Guia utilización LM3 - Junta de Comunidades de Castilla
Anuncio
Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 LABORATORIO MÓVIL HIDRÓGENO Guía de utilización Museo de las Ciencias de CLM 1 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 Un programa para la investigación científica en el aula Museo de las Ciencias de Castilla-La Mancha Consejería de Educación y Ciencia Bienvenido/a a esta experiencia, y gracias por compartir con tus alumnos y alumnas estos momentos de ciencia. Con esta guía pretendemos ayudarte, lo máximo posible, para un buen uso de este material y tu tiempo. Aunque telefónicamente ya te habremos informado de algunos detalles de este proyecto, creemos interesante repasarlo todo desde el principio. La finalidad del Laboratorio Móvil (LM) es potenciar la investigación científica en los centros educativos, con especial preferencia en aquellos centros que ya han participado en el programa Ciencia en Ruta, si bien es un proyecto abierto al resto de centros educativos de nuestra región. Cuando hablamos de investigación científica nos referimos al proceso por excelencia para la creación de ciencia: el método científico. Con este proyecto buscamos el acercamiento, la aproximación, al método que utilizan los científicos, y por coherencia, pensamos que tú debes ser el mejor modelo de científico que tengan tus alumnos/as delante. Esperamos que compartas con nosotros esta idea. El motivo por el que el Museo de las Ciencias de Castilla La Mancha ha creado este laboratorio es porque consideramos que el hidrógeno se puede perfilar a largo plazo como el combustible alternativo a los actuales derivados de recursos fósiles y su uso contribuirá a asegurar el suministro necesario de energía, permitiendo diversificar las fuentes y reducir las emisiones relacionadas con el cambio climático. Los expertos consideran que, entre el 2015 y el 2019 asistiremos al desarrollo de una red de distribución y de la infraestructura necesaria que permita el suministro de hidrógeno al por menor a usuarios finales particulares para automoción y aplicaciones portátiles. Museo de las Ciencias de CLM 2 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 Entre 2020 y 2024 se producirá el desarrollo de estaciones de servicio de hidrógeno semejantes a las actuales gasolineras. Su incremento será progresivo, primero en torno a grandes núcleos de población y después a lo largo de la red de carreteras. Este dato implica que en el horizonte del 2020 la Unión Europea debería disponer de un mínimo de 5.000 a 10.000 estaciones de servicio de hidrógeno, el 75% en torno a los grandes núcleos urbanos y el 25% a lo largo de las autopistas y autovías. Pero el futuro del hidrógeno está ligado al desarrollo de las pilas de combustible considerado como uno de los principales medios de futuro para combatir el efecto invernadero y también como una de las soluciones ante el agotamiento de los c0mbustibles fósiles. Las pilas de combustible se utilizarán para la generación de energía tanto en aplicaciones portátiles (ordenadores, móviles, etc) como para reemplazar a los motores actuales de combustión interna al ofrecer el doble de eficiencia energética que estos y sólo producir emisiones de vapor de agua. La previsión, según algunos estudios, es que entre el 2020 y el 2024 el uso de pilas de combustible, como medio de propulsión de vehículos, alcanzará una penetración del 5% en el mercado de automoción. La producción de electricidad y calor en pequeñas unidades descentralizadas sería, a juicio de los expertos, otra aplicación de las Pilas de Combustible, cuyos grandes beneficiarios serán las viviendas unifamiliares alejadas de núcleos urbanos. Antes de “meternos en faena” con vuestros/as alumnos/as, debemos garantizar una cuestión. El maestro/a, o el profesor/a es un modelo incuestionable para sus alumnos/as, y sin duda, puede y debe ser el mejor modelo de científico para ellos. Y aunque colocarse una bata blanca puede ayudar, es conveniente que como docentes mostremos una alta competencia en aquellos procedimientos que intentamos enseñar. Con el objetivo de facilitaros el trabajo hemos incluido una sección que os puede ayudar a obtener una pequeña cualificación en un concepto tan interesante como son las pilas de combustible . Museo de las Ciencias de CLM 3 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 1 Información sobre las pilas de combustible. ¿QUÉ ES EL HIDRÓGENO? General Nombre, símbolo, número Hidrógeno, H, 1 Serie química No metales Grupo, periodo, bloque 1, 1 , s Densidad, dureza Mohs 0,08988 kg·m-3, Apariencia Incoloro Propiedades atómicas Masa atómica 1,00797 u † 25 pm Radio medio Radio atómico calculado 53 pm (Radio de Bohr) Radio covalente 37 pm Radio de Van der Waals 120 pm Término del estado 2 S1/2 fundamental Configuración electrónica 1s1 Estados de oxidación (óxido) 1, -1 (anfótero) Estructura cristalina Hexagonal Propiedades físicas Estado de la materia gas Punto de fusión 14,025 K Punto de ebullición 20,268 K Punto de inflamabilidad 255 K Punto de autoignición 773 - 844 K Entalpía de vaporización 0,44936 kJ·mol-1 Entalpía de fusión 0,05868 kJ·mol-1 Presión de vapor 209 Pa a 23 K Punto triple 13,8033 K ; 7,042·103 Pa Punto crítico 23,97 K ; 1,293·106 Pa Velocidad del sonido 1270 m·s-1 a 298,15 K Solubilidad en agua 1,7 mg·l-1 a 293,15 K Viscosidad 8,6·10-5 P a 273,15 K Tensión superficial 2,438·10-3 N·m-1 a 18,65 K Museo de las Ciencias de CLM 4 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 Información diversa 2,2 (Pauling) Electronegatividad 2,2 (Allred y Rochow) Calor específico 1,4304·104 J·kg-1·K-1 Calor de fusión (H2) 0,117 kJ·mol−1 Calor de vaporización (H2) 0,904 kJ·mol−1 Constante dieléctrica 1,00026 a 273,15 K Conductividad eléctrica sin datos Coeficiente de expansión 0,00366 K-1 a 293,15 K térmica Conductividad térmica 0,1815 W·m-1·K-1 Potencial de ionización 1312 kJ·mol-1 E0(2H+ + e- → H2) 0,000 V Isótopos más estables iso. AN (%) Periodo de semidesintegración 1 H 99,985 H es estable con 0 neutrones 2 H 0,012 H es estable con 1 neutrón 3 H 0,003 12,33 años MD β- ED (MeV) PD 0,019 3 He Valores en el SI y en condiciones normales (0 °C y 1 atm), salvo que se indique lo contrario. † Calculado a partir de distintas longitudes de enlace covalente, metálico o iónico. El hidrógeno es un elemento químico representado por el símbolo H y con un número atómico de 1. En condiciones normales de presión y temperatura, es un gas diatómico (H2) incoloro, inodoro, insípido, no metálico y altamente inflamable. Con una masa atómica de 1,00794(7) u, el hidrógeno es el elemento químico más ligero y es, también, el elemento más abundante, constituyendo aproximadamente el 75% de la materia del universo.[1] En su ciclo principal, las estrellas están compuestas por hidrógeno en estado de plasma. El hidrógeno elemental es muy escaso en la Tierra y es producido industrialmente a partir de hidrocarburos como, por ejemplo, el metano. La mayor parte del hidrógeno elemental se obtiene "in situ", es decir, en el lugar y en el momento en el que se necesita. El hidrógeno puede obtenerse a partir del agua por un proceso de electrólisis, pero resulta un método mucho más caro que la obtención a partir del gas natural. Sus principales aplicaciones industriales son el refinado de combustibles fósiles (por ejemplo, el hidrocracking) y la producción de amoníaco (usado principalmente para fertilizantes). Museo de las Ciencias de CLM 5 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 El isótopo del hidrógeno más común en la naturaleza, conocido como protio, tiene un solo protón y ningún neutrón. En los compuestos iónicos, el hidrógeno puede adquirir carga positiva (convirtiéndose en un catión compuesto únicamente por el protón) o negativa (convirtiéndose en un anión conocido como hidruro). El hidrógeno puede formar compuestos con la mayoría de los elementos y está presente en el agua y en la mayoría de los compuestos orgánicos. Desempeña un papel particularmente importante en la química ácido - base, en la que muchas reacciones conllevan el intercambio de protones entre moléculas solubles. Puesto que es el único átomo neutro para el cual la ecuación de Schrödinger puede ser resuelta analíticamente, el estudio de la energía y del enlace del átomo de hidrógeno ha sido fundamental para el desarrollo de la mecánica cuántica. Nomenclatura Hidrógeno, del latín "hydrogenium", y éste del griego antiguo ὕδωρ (hydor): "agua" y γένος-ου(genos): "generador". La palabra hidrógeno puede referirse tanto al elemento atómico (descrito en este artículo), como a la molécula diatómica (H2) que se encuentra en trazas en la atmósfera terrestre. Los químicos tienden a referirse a esta molécula como dihidrógeno,[2] molécula de hidrógeno, o hidrógeno diatómico, para distinguirla del elemento. PILA DE COMBUSTIBLE: PILA DE HIDRÓGENO Una pila de combustible, también llamada célula o celda de combustible es un dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería, pero se diferencia de esta última en que está diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos; es decir, produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno en contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería. Además, los electrodos en una batería reaccionan y cambian según como esté de cargada o descargada; en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y relativamente estables. Los reactantes típicos utilizados en una celda de combustible son hidrógeno en el lado del ánodo y oxígeno en el lado del cátodo (si se trata de una celda de hidrógeno). Por otra parte las baterías convencionales consumen reactivos sólidos y, una vez que se han agotado, deben ser eliminadas o recargadas con electricidad. Generalmente, los reactivos "fluyen hacia dentro" y los productos de la reacción "fluyen hacia fuera". La operación a largo plazo virtualmente continua es factible mientras se mantengan estos flujos. Museo de las Ciencias de CLM 6 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 Esquema de funcionamiento de una pila de combustible. En el ejemplo típico de una célula de membrana intercambiadora de protones (o electrolito polimérico) hidrógeno/oxígeno de una celda de combustible (PEMFC, en inglés: proton exchange membrane fuel cell), una membrana polimérica conductora de protones (el electrolito), separa el lado del ánodo del lado del cátodo. En el lado del ánodo, el hidrógeno que llega al ánodo catalizador se disocia en protones y electrones. Los protones son conducidos a través de la membrana al cátodo, pero los electrones están forzados a viajar por un circuito externo (produciendo energía) ya que la membrana está aislada eléctricamente. En el catalizador del cátodo, las moléculas del oxígeno reaccionan con los electrones (conducidos a través del circuito externo) y protones para formar el agua. En este ejemplo, el único residuo es vapor de agua o agua líquida. Es importante mencionar que para que los protones puedan atravesar la membrana, esta debe estar convenientemente humidificada dado que la conductividad protónica de las membranas poliméricas utilizadas en este tipo de pilas depende de la humedad de la membrana. Por lo tanto, es habitual humidificar los gases previamente al ingreso a la pila. Además de hidrógeno puro, también se tiene el hidrógeno contenido en otras moléculas de combustibles incluyendo el diésel, metanol (véase DMFC) y los hidruros químicos, el residuo producido por este tipo de combustibles además de agua es dióxido de carbono, entre otros. Tensión La tensión de celda depende de la corriente de carga. La tensión en circuito abierto es de aproximadamente 1,2 voltios; para crear suficiente tensión, las celdas se agrupan combinándolas en serie y en paralelo, en lo que en inglés se denomina "Fuel Cell Stack" Museo de las Ciencias de CLM 7 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 (pila de células de combustible). El número de celdas usadas es generalmente superior a 45 y varía según el diseño. Materiales Los materiales usados en celdas de combustible varían según el tipo. Las placas del electrodo/bipolar se hacen generalmente de nanotubos de metal, de níquel o de carbón, y están cubiertas por un catalizador (como el platino o el paladio) para conseguir una eficacia más alta. El electrolito puede ser de cerámica o bien una membrana. Fuente: Wikipedia, la enciclopedia libre Encontrarás mucha más información en el anexo. Museo de las Ciencias de CLM 8 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 2 Antes del desarrollo de la actividad El Laboratorio Móvil acaba de llegar a vuestro centro. Es el momento de revisar todo el material y dar el OK. Para ello podéis utilizar la Hoja de Registro del Inventario (ver anexo), y si todo está bien, mandar un visto bueno por email a [email protected] o fax. Inventario del Rack o Cajón de Hidrógeno. • • • • • • • 1 15 15 16 16 6 32 Kit profesor Kit alumno Coches con motor Recipientes Focos halógenos Regletas eléctricas (4 enchufes) Gafas seguridad DISPOSICIÓN MATERIAL Todo el material arriba citado, se encuentra guardado en cajas de protección (4 cajas grises , 9 cajas transparentes y 1 caja roja) , para evitar daños en el traslado y manipulación. El contenido de estas cajas es el siguiente: CAJAS GRISES • Caja 1: 6 Focos halógenos • Caja 2: 6 Focos halógenos • Caja 3: 4 Focos halógenos + 6 regletas eléctricas • Caja 4: 16 recipientes + Documentación CAJAS TRANSPARENTES • • • • • • • • • Caja Caja Caja Caja Caja Caja Caja Caja Caja 5: 6: 7: 8: 9: 10: 11: 12: 13: 2 Kit alumno +2 coches motor 2 Kit alumno +2 coches motor 2 Kit alumno +2 coches motor 2 Kit alumno +2 coches motor 2 Kit alumno +2 coches motor 2 Kit alumno +2 coches motor 2 Kit alumno +2 coches motor 1 Kit alumno +1 coche motor 32 gafas de protección Museo de las Ciencias de CLM + 2 Miniguía Dr Fuel (inglés) + 2 Miniguía Dr Fuel (inglés) + 2 Miniguía Dr Fuel (inglés) + 2 Miniguía Dr Fuel (inglés) + 2 Miniguía Dr Fuel (inglés) + 2 Miniguía Dr Fuel (inglés) + 2 Miniguía Dr Fuel (inglés) + 1 Miniguía Dr Fuel (inglés) 9 Laboratorio Móvil • Ciencia en Ruta 2011 CAJA ROJA Caja 14: 1 Kit profesor Disposición del material en el interior del rack, a la izquierda, vista frontal, a la derecha, vista lateral Documentos: Guía de utilización Laboratorio Móvil Hidrógeno Manual de instrucciones del alumno Manual de instrucciones del profesor CD ROM Instrucciones montaje kit de hidrógeno. El contenido de este CD está en alemán , pero las imágenes pueden ser de gran ayuda (Ver también Manual de instrucciones del profesor páginas 15 a 22) • CD ROM que contiene Power point y Programación del taller “La carrera del sol” que el Museo de las Ciencias de C-LM ha realizado sobre la pila de hidrógeno • • • • Si está correcto, tras firmar la hoja y enviarla al museo, podremos ponernos en acción. 3 Desarrollo de la actividad Duración: La duración de esta actividad es de 60 a 75 min. aprox. Niveles: Alumnos de E.S.O. aunque también se puede dirigir a alumnos de Bachillerato. Museo de las Ciencias de CLM 10 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 Objetivo: Experimentar con una pila de combustible (pila de hidrógeno) para conocer su funcionamiento y sus aplicaciones. Material del rack: Para el alumno - Un kit del alumno para cada pareja de alumnos/as que contiene: 1 1 1 1 1 1 1 1 Miniguía utilización Dr FuelCell Starter Kit (En inglés) Motor con hélice Botella para agua destilada Cable de conexión rojo Cable de conexión negro Placa solar Pila de hidrógeno Generador de mano - Unas gafas de protección para cada alumno/a Un coche con motor para cada pareja de alumnos/as Un recipiente para cada pareja de alumnos/as Un foco halógeno para cada pareja de alumnos/as Para el profesor - Un kit del profesor que contiene: BANDEJA INFERIOR 1 Caja del medidor de carga (amperímetro + voltímetro) 1 3 1 1 1 2 Placa solar Recipientes vacíos de metanol en agua Placa montaje para pila de metanol Pila de hidrógeno sin placas de montaje Pila de hidrógeno Cilindros de plástico transparente para el electrolizador 2 Tapones silicona con tubos de plástico para el electrolizador 1 Pila de metanol 1 Electrolizador BANDEJA SUPERIOR 2 Tubos cortos de silicona 4 Tubos largos de silicona 3 Cables de conexión rojos 3 Cables de conexión negros Museo de las Ciencias de CLM 11 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 1 Bolsita de plástico transparente que contiene: 1 cánula blanca para adaptar a los recipientes de metanol en agua + 2 tapones negros para la pila de metanol 1 Bolsita de plástico transparente que contiene: 3 tapones negros para tubos de silicona + bombilla repuesto caja del medidor de carga 1 Bolsita de plástico transparente que contiene: 1llave Allen 1llave fija + 2 tubos de plástico para el electrolizador + 1 resistencia - Un foco halógeno - Un recipiente - Unas gafas de protección ¡¡¡ Material que debe aportar el Centro educativo: Agua destilada Un cronómetro (opcional) Ordenador + cañón de proyección + pantalla (opcional) Desarrollo: Primero debemos preparar el aula para la realización de esta actividad. Conviene que los alumnos/as se encuentren con todo listo: las parejas ya definidas y el material del alumno dispuesto en cada mesa: kit del alumno con todos sus elementos sin montar (no olvidar rellenar las botellitas de agua destilada), coche con motor, focos halógenos conectados a la corriente, gafas de seguridad y recipientes. Asimismo, el docente debe tener también preparado en otra mesa el material del profesor: kit del profesor con todos sus elementos montados (ver Manual de instrucciones del profesor páginas 15 a 21), foco halógeno conectado a la corriente, gafas de seguridad y recipiente. Sugerimos utilizar, para el desarrollo de la actividad, alguna presentación en powerpoint, para lo cual deberemos tener dispuesto el ordenador y el cañón de proyección. Aportamos, si os parece interesante, la presentación powerpoint del taller “La carrera del sol” (ver CD) y también la guía- programación del taller. (Si la duración de la actividad es de 60 a 75 minutos seguramente deberéis reducir el número de diapositivas de la presentación para no exceder el tiempo de realización) Museo de las Ciencias de CLM 12 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 ANEXO.I HOJA DE REGISTRO DEL INVENTARIO Llegada Salida Centro:_______________________________ Fecha:________________________ Marque con una “x” el material que esté en correcto estado y cantidad. Si es el registro de llegada, envíelo por email a [email protected] o por fax al nº 969 213 355. Igualmente, al enviar el cajón vuelva a completar esta hoja y remítala por los mismos medios. 1Kit del profesor:(Para ver las imágenes de las distintas piezas que componen el kit consulte la página 8 del MANUAL DE INSTRUCCIONES DEL PROFESOR) . 1 Electrolizador . . . . • • • • • • • • • 2 Tapones silicona con tubos de plástico para el electrolizador 2 Tubos cortos de silicona 4 Tubos largos de silicona 3 Recipientes vacíos de metanol en agua 1 Caja del medidor de carga (amperímetro + voltímetro) 1 Bolsita de plástico transparente que contiene: 1 cánula blanca para adaptar a los recipientes de metanol en agua + 2 tapones negros para la pila de metanol 1 Bolsita de plástico transparente que contiene: 3 tapones negros para tubos de silicona + bombilla repuesto caja del medidor de carga 1 Pila de hidrógeno sin placas de montaje 1 Placa montaje para pila de metanol 1 placa solar 3 Cables de conexión rojos 3 Cables de conexión negros 1 Bolsita de plástico transparente que contiene: 1llave Allen + 1llave fija + 2 tubos de plástico para el electrolizador + 1 resistencia 15 Kit del alumno: (Para ver las imágenes de las distintas piezas que componen el kit consulte la página 9 del MANUAL DE INSTRUCCIONES DEL ALUMNO) • • • • • • • • Cada uno contiene: 1 Guía utilización Dr FuelCell Starter Kit 1 Motor con hélice 1 Botella para agua destilada 1 Cable de conexión rojo 1 Cable de conexión negro 1 Placa solar 1 Pila de hidrógeno 1 Generador de mano Museo de las Ciencias de CLM 13 Laboratorio Móvil • 15 Coches con motor • 16 Recipientes • 16 Focos halógenos • 6 Regletas eléctricas • 32 Gafas de protección Ciencia en Ruta 2011 Documentos: o o o o o Guía de utilización Laboratorio Móvil Hidrógeno Manual de instrucciones del alumno Manual de instrucciones del profesor CD ROM montaje kit de hidrógeno CD ROM : Powerpoint taller “La carrera del sol” + Guía-Programación Fdo: ______________________________________________ Museo de las Ciencias de CLM 14 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 ANEXOS II. Historia Descubrimiento del hidrógeno El hidrógeno diatómico gaseoso, H2, fue formalmente descrito por primera vez por T. Von Hohenheim (más conocido como Paracelso, 1493 - 1541) que lo obtuvo artificialmente mezclando metales con ácidos fuertes. Paracelso no era consciente de que el gas inflamable generado en estas reacciones químicas estaba compuesto por un nuevo elemento químico. En 1671, Robert Boyle redescubrió y describió la reacción que se producía entre limaduras de hierro y ácidos diluidos, y que generaba hidrógeno gaseoso.[3] En 1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocer el hidrógeno gaseoso como una sustancia discreta, identificando el gas producido en la reacción metal - ácido como "aire inflamable" y descubriendo que la combustión del gas generaba agua. Cavendish tropezó con el hidrógeno cuando experimentaba con ácidos y mercurio. Aunque asumió erróneamente que el hidrógeno era un componente liberado por el mercurio y no por el ácido, fue capaz de describir con precisión varias propiedades fundamentales del hidrógeno. Tradicionalmente, se considera a Cavendish el descubridor de este elemento. En 1783, Antoine Lavoisier dio al elemento el nombre de hidrógeno (en francés Hydrogène, del griego ὕδωρ, ὕδᾰτος, "agua" y γένος-ου, "generador") cuando comprobó (junto a Laplace) el descubrimiento de Cavendish de que la combustión del gas generaba agua. En el artículo teoría del flogisto se narra un poco más acerca de esta historia. Papel del hidrógeno en la Teoría Cuántica Gracias a su estructura atómica relativamente simple, consistente en un solo protón y un solo electrón, el átomo de hidrógeno junto con su espectro de absorción ha sido un punto central en el desarrollo de la Teoría de la Estructura Atómica. Además, la consiguiente simplicidad de la molécula de hidrógeno diatómico y el correspondiente catión H2+, permitió una comprensión más completa de la naturaleza del enlace químico, que continuó poco después con el tratamiento mecano - cuántico del átomo de hidrógeno, que había sido desarrollado a mediados de la década de 1920. Uno de los primeros efectos cuánticos que fue explícitamente advertido (pero no entendido en ese momento) fue una observación de Maxwell en la que estaba involucrado el hidrógeno, medio siglo antes de que se estableciera completamente la Teoría Mecano - Cuántica. Maxwell observó que el calor específico del H2, inexplicablemente, se desviaba del correspondiente a un gas diatómico por debajo de la temperatura ambiente y comenzaba a parecerse cada vez más al correspondiente a un gas monoátomico a temperaturas muy bajas. De acuerdo con la Teoría Cuántica, este Museo de las Ciencias de CLM 15 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 comportamiento resulta del espaciamiento de los niveles energéticos rotacionales (cuantizados), que se encuentran particularmente separados en el H2 debido a su pequeña masa. Estos niveles tan separados impiden el reparto equitativo de la energía calorífica para generar movimiento rotacional en el hidrógeno a bajas temperaturas. Los gases diatómicos compuestos de átomos pesados no poseen niveles energéticos rotacionales tan separados y, por tanto, no presentan el mismo efecto que el hidrógeno. Abundancia NGC 604, una enorme región de hidrógeno ionizado en la Galaxia del Triángulo El hidrógeno es el elemento más abundante del universo, suponiendo más del 75% en masa y más del 90% en número de átomos.[5] Este elemento se encuentra en abundancia en las estrellas y los planetas gaseosos gigantes. Las nubes moleculares de H2 están asociadas a la formación de las estrellas. El hidrógeno también juega un papel fundamental como combustible de las estrellas por medio de las reacciones de fusión nuclear entre protones. En el universo, el hidrógeno se encuentra principalmente en su forma atómica y en estado de plasma, cuyas propiedades son bastante diferentes a las del hidrógeno molecular. Como plasma, el electrón y el protón del hidrógeno no se encuentran ligados, por lo que presenta una alta conductividad eléctrica y una gran emisividad (origen de la luz emitida por el Sol y otras estrellas). Las partículas cargadas están fuertemente influenciadas por los campos eléctricos y magnéticos. Por ejemplo, en los vientos solares las partículas interaccionan con la magnetosfera terrestre generando corrientes de Birkeland y el fenómeno de la aurora. Bajo condiciones ordinarias en la Tierra, el hidrógeno existe como gas diatómico, H2. Sin embargo, el hidrógeno gaseoso es extremadamente poco abundante en la atmósfera de la Tierra (1 ppm en volumen), debido a su pequeña masa que le permite escapar al influjo de la gravedad terrestre más fácilmente que otros gases más pesados. Aunque los átomos de hidrógeno y las moléculas diatómicas de hidrógeno abundan en el espacio interestelar, son difíciles de generar, concentrar y purificar en la Tierra. El hidrógeno es el decimoquinto elemento más abundante en la superficie terrestre[6] La mayor parte del hidrógeno terrestre se encuentra formando parte de compuestos químicos tales como los hidrocarburos o el agua.[7] El hidrógeno gaseoso es producido por algunas bacterias y algas, y es un componente natural de las flatulencias. El metano es una fuente de enorme importancia para la obtención del hidrógeno. Museo de las Ciencias de CLM 16 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 El átomo de hidrógeno Niveles energéticos electrónicos Representación de los niveles energéticos del átomo de hidrógeno. El nivel energético del estado fundamental electrónico de un átomo de hidrógeno es -13,6 eV, que equivale a un fotón del ultravioleta de, aproximadamente, 92 nm. Los niveles energéticos del hidrógeno pueden calcularse con bastante precisión empleando el modelo atómico de Bohr, que considera que el electrón orbita alrededor del protón de forma análoga a la orbita terrestre alrededor del Sol. Sin embargo, la fuerza electromagnética hace que el protón y el electrón se atraigan, de igual modo que los planetas y otros cuerpos celestes se atraen por la fuerza gravitatoria. Debido al carácter discreto del momento angular postulado en los inicios de la Mecánica Cuántica por Bohr, el electrón en el modelo de Bohr sólo puede orbitar a ciertas distancias permitidas alrededor del protón y, por extensión, con ciertos valores de energía permitidos. Una descripción más precisa del átomo de hidrógeno viene dada mediante un tratamiento puramente mecano - cuántico que emplea la ecuación de Schrödinger o la formulación equivalente de las integrales de camino de Feynman para calcular la densidad de probabilidad del electrón. El tratamiento a través de la hipótesis de De Broglie (dualidad onda - partícula) al electrón reproduce resultados químicos (tales como la configuración del átomo de hidrógeno) de manera más natural que el modelo de partículas de Bohr, aunque la energía y los resultados espectrales son los mismos. Si en la construcción del modelo se emplea la masa reducida del núcleo y del electrón (como se haría en problema de dos cuerpos en la Mecánica Clásica), se obtiene una mejor formulación para los espectros del hidrógeno, y los desplazamientos espectrales correctos para el deuterio y el tritio. Pequeños ajustes en los niveles energéticos del átomo de hidrógeno, que corresponden a efectos espectrales reales, pueden determinarse usando la Teoría Mecano - Cuántica completa, que corrige los efectos de la Relatividad Especial (ver ecuación de Dirac), y computabilizando los efectos cuánticos originados por la producción de partículas virtuales en el vacío y como resultado de los campos eléctricos (ver Electrodinámica Cuántica). En el hidrógeno gaseoso, el nivel energético del estado electrónico fundamental está dividido a su vez en otros niveles de estructura hiperfina, originados por el efecto de las interacciones magnéticas producidas entre los espines del electrón y del protón. La energía del átomo cuando los espines del protón y del electrón están alineados es superior que cuando los espines no lo están. La transición entre esos dos estados puede tener lugar mediante la emisión de un fotón a través de una transición de dipolo magnético. Los radiotelescopios pueden detectar la radiación producida en este proceso, lo que sirve para crear mapas de distribución del hidrógeno en la galaxia. Museo de las Ciencias de CLM 17 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 Isótopos El protio, el isótopo más común del hidrógeno, tiene un protón y un electrón. Es el único isótopo estable que no posee neutrones. El hidrógeno posee tres isótopos naturales que se denotan como 1H, 2H y 3H. Otros isótopos altamente inestables (del 4H al 7H) han sido sintetizados en laboratorio, pero nunca observados en la naturaleza.[8] [9] 1 • H, conocido como protio, es el isótopo más común del hidrógeno con una abundancia de más del 99,98%. Debido a que el núcleo de este isótopo está formado por un solo protón se le ha bautizado como protio, nombre que a pesar de ser muy descriptivo, es poco usado. • 2 H, el otro isótopo estable del hidrógeno, es conocido como deuterio y su núcleo contiene un protón y un neutrón. El deuterio representa el 0,0026% o el 0,0184% (según sea en fracción molar o fracción atómica) del hidrógeno presente en la Tierra, encontrándose las menores concentraciones en el hidrógeno gaseoso, y las mayores (0,015% o 150 ppm) en aguas oceánicas. El deuterio no es radiactivo, y no representa un riesgo significativo de toxicidad. El agua enriquecida en moléculas que incluyen deuterio en lugar de hidrógeno 1H (protio), se denomina agua pesada. El deuterio y sus compuestos se emplean en marcado no radiactivo en experimentos y también en disolventes usados en espectroscopia 1H - RMN. El agua pesada se utiliza como moderador de neutrones y refrigerante en reactores nucleares. El deuterio es también un potencial combustible para la fusión nuclear con fines comerciales. • 3 H se conoce como tritio y contiene un protón y dos neutrones en su núcleo. Es radiactivo, desintegrándose en 32He+ a través de una emisión beta. Posee un periodo de semidesintegración de 12,33 años.[7] Pequeñas cantidades de tritio se encuentran en la naturaleza por efecto de la interacción de los rayos cósmicos con los gases atmosféricos. También ha sido liberado tritio por la realización de pruebas de armamento nuclear. El tritio se usa en reacciones de fusión nuclear, como trazador en Geoquímica Isotópica, y en dispositivos luminosos auto alimentados. Antes era común emplear el tritio como radiomarcador en experimentos químicos y biológicos, pero actualmente se usa menos. El hidrógeno es el único elemento que posee diferentes nombres comunes para cada uno de sus isótopos (naturales). Durante los inicios de los estudios sobre la radiactividad, a algunos isótopos radiactivos pesados les fueron asignados nombres, pero ninguno de ellos se sigue usando). Los símbolos D y T (en lugar de 2H y 3H) se usan a veces para referirse al deuterio y al tritio, pero el símbolo P corresponde al fósforo y, por tanto, no puede usarse para representar al protio. La IUPAC declara que aunque el uso de estos símbolos sea común, no es lo aconsejado. Fuente: Wikipedia, la enciclopedia libre Museo de las Ciencias de CLM 18 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 OBTENCIÓN DEL HIDRÓGENO En la actualidad, prácticamente el 95% del hidrógeno que se produce se hace a partir de combustibles fósiles Métodos de obtención: - Reformado con vapor (steam reforming): Con este procedimiento el hidrógeno se obtiene a partir de hidrocarburos, fundamentalmente del gas natural. El principal componente del gas natural es metano CH4 y la reacción consiste básicamente en separar el carbono del hidrógeno. El proceso tiene lugar en dos etapas: En la fase inicial, el gas natural se convierte en hidrógeno, dióxido de carbono y monóxido de carbono. La segunda etapa consiste en producir hidrógeno adicional y dióxido de carbono a partir del monóxido de carbono producido durante la primera etapa. El monóxido de carbono es tratado con una corriente de vapor a alta temperatura produciéndose hidrógeno y dióxido de carbono. El hidrógeno producido, se almacena en tanques. La mayoría del hidrógeno empleado por la industria petroquímica se genera de esta manera. El proceso tiene una eficiencia entre el 70 y el 90%. A continuación se muestran las reacciones químicas producidas durante el proceso: CH4 + H2O => CO + 3H2 CO + H2O => CO2 + H2 - Oxidación parcial de combustibles fósiles con defecto de O2. Se obtiene una mezcla de hidrógeno que posteriormente se purifica. Las cantidades de oxígeno y vapor de agua son controladas para que la gasificación continúe sin necesidad de aporte de energía. La siguiente reacción global representa el proceso:: CH1,4 + 0,3 H2O + 0,4 O2 => 0,9 CO + 0,1 CO2 + H2. - Electrólisis del agua: El paso de la corriente eléctrica a través del agua, produce una disociación entre el hidrógeno y el oxígeno, componentes de la molécula del agua H2O. El hidrógeno se recoge en el cátodo (polo cargado negativamente) y el oxígeno en el ánodo. El proceso es mucho más caro que el reformado con vapor, pero produce hidrógeno de gran pureza. Este hidrógeno se utiliza en la industria electrónica, farmacéutica o alimentaria. H2O + energía =>H2 + O2 - Fotoelectrolisis. Básicamente, este procedimiento aprovecha la radiación solar para generar la corriente eléctrica capaz de producir la disociación del agua y en definitiva la producción de hidrógeno. - Utilizando la biomasa como fuente de producción de hidrógeno, éste se puede producir por dos procedimientos: gasificación de la biomasa o pirólisis. Museo de las Ciencias de CLM 19 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 Gasificación de biomasa : Se trata de someter a la biomasa a un proceso de combustión incompleta entre 700 y 1200ºC. El producto resultante es un gas combustible compuesto fundamentalmente por hidrógeno, metano y monóxido de carbono. Pirólisis: Es la combustión incompleta de la biomasa en ausencia de oxígeno, a unos 500ºC, . Se obtiene carbón vegetal y gas mezcla de monóxido y dióxido de carbono, hidrógeno e hidrocarburos ligeros. - Membranas de intercambio cónico o de electrolito polémico sólido: dejan pasar los protones (H+). Se producen las siguientes reacciones: Ánodo: H2O =>2H+ + 1/2 O2 + 2eH2O =>2H+ + 1/3 O3 + 2eCátodo: 2H+ + 2e- =>H2 - Producción fotobiológica: Por ejemplo, la cianobacteria y las algas verdes pueden producir hidrógeno, utilizando únicamente luz solar, agua e hidrogenasa como una enzima. Actualmente, esta tecnología está en periodo de investigación y desarrollo con eficiencias de conversión estimadas superiores al 24%. Se han identificado más de 400 variedades de plantas primitivas candidatas para producir hidrógeno. - Producción de hidrógeno a bordo del vehículo, a partir de metanol como combustible, para su consumo in situ parece ser la alternativa más idónea. El hidrógeno puede obtenerse por tres vías catalíticas diferentes: • • • oxidación parcial con oxígeno o aire: CH3OH + 1/2 O2 => CO2 + 2 H2 reformado con vapor de agua: CH3OH + H2O => CO2 + 3 H2 descomposición: CH3OH =>CO + 2 H2. De estas tres alternativas, la oxidación parcial (Ec. 1), ofrece algunas ventajas claras con respecto al reformado con vapor en cuanto que utiliza aire en vez de vapor y es una reacción exotérmica por lo que no requiere un aporte de energía externa durante la operación. Estas ventajas se contrarrestan con la producción de una cantidad de hidrógeno menor. - Producción de hidrógeno a bordo del vehículo, a partir de etanol como combustible, donde se produce la siguiente reacción: CH3CH2OH + 3H2O => CO + CO2 + 6H2. Para este caso se produce monóxido de carbono, el cual es un veneno de la membrana de intercambio de protones de las pilas de combustible. Fuente: Tecnociencia Museo de las Ciencias de CLM 20 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 ¿QUÉ ES LA ELECTROLISIS? La Electrólisis consiste en la descomposición mediante una corriente eléctrica de sustancias ionizadas denominadas electrolitos. La palabra electrólisis procede de dos radicales, electro que hace referencia a electricidad y lisis que quiere decir ruptura. En el proceso se desprenden el oxigeno(O) y el hidrogeno (H). Proceso El proceso consiste en lo siguiente: • Se funde o se disuelve el electrolito en un determinado disolvente, con el fin de que dicha sustancia se separe en iones (ionización). • Se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica y sumergidos en la disolución. El electrodo conectado al polo negativo se conoce como cátodo, y el conectado al positivo como ánodo. • Cada electrodo mantiene atraidos a los iones de carga opuesta. Así, los iones positivos, o cationes, son atraídos al cátodo, mientras que los iones negativos, o aniones, se desplazan hacia el ánodo. • La energía necesaria para separar a los iones e incrementar su concentración en los electrodos es aportada por la fuente de alimentación eléctrica.Descubierta por el médico francés Nazho PrZ • En los electrodos se produce una transferencia de electrones entre estos y los iones, produciéndose nuevas sustancias. Los iones negativos o aniones ceden electrones al ánodo (+) y los iones positivos o cationes toman electrones del cátodo (-). Museo de las Ciencias de CLM 21 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 En definitiva lo que ha ocurrido es una reacción de oxidación-reducción, donde la fuente de alimentación eléctrica ha sido la encargada de aportar la energía necesaria. Descubrimiento Fue descubierto accidentalmente en 1800 por Willison Nicholson mientras estudiaban la operación de baterías.Entre los años 1833 y 1836 el físico y químico inglés Michael Faraday desarrolló las leyes de la electrolisis que llevan su nombre y acuño los términos Fuente: Wikipedia, la enciclopedia libre LA ELECTRÓLISIS DEL AGUA La acción de una corriente sobre un electrolito puede entenderse con un ejemplo sencillo con la electrolisis del agua. Si el agua se disuelve en bicarbonato de sodio, se disocia en iones oxigeno positivos e iones hidrógeno negativos. Al aplicar una diferencia de potencial a los electrodos, los iones oxigeno se mueven hacia el electrodo negativo, se descargan, y se depositan en el electrodo como átomos de oxigeno. Los iones hidrogeno, al descargarse en el electrodo positivo, se convierten en átomos de hidrógeno. Esta reacción de descomposición producida por una corriente eléctrica se llama electrólisis. En todos los casos, la cantidad de material que se deposita en cada electrodo al pasar la corriente por un electrolito sigue la ley enunciada por el químico físico británico Michael Faraday. Esta ley afirma que la cantidad de material depositada en cada electrodo es proporcional a la intensidad de la corriente que atraviesa el electrolito, y que las masas de distintos elementos depositados por la misma cantidad de electricidad son directamente proporcionales a las masas equivalentes de los elementos, es decir, a sus masas atómicas divididas por sus valencias. Todos los cambios químicos implican una reagrupación o reajuste de los electrones en las sustancias que reaccionan; por eso puede decirse que dichos cambios son de carácter eléctrico. TIPOS DE ELECTROLITOS Los electrólitos son, principalmente, los ácidos, las bases y las sales disueltas en agua o en otro disolvente apropiado. Estas sustancias en disolución se encuentran parcialmente ionizadas, teniendo los iones de distinta carga comportamiento eléctrico opuesto. Se denomina electrólitos sólido a determinados sólidos en el que se producen ciertos fenómenos de separación de cargas debido a la introducción de impurezas en dosis pequeñas. Así, cierta forma de la alúmina sintetizada a 1600C llamada alúmina b suele utilizarse como electrólitos sólido en los acumuladores sodio-azufre. También se Museo de las Ciencias de CLM 22 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 fabrican micropilas de electrólitos sólido a partir de la alúmina b dopada con pequeñas cantidades de plata y/o cobre, utilizadas en relojería Tipos de pilas de combustible Las pilas de combustible se clasifican por el tipo de electrolito empleado. Dependiendo del electrolito, se producirán diferentes reacciones químicas en la propia pila, así como diferentes agentes catalíticos, rangos de temperatura, combustible requerido y algunos otros factores. Estas características, a su vez, determinan el tipo de aplicaciones para las que son más apropiadas estas pilas. Actualmente se está investigando en varios tipos de pilas de combustible, con sus ventajas, limitaciones, y posibles aplicaciones. Entre las más prometedoras se encuentran: - Membrana polimérica (PEM) - Ácido fosfórico (PAFC) - Conversión directa de metanol (DMFC) - Alcalina (AFC) - Carbonato fundido (MFCF) - Óxido sólido (SOFC) - Reversible (Regenerativa) Membrana polimérica (PEM) Las pilas de membrana polimérica (PEM), también llamadas pilas de combustible de membrana de intercambio de protones, proporcionan una densidad energética elevada y tienen la ventaja de ser ligeras y tener un tamaño pequeño, si se las compara con otras pilas. Las pilas PEM usan como electrolito un polímero sólido y electrodos porosos de carbono que contienen un catalizador de platino. Necesitan hidrógeno y oxígeno y agua, y no requieren el uso de fluidos corrosivos como otras pilas de combustible. Normalmente usan hidrógeno puro como combustible almacenado en depósitos o convertidores incorporados. Las pilas de membrana de electrolito polímero operan a relativamente bajas temperaturas, (80ºC). Esto permite que arranquen rápidamente al necesitar menos tiempo de calentamiento. Esto representa una ventaja, ya que supone menor desgaste entre los componentes del sistema, y por tanto aumenta la duración del mismo. Estas pilas operan con un catalizador de platino, lo que encarece mucho el sistema. Además, el catalizador de platino es extremadamente sensible a la contaminación por CO, por lo que es necesario utilizar un reactor adicional para reducir el nivel de CO en el gas combustible. Este problema se agudiza cuando el hidrógeno empleado proviene de un combustible de alcohol o de hidrocarburo. Actualmente, se están estudiando reemplazar estos catalizadores por los de platino/rutenio, que presentan más resistencia a la contaminación por CO. La pilas PEM se usan fundamentalmente para aplicaciones en el transporte e instalaciones estacionarias. Debido a su rapidez para el arranque, baja sensibilidad a la orientación, y su relación favorable entre peso y energía producida, las pilas de Museo de las Ciencias de CLM 23 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 combustible PEM son especialmente adecuadas para su uso en vehículos de pasajeros, como por ejemplo coches y autobuses. Un obstáculo importante para el uso de estas pilas en vehículos es el almacenamiento del hidrógeno. La mayoría de los vehículos que funcionan con hidrógeno deben almacenarlo en el propio vehículo en forma de gas comprimido dentro de depósitos presurizados. Debido a la baja densidad energética del hidrógeno, es difícil almacenar suficiente hidrógeno a bordo para conseguir que los vehículos tengan la misma autonomía que los que usan gasolina (entre 200 y 250 km). Combustibles líquidos de alta densidad tales como metanol, etanol, gas natural, gas de petróleo licuado y gasolina, pueden usarse como combustible, pero entonces los vehículos deben de contar con un procesador de combustible a bordo para convertir el metanol en hidrógeno. Esto incrementa los costes y las necesidades de mantenimiento. Aunque el procesador también desprende dióxido de carbono (un gas invernadero), la cantidad desprendida es menor que la de los motores convencionales de gasolina. Ácido Fosfórico Estas pilas utilizan ácido fosfórico líquido como electrolito y electrodos de carbono poroso que contienen un catalizador de platino. La pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC) es considerada como la primera generación de pilas de combustible modernas. Es uno de los tipos de pilas de combustible más desarrollados y el más usado en la actualidad (existen mas de 200 unidades en uso actualmente). Este tipo de pila se usa normalmente en la generación de energía estacionaria, pero también se ha usado en vehículos pesados, como los autobuses urbanos. Las pilas PAFC son menos sensibles a la contaminación del CO que las pilas PEM. Presentan una eficacia del 85% cuando se utilizan como generadores de energía eléctrica y calórica, pero son menos eficaces cuando generan sólo energía eléctrica (entre el 37 y el 42%). La diferencia en su eficacia con las plantas energéticas de combustión (33 a 35%) es muy pequeña. Las pilas PAFC también producen menos energía que otras pilas a igualdad de peso y volumen. Por este motivo, estas pilas normalmente presentan gran tamaño y peso y son mas caras. Analogamente que las PEM, estas pilas necesitan un catalizador de platino, lo que incrementa su coste. Una pila de combustible de ácido fosfórico cuesta normalmente entre 3.500 y 4.000 € por kilovatio. Conversión directa de metanol La mayoría de las pilas de combustible funcionan con hidrógeno, que se puede suministrar directamente en el sistema de la pila, o ser generado dentro de la propia pila convirtiendo combustibles ricos en hidrógeno (como por ejemplo el metanol, etanol y los combustibles de hidrocarburos). Sin embargo, las pilas de combustible de metanol directo (DMFC), funcionan con metanol puro mezclado con vapor de agua y suministrarlo directamente al ánodo de la pila. Museo de las Ciencias de CLM 24 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 Las pilas de combustible de metanol directo, no tienen muchos de los problemas de almacenamiento que tienen otras pilas, ya que el metanol tiene mayor densidad energética que el hidrógeno (aunque menos que la gasolina). El metanol, al ser líquido como la gasolina, es también más fácil de transportar y suministrar al público usando la infraestructura ya existente. La tecnología de la pila de combustible de metanol directo es relativamente nueva si se compara con la de otras pilas de combustible que funcionan con hidrógeno, y su investigación y desarrollo va 3 ó 4 años por detrás de las otras pilas de combustible. Alcalina Las pilas de combustible alcalinas (AFC) fueron una de las primeras pilas de combustible en ser desarrolladas, y el primer tipo usado de forma extensiva en el programa espacial de Estados Unidos para producir energía eléctrica y agua a bordo de las naves espaciales. Estas pilas de combustible utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito y pueden usar una gran variedad de metales no preciosos como catalizadores en el ánodo y el cátodo. Las pilas AFC de altas temperaturas pueden funcionar a temperaturas entre 100ºC y 250ºC. No obstante, diseños más modernos de estas pilas funcionan a temperaturas más bajas, entre 23ºC y 70ºC aproximadamente. Las pilas AFC son de alto rendimiento debido a la velocidad a la que tienen lugar las reacciones que se producen en ellas. También son muy eficientes, alcanzando un 60% rendimiento en aplicaciones espaciales. Su desventaja reside en su sensibilidad a la contaminación por dióxido de carbono (CO2). De hecho, incluso una pequeña cantidad de CO2 en el aire puede afectar el funcionamiento de la pila, haciendo necesario purificar tanto el hidrógeno como el oxígeno utilizados. Este proceso de purificación incrementa el coste de la pila, y además duran menos debido a la susceptibilidad que presentan a este tipo de contaminación.. En ambientes como el espacio o el fondo del mar, esta desventaja no tiene lugar. Sin embargo, para competir en mercados más generales, estas pilas de combustible tendrán que hacerse más rentables. Las pilas AFC han demostrado ser suficientemente estables durante más de 8.000 horas de funcionamiento. Para ser viables desde el punto de vista económico en aplicaciones útiles a gran escala, tienen que superar las 40.000 horas. Posiblemente, éste es el obstáculo más significativo para la comercialización de esta tecnología. Carbonato fundido Las pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) se están desarrollando en la actualidad para plantas de energía de carbón en la producción de electricidad. Las pilas MCFC son pilas de combustible de alta temperatura que utilizan un electrolito compuesto de una mezcla de sales de carbonato fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa y químicamente inerte de óxido de litio-aluminio. Dado que operan a Museo de las Ciencias de CLM 25 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 temperaturas extremadamente altas de entre 600 y 650ºC, se pueden utilizar en el ánodo y el cátodo metales que no sean nobles como catalizadores, lo que reduce los costes. Las pilas MCFC son más eficientes y cuestan menos que las pilas de ácido fosfórico. Estas pilas pueden tener un rendimiento de aproximadamente el 60%, considerablemente más alto que las plantas de pilas de ácido fosfórico que sólo obtienen entre un 37 y un 42% de rendimiento. Cuando el calor que se desprende es captado y utilizado, el rendimiento total del combustible puede ser de hasta un 85%. Al contrario que las pilas alcalinas, de ácido fosfórico y de membrana de electrolito polímero, las pilas MCFC no necesitan un reformador externo para convertir en hidrógeno combustibles de energía más densa. Debido a las altas temperaturas a las que operan, estos combustibles se convierten en hidrógeno dentro de la propia pila de combustible mediante un proceso que se denomina conversión interna, lo que también reduce costes. Las pilas de carbonato fundido no son propensas a la contaminación por monóxido o dióxido de carbono (pueden incluso usar óxidos de carbono como combustible), permitiendo que se puedan usar en ellas como combustible gases fabricados del carbón. Aunque son más resistentes a las impurezas que otros tipos de pilas, los científicos están buscando formas de hacer la pila MCFC suficientemente resistente a las impurezas procedentes del carbón, como pueden ser el sulfuro y las partículas. La desventaja más importante de la tecnología existente de MCFC es la duración. Las altas temperaturas a las que operan estas pilas y el electrolito corrosivo que se utiliza en ellas, hacen que sus componentes se deterioren, reduciendo la duración de la pila. Los científicos están buscando materiales resistentes a la corrosión para fabricar los componentes, así como diseños que aumenten la duración de la pila sin hacer que disminuya su rendimiento. Óxido sólido Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) usan como electrolito un componente de cerámica duro y no poroso. Al ser el electrolito sólido, las pilas no se tienen que construir con una configuración laminar, como ocurre con las otras pilas. Se espera que las pilas SOFC tengan un rendimiento en la conversión de combustible en electricidad de entre el 50-60%. En aplicaciones cuya finalidad es captar y utilizar el calor que desprende el sistema (cogeneración), el rendimiento total del combustible puede llegar hasta el 80-85%. Las pilas de óxido sólido operan a temperaturas muy elevadas (alrededor de los 1000º C). Las levadas temperaturas hacen que no sea necesario utilizar metales nobles como catalizadores, reduciendo el coste. También permite a la pila SOFC convertir los combustibles internamente, lo que supone la posibilidad de usar diferentes combustibles y reduce el coste asociado que supone añadir un convertidor al sistema. Museo de las Ciencias de CLM 26 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 Estas pilas también son las más resistentes al sulfuro. Además, no se contaminan con monóxido de carbono (CO), que puede incluso ser utilizado como combustible. Esto permite el uso en estas pilas de gases procedentes del carbón. Las elevadas temperaturas tienen desventajas: su arranque es lento y necesitan abundante protección para evitar que el calor se escape y para proteger al personal que trabaja con ellas, lo que puede ser aceptable para algún tipo de aplicaciones, pero no para el transporte y para algunos aparatos portátiles. Las altas temperaturas afectan también a la duración de los materiales que se utilizan. El desarrollo de materiales a bajo precio y de larga duración a las temperaturas a las que funciona la pila, es la clave del reto tecnológico al que se somete esta tecnología. Los científicos están estudiando en la actualidad el potencial para desarrollar pilas SOFC que funcionen a 800 ºC o menos, que tengan menos problemas de duración y que cuesten menos. Las pilas SOFC a temperaturas más bajas producen menos electricidad, y no se han encontrado materiales para estas pilas que funcionen a este rango de temperaturas. Pilas de combustible reversibles (regenerativas) Las pilas de combustible reversibles producen electricidad a partir del hidrógeno y el oxígeno y generan calor y agua como bioproductos, al igual que otras pilas de combustible. No obstante, las pilas de combustible regenerativas pueden usar también electricidad procedente de la energía solar o de otra fuente para dividir el exceso de agua en combustible de oxígeno e hidrógeno (este proceso se llama electrólisis). Este es un tipo de pila relativamente nuevo que está siendo desarrollado por la NASA y otros grupos de investigación. Fuente: Tecnociencia UN POCO DE HISTORIA El principio de funcionamiento de la célula de combustible fue descubierto por el científico Christian Friedrich Schönbein en Suiza en 1838 y publicado en la edición de enero de 1839 del "Philosophical Magazine". De acuerdo con este trabajo, la primera fue desarrollada en 1843 por Sir William Grove, un científico galés, utilizando materiales similares a los usados hoy en día para la célula de ácido fosfórico. No fue hasta 1959 cuando el ingeniero británico Francis Thomas Bacon desarrolló con éxito una célula estacionaria de combustible de 5 kilovatios. En 1959, un equipo encabezado por Harry Ihrig construyó un tractor basado en una célula de combustible de 15 kilovatios para Allis-Chalmers que fue expuesto en EE.UU. en las ferias del estado. Este sistema utilizó hidróxido de potasio como electrolito e hidrógeno y oxígeno comprimidos como reactivos. Más adelante, en 1959, Bacon y sus colegas fabricaron una unidad de 5 kW capaz de accionar una máquina de soldadura, que condujo, en los años 60 a que las patentes de Bacon licenciadas por Pratt y Whitney en los Estados Unidos (al menos la idea original) Museo de las Ciencias de CLM 27 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 fuesen utilizadas en el programa espacial de Estados Unidos para proveer a los astronautas de electricidad y de agua potable a partir del hidrógeno y oxígeno disponibles en los tanques de la nave espacial. Paralelamente a Pratt & Whitney Aircraft, General Electric desarrolló la primera pila de membrana de intercambio de protones (PEMFCs) para las misiones espaciales Gemini de la NASA. La primera misión que utilizó PEFCs fue la Gemini V. Sin embargo, las misiones del Programa Apolo y las misiones subsecuentes Apolo-Soyuz, del Skylab, y del transbordador utilizaban celdas de combustible basadas en el diseño de Bacon, desarrollado por Pratt & Whitney Aircraft. UTX, subsidiara de UTC Power fue la primera compañía en fabricar y comercializar un sistema de células de combustiboe estacionario a gran escala, para su uso como central eléctrica de cogeneración en hospitales, universidades, y grandes edificios de oficinas. UTC Power continúa comercializándola bajo el nombre de PureCell 200, un sistema de 200 kilovatios, y sigue siendo el único proveedor para la NASA para su uso en vehículos espaciales, proveyendo actualmente al trasbordador espacial. Además está desarrollando celdas de combustible para automóviles, autobuses, y antenas de telefonía móvil. En el mercado de automoción, UTC Power fabricó la primera capaz de arrancar a bajas temperaturas: la célula de membrana de intercambio de protones (PEM). Los materiales utilizados eran extremadamente caros y las celdas de combustible requerían hidrógeno y oxígeno muy puros. Las primeras celdas de combustible solían requerir temperaturas muy elevadas que eran un problema en muchos usos. Sin embargo, se siguió investigando en celdas de combustible debido a las grandes cantidades de combustible disponibles (hidrógeno y oxígeno). A pesar de su éxito en programas espaciales, estos sistemas se limitaron a aplicaciones especiales, donde el coste no es un problema. No fue hasta el final de los años 80 y principios de los 90 que las celdas de combustible se convirtieron en una opción real para uso más amplio. Varias innovaciones, catalizador con menos platino y electrodos de película fina bajaron su coste, haciendo que el desarrollo de sistemas PEMFC (para, por ejemplo, automóviles) comenzara a ser realista. Gerhard Ertl, ganador del Premio Nobel de Química en 2007, fue el descubridor del funcionamiento de las pilas de combustible. Fuente: Wikipedia APLICACIONES Las aplicaciones de las pilas de combustible pueden abarcar una amplia variedad de productos: desde dispositivos portátiles (teléfonos móviles, ordenadores, pequeños electrodomésticos), donde las pilas empleadas son de pequeño tamaño, pasando por aplicaciones móviles como vehículos de todo tipo (coches, autobuses y barcos), hasta generadores de calor y energía en aplicaciones estacionarias para empresas, hospitales, zonas residenciales, etc. Museo de las Ciencias de CLM 28 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 Se ha previsto que los futuros sistemas energéticos dispondrán de conversores mejorados de energía convencional basados en el hidrógeno (motores de combustión interna, motores de Stirling o turbinas), así como otros vectores energéticos (calor y electricidad producidos directamente a partir de energía renovable y biocarburantes para el transporte). A continuación se presentan los principales usos que pueden tener las pilas de combustible. Industria militar Se espera que las aplicaciones militares supongan un mercado muy significativo para la tecnología de pilas de combustible. La eficacia, versatilidad, prolongado tiempo de funcionamiento y su operatividad sin ruidos, hacen de las celdas de combustible un sistema a la medida para las necesidades de los servicios militares. Las pilas de combustible podrían aportar una solución de generación energética válida para el equipamiento militar portátil terrestre o marítimo. Las pilas de combustible en miniatura podrían ofrecer grandes ventajas sobre las pilas sólidas convencionales voluminosas y además se eliminaría el problema de su recarga. Siguiendo la misma tónica, la eficacia de las pilas de combustible para el transporte vería reducida drásticamente la necesidad de combustible necesario durante las maniobras. Los vehículos serían capaces de recorrer grandes distancias o trabajar en áreas remotas durante más tiempo y la cantidad de vehículos de apoyo, personal y equipamiento necesario en la zona de combate podrían reducirse. Desde 1980 la marina estadounidense ha empleado celdas de combustible en embarcaciones para el estudio de profundidades marinas y en submarinos no tripulados. Dispositivos portátiles El desarrollo continuo de las pilas de combustibles ha contribuido al desarrollo de numerosos dispositivos electrónicos móviles. La miniaturización de las pilas de combustible ofrece serias ventajas respecto a las baterías convencionales, tales como el incremento del tiempo de operación, la reducción del peso y la facilidad de recarga. Para este tipo de aplicaciones como ordenadores portátiles, teléfonos móviles y videocámaras, será necesario considerar los siguientes parámetros que deben darse en las pilas: • • • Baja la temperatura de operación, Disponibilidad de combustible Activación rápida. En este punto, la investigación se centra en dos tipos de pilas: las pilas de membrana polimérica (PEM) y las pilas de combustible de metanol directo (DMFC). Museo de las Ciencias de CLM 29 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 El uso de metanol en las DMFCs ofrece una gran ventaja sobre las baterías sólidas en cuanto a la recarga con el combustible en lugar de la utilización de una carga eléctrica externa durante largos periodos de tiempo. Las desventajas actuales son relativas al coste del catalizador de platino necesario para convertir el metanol en dióxido de carbono y energía eléctrica a bajas temperaturas y baja densidad energética. Si se logran superar dichos inconvenientes, entonces no habrá dificultad para que se promuevan este tipo de pilas. Se han efectuado ensayos de DMFC en Estados Unidos para el suministro energético a teléfonos móviles, mientras que los ensayos en ordenadores portátiles se han desarrollado en Alemania. Abastecimiento energético en viviendas Las dificultades técnicas a la hora de diseñar las pilas de combustibles se simplifican en las aplicaciones estáticas. La mayoría de las pilas de combustibles comercializadas, si no todas, son inmóviles y trabajan a gran escala (generando más de 50 kW de energía eléctrica). Hay, sin embargo, un potencial significativo para unidades menores para aplicaciones en viviendas(menores que 50 kW). Todo el calor y los requerimientos energéticos de residencias privadas o pequeños negocios podrían servirse de pilas de membrana polimérica (PEM) ó de ácido fosfórico (PAFC). Actualmente, estas unidades no se encuentran fácilmente disponibles. Sólo existen algunos casos en los Estados Unidos, Japón y Alemania de pilas de membrana polimérica (PEM). Este tipo de pilas ofrecen una mayor densidad energética respecto a las PAFC, pero éstas pueden ser más eficientes y su fabricación actualmente es más económica. Las unidades podrían abastecer a casas independientes o grupos de viviendas y podrían diseñarse para satisfacer todas las necesidades energéticas de los habitantes. Para permitir un arranque inicial de esta tecnología, se pueden emplear redes de distribución de gas natural que será la fuente para obtener el combustible de hidrógeno. Sin embargo, los fabricantes pronostican fuentes alternativas de combustible para poder así reducir aún más las emisiones y encontrar nuevos huecos en el mercado. La última incorporación dentro del mercado estacionario de pilas de combustible es la General Motors, que desarrolló una unidad en agosto de 2001. Misiones espaciales La necesidad del gobierno estadounidense de identificar una energía de confianza y segura que sirviera como fuente de abastecimiento para misiones espaciales tripuladas a finales de los 50 y principios de los 60, proporcionó el ímpetu y la ayuda para el avance considerable de la industria de pilas de combustible. La combinación de su peso ligero, el aporte de electricidad y calor sin ruidos significativos y vibraciones y con la ventaja añadida de la producción de agua potable, otorgaron a las pilas de combustibles ventajas considerables con respecto a otras fuentes de energía alternativas. Museo de las Ciencias de CLM 30 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 La pila de combustible Grubb-Niedrach producida por General Electric fue la primera usada por la NASA para suministrar energía al proyecto espacial Gemini. Este fue el primer uso comercial de las celdas de combustible. La compañía aeroespacial Pratt & Whitney ganó el contrato para el suministro de pilas de combustible al programa Apolo desde principios de los 60. Las celdas de combustible de Pratt & Whitney se basaban en las modificaciones de las patentes de Bacon del modelo de pilas alcalinas. Estas pilas de combustible que operan a baja temperatura son las más eficientes. Con tres unidades capaces de producir 1.5 kW, o 2.2 kW durante cortos periodos de tiempo, operando en paralelo. Pesando alrededor de 114 kg por unidad y alimentadas por hidrógeno criogenizado y oxígeno, lograron soportar 10.000 horas de funcionamiento durante 18 misiones espaciales sin que hubiera ningún incidente a bordo. International Fuel Cells (IFC), una compañía hermana de Pratt & Whitney, ha seguido con el suministro de pilas de combustible alcalinas a la NASA para su empleo en transbordadores espaciales desde el comienzo del programa en los 80. Todos los requerimientos eléctricos han sido paliados mediante tres pilas de combustible de 12 kW. No existen baterías de seguridad. El desarrollo técnico que ha continuado el IFC ha hecho que las pilas de combustible que usan los transbordadores espaciales puedan actualmente abastecer unas diez veces la energía que proporcionaban unidades similares usadas en la nave Apolo. Utilizando como combustible hidrógeno criogenizado y oxígeno, las celdas son 70 % más eficientes y pueden completar 80.000 horas de funcionamiento en más de 100 misiones. Generación de energía a gran escala Actualmente, el mercado más desarrollado de las pilas de combustible está presente en fuentes estacionarias de electricidad y calor. La eficacia y el volumen reducido de emisiones respecto a los dispositivos que emplean combustibles fósiles tradicionales, hacen de la tecnología de las pilas de combustible una atractiva opción para los usuarios. Operando a temperaturas por debajo de los 80 °C, las pilas de combustible pueden ser instaladas en cualquier vivienda privada además de poder satisfacer las necesidades energéticas de los procesos industriales. Hasta ahora, los fabricantes de células de combustible se han centrado en aplicaciones no residenciales. International Fuel Cells, el único suministrador a nivel comercial de pilas de combustible, ha instalado más 200 pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) en diversos lugares, incluyendo escuelas, bloques de oficinas e instalaciones bancarias. En el futuro, las pilas de combustible que operan a altas temperaturas, como de carbonato fundido (MCFC) y de óxido sólido (SOFC), podrían adaptarse a aplicaciones industriales y generar energía a gran escala (megawatios). Operando a temperaturas entre 600-1100 °C estas pilas de combustible "de altas temperaturas" pueden tolerar una fuente de hidrógeno contaminada, por ello pueden emplear gas natural no reformado, gasoil o gasolina. Además, el calor generado puede ser usado para producir electricidad adicional mediante turbinas de vapor. Museo de las Ciencias de CLM 31 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 Transporte La legislación ambiental, cada vez más, fuerza a los fabricantes de automóviles a sustituir aquellos vehículos que produzcan gran cantidad de emisiones contaminantes. La tecnología de pilas de combustible ofrece una oportunidad tangible para alcanzar este requerimiento. Investigaciones llevadas a cabo en el Pembina Institute for Appropriate Design de Alberta (Canadá), han mostrado que la cantidad de dióxido de carbono procedente de un coche pequeño puede reducirse hasta en un 72 % cuando se emplea una pila de combustible de hidrógeno obtenido a partir de gas natural en lugar de un motor de combustión interna de gasolina. Sin embargo, si las pilas de combustible reemplazan a los motores de combustión interna, la tecnología deberá no sólo satisfacer la estricta legislación sobre emisiones, también aportarán soluciones para el transporte. Las pilas de combustible que utilicen los vehículos serán capaces de alcanzar las temperaturas operativas con rapidez, proveer una economía competitiva de combustible y ofrecer unas prestaciones aceptables. Las pilas de membrana polimérica (PEM) son las más adecuadas para cumplir estos requerimientos. Con una baja temperatura de funcionamiento, alrededor de 80 °C, las PEM pueden alcanzar rápidamente la temperatura operativa. Estas pilas pueden ofrecer una eficacia superior al 60 % comparada con el 25 % que se consigue con los motores de combustión interna. Investigaciones efectuadas en el Pembina Institute indican que los vehículos que emplean metanol como combustible pueden alcanzar eficiencias de 1.76 veces las de vehículos impulsados por un motor de combustión de gasolina. Las pilas de combustible PEM tienen además la mayor densidad energética de entre todas las actuales pilas de combustible, un factor crucial a la hora de considerar el diseño de vehículos. Además, el electrolito polimérico sólido ayuda para minimizar la corrosión y evitar problemas de gestión. Un posible inconveniente es la calidad del combustible. Para evitar el envenenamiento catalítico a esta baja temperatura de funcionamiento, las pilas PEM necesitan hidrógeno no contaminado como combustible. La mayoría de los fabricantes de automóviles ven las pilas PEM como sucesoras de los motores de combustión interna. General Motors, Ford, DaimlerChrysler, Toyota, Honda entre otros, disponen de prototipos con esta tecnología. Los ensayos en carretera han sido positivos empleando distintos vehículos y lugares. Se han realizado con éxito ensayos en autobuses impulsados con pilas PEM en Vancouver y Chicago. Se están llevando a cabo experiencias similares en distintas ciudades de Alemania junto con otras diez ciudades europeas incluida Madrid. Actualmente, el problema principal para impulsar esta tecnología en el sector del transporte reside en el elevado coste de fabricación, la calidad del combustible y el tamaño de la unidad. Las investigación realizada en este ámbito, parece que ha optado por emplear metanol como fuente de combustible y utilizar el oxígeno del aire. Este hecho podría eliminar el proceso de reformado del combustible. Se estima que en unos 30 años, los parques automovilísticos de los países desarrollados (actualmente con más de 750 millones de unidades incluyendo turismos, autobuses y camiones) contarán con mas vehículos con motor eléctrico alimentado por pila de combustible que con motor de combustión interna. Museo de las Ciencias de CLM 32 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 FUTURO La World Meteorological Organization (WMO) y la United Nations Environment Programme (UNEP) han creado el Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), cuyo objetivo principal es el estudio del cambio climático. Este comité ha destacado al hidrógeno y a las pilas de combustible como factores clave para controlar las emisiones de gases de efecto invernadero. Esta tecnología está mejorando de forma vertiginosa y generando gran expectación entre científicos y empresarios por su potencial de no emisión de dióxido de carbono (CO2) y la revolución que supondría para la economía global. Sin embargo, los automóviles con celdas de combustible todavía no se están comercializando en gran escala por fundamentalmente por el alto coste de estos vehículos. Los planes de infraestructura también requieren atención a la hora de construir estaciones de servicio para repostar combustible a lo largo de toda la geografía. En octubre de 2002 se creó el Grupo de alto nivel sobre el hidrógeno y las pilas de combustible. A este grupo, se le encargó que redactase el documento: La energía del hidrógeno y las pilas de combustible. En dicho documento se deberían de reflejar las actividades de investigación y de tipo no técnico necesarias para pasar de la actual economía basada en la energía de los combustibles fósiles a una futura economía sostenible orientada al hidrógeno con convertidores de energía de pilas de combustible. En este informe se forjan una serie de pautas para realizar una planificación estratégica futura y recomendaciones para profundizar los esfuerzos en investigación, desarrollo de las tecnologías del hidrógeno y de las pilas de combustible con el fin de allanar el camino hacia una economía del hidrógeno sostenible. Ford, Daimler-Chrysler, Honda, General Motors y Toyota son algunas de las grandes compañías que trabajan intensamente para la obtención de vehículos de emisión cero impulsados por pilas de combustible. Se ha previsto una producción a escala industrial de vehículos dentro del periodo 2008-2010. Tanto en el ámbito nacional, el Plan Nacional de I+D+I 2004-2007 , como en el europeo a través del VI Programa Marco, se hace una clara referencia a la tecnología de las pilas de combustible como acciones estratégicas futuras. Un informe del consultor financiero Pricewaterhouse Coopers predijo que la industria de pilas de combustibles supondrá un valor de 46.000 millones de dólares (unos 61.000 millones de euros) a nivel mundial en el año 2011. Se ha estimado además que para el año 2020 el mercado potencial de pilas de combustible será de 145.000 millones de dólares (unos 193.000 millones de euros) y se crearán 15.000 empleos por cada mil millones de dólares demandados en esta tecnología. Islandia es el país que más esfuerzos realiza para constiturse en la primera economía de hidrógeno del mundo. De hecho, planea producir, en una primera fase, hidrógeno a partir de agua y abastecer así a todo el país y en el futuro convertirse en exportador. Además ha realizado una enorme inversión para que todo el transporte público se propulse por medio de este combustible. Museo de las Ciencias de CLM 33 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 VENTAJAS E INCONVENIENTES Ventajas • Beneficios medioambientales : o a) Altas eficiencias en la utilización del combustible. El hecho de la conversión directa del combustible a energía a través de una reacción electroquímica, hace que las pilas de combustible puedan producir más energía con la misma cantidad de combustible si lo comparamos con una combustión tradicional. El proceso directo hace que las eficiencias puedan alcanzar entre 30% y 90%, dependiendo del sistema de pila de combustible y además se puede emplear el calor adicional producido. La generación de energía basada en la combustión convierte previamente el combustible en calor, limitándose el proceso a la ley de Carnot de la Termodinámica y después a energía mecánica, la cual produce movimiento o conduce a que las turbinas produzcan energía. Los pasos adicionales implicados en la combustión hacen que la energía escape en forma de calor, fricción y otras pérdidas de conversión, provocando una disminución de la eficiencia del proceso global. Las pilas de combustible al no ser máquinas térmicas, su rendimiento no se limita por el ciclo de Carnot y se puede alcanzar teóricamente el 100%. Únicamente las limitaciones en el aprovechamiento de la energía generada y en los materiales empleados en su construcción impiden alcanzar este valor. o b) Emisión cero de contaminantes. Cuando el combustible es hidrógeno, los productos obtenidos en la reacción electroquímica catalizada de la pila de combustible entre el hidrógeno y el oxígeno son agua, calor y electricidad, en lugar de dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre y otras partículas inherentes a la combustión de combustibles fósiles. Para extraer hidrógeno puro, los combustibles fósiles deben pasar primero por un reformador. En este proceso las emisiones de dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre y otros contaminantes, son solamente una fracción de aquellos producidos en la combustión de la misma cantidad de combustible. o c) Reducción del peligro medioambiental inherente de las industrias extractivas. Las pilas de combustible no producen el deterioro ambiental asociado a la extracción de combustibles fósiles de la Tierra cuando el hidrógeno es producido a partir de fuentes renovables. Si se produce un escape de hidrógeno, éste se evaporará de forma instantánea debido a que es más ligero que el aire. Esta sería una solución para paliar el dramático legado que ha sido dejado en nuestro planeta debido a las perforaciones petrolíferas, el transporte, el refino y los productos de deshecho asociados. o d) Funcionamiento silencioso. Al carecer de partes móviles, se ha estimado que el nivel de ruido a 30 metros de una pila de combustible de Museo de las Ciencias de CLM 34 Laboratorio Móvil • • Ciencia en Ruta 2011 tamaño medio es únicamente de 55 decibelios. Es por ello que podrían usarse pilas de combustible en recintos urbanos. Beneficios en la ingeniería de pilas de combustible o a) Admisión de diversos combustibles. Cualquier combustible si incluye hidrógeno en su composición puede ser reformado. Pueden emplearse para este proceso por ejemplo gas natural, carbón gasificado, gasóleo o metanol. o b) Altas densidades energéticas. La cantidad de energía que puede generar una pila de combustible con un volumen determinado es normalmente dada en kWh/litro. Estos números continúan aumentando conforme se realizan nuevas investigaciones y desarrollos asociados de los productos respectivos. o c) Bajas temperaturas y presiones de operación. Las pilas de combustible dependiendo del tipo de éstas, operan desde 80 ºC a más de 1000 ºC. Estos números parecen ser altos, pero tenemos que pensar que la temperatura dentro de los vehículos con motores de combustión interna pueden alcanzar más de 2.300 ºC. o d) Flexibilidad de emplazamiento. Las celdas de combustible, con su inherente operatividad sin ruidos, emisión cero y requerimientos mínimos, pueden ser instaladas en multitud de lugares, de interior o exterior, residenciales, industriales o comerciales. o e) Capacidad de cogeneración. Cuando se captura el calor residual generado por la reacción electroquímica de la pila de combustible, éste puede emplearse por ejemplo para calentar de agua o en aplicaciones espaciales para calentar la nave. Con las capacidades de cogeneración, la eficiencia de una pila de combustible puede alcanzar el 90 %. o f) Rápida respuesta a variaciones de carga. Para recibir energía adicional de la celda de combustible, se debe introducir más combustible en el sistema. La respuesta de la carga en la celda es análoga a la presión que realicemos en el acelerador de nuestro vehículo, a más combustible, más energía. o g) Carácter modular. La construcción modular supone una menor dependencia de la economía de escala. La disponibilidad de las pilas de combustible como módulos independientes supone una ventaja adicional, ya que un cambio de escala ?en la potencia requerida se consigue fácilmente mediante la interconexión de módulos o h) Simplicidad del dispositivo. Las pilas de combustible carecen de partes móviles. La falta de movimiento permite un diseño más simple, una mayor fiabilidad y operatividad y un sistema que es menos propenso a estropearse. Seguridad energética El hidrógeno usado como combustible en las pilas de combustible puede ser producido a nivel doméstico a través del reformado de gas natural, electrólisis del agua o fuentes renovables como eólica o fotovoltaica. La generación de energía a este nivel evita la dependencia de fuentes extranjeras que pueden localizarse en regiones del Mundo inestables. El rápido consumo de los combustibles fósiles que la sociedad moderna requiere Museo de las Ciencias de CLM 35 Laboratorio Móvil Ciencia en Ruta 2011 para el estado de vida actual está acabando con un recurso limitado. La utilización del hidrógeno, el elemento más abundante en el Universo, es ilimitada. La transición hacia una economía del hidrógeno es posible y evitaría los problemas asociados al agotamiento del petróleo. • Independencia de la red de suministro energético • Un sistema de celdas de combustible residencial, permite una independencia a sus habitantes respecto a la red de suministro eléctrico, la cual puede tener irregularidades. Una de éstas, serían los cortes de corriente que pueden causar daños importantes a sistemas informáticos, a equipamientos electrónicos y en general a la calidad de vida de las personas. Pilas de combustible frente a baterías tradicionales Las celdas de combustible ofrecen una reducción en el peso y en el tamaño para la misma cantidad de energía disponible respecto a las baterías tradicionales.. Para incrementar la energía en una pila de combustible, simplemente debe introducirse más cantidad de combustible en el dispositivo. Para aumentar la energía de una batería, se deben adicionar más baterías viéndose incrementado el coste, el peso y la complejidad del sistema. Una pila de combustible nunca se agota, mientras haya combustible continúa produciendo electricidad. Cuando una batería se agota debe experimentar un largo e inconveniente tiempo de recarga para reemplazar la electricidad gastada. Dependiendo de donde se genere la electricidad, la contaminación, los costes y los problemas en cuanto a la eficiencia se transfieren desde el emplazamiento de las baterías a la planta generadora central.. Desventajas • • • • • • • • La producción del hidrógeno resulta muy costosa al no ser éste una fuente primaria La obtención del hidrógeno puro supone un precio elevado Alto coste destinado a los sistemas de almacenamiento y suministro (de hidrógeno, metanol o gas natural) Alto peso de pilas de combustible para los prototipos actuales Elevado gasto energético para licuar el hidrógeno La producción de algunos componentes, al no efectuarse a gran escala, implica un coste elevado. Se estima que un coche con pila de combustible cuesta un 30 % más que uno de gasolina o diesel con prestaciones similares Tecnología emergente. Determinados problemas aún no resueltos afectan al funcionamiento de las pilas de combustible, especialmente en lo que respecta a su vida útil, lo que repercute en su comercialización Al tratarse de una tecnología en desarrollo y contar todavía con una baja demanda de unidades, su precio no puede, hoy en día, competir con el de las tecnologías convencionales. Es de esperar que, conforme la demanda se incremente, los precios se vayan equiparando Museo de las Ciencias de CLM 36 Laboratorio Móvil • Ciencia en Ruta 2011 Sensibilidad hacia los venenos catalíticos. Los electrodos empleados incorporan catalizadores para favorecer el desarrollo de las reacciones electroquímicas. El contacto de estas sustancias con los llamados venenos catalíticos, tales como el monóxido de azufre u otros compuestos de azufre, o el monóxido de carbono provocan su inactivación irreversible. En la actualidad se está estudiando la sustitución de estos catalizadores por materiales más resistentes Fuente: Tecnociencia Museo de las Ciencias de CLM 37
