de LiCoO 2 se debe a la
presencia de nanotubos de carbono. Este tipo de baterías son utilizadas en
productos industriales por empresas como: Black and Decker`s, DeWalt, General
Motors, Chevrolet Volt, Daimler, Cessna and BAE Systems, etc.
Una ventaja es su mejor estabilidad química y térmica, la cual ofrece
mejores características de seguridad que el resto de baterías de litio. Comparando
la batería de LiFePO4 con la de LiCoO2 se aprecia que a partir de un año la
densidad energética en una batería de LiCoO2 será aproximadamente la misma
que una de LiFePO4 pero a los dos años la densidad energética de una de LiCoO2
será inferior que una de LiFePO4, debido a una mayor vida útil por parte de la
batería de LiFePO4, además de contar con mayor capacidad en la descarga.
Tabla 3.4: comparativa de diferentes tipos de baterías
90
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
La química del fosfato de hierro ofrece el ciclo de vida más largo de las
demás baterías mencionadas de iones de litio.
3.3.9 Avances tecnológicos de las baterías de litio
En abril del 2013 en la página de ABC tecnología apareció un artículo sobre
unas baterías de litio llamadas micro baterías llamadas así por los investigadores
de la universidad de Illinois estas baterías de iones de litio capaces de almacenar
30 veces más energía en una batería de igual tamaño además de poderse cargar
en mucho menor tiempo.
El director de la investigación William P. King dice que esta tecnología que
tiene un enorme rendimiento ya que el almacenamiento de energía en la
actualidad exige elegir entre la alta potencia (muchos watts que se descargan
rápidamente, como el flash de una cámara), o alta densidad de energía que se
traduzca en la capacidad de entregar determinada potencia durante un buen
tiempo como la batería de los Smartphone. Pero la batería desarrollada por el
equipo de la universidad de Illinois según ofrece ambos casos en una sola batería.
Sin embargo aún está en el laboratorio ya que no se ha encontrado la manera de
fabricarla de una manera económica, además de no dar detalles sobre su
funcionamiento y que materiales emplean, aunque si menciona que todas estas
cualidades se han conseguido al fabricar con ánodos y cátodos tridimensionales
porosos.
Por otro lado en la página de ETH Life el equipo de Maksym Kovalenko, del
laboratorio de química inorgánica en el Instituto Federal Suizo de Tecnología de
Zúrich, y de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de los
Materiales (EMPA) ha desarrollado un nano material que permite que se pueda
almacenar mucha más energía en las baterías de ion de litio.
El nuevo nanomaterial está compuesto por diminutos cristales de estaño
que se despliegan en el polo negativo de las baterías (ánodo). Al cargar las
baterías, los iones de litio son absorbidos en este electrodo, y durante la descarga
se liberan de nuevo. Cuanto mayor sea la cantidad de iones de litio que los
electrodos puedan absorber y liberar, más energía podrá almacenarse en ella.
El estaño según las investigaciones es el elemento ideal para ello, ya que
según afirman, cada átomo de estaño puede absorber por lo menos cuatro iones
de litio. Sin embargo, el desafío es lidiar con el cambio de volumen de los
electrodos de estaño, los cristales de estaño se vuelven tres veces más grandes si
absorben muchos iones de litio y se encogen cuando los liberan.
91
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
A fin de afrontar el desafío, los científicos recurrieron a la nanotecnología,
produjeron nanocristales de estaño mucho más diminutos, y agregaron una gran
cantidad de ellos a una matriz de carbono permeable, porosa y conductora. De un
modo que, en concepto, es muy similar a como una esponja puede absorber el
agua, y liberarla de nuevo, un electrodo construido de esta manera absorbe los
iones de litio mientras se carga, y los libera al descargarse. Por ahora los
científicos estudian para mejorar la matriz de carbono y en un electrolito óptimo y
estable en el cual los iones puedan viajar en el ciclo de carga y descarga. Por
último los costos de producción son también un problema, que los investigadores
están tratando de reducir.
Figura 3.8: nanogotas de estaño vistas mediante un microscopio electrónico
92
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Capítulo 4: Aplicaciones actuales de las
celdas de combustible
Las celdas de combustible pueden suministrar energía y además se pueden
distribuir de diferentes maneras para cumplir con la demanda de energía en la que
sea requerida, por lo que se usan desde aplicaciones portátiles, de pequeña
capacidad, uso militar, celulares ,computadoras portátiles,
hasta sistemas
estacionarios como residenciales, en antenas de comunicaciones etc. Sin
embargo, en algunas aplicaciones solo hay prototipos. En este capítulo se
expondrán las aplicaciones actuales de las celdas de combustible de hidrógeno,
aunque ya se han expuesto algunas, esta información se complementa con
algunas de las aplicaciones más recientes.
4.1 Aplicaciones portátiles
Según fuel cell today, las celdas de combustible portátiles se definen como
aquellas que son fáciles de movilizar de un lugar a otro, sin pesar demasiado,
estos incluyen aplicaciones militares(celdas de combustible militares,
electrolizadores portátiles, etc.) unidades de potencia auxiliar (APU), de pequeño
tamaño, pequeños dispositivos electrónicos personales (reproductores
mp3,cámaras, etc.), o de mediano tamaño como computadoras portátiles,
impresoras, radios, etc., kit de educación y juguetes.
Para esta gama de productos de alimentación de celdas de combustible, se
están desarrollando en una variedad de tamaños que van desde menos de 5W
hasta 500KW. Las celdas de combustible se definen como micropila para
unidades de potencia menor de 5W, su uso está diseñado a dispositivos de poco
consumo como lo son las cámaras o celulares que utilizan alrededor de 3W,
mientras que una computadora portátil puede utilizar hasta 25W y requieren una
pila de combustible con mayor densidad de energía.
Las principales características de uso de celdas de combustible en
aplicaciones portátiles son las siguientes:





Operación fuera de la red
Tiempos de funcionamiento más largos en comparación con las
baterías
Recarga rápida
Reducción de peso significativo
Confiabilidad y desempeño
93
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 4.1: computadora portátil con celda de combustible
La compañía horizonfuel Cell se especializa celdas de combustible
portátiles y tiene la llamada miniPAK para la recarga de electrónicos. La unidad se
puede adquirir por internet a un precio de 100 dólares e incluye dos cartuchos de
repuesto. Es un dispositivo que cabe en la palma de la mano, proporciona energía
que puede ser utilizada para recargar baterías con una potencia de 2W de
potencia, a través de una entrada USB. Está compuesto por una celda de
combustible de respiración pasiva y unidad de almacenamiento de hidrógeno de
estado sólido. La celda de combustibles es del tipo PEM en conjunto con un
tanque de almacenamiento que permite almacenarlo como hidruro metálico.
El cartucho se inserta en la celda de combustible para proporcionar el
hidrógeno, necesario para la reacción y el oxígeno lo obtiene del ambiente. La
ventaja de utilizar este sistema de almacenamiento, es que no se necesitan altas
presiones, en cambio se consigue una buena densidad de energía. Aunque no es
un tamaño aceptable para utilizarse por completo en un celular, o dispositivos
similares, es de gran ayuda si no se cuenta con alimentación de electricidad.
Además, se compensa con su peso liviano. Sin embargo su principal desventaja
es que para recargar el cartucho se necesita hidrógeno y no es fácil de conseguir.
Figura 4.2: celda de combustible portátil de Horizon fuell Technologies
94
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
También vende equipos didácticos con celdas tipo PEM y autos de control
remoto impulsados por celdas de combustible, otro proveedor de celdas portátiles
es Ariema, quien también cuenta con equipos didácticos.
Figura 4.3: kit educativo, catalogo Ariema
4.2 Aplicaciones estacionarias
Las celdas de combustible estacionarias son unidades que pueden
proporcionar energía pero que no fueron diseñadas para estar en movimiento
constante, ya que por lo regular son más robustas y pesadas que las de uso
portátil. Estos incluyen la producción combinada de calor y energía (CHP),
sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) y unidades de energía primaria
entre otros.
Las unidades CHP son de tamaño entre 0.5KW y 10KW, y las más
utilizadas son la tecnología PEM o SOFC al generar calor además de la
electricidad. Este calor puede ser utilizado para calentar agua por ejemplo lo cual
aumenta su eficiencia global. Las celdas de combustible en unidades residenciales
se han desplegado extensivamente principalmente en Japón con más de 10,000
unidades acumuladas a finales de 2010 proporcionando energía y calefacción, sin
embargo, su compra todavía depende de los subsidios del gobierno.
Los sistemas UPS proporcionan suministro de energía cuando hay
interrupción de la red, y el mercado para esta tecnología se puede dividir en cinco
subsectores


Sistemas de tiempo de ejecución cortos fuera de línea para la
estaciones de telecomunicaciones
Sistemas de tiempo de ejecución de tiempo extendido para las bases
de estación de comunicación crítica.
95
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Sistemas off-line extendido adaptado en sistemas para centros de
datos
 Sistemas off-line para uso residencial
Las unidades de gran tamaño estacionarias se refieren a unidades que
pueden entregar varios megawatts. Estas unidades están siendo desarrolladas
para reemplazar la red eléctrica donde hay poca accesibilidad del suministro y
poca infraestructura de red. La fabricación de estas unidades está dominada por
Estados Unidos y Japón.

Figura 4.4: sistema CHP residencial
Las celdas de combustible tipo micro CHP producen electricidad y calor y
se puede alimentar además de hidrógeno con gas natural, aunque se logra mayor
eficiencia con hidrógeno, estas unidades tienen una eficiencia del 45%.
En Japón en 2009 Panasonic lanzó al mercado unidades similares y en los
últimos tres años más de 20,000 unidades han sido instaladas en los hogares con
subsidios. Hay tres principales fabricantes de este sistema: Panasonic, Toshiba y
JX Nippon Oíl &Energy. La última versión ofrecida por Panasonic la Tokio Gas
tiene una potencia nominal de entre 1KW y 0.7KW y cuenta con un aumento del
3% en eficiencia además de utilizar 49% menos espacio por lo que se tiene un
20% de reducción de costo por unidad.
96
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 4.5: CHP residencial de Panasonic
4.2.1 Fuente ininterrumpida de energía
En 2011 cuando el huracán Irene golpeo estados unidos, sistemas de
respaldo de energía se pusieron en acción, ya que algunas consecuencias de este
fenómeno natural, tales como cables de luz inutilizables, y cortes en el suministro
eléctrico por periodos prolongados, hicieron que 45 de estos sistemas ayudaran a
energizar partes importantes como las estaciones de comunicación.
La rápida expansión de redes celulares también exige un constante y
confiable suministro de energía, por lo que la tecnología de energía de emergencia
tiene un impacto directo sobre las estaciones de comunicación.
Los generadores y baterías tradicionales tienen la desventajas de
mantenimiento, ruido, contaminación, el tamaño en comparación con la densidad
de energía, dificultades de monitoreo remoto, y decaimiento bajo condiciones
extremas. Esto ha provocado interés en la tecnología de celdas de combustible
para esta aplicación, y unidades de respaldo de energía de celdas de combustible
se instalan en diferentes países para estos propósitos.
97
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Algunos beneficios que aporta esta aplicación son:





Una operación continua, siempre y cuando exista suministro de
combustible.
Un mayor rango de temperaturas en la cual puede operar la celda de
combustible.
Tienen menos partes móviles y esto se traduce en menor
mantenimiento.
Los sistemas se pueden operar y controlar remotamente
Mínimo ruido, y la contaminación que producen es mínima o nula en
el caso de utilizar hidrógeno puro.
Figura 4.6: antena de comunicación con celda de combustible
4.2.2 Generación de electricidad con celdas de combustible
En cuanto a generadores de mayor potencia de electricidad existen
proyectos sobre todo en el campo de la energía eólica ya que se piensa en
sistemas híbridos por así decirlo para la generación de electricidad de consumo
por la red eléctrica. Geoffrey Ballard el fundador de Ballard Power System, acuño
el término “hydrecticidad”, para descubrir un nuevo sistema energético en el que
el hidrógeno y la electricidad se utilizan indistintamente como portadores de
energía intercambiables, ya que los excedentes de electricidad pueden usarse
para electrolizar agua en sus constituyentes H2 y O2 y almacenarse para
posteriormente regresar energía eléctrica cuando sea necesario.
98
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 4.7: esquema de obtención de hidrógeno de la red eléctrica
Por ejemplo según explica Michel Burns, jefe tecnico de la planta de
energía heolica de Oak Creek en tehachapi California, en E.U. “ en nuestro
contrato tenemos un limite de 34MW, cada vez que montamos un molino nuevo,
tenemos que cerrar muchos de los antiguos por que no podemos sobrepasar esos
limites, asi que casi todos los antiguos estan apagados aunque no haya terminado
su vida util” por lo que parece viable aprobechar la energía excedente en
electrolizadores para el almacenamiento de hidrógeno.
Figura 4.8: Parque eólico en california EU
99
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Un ejemplo de una solución real es el proyecto RESH2H2 que integra un
sistema de celdas de combustible en conjunto con un electrolizador, es la
integración de 4 proyectos europeos en uno solo se hace en dos lugares, en
Grecia y en España. El de Grecia con un aerogenerador de 500KW, un
electrolizador de 25KW y un tanque de almacenamiento de hidruros metálicos de
50Nm3 de H2 comprimido a 200bar.
Figura 4.9: Esquema de funcionamiento de electrolizador en Grecia
En España, un aerogenerador de 450kW, un sistema de osmosis inversa de
40kW, un electrolizador de 100kW, hidrógeno comprimido, oxígeno comprimido,
una pila de combustible PEM de 40kW.
Figura 4.9: Esquema de funcionamiento de electrolizador en España
100
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 4.10: Proyecto RES2H2: islas canarias y griegas
En Corea del Sur la RPS (Renewable Portfolio Standard) llego al acuerdo
de 350MW de capacidad de energía renovable que se incrementara por año a
partir del 2012 y hasta el 2016, después de este año, un incremento de 700MW
por año hasta el 2022. El gobierno coreano ha dado a la tecnología de celdas de
combustible la más alta prioridad en cuanto a la generación de energía renovable.
Esto ha dado interés a grandes empresas de energía involucradas con las celdas
de combustible de gran tamaño. La empresa coreana POSCO Energy suministra
sistemas de MCFC y ya ha instalado más de 40MW de capacidad en celdas de
combustible en Corea del Sur. Está en proceso de construcción una central
eléctrica de 60MW de celdas de combustible en la ciudad de Hwaseong que
ayudara a satisfacer la demanda de la RPS. POSCO importa tecnología MCFC de
Fuel Cell Energy, de los E.U. para completar la integración de las celdas de
combustible. El gobierno metropolitano de Seúl anuncio en mayo de 2012 que se
van a construir 29 plantas de energía de celdas de combustible para 2014, para
proporcionar un total de 230MW.
Otro ejemplo de planta de energía hibridas eólica - hidrógeno, es la que se
encuentra en Prenzlau, Alemania y abrió el 25 de octubre de 2011, es sobre un
parque eólico de 6MW. Durante los periodos de exceso de viento, las plantas de
energía eólica generan hidrógeno libre de dióxido de carbono a través de una
serie de electrolizadores. Esta energía almacenada, puede regresarse a la red
cuando hay poco viento.
101
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
MYRTE (“Mission hYdrogen Renewable for the inTegration on the Electrical
grid”) en Francia se encuentra en la isla francesa de Córcega, en el Mediterráneo,
y combina la energía solar con electrolizadores, almacenamiento de hidrógeno y
celdas de combustible. Es una planta de energía fotovoltaica de 560 kW que está
Figura 4.11: Esquema de la plataforma MYRTE
Conectada a la red de Córcega desde diciembre de 2011. El sistema puede
proporcionar electricidad durante el día, pero utilizando los electrolizadores, el
exceso de electricidad cuando es el caso, se puede almacenar en tanques y
devolverlo en forma de electricidad cuando se requiera gracias a la celda de
combustible. El objetivo principal en este proyecto fue probar el concepto así que
hay planes para desarrollar una segunda fase para 2013. Esto se verá en la
inclusión de un sistema integrado por electrolizadores, el combustible, las celdas
de combustible, almacenamiento y sistemas de gestión del calor dentro de un
contenedor estándar.
4.2.3 Convirtiendo desechos en energía
Los residuos o desechos principalmente la basura contiene grandes
cantidades de energía, si pudiéramos aprovechar esa energía cerca de donde se
generan estos desechos y regresarla a la población, habría una disminución en el
transporte de la misma. El biogás es ampliamente producido a partir de residuos
urbanos procesados utilizando digestores anaeróbicos y generalmente se quema.
El uso del biogás en una celda de combustible es la forma más eficiente de
convertir la energía contenida en los desechos orgánicos. Aunque se emite dióxido
de carbono el biogás es una fuente de energía renovable y por lo tanto el dióxido
de carbono producido se podría considerar neutro. Por lo regular los centros de
tratamiento de desechos se encuentran cerca de la ciudad además que las celdas
102
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
de combustible funcionan de manera silenciosa y limpia (en caso de utilizar solo
hidrogeno).
El biogás puede ser convertido directamente en electricidad utilizando las
celdas de combustible de alta temperatura o transformándolo en hidrógeno para
su posterior utilización en una celda de combustible.
En este caso las celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC) son
la tecnología preferida para la electricidad y la generación de calor a partir de
desechos orgánicos, ya que las MCFC funcionan a altas temperaturas, alrededor
de 6500C. La temperatura ayuda a impulsar la reacción química y esto elimina la
opción de envenenamiento de los electrodos debido al uso del metano, las celdas
MCFC pueden operar sin la necesidad de reformador externo.
Una aplicación actual de esta tecnología se encuentra en el Distrito de
Orange Cunty (OCSD) que se dedica al tratamiento de aguas residuales de las
zonas costeras de Orange, California. En 2011 se inició un proyecto de conversión
de residuos en energía en colaboración con Air Products y Fuel cell Energy, los
líderes en este mercado y que ha vendido sistemas basados en MCFC a un gran
número de clientes, que se utiliza con gas de un digestor anaeróbico (ADG) y
produce electricidad, calor e hidrógeno en lo que se denomina “trigeneracion”. La
celda de combustible ofrece 250kW de potencia para uso en la planta de
tratamiento además de suministrar hidrógeno a una estación de recarga de Air
Productos, compañía que es líder en el mercado del hidrógeno ya que cuenta con
más de 10 estaciones de hidrógeno que operan en el estado de California.
Figura 4.12: planta de tratamiento de aguas residuales con un generador de celdas de combustible
103
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
En esta instalación, el calor producido por la reacción de la celda de
combustible, es realimentado para el reformador de gas, por lo que se produce un
exceso de hidrógeno, que se desvía a la venta en la estación de hidrógeno que se
menciona anteriormente.
Otro ejemplo es la utilización del hidrógeno que se desecha en algunos
procesos tales como la producción de sosa caustica y cloro. El uso de grandes
cantidades de electricidad que contribuyen significativamente en los costos de
producción de hasta el 70% en algunos casos. Cuando se produce hidrógeno
como desecho se quema o es ventilado a la atmosfera. Las celdas de combustible
ofrecen un método de reutilizar el hidrógeno desechado para producir electricidad,
compensando un porcentaje de la electricidad utilizada en el proceso de
producción.
Un ejemplo de esta aplicación se encuentra en Alemania, en la planta
AkzoNobel en Bitterfeld que produce 40kW. Es una celda de combustible AFC
esta tecnología se centra en industrias con residuos de hidrógeno donde la
infraestructura ya está en el lugar, por lo que la compañía química AkzonNobel
encaja muy bien al desechar hidrógeno en su proceso.
AFC Energy ha trabajado con AkzoNobel durante dos años de desarrollo de
celdas de combustible alcalina de uso industrial con el hidrógeno que desecha. El
primer sistema instalado en 2009, fue una celda de combustible de 3.5kW y la
finalidad fue poner a prueba los métodos de instalación e integración de sistemas.
Gracias a los resultados obtenidos se llevó a cabo la instalación de una celda de
combustible de 40kW, el sistema Beta en 2011.
En enero de 2012 AFC Energy anunció que el sistema Beta había estado
produciendo con éxito la energía eléctrica en el cloro-alcali instalado a finales de
2011, alimentada con hidrógeno de desecho en la producción de cloro.
Este es el primer sitio de referencia comercial para la demostración del
sistema Beta de la AFC aunque aún sigue en estudio sobre todo en los electrodos
que fueron fabricados como prueba piloto en el Reino Unido.
Otro ejemplo se encuentra en Amberes, Bélgica en la planta Solvay.
NedStack es uno de los mayores fabricantes de PEMFC de Europa y se estableció
en 1998 como una spin-off de AkzoNobel, pero ahora es una empresa privada e
independiente.
La mayoría de los negocios de NedStack proviene de la venta de celdas
integradas en sistemas, pero recientemente esta empresa entro en el campo del
104
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
cloro-alcali con su propio nombre. En septiembre de 2011 se instaló la unidad de
PEMFC de NedStack en Amberes planta de cloro-alcali y genera hasta un 20% de
la electricidad utilizada en la instalación. La unidad también genera calor, que se
reutiliza en el proceso permitiendo ahorro en los costos finales.
Desde su instalación ha estado funcionando a un 99% de su capacidad con
una eficiencia del 50%. Si se incluye el calor reutilizado se llega a una eficiencia
de 80%.
Figura 4.13: Celda de combustible que trabaja con hidrógeno de desecho
4.3 Aplicaciones en el transporte
Figura 4.14: aplicación de Celda de combustible en autobús
105
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
La celda de combustible para el transporte proporciona energía para el
movimiento de un vehículo o medio de transporte y esto incluye las siguientes
aplicaciones
Carretillas elevadoras y otros productos de manejo de vehículos,
como camiones de equipaje en aeropuertos, etc.
 Vehículos de dos o tres ruedas como scooters.
 Vehículos ligeros (LVDs), tales como autos y camionetas.
 Autobuses y camiones.
 Trenes y Tranvías.
 Avioneta tripulada.
 Vehículos aéreos no tripulados (UAVs) y submarinos no tripulados
(UUVs), por ejemplo para el reconocimiento.
El uso de celdas de combustible en el transporte ha sido la mayor
aplicación para esta, ya que desde que se utilizó para viajar al espacio, ha venido
evolucionando, enfocado principalmente en el transporte.

Los principales productores de tecnología de celdas de combustible para el
transporte son Japón, Alemania, Estados unidos, que cuentan con una
infraestructura de recarga de hidrógeno y luego se pretende que se extienda hacia
el exterior, la mayoría de compañías fabricantes de coches ha probado o
desarrollado al menos un prototipo movido por celdas de combustible, y otras ya
tienen varias generaciones de estos vehículos, Algunas compañías trabajan en el
desarrollo de sus propias tecnologías como lo es General Motors, Toyota, Honda.
Mientras otras como DaimlerChysler, Ford, Nissan, Mazda, Hyundai, compran los
sistemas de celdas a fabricantes como Ballard, UTC fuel Cell, y DeNora entre
otros.
El sector de autobuses está mostrando crecimiento año tras año, con
prototipos más avanzados. Las implementaciones exitosas han tenido lugar en
Europa, Japón, Canadá y los Estados Unidos, pero el alto costo de capital sigue
siendo un obstáculo para su introducción en el mercado. Sin embargo, se espera
que pronto después de 2014 los precios de autobuses de celda de combustible
sean similares a la de un autobús hibrido de diésel. La mayoría de los esfuerzos
se centra en el transporte terrestre, vehículos como autos ligeros, camionetas,
autobuses, en los que se destaca la tecnología PEM. Los vehículos aéreos no
tripulados, bicicletas y trenes entre otros están todavía en desarrollo con
implementaciones limitadas hasta la fecha.
106
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Según la Agencia Internacional de la Energía en la siguiente figura muestra
el panorama que se espera para el año 2050, donde se ve una tendencia hacia los
vehículos de celda de combustible y cómo se comportan las diferentes tecnologías
aplicadas a este, además de una disminución de la tecnología que utiliza recursos
no renovables.
Grafica 4.1: tendencia del crecimiento de los autos de Celda de combustible
Hyundai es el primer fabricante de automóviles en el mundo que inicia la
producción en serie de vehículos impulsados con celdas de combustible el ix35
FCEV salió de la línea de montaje convirtiendo a Hyundai motor company en el
primer fabricante en sacar al mercado el auto de celdas de combustible con estas
características.
El ix35 salió de la línea de montaje de la planta N0 5 de Hyundai Motor a
principios de este año (2013) este es uno de los 17 autos que serán destinado a
clientes en la ciudad de Copenhague, Dinamarca y Skane, Suecia, como parte de
su iniciativa para ser ciudad libre de carbono en 2025.
Este auto fue fabricado en la ciudad de Uslan, Corea en donde se planean
producir 1,000 autos ix35 para el 2015, después de este año se pretende una
reducción de los costos de producción de vehículos y una infraestructura más
desarrollada de hidrógeno, entonces será que Hyundai comenzará a fabricar
107
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
vehículos de celda de combustible de hidrógeno para la venta directa en
concesionarios.
En enero de 2013, el ix35 FCEV ganó el premio de futurauto en el salón del
automóvil de Bruselas, celebrando su innovación técnica.
Figura 4.15: Honda ix35
Cuenta con un tanque de alta presión que contiene 12.3 libras de
hidrógeno, que alimenta una celda de combustible, la cual produce electricidad
que es utilizada para mover el motor eléctrico con una potencia de 134hp, tiene
una velocidad máxima de 99mph y una autonomía de alrededor de 400 millas por
tanque.
Una de los adelantos tecnológicos en este vehículo está en las placas de la
celda de combustible las cuales fueron cambiadas de grafito a metal, reduciendo
el costo y la complejidad de la pila. En los motores de inducción se utilizan imanes
permanentes esto significa una ligera disminución en la eficiencia pero grandes
ahorros en costos, además cambio las baterías de litio- polímero por
supercondensadores más baratos. Este auto es el producto de 14 años y varios
cientos de millones de euros de investigación, cientos de ingenieros de I+D de
celdas de combustible de Hyundai en Mabuk, Corea. Se han realizado más de 2
108
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
millones de kilómetros de test en condiciones reales en Europa, Corea y Estados
Unidos. Este modelo tiene un precio de 140,000 €.
Figura 4.13: Celda de combustible que trabaja con hidrógeno de desecho
En Taiwán se hicieron pruebas en motocicletas impulsadas por celdas de
combustible en 2012 el Ministerio de Economía (MOEA) anuncio sus estándares
de seguridad y confiabilidad para motocicletas impulsadas por combustible de
hidrógeno, el cual produce electricidad, calor, agua y cero emisiones de dióxido de
carbono.
Alrededor de 30 motocicletas de celdas de combustible de hidrógeno han
completado una prueba de carretera de 120,000 kilómetros en áreas urbanas,
montañosas y costeras, informo el rector de la Universidad Nacional de Ciencia y
Tecnología de Taiwán, Chen Shi-Shuenn.
Estas motocicletas emplean tanques a baja presión, que son más seguros
que las versiones de alta presión. Para hacer el hidrógeno en ellos más estable, el
fabricante usa catalizadores recientemente desarrollados. Los fabricantes de este
tipo de motocicletas esperan incorporar a las tiendas esta tecnología de celdas de
combustible, los tanques de almacenamiento pesan aproximadamente 4.4kilos
cada uno, la velocidad máxima que alcanzan es de 70km por hora. Y con dos
109
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
tanques llenos puede llegar a cubrir hasta 50km. Los consumidores pueden
comprar 90 gramos de hidrógeno, con lo que se llenan los dos tanques por menos
de un dólar estadounidense.
Por cada 3.33 dólares estadounidenses, una motocicleta regular puede
correr unos 100 kilómetros, una de baterías de litio de 150 a 170 km y una de
celdas de combustible puede llegar a los 260 kilómetros.
Si bien ahora los precios son elevados, se espera que si para el 2015 se
han vendido 100,000 de estas motocicletas se podrán vender en 2,300 dólares
estadounidenses. Los fabricantes de Taiwán se enfocan en los mercados de la
parte sudoriental de china continental y el sudeste asiático, donde mayor cantidad
de personas se desplaza en motocicleta.
Figura 4.16: motocicleta impulsada por Celda de combustible
Con respecto a la aeronáutica no hay mucho aunque se destacan dos, el
proyecto helios de la nasa .Este avión podía volar a una altura entre 18,000 a
20,000 metros, ya que a esta altura los vientos son débiles y se puede encontrar
luz solar por mucho tiempo, gracias a su tecnología de paneles solares en
conjunto con celdas de combustible y electrolizador, podía permanecer en el aire
por mucho tiempo. Creado por Paul Maccready en colaboración con la NASA. La
aeronave cuenta con una ala muy ligera, con 14 motores eléctricos, fue
construida con una cubierta de celdas fotovoltaica, con una envergadura de 75
metros, llego a una altitud máxima de 30,000 metros y batió el record de vuelo no
impulsado por cohete.
110
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 4.17: Helios aeronave impulsada por la combinación de paneles solares y FC
El sistema de propulsión de helios se divide en dos partes, la celda de
combustible combina constantemente el hidrógeno y el oxígeno para producir
electricidad y agua por la noche, de día el electrolizador usa la energía de las
placas solares para convertir el agua en hidrógeno y oxígeno, es un circuito
cerrado y puede seguir así mientras no se rompa el equilibrio de energía necesario
para mantener siempre los motores girando, o deje de funcionar algún
componente, esta combinación permitió que volara por periodos prolongados sin
embargo en la década pasada hubo un accidente, el avión se estrelló y no se
volvió a retomar el proyecto.
Figura 4.18: sistema de alimentación de los motores del Helios
111
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
El otro caso es el de Boeing que probó un sistema en el cual modificó un
aeroplano movido por un motor de combustión, reemplazándolo por una celda de
combustible conectada a un motor eléctrico, regresando al sistema hélice. En
España en el año 2008 voló por primera vez un pequeño avión tripulado de hélice
con una celda de combustible de hidrógeno. El vuelo se realizó en el aeródromo
de Ocaña, a 60 km de Madrid. Es una avioneta biplaza convencional Dimona
fabricada en Austria pero modificada por un equipo de ingenieros madrileños del
Centro de Investigación y Tecnología de Boeing, esta se mantuvo en el aire
durante 20 minutos utilizando un sistema híbrido formado por una pila de
combustible y baterías de ion-litio.
Figura 4.17: Aeroplano de Boeing que utiliza un motor impulsado por FC
4.4 Estaciones de recarga de hidrógeno
Las estaciones de recarga de hidrógeno son plantas donde puede
recargarse tanques de hidrógeno ya sea para uso portátil, residencial de mediano
tamaño y principalmente para el transporte.
Uno de los problemas de la introducción en el mercado de los autos
propulsados por celdas de combustible es el precio, que se espera disminuya en
los próximos años, pero sin duda un gran reto para el crecimiento de esta
tecnología es la infraestructura de recarga, ya que a diferencia de los autos
eléctricos de baterías, que se pueden recargar en una toma de corriente en los
hogares, los autos impulsados por FC, deben acudir a centros de recarga para
llenar su tanque, sin embargo la ventaja es que los tiempos de recarga son muy
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Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
bajos en comparación a el tiempo en que tarda en cargar totalmente las baterías
por ejemplo las de ion-litio.
Para cargar una batería de ion-litio se necesitan alrededor de 4 -7 horas en
los autos más modernos y aunque existen estaciones donde se pueden recargar
en menos tiempo, está la limitante de la corriente eléctrica que se debe entregar a
las baterías para que se recarguen más rápidamente. Ya que una corriente
relativamente alta produce calor y reduce la vida útil de las protecciones
electrónicas de la batería, así como la vida útil de la misma.
Los fabricantes más importantes de autos así como empresas dedicadas a
la producción y almacenamiento de hidrógeno se están lanzando a la apuesta de
que este fenómeno crezca y están instalando centros de recarga alrededor del
mundo principalmente en Europa, Asia, Japón, estados unidos, corea también es
un importante participante de esta tecnología.
Figura 4.18: Esquema de una estación de recarga de hidrogeno
La primera estación de recarga de hidrógeno en gran Bretaña se instaló en
2011, patrocinada por Honda en la que se podía recargar el auto en 5 minutos ya
sea a 350bar o 700bar. Por lo que la operación de recarga lleva más o menos el
mismo tiempo que en los autos convencionales.
En 2012 las compañías de Honda y General Motors se asociaron para
avanzar en tecnología de celdas de combustible, ya que estas dos firmas se
113
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
encuentran en ventaja debido a sus años de investigación al respecto. Según
señalaron en un comunicado, los acuerdos tienen como meta el 2020, en la que
deberán tener avances significativos en cuanto a infraestructura de recarga de
hidrógeno, que consideran es uno de los puntos claves en la comercialización y
expansión de la tecnología del hidrógeno.
GM cuenta con una flota de 119 vehículos impulsados por hidrógeno con
los que experimenta constantemente. Honda por su lado es pionera en autos de
celda de combustible, desde 2002 comercializa, el honda FCX en estados unidos
y Japón, distribuyendo 85 unidades. El modelo fue sustituido por el FCX Claruty y
en 2015 será sustituido por un tercer modelo de celda de combustible, para
estados unidos y Japón, aunque se espera expandir a Europa.
Figura 4.19: estación de recarga en el Reino Unido
Una empresa que se dedica a producir hidrógeno es la empresa Air Liquide,
los ingenieros de esta empresa desarrollan estaciones de recarga para llenar
depósitos de FCVs con hidrógeno gaseoso, con presiones de hasta 700 bar. En 5
minutos, esta empresa ya ha construido más de 30 estaciones de hidrógeno en
todo el mundo. Uno de sus clientes es GM en estados unidos bajo su programa
driveway, al igual que BC Transit, que trabaja con esta compañía para recargar
una flota de 20 autobuses, Air Liquide también es proveedor de Nissan y Renault.
114
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Figura 4.20: disposición de estaciones de recarga de hidrógeno en el mundo
115
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
Conclusiones y recomendaciones
Una vez realizada esta monografía se ha cumplido con los objetivos a los
que se requería llegar, pues se ha dado la información de cada aspecto de la
tecnología de celdas de hidrógeno.




En el capítulo 1 se habló acerca de las distintas maneras de
producción de hidrógeno, las características del hidrógeno y su
descubrimiento, cual es la más utilizada y el método que se
pretende incrementar en el futuro.
En el capítulo 2 se describió la evolución de esta tecnología y los
avances que ha tenido, las características principales de cada tipo de
celda de hidrógeno, los combustibles que utiliza, principales
componentes y aplicaciones comunes. Se finalizó con el tema de
almacenamiento de hidrógeno, pues es una parte importante del
desarrollo de la tecnología.
En el capítulo 3 se recopiló información de las distintas celdas
acumuladoras
de
energía,
exponiendo
sus
principales
características, y principales aplicaciones.
En el capítulo 4 se encontraron las aplicaciones actuales o más
recientes de las celdas de combustible, así como la tecnología más
adecuada para dicha aplicación, se dividió en tres sectores: portátil,
estacionaria y de transporte. Además se habló un poco de las
estaciones de recarga de hidrógeno.
Después de la información de los capítulos anteriores, se puede decir que
la tecnología de celdas de combustible es una buena opción de aplicación para la
producción de electricidad, y en el caso de las de alta temperatura también calor,
tiene muchas ventajas si la comparamos con la tecnología de combustión interna.
Para empezar tiene una mayor eficiencia que generar electricidad con la
combustión interna de combustibles fósiles, aun utilizando estos para alimentarla,
como es el caso de las celdas de combustible de alta temperatura que pueden
alimentarse con gas natural, o las que contienen un reformador externo, es la
razón por la que actualmente esta tecnología está ya en aplicación en diversos
sectores energéticos, su precio es aun elevado, pero toda tecnología nueva lo
tiene.
En comparación con las baterías también presenta ventajas, la principal
tecnología con la que debe competir, creo que es la batería de iones de litio, que
116
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
actualmente es líder en el mercado, gracias a sus prestaciones y la madurez de su
tecnología. Una de las principales ventajas de las celdas de combustible con
respecto a las baterías de iones de litio, es el tiempo de recarga ya que solo se
necesitan pocos minutos para llenar un tanque de hidrógeno, en comparación con
las horas que se necesitan para recargar una batería de iones de litio.
Se han hecho avances en cuanto a las prestaciones de esta tecnología, con
buenos resultados como se presentó en este trabajo. En mi opinión creo que el
futuro de la investigación de esta tecnología se centra principalmente en las
propiedades de los materiales empleados en su construcción, enfocándose en la
cantidad de reacciones que se llevan a cabo en los electrodos. La nanotecnología
ha hecho aportes importantes para mejorar las propiedades de los electrodos
pues permite usar menos materiales caros como el platino, sin que esto afecte la
densidad de corriente que entregan las celdas de combustible.
Creo que las principales desventajas en las que se debe trabajar es por
ejemplo el envenenamiento de los electrodos, como es el caso de las PEMFC, ya
que se debe utilizar hidrógeno puro, sin embargo si la generación del combustible
es a partir de las energías renovables que sigue creciendo se puede obtener con
mejor calidad, como es el caso de la electrólisis.
Otro punto importante es el almacenamiento ya que también presenta
desventajas, pues almacenarlo en estado líquido produce un consumo
relativamente alto en cuanto a energía y esto reduce la eficiencia global, sin
embargo los estudios recientes han hecho aportes para diseñar contenedores que
aumenten la densidad de energía que pueden almacenar, sin aumentar
drásticamente la presión.
Una tecnología es la de los hidruros metálicos la cual ya se usa
actualmente, principalmente en tanques de tamaño pequeño, y es que la
desventaja de este sistema es que la reacción es exotérmica y los enlaces que se
crean con el hidrógeno y el metal son fuertes así que para obtener el hidrógeno es
necesario aplicar calor, lo cual no es necesario en tanques de tamaño pequeño.
Esta característica puede utilizarse en las celdas de combustible de alta
temperatura, ya que además de producir electricidad, también producen
cantidades altas de calor que puede ser suministrado al tanque de hidrógeno.
La tecnología que considero es la que tiene más ventajas, es la de
materiales carbonosos como el carbón activado y las nanofibras de carbono, aquí
entra en acción la nanotecnología para obtener mejores cualidades de estos
materiales, ya que el carbón además de ser liviano no crea enlaces fuertes con las
117
Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
moléculas de hidrógeno por lo que no es necesario refrigerar cuando se llena y
tampoco hay que aportar calor para extraer el hidrógeno.
Otro aspecto importante es la seguridad ya que el hidrógeno es un gas
altamente inflamable y explosivo, pero actualmente estamos en contacto con
materiales que implican un riesgo y sin embargo convivimos con ellos por la
comodidad que proporcionan, por ejemplo casi todos tenemos tanque de gas en
casa, y este también es inflamable, la electricidad también es peligrosa pues
puede provocar descargas que en el peor de los casos son mortales, la gasolina
también es un combustible que puede provocar incendios o explosiones, y cuando
estos suceden es porque no se tuvieron las precauciones necesarias, es decir,
estamos acostumbrados a relacionarlos con este tipo de portadores de energía,
por lo tanto el hidrógeno es uno más de ellos y se debe de utilizar con ciertas
precauciones, además los tanques actuales de automóviles con celdas de
combustible están hechos de materiales que pueden soportar grandes impactos,
además de contar con sensores de fugas y llamas.
Finalmente creo que es una buena aplicación la que se le da al
incorporarse en el sistema de generación hibrida de energía eólica o solar con
celdas de combustible y electrolizadores. Pues estas formas de generar
electricidad no son constantes y en momentos en los que se cuentan con mucho
viento o sol y se sobrecarga el sistema de la red se deben apagar o sacar de
funcionamiento por lo que es bueno almacenar esa energía excedente que
proviene de recursos renovables ya que es amable con el medio ambiente.
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Celdas de hidrógeno y su potencial de aplicación
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