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Anexo XII. COTEC Energía

Anexo Técnico XII

Vectores Energéticos y Pilas de CombustiblePablo León

INDICE

1. Introducción 12. Desarrollo de la Pila de Combustible 23. Base Teórica de la Pila de Combustible y Sistema de Generación 44.Tecnología de las Pilas de Combustible 65. Ventajas y Desventajas de las Pilas de Combustible para la Gen. de Elect. 166. Aplicaciones de las Pilas de Combustible. 187. Situación Tecnológica Actual 198. Métodos de Obtención del Hidrógeno 239- Conclusiones 25

Anexo XII. COTEC Energía1

ANEXO XII

Vectores Energéticos y Pilas de Combustible.

1. Introducción

En la actualidad, se consume anualmente en el mundo unas 8500 toneladas equivalentes de

petróleo. El 90% pasa por procesos de combustión química, lo que da lugar a la producción de CO2

(entre otros productos contaminantes), uno de los principales culpables del efecto invernadero.

Aunque no está todavía demostrado el efecto final en la climatología de la emisión de CO2 a la

atmósfera, sí parece claro que su emisión debido a la actividad humana supone un cambio en las

condiciones iniciales del problema (aunque conviene no olvidar las glaciaciones que han existido a

lo largo de los tiempos sin ninguna intervención humana.) Con todo ello, el protocolo de Kyoto,

recientemente refrendado por la mayoría de los países (aunque con la ausencia grave de EEUU),

establece una clara línea a seguir consistente en la disminución de la tasa de emisión de CO2 a la

atmósfera. Si bien es cierto que la industria automovilística es una de las principales culpables de

estas emisiones, la producción de energía contribuye al problema de forma importante. Desde el

punto de vista de la generación de electricidad, se pretende aumentar los rendimientos de los

sistemas de producción para disminuir las emisiones por kWh generado, aumentando el rendimiento

de la planta, utilizando combustibles con baja relación carbono/hidrógeno como el gas natural, o

utilizando sistemas que obtengan electricidad sin utilizar compuestos derivados del petróleo.

Una de estas tecnologías que permiten incrementar los rendimientos y por lo tanto disminuir las

tasas de emisión por kWh de electricidad generado son las pilas de combustible, que comienzan a

tener un desarrollo importante en la producción de electricodad a pequeña y gran escala. Estas pilas

de combustible funcionan con Hidrógeno, que debe ser obtenido mediante algún proceso debido

a que no se encuentra de forma aislada en la Naturaleza. De esta forma, el producto residual de las

pilas de combustible es simplemente agua, lo que da idea de las importantes ventajas que su uso

puede tener tanto en el mercado de automoción (que no es objetivo de este estudio) como en el

mercado de la producción de energía. Es importante notar que la obtención del Hidrógeno, al no

encontrarse de forma asilada en la Naturaleza, supone una inversión de energía, para extraer las

moléculas de Hidrógeno aisladas del compuesto en que se encuentre (ya sea del oxígeno en el


agua, del carbono en los hidrocarburos, etc.) Es decir, el Hidrógeno no es una fuente de energía por

sí mismo, sino que es lo que se denomina un vector energético. Hay que realizar una cierta

inversión de energía para producir Hidrógeno utilizable en otras actividades energéticas (ya sea la

producción de energía eléctrica, la automoción, etc.) Como se comentará en los apartados

posteriores, la producción de Hidrógeno para alimentar las pilas de combustible puede tener

distintas fuentes, aunque en la actualidad la que más se está utilizando es la obtención mediante

reformado de hidrocarburos (gas natural o metanol), lo que significa una emisión (aunque menor) de

gases de efecto invernadero.

2. Desarrollo de la Pila de Combustible.

La Pila de Combustible produce electricidad mediante reacciones químicas. Existen tres tipos de

generadores de electricidad a partir de estas reacciones. El primer grupo se denomina de baterías

primarias (como las pilas secas en un transistor), cuyos reactantes se encuentran en el interior de la

pila y no son reemplazados (tienen una vida útil marcada por la duración del combustible.) El

segundo sería el mismo tipo, pero con un funcionamiento reversible (baterías de teléfonos móviles),

y el tercero sería aquel donde los reactantes son suministrados desde el exterior y de forma

continua para la producción de energía eléctrica (es a este último grupo donde pertenecen las pilas

de combustible.) En 1838, Christian Friederich Schoenbein, catedrático de la Universidad de

Basilea, envió a Michael Faraday una carta en la cual mencionaba experimentos donde se

demostraba que un electrolito ácido era capaz de generar corriente eléctrica a partir de Hidrógeno y

Oxígeno sin que los electrodos de platino sufriesen cambios físicos. En 1839, Sir William Robert

Grove, un juez Galés y honorable científico, descubrió que el proceso descrito por Schoenbein no

era más que el proceso inverso de la electrólisis del agua descubierto por Nicholson y Carlisle, y

fue el primero que reconoció su potencial como generador de electricidad. La pila, bautizada como

pila de gas, disponía de electrodos de platino poroso y ácido sulfúrico como electrolito, y se obtenía

una corriente eléctrica a partir de la reacción electroquímica del gas de hidrógeno y el gas de

oxígeno produciendo agua Años más tarde, William White Jaques acuñó el término de pila de

combustible (fuel cell), utilizando ácido fosfórico como electrolito. En 1894, Wilhelm Ostwald formuló

teóricamente los principios termodinámicos que gobiernan las pilas de combustible, estudios que

fueron ampliados posteriormente por su discípulos Svante A. Arrenihius y Walter H. Nerst. En 1920,

comenzó el Alemania el estudio de otros electrolitos a utilizar en las pilas de combustible, dando


lugar al desarrollo inicial de las pilas de carbonatos fundidos y de óxidos sólidos. Desde este año, el

interés de las pilas de combustible decreció sensiblemente ante el auge de la producción de energía

eléctrica en sistemas centralizados utilizando los combustibles fósiles como materia prima. No fue

hasta la década de los 60 cuando la Nasa lanzó de nuevo el uso de pilas de combustible para su

aplicación aeroespacial. La función de las pilas fue la de abastecer de agua y electricidad a los

transbordadores espaciales Apollo y a los STS Shuttle Orbiters. Esta pila de combustible se basó en

el diseño del Dr. Bacon, que consiste en la sustitución del electrolito ácido de la Pila de Grove por

uno alcalino (Hidróxido de Potasio al 45% a alta presión), el cual no es tan corrosivo como el ácido

dando menores problemas de funcionamiento. El esquema de la pila de Bacon viene dado en la

figura 1.

Figura 1.- Esquema de la pila de Bacon. (fuente Energuía, Mayo 2000)

El problema de las Pilas de Combustible Alcalinas

(electrolito alcalino) consistía en que no era posible

su uso en aplicaciones terrestres, al no poder operar

con aire atmosférico, sino con Hidrógeno y Oxígeno

puros. El CO2 del aire reaccionaba con el electrolito dando lugar a carbonato potásico. Además, el

uso de hidrógeno puro para su funcionamiento limitaba enormemente su utilización a gran escala.

Para aplicaciones terrestres, en los años 60 y en paralelo con los estudios de la NASA se

comenzaron a estudiar las Pilas de Combustible de Ácido Fosfórico y de Óxido Sólido, que

serán estudiadas en apartados posteriores, y las pilas de Carbonatos Fundidos. Todas ellas

presentan la ventaja de poder utilizar el oxígeno del aire, pero varían de unas a otras en función de

la pureza de hidrógeno que necesita para su funcionamiento. Paralelamente, Len Niedrach y Tom

Grubb utilizaron membranas de intercambio iónico en Pilas de Combustible denominadas de

Polímero Catiónico, conocidas también como Pilas de Combustible de Polímeros Sólidos, que

fueron utilizadas en los vehículos del programa espacial Géminis. Este último tipo de Pilas de

Combustible, debido a su baja temperatura de operación (menos de 100ºC) y a su bajo impacto

ambiental, son las idóneas para el desarrollo de la futura industria de automoción. En la década

de los 90 se han desarrollado prototipos de vehículos que incluyen este tipo de Pilas.


3. Base Teórica de la Pila de Combustible y Sistema de Generación.

Las Pilas de Combustible son máquinas electroquímicas que generan electricidad directamente a

partir de la energía liberada de la reacción química. A temperatura y presión constante, el fenómeno

está gobernado por la ecuación de Faraday:

∆∆G = ∆∆H-T∆∆S = -n⋅⋅F⋅⋅E

Siendo G la energía libre, H la entalpía, T la temperatura absoluta (grados Kelvin), S la entropía, n el

número de electrones intercambiados en la reacción, F la constante de Faraday, E la f.e.m. de la

pila. La variación total de la entalpía de la reacción se traduce en dos efectos, el primero la

generación de energía eléctrica (n⋅F⋅E) y el segundo un intercambio de calor con el entorno (T⋅∆S.)

Al no ser máquinas térmicas, la conversión de energía química a electricidad no se encuentra

limitada por el ciclo de Carnot, por lo que en teoría la eficiencia de la pila podría alcanzar el 100%.

Para el caso de la Oxidación del Hidrógeno, se obtienen los siguientes valores teóricos:

∆∆H = -241,8 kJ/mol

∆∆G = -228,4 kJ/mol

La eficiencia teórica de la conversión es por lo tanto del 94%. En la práctica, diversas

irreversibilidades (el proceso no se puede realizar en un tiempo infinito y completamente reversible,

puesto que la potencia eléctrica en este caso sería nula) reducen considerablemente esta eficiencia

teórica, dando lugar a calor que puede ser utilizado posteriormente. Sin embargo, las eficiencias

alcanzadas son mayores en general al de los procesos de producción de energía eléctrica

convencional. El esquema de funcionamiento de una celda de combustible convencional viene

descrito por la figura 2.

Un sistema generador de pilas de combustible está formado por una sucesión de celdas como la

indicada en la figura (para poder multiplicar la potencia eléctrica generada por una única celda),

compuestas de un ánodo, un cátodo y un electrolito. La diferencia entre los distintos tipos de

celda se fundamenta en la elección del electrolito, como se verá posteriormente en la clasificación,

aunque la elección del material que forma el ánodo y el cátodo también será diferente según sea el

modelo de celda de combustible. Entre las distintas celdas que forman una pila se sitúan placas de

separación, que sirven como colectores de corriente.


Figura 2.- Funcionamiento de una celda de combustible. (fuente dodfuelcell)

Parra su utilización como generador de energía eléctrica estático, además de la pila de combustible,

que es el generador propiamente dicho de la electricidad, el sistema total debe contener los

diferentes subsistemas representados en la figura 3.

Figura 3.- Sistemas de un Generador de electricidad basado en Pilas de combustible. (fuente

dodfuelcell)


En primer lugar, se necesita un procesamiento del combustible para la obtención de hidrógeno. Ya

se ha comentado anteriormente que el hidrógeno no existe de forma aislada en la naturaleza, sino

que aparece formando compuestos. Para poder utilizarlo como combustible en la celda, existe un

sistema de procesamiento del combustible (Fuel Processor) para su obtención. En un apartado

posterior se ahondará en el estudio de sistemas para la generación de hidrógeno, aunque

conviene resaltar que en la actualidad el hidrógeno se obtiene de hidrocarburos (y en especial del

gas natural) para su aplicación en Pilas de Combustible. No todas las pilas necesitarán de este

sistema, ya que en aplicaciones de alta temperatura se extrae de forma directa el Hidrógeno del

combustible. En segundo lugar, el sistema de potencia formada por la pila de combustible, donde

se genera la potencia eléctrica (Power Section), con la entrada de un flujo rico en hidrógeno y del

aire, y la salida de calor y agua (reutilizable en procesos de energía o para una posterior generación

eléctrica por medios convencionales), y de corriente eléctrica en forma de corriente continua. El

calor y el agua resultantes deben ser recogidos por un sistema de recuperación de calor, que

recupera la energía térmica útil mediante un “ciclo de cola” o sistema de cogeneración, dependiendo

de su aplicación posterior. Puesto que la electricidad que se puede verter a la red tiene que ser en

forma de corriente alterna, otro de los sistemas necesarios es un sistema acondicionador de

potencia o inversor, que convierte la corriente continua en alterna (Power Conditioner.) El

rendimiento de este sistema es muy alto, cercano al 95%. Por último, un sistema muy necesario en

plantas de cogeneración con pilas de combustible es el sistema de control o gestor del sistema.

Este sistema debe responder a los diferentes modos de operación, parada, arranque, variaciones

ante la demanda de energía, etc, de forma que optimice la eficiencia del proceso garantizando la

calidad final del producto (energía eléctrica y calor), la fiabilidad del suministro (proceso), y la

adecuada alimentación de energía primaria (rendimiento y eficiencia.)

4. Tecnología de las Pilas de Combustible.

El uso de Pilas de Combustible en el mercado de la generación eléctrica se encuentra en la

actualidad en situación de desarrollo. Con la excepción de algunas plantas de generación ya en

funcionamiento (unas 150 a nivel mundial), el resto de sistemas de generación no pasan de ser

prototipos, en los que se estudio la física del sistema, la problemática asociada y la forma de

solventar los problemas que aparecen durante el funcionamiento. En la actualidad existen seis tipos

de tecnologías diferentes de Pilas de Combustible, cuya diferencia estriba en el tipo de electrolito


utilizado, lo que da lugar a su vez a diferentes temperaturas de funcionamiento, distintos métodos

de obtención de hidrógeno, etc. Estas tecnologías se incluyen en la tabla 1.

Tabla 1.- Tipos de Tecnologías de Pila de Combustible.

Denominación Eficiencia Temperatura de

Funcionamiento (ºC)

Electrolito Combustible

Alcalinas (AFC) 50-65% < 120 KOH H2 Puro

Polímeros Sólidos (PEMFC) 45-55% < 100 Membrana Gas Síntesis

Pilas de Metanol (DMFC) 40% 120 Membrana Metanol

Ácido Fosfórico (PAFC) 40% 200 PO4H3 H2 de Gas

Carbonatos Fundidos (MCFC) 55-65% 650 CO3Li2+CO3K2 Gas Síntesis

Óxidos Sólidos (SOFC) 45-60% 900 O2Zr Gas Síntesis

A continuación se detallan cada una de las tecnologías.

1.- Pilas de Combustible Alcalinas (AFC). El electrolito consiste en una solución de un 35-40% en

peso del Hidróxido de Potasio (KOH) en agua. En aplicaciones energéticas o estacionarias el

electrolito se encuentra en recirculación, actuando como refrigerante. Los electrodos están

separados por una membrana de amianto. Las reacciones que se dan en el ánodo y en el cátodo

son las siguientes:

Ánodo: 2H2 + 4OH- 4H2O + 4e-

Cátodo: O2 + 2H2O + 4e- 4OH-

Figura 4.- Funcionamiento de una Pila de Combustible Alcalina (AFC.) (Fuente: Grupo de Pilas

de Combustibles de Canarias)

KOH


En cuanto a los electrodos utilizados, el modelo actual de ZEVCO utiliza una mezcla de carbono

activado y PTFE en sus electrodos, en donde una pequeña cantidad de platino actúa como

catalizador. Los electrodos están vinculados a una malla de Níquel como colector de corriente, con

un esqueleto de plástico moldeado actuando como manefold de gas, agua y electrolito. La eficiencia

de estas pilas se acerca al 63% para conversión de energía eléctrica utilizando oxígeno e hidrógeno

puros. Si se utiliza aire en lugar de oxígeno puro, la eficiencia baja al 50%, pero se produce una

mejora tanto en los costes como en la seguridad del sistema. Sin embargo, existe riesgo de

formación de carbonato en el electrolito en presencia de CO2. Esta pila funciona únicamente con

Hidrógeno puro. La más leve impureza provoca daños en la pila. Esto hace que la aplicación de esta

pila a la producción eléctrica sea menor que la de las siguientes pilas que se verán a continuación,

aunque como se verá posteriormente es una de las tecnologías más baratas y puede ser utilizable

en la generación distribuida (pequeño comercio y sector residencial), donde las potencias

necesarias no son tan altas como en el caso de producción eléctrica a gran escala, aunque es

cierto que la tecnología es muy cara comparadas con otras con las mismas características.

En la actualidad estas Pilas tienen una temperatura de trabajo de 60 a 90ºC, aunque en un principio

las temperaturas de operación eran más elevadas. Esto permite el uso del agua que aparece como

producto de la reacción en aplicaciones como calefacción, agua caliente sanitaria y aire

acondicionado en el caso de la trigeneración. Los aumentos en concentración de KOH dan lugar a

incrementos en el rendimiento a temperaturas más elevadas, y el incremento de la presión en la pila

da lugar a una mayor densidad de potencia y a una reducción del volumen, aunque por supuesto

todo ello lleve parejo un incremento en los costes de operación.

2.- Pilas de Combustible de Polímeros Sólidos (PEMFC.) Utilizan una membrana de Polímeros

con un componente ácido como electrolito. El material básico de esta membrana es un polímero

fluorocarbonado similar al Teflón, que contiene grupos de ácidos con protones libres que pueden

migrar a través del material. De esta forma la membrana permite el paso de iones Hidrógeno H+ a

través de ella, impidiendo el paso de los electrones. Los electrodos están compuestos normalmente

por un paño de base carbono, con un revestimiento hidrófobo y una pequeña cantidad de Platino

que actúa como catalizador tanto de las reacciones anódicas como catiónicas. En un principio la

cantidad de Platino presente en el revestimiento era bastante elevada (de 4 a 5 mg/cm2), aunque se

ha logrado reducir hasta niveles cercanos a los 0.2 mg/cm2.Los electrodos están sujetos a unas

hojas de placas bipolares (normalmente grafito) que actúan como conductor de gas y que son


resistentes a la corrosión (necesario al estar en un medio ácido.) Estas placas han sido costosas y

difíciles de fabricar hasta la fecha, aunque desarrollos recientes han conseguido disminuir estos

costes. Las reacciones que se dan en el ánodo y en el cátodo son las siguientes:

Ánodo: 2H2 4H+ + 4e -

Cátodo: O2 + 4H+ + 4e - 2H2O

Figura 5.- Funcionamiento de una Pila de Combustible de Polímeros Sólidos (PEMFC.)

(Fuente: Grupo de Pilas de Combustibles de Canarias)

La eficiencia de estas pilas ronda el 55% utilizando hidrógeno puro. Estas pilas pueden funcionar

también con gas reformado, abaratando mucho el coste de funcionamiento, pero la eficiencia se

reduce a valores entre el 45 y el 50%. Estas pilas se pueden contaminar con la presencia de

pequeñas impurezas en el gas de alimentación, causando un envenenamiento del platino del

catalizador. La presencia de Azufre, al igual que la de CO en pequeñas cantidades (100 ppm) son

los principales contribuidores del envenenamiento. La presencia de CO2 puede también generar

problemas debido a que impide la difusión del Hidrógeno a través del ánodo. Por todo ello, es

importante controlar la composición de gas a la entrada de la celda. La temperatura de

operación de estas pilas está cercana a los 80ºC, aunque un aumento hasta temperaturas de 130ºC

permite mejorar el comportamiento de la pila ante envenenamientos, aunque este aumento provoca

una evaporación del agua encargada de humedecer la membrana. Estas temperaturas de

funcionamiento permiten el uso del agua (que aparece como producto) en aplicaciones de

calefacción, agua caliente sanitaria y aire acondicionado en el caso de la refrigeración.

Membrana


Al igual que en el caso de las pilas alcalinas, un incremento en la presión de funcionamiento

provoca una mejora en la eficiencia, aunque incrementa los costes del conjunto. El incremento de

densidades de potencia en este tipo de pilas ha sido sustancial en estos últimos años, pasándose

de 100 W/kg hasta los valores actuales de 1000 W/kg (y valores similares por litro.)

Una importante ventaja del funcionamiento de esta pila es la capacidad de trabajar a cargas

parciales manteniendo una buena eficiencia, e incluso aumentando el mismo hasta valores del 50%.

Esto presenta una gran ventaja en el uso de estas pilas sobre las microturbinas de gas, que sufre un

decremento importante de la eficiencia a cargas parciales. Además, tienen un comportamiento

dinámico de forma que la pila PEM puede proporcionar toda su capacidad en menos de un segundo

y el 110 por ciento de su potencia durante unos 10 segundos. La Pila puede funcionar por lo tanto

como fuente de continuidad. Estas propiedades permite utilizarlas en vehículos, aunque este no es

el objetivo de este estudio.

3.- Pilas de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC.) Esta es el único modelo de pila que se va a

estudiar que se encuentra en un estado avanzado de comercialización. Su desarrollo comenzó en

los años 60 en los EEUU, recibiendo un fuerte apoyo institucional. El electrolito, como el nombre de

la pila indica, es Ácido Fosfórico (PO4H3.) A pesar de ser un componente ácido, es más fácil de

manejar que mucho ácidos inorgánicos como el sulfhídrico o el clorhídrico. Presenta una buena

estabilidad térmica por encima de los 150ºC, aunque al igual que todos los ácidos, requiere de un

catalizador para acelerar las reacciones cinéticas, siendo adecuado el empleo de metales nobles

que encarecen el coste. El electrolito se sustenta en un substrato de carbono de silicio soportado

con PTFE. Las reacciones que tienen lugar son las siguientes:

Ánodo: 2H2 4H+ + 4e -

Cátodo: O2 + 4H+ + 4e - 2H2O

Este tipo de pila presenta la ventaja de poder utilizar como combustible el gas de síntesis producido

por medio de un reformado de gas natural, que suele contener aproximadamente un 80% de

Hidrógeno y un 20% de Carbono. Los electrodos son de la misma naturaleza que los adoptados por

las pilas alcalinas: carbono activado para la reacción y como soporte, PTFE como capa hidrófoba

para separar los reactivos y algo de Platino actuando como catalizador de la reacción. La cantidad

de Platino utilizado ha disminuido drásticamente con el tiempo, desde 9 mg/cm2 inicialmente hasta


valores actuales de 0.1 a 0.5 mg/cm2. Los electrodos se separan unos de otros por medio de una

placa de carbón vítreo que permite la conducción eléctrica pero restringe la mezcla de los gases de

la reacción.

Figura 6.- Funcionamiento de una Pila de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC.) (Fuente:

Grupo de Pilas de Combustibles de Canarias)

Las pilas de combustible de ácido fosfórico suelen trabajar a temperaturas comprendidas entre los

180 y los 210 ºC, y para temperaturas por encima de los 190ºC resiste corrientes de entrada de

combustible con contenidos de hasta un 1% en CO. A pesar de que contenidos superiores pueden

provocar el envenenamiento del catalizador, el uso de tecnologías de reformado previene estas

situaciones. La eficiencia de estas pilas se suele situar en el 40%, aunque como la temperatura de

operación es suficientemente alta, se puede utilizar para producir vapor y turbinarlo en un sistema

similar a los del ciclo combinado, lo que da lugar a eficiencias en conversión a electricidad de

hasta el 80%. En cuanto a los efectos que provoca el aumento de presión en la pila, se produce un

incremento de potencia al aumentar la concentración de Oxígeno en el cátodo. Sin embargo, y al

igual que en los casos anteriores, esto provoca un incremento en la inversión, por lo que estrategias

de optimización deben ser analizadas.

4.- Pilas de Combustible de Metanol Directo (DMFC.) Esta Pila es una variante de la pila PEM, y

la diferencia principal se basa en la utilización de metanol como combustible de alimentación.

Se suele utilizar una mezcla de un 3% de metanol en agua como combustible y aire u oxígeno como

oxidante. Esto permite que no sea necesario la presencia del reformador en el sistema (para

PO4H3


alimentar de hidrógeno al sistema.) Las reacciones que se dan en el ánodo y en el cátodo son las

siguientes:

Ánodo: CH3OH+ H2O CO2 + 6H+ + 6e -

Cátodo: 3/2O2 + 6H+ + 6e- 3H2O

Reacción total en la celda: CH3OH+ 3/2O2 CO2 + 2H2O

Estas pilas funcionan a una temperatura ligeramente superior a las PEM, unos 120ºC, con una

eficiencia del 40%. Uno de los problemas es que la baja temperatura hace que se necesite una

mayor presencia de catalizador (Platino) lo que encarece el coste, aunque este incremento es

compensado con creces con el importante ahorro que supone la desaparición del sistema de

reformado de gas natural. Este tipo de celdas presenta una opción muy interesante para su

aplicación en automoción.

5.- Pilas de Combustible de Carbonatos Fundidos (MCFC.) Las pilas de Carbonatos Fundidos,

junto con las pilas de Óxidos Sólidos que veremos a continuación, entran dentro de un grupo de

Pilas de Combustible que se pueden denominar de alta temperatura (por encima de los 600 ºC.)

Este tipo de pilas presentan características que las hacen más idóneas para su utilización en

centros de producción de energía eléctrica, con aprovechamiento de altas temperaturas de

funcionamiento para cogeneración. El electrolito utilizado en estas pilas son carbonatos. Por encima

de los 600 ºC, estas sales aparecen fundidas, generando cationes de carbonatos que migran del

cátodo al ánodo. Las reacciones que tienen lugar en la celda son:

Ánodo: CO32- + H2 H2O + CO2 + 2e -

Cátodo: CO2+ 1/2O2 + 2e - CO32-

Que las temperaturas de operación sean tan altas posibilita la utilización directa de combustibles

ricos en hidrógeno. A tan alta temperatura, estos combustibles producen directamente

hidrógeno en el ánodo de la pila. Estos combustibles pueden ser gas natural, gas de refinería,

biogás procedente de la degradación biológica de residuos y otros combustibles gaseosos

procedentes de la gasificación del carbón. De esta forma, el combustible se alimenta

directamente al ánodo, donde se reforma debido a las altas temperaturas y de la capa de

catalizador existente. Por otra parte el cátodo se alimenta con el oxígeno del aire, donde se mezcla


con el CO2. El oxígeno del cátodo reacciona con el CO2 dando lugar a CO32- que migran hacia el

ánodo de la pila. En el ánodo, los cationes reaccionan con el Hidrógeno del combustible para

producir agua, CO2 y electrones. El CO2 producido en el ánodo se recircula al cátodo (cuestión que

debe ser objeto de investigación para la optimización del proceso)

El electrolito de carbonato se encuentra en forma de teja o matriz. Consiste en una mezcla de

polvos cerámicos y garantiza una estructura sólida, aunque no realiza ninguna función eléctrica o

electroquímica en las reacciones que tiene lugar dentro de la pila. Al aumentar la temperatura se

produce un estado plástico en la teja, que permite un sellado firme para el gas. El electrolito consiste

en una mezcla de carbonatos de metales alcalinos fundidos (litio-sodio o litio-potasio) que se

inmoviliza en el polvo cerámico. La distribución del electrolito en la matriz debe ser homogénea y no

debe caer por debajo de un determinado nivel, con el fin de evitar que el gas se desplace hacia

otros lugares, provocando un rápido deterioro de la pila. La gestión del electrolito (distribución

optimizada sobre los componentes de las distintas celdas) constituye pues un aspecto fundamental

en los sistemas de pilas de carbonatos fundidos, con el fin de optimizar el rendimiento e incrementar

el tiempo de vida del propio sistema. Esta gestión también requiere mejorar los procesos de

pérdidas que tienen lugar en el apilamiento, debido a las volatilizaciones, corrosiones y migraciones

del electrolito.

Figura 7.- Funcionamiento de una Pila de Combustible de Carbonatos Fundidos (MCFC.)

(Fuente: Grupo de Pilas de Combustibles de Canarias)

En cuanto a los electrodos, el cátodo está compuesto por óxido de Níquel y el ánodo por una

aleación de Níquel-Cromo, alcanzando un 10% de Cromo en peso. Este último componente es muy

Carbonatos


importante, ya que permite mantener unidos los compuestos sin tener que utilizar un proceso de

sinterización a alta temperatura. La disolución del Óxido de Níquel en el cátodo durante la operación

es un problema muy importante, pues puede depositarse en el electrolito y en el ánodo de la pila y

provocar un cortocircuito. Se están investigando materiales alternativos para el cátodo, con lo que

se podría disminuir la temperatura de operación y solventar los problemas de corrosión y disolución

del Óxido de Níquel. Estos materiales alternativos son Sales de Litio, aunque la conductividad se

mejora mediante dopaje con elementos como el Cobalto, el Cobre o el Manganeso.

La eficiencia de estas pilas se encuentra entre el 55 y el 65%, sin tener en cuenta el

aprovechamiento posterior de los fluidos a alta temperatura, que puede dar lugar a eficiencias en la

producción de electricidad por encima del 80%.

6.- Pilas de Combustible de Óxidos Sólidos (SOFC.) Al igual que el tipo de Pila anterior, esta es

una pila de alta temperatura. La principal característica de esta pila es que, aún siendo de alta

temperatura, todos sus componentes están en estado sólido. Esto simplifica la operación de la pila y

da lugar a menores riesgos de corrosión. Las reacciones que tienen lugar en la celda son:

Ánodo: H2 + O2- H2O + 2e-

CO + O2- CO2 + 2e -

Cátodo O2 + 4e - 2O2-

Figura 8.- Funcionamiento de una Pila de Combustible de Óxidos Sólidos (SOFC.) (Fuente:

Grupo de Pilas de Combustibles de Canarias)

ZrO2


El principio de operación es muy similar para todas las pilas de óxidos sólidos. Los iones O2-

provenientes del aire de entrada, migran del cátodo al ánodo a través del electrolito, y alcanzan el

ánodo, donde se recombinan con el Hidrógeno para formar agua (o en menor medida con el CO

para formar CO2.) Las pilas de óxidos sólidos trabajan con Hidrógeno seco o humedecido y con CO

como combustible. Las altas temperaturas permiten un reformado “in situ”, y la utilización de

combustibles con un alto grado de impurezas, tales como gasóleo o gas de carbón (aunque estos

necesitarán de un prerreformado.) De esta forma desaparece el módulo de prerreformado para la

obtención de Hidrógeno, lo que simplifica el sistema y abarata costes, además de poder utilizar el

CO como combustible. Además, los contenidos en azufre permitidos son muy superiores al del resto

de tecnologías. Por otra parte, no es necesario el reciclado de CO2, lo que presenta una gran

ventaja frente a las pilas de carbonatos fundidos.

Estas pilas superan en operación temperaturas de 1000 ºC. Para poder soportar estas temperaturas

tan altas, se debe hacer un exhaustivo análisis de los materiales que se pueden utilizar (por

ejemplo, el uso de aceros inoxidables en la pila queda descartado.) Este problema con los

materiales ha llevado a reducir la temperatura de diseño en algún prototipo de estas pilas (hasta

unos 450 ºC), lo cual mejora los costes de la celda (sobre todo en cuanto a gastos en materiales se

refiere), aumentar el tiempo de vida y la captación de nuevos mercados (Generación Distribuida.) En

el caso de reducir la temperatura al nivel mencionado antes, se podría utilizar acero inoxidable para

construir placas bipolares que unieran los electrodos a temperaturas inferiores a los 750 ºC, en lugar

de los costosos materiales cerámicos actualmente demandados. El electrolito utilizado en estas

pilas está compuesto por materiales cerámicos capaces de soportar altas temperaturas. El más

utilizado en el material cerámico compuesto por Óxido de Zirconio. En cuanto a los electrodos, el

cátodo sufre importantes oxidaciones, lo que hace necesario el uso de metales nobles, u óxidos

conductores o semiconductores. En ánodo, sin embargo, actúa en el ambiente reductor producido

por el gas combustible, por lo que se permite el uso de un gran rango de materiales, siendo el

Níquel poroso el más utilizado hasta la fecha. La resistencia de estos electrodos constituye la mayor

fuente de pérdidas y caída de tensión en las pilas, sobre todo en los casos en que se disminuye la

temperatura nominal de operación. Es por esto que la investigación en pilas de óxidos sólidos de

menor temperatura pasa por la investigación de electrodos con una menor resistencia térmica.

En el caso de funcionamiento a alta temperatura, se obtienen eficiencias del 45 al 60% (debido a

caídas de tensión en la celda, este valor es menor que en el caso de carbonatos fundidos), donde


además se le puede sumar una turbina de gas a la que se acople un ciclo combinado, obteniéndose

eficiencias de producción de energía eléctrica altísimas (mayores del 80%.) Esto presenta grandes

ventajas para su utilización en la generación a gran escala o distribuida, dando lugar a altas

eficiencias.

5. Ventajas y Desventajas de las Pilas de Combustible para la Generación de

Electricidad.

Antes de hablar de ventajas y desventajas, cabe destacar que la tecnología de pilas de combustible

es muy novedosa, está en la actualidad en desarrollo, y a excepción de las pilas de ácido fosfórico ,

el resto de tecnologías estudiadas en el apartado anterior no han alcanzado el grado de desarrollo

suficiente como para llegar al nivel comercial, encontrándose todas ellas en fase de

experimentación. Las principales ventajas de este tipo de sistemas de generación son:

1.- Alta eficiencia. Basándose en los datos de las pilas de ácido fosfórico actualmente en

funcionamiento (desde 50 kW hasta 500 kW), se obtiene un rendimiento eléctrico de un 38%, y un

rendimiento térmico del 42%, por lo que se alcanza un rendimiento global del 80%. Se espera que

algunos de los prototipos de alta temperatura aumenten estos valores. Las pilas de combustible, en

teoría, presentan eficiencias siempre mayores que los ciclos térmicos convencionales, ya que no

están limitadas por las limitaciones que impone el ciclo de Carnot a las máquinas térmicas.

2.- Modularidad. Permite aumentar la potencia de la pila de combustible simplemente con la adición

de celdas a la pila original, uniéndolas eléctricamente sin que la eficiencia quede prácticamente

alterada y sin hacer ninguna inversión adicional que no sea la propia compra de la celda o celdas

adicionales. Esta flexibilidad puede ser muy importante en aplicaciones como la generación

distribuida. Además, el mal funcionamiento de una celda permite extraerla de la pila y sustituirla

rápidamente sin que se vea mermada la capacidad de producir electricidad por la pila, presentando

una alta garantía de funcionamiento.

3.- Muy baja emisión de contaminantes. La propia celda no es contaminante. Los bajos niveles de

NOx que pudieran aparecer son debidos a la acción del reformado del combustible (si es necesario,

depende del modelo de la pila.) En cuanto a los niveles de CO2 al utilizar combustibles

hidrogenados y no Hidrógeno puro, al tener una alta eficiencia, se minimiza la emisión por kWh

producido. Tampoco se emiten Óxidos de Azufre, ya que deben ser eliminados a la entrada de la


celda de combustible si no se quiere dañar su funcionamiento, lo que supone por supuesto un coste,

pero minimiza las emisiones de la pila.

4.- Bajo Nivel de Ruido. Puesto que estos equipos no tienen partes móviles, el nivel de ruido es

muy bajo. Éste proviene de los equipos auxiliares: soplantes, pequeñas bombas, inversor, etc. Esto

permite situar estos equipos en zonas residenciales o comercios en la Generación Distribuida. Un

valor característico son 45 decibelios a una distancia de 10 m.

5.- Facilidad de Instalación. No requieren grandes obras de infraestructura para su instalación, y

debido al bajo nivel de ruido y la falta de emisiones contaminantes se puede situar en una zona

cercana al consumo (Generación Distribuida.)

6.- Aplicaciones Diversas. Su versatilidad permite cubrir aplicaciones diversas, como la generación

de energía eléctrica masiva o dispersa, producción de calefacción, agua caliente sanitaria o aire

acondicionado en la trigeneración para aplicaciones de baja temperatura, o la de utilización de ciclos

combinados en las de alta temperatura.

7.- Admisión de diversos combustibles. Aunque existen algunas celdas alimentadas casi

exclusivamente por hidrógeno (y para las cuales es necesaria un reformado del combustible, que

puede ser gas natural, gas de refinería, metanol, etc), las celdas de alta temperatura son capaces

de admitir muy diferentes combustibles (además de los mencionados, otros como el gasóleo y el

gas de carbón, con mayor contenido en impurezas) sin la necesidad de un módulo de reformado, ya

que las altas temperaturas hacen posible la formación de hidrógeno directamente en el electrodo.

8.- Bajo mantenimiento. En el funcionamiento de las pilas de combustible se pretende una

eficiencia de operación muy alta, de forma que sea mínimo el mantenimiento necesario. Únicamente

se prevé el recambio de las botellas de tratamiento del agua.

Las principales desventajas son:

1.- Alto Coste. Debido a lo reciente de la tecnología, y a que su implantación en el mercado es

mínima (sólo las pilas de ácido fosfórico), el coste actual es muy alto. Sin embargo, si aumenta la

demanda de estos productos, puede llegar a alcanzarse precios de venta competitivos con el resto

de las tecnologías de producción eléctrica (tanto en sistemas centralizados como en el caso de

Generación Distribuida.)

2.- Sensibles a los Contaminantes. Para muchas de las tecnologías (especialmente para las de

baja temperatura, ya que las de alta este problema no es tan restrictivo), especialmente las que

utilizan catalizadores, la entrada de combustible con contaminantes (por ejemplo el azufre, el CO o


el CO2) puede provocar daños a la pila, por lo que hay que realizar un pretratamiento del mismo.

Además, hay que notar que en las aplicaciones de baja temperatura, se obtiene el hidrógeno

mediante un sistema de reformado que incrementa el coste de la pila.

3.- Tecnología en Desarrollo. Debido al escaso desarrollo de la tecnología, aparecen problemas

de fiabilidad, la vida útil, etc, aunque esto deberá mejorar con el paso del tiempo y la introducción a

nivel comercial de las Pilas de combustible.

6. Aplicaciones de las Pilas de Combustible.

Puesto que la tecnología de las pilas de combustible no está totalmente desarrollada, existen muy

diferentes variantes dentro de cada modelo de pila de combustible. Sin embargo, se puede hacer

una primera clasificación inicial atendiendo a la temperatura de funcionamiento de la celda. Las de

baja temperatura (donde se encontrarían las Pilas de electrolitos de Ácido Fosfórico, Alcalinas, de

Polímeros Sólidos y de Metanol directo) y las de alta (donde se encontrarían las de Carbonatos

Fundidos y las de Óxidos Sólidos.)

En cuanto a las pilas de baja temperatura, parecen (aunque el desarrollo tecnológico de las

mismas puede dar un vuelco a tal aseveración) estar destinadas a aplicaciones de baja y media

potencia, entre 1 kW (e incluso menores) hasta los 500 kW. Sus objetivos, aparte de las

aplicaciones móviles y de automoción, que no entran dentro de este estudio de la energía, podrían

ser aplicaciones residenciales y de pequeños comercios (Generación Distribuida), en aplicaciones

remotas (como por ejemplo su utilización en zonas de difícil acceso), en aplicaciones industriales y

de seguridad de suministro.

Las tecnologías que operan a alta temperatura (aunque se recuerda que tanto en el caso de

Carbonatos Fundidos como el de Óxidos Sólidos se están obteniendo diseños en un rango de

temperaturas intermedio), los diseños parecen abogados a la obtención de energía eléctrica en

sistemas centralizados de gran potencia (entre 100 kW y 50 MW), aprovechando el calor bien en

procesos industriales, bien en sistemas de producción de vapor y posterior turbinado para la

producción de energía eléctrica. De esta forma se obtienen eficiencias en la producción cercanas o

mayores del 80%.


7. Situación Tecnológica Actual.

En función de la temperatura de funcionamiento, se tiene una primera clasificación:

1.- Aplicaciones de baja temperatura. Las tecnologías englobadas en este apartado tienen un

desarrollo tecnológico mayor que las de alta temperatura, que se estudiarán a continuación. Se

estudia cada una por separado:

1.1.- Pilas Alcalinas. Han demostrado su fiabilidad durante las aplicaciones espaciales en las que

desarrollado su tecnología. Tiene unas muy alta eficiencia, pero su coste hace al menos por el

momento muy difícil su aplicación en la producción de energías tanto a pequeña como a gran

escala.

1.2.- Pilas de Combustible de Ácido Fosfórico. Tiene en la actualidad una aplicación a nivel

comercial. Los primeros fabricantes fueron la empresa Japonesa FUJI, con una pila de combustible

de 50 kW, y la Norteamericana ONSI Corporation (filial de Intenational Fuel Cells IFC), con

instalaciones con una capacidad eléctrica de 200 kW. Una de las primeras instalaciones en Europa

fue adquirida por Thyssengas GMBH, interesada en acumular experiencia propia en este modelo de

pilas combustibles. Se realizaron pruebas de campo con 56 instalaciones. En dichas pruebas se

confirmó la eficiencia, la calidad de electricidad generada y el buen comportamiento de esta pila

ante cambios de carga que predecían los ensayos iniciales. El modelo utilizado fue el PC25A.

Actualmente, el modelo es el PC25C, casi con las mismas características que el anterior pero en un

modelo mucho más reducido. Las características actuales vienen dadas en la tabla 2.

Tabla 2.- Características actuales y de futuro de las Pilas de Combustible.

Ácido Fosfórico Polímeros Sólidos Carbonatos Fundid Óxidos Sólidos

Eficiencia (electri) 40% 40% 65% 60-65%

Costes Instalación:

-Actual

-Futuro

2.500 euros/kW

1.000 euros/kW

5.000 euros/kW

1.000 euros/kW

15.000 euros/kW

1.500 euros/kW

30.000 euros/kW

1.500 eutos/kW

Gastos producción 1,74 cent/kW ¿? ¿? ¿?

Operación 46.086 horas 9.000 horas 17.500 horas 12.600 horas

Situación Disponible en el

mercado

I+D a gran escala Versión comercial

año 2004.

Versión comercial

2004


Ejemplos de utilización de esta tecnología son, ya en funcionamiento (Pilas ONSI de 200 kW

modelo PC25C), el funcionamiento de un Hospital, donde participan Thyssengas, y otras compañías

como DBI Gas-und, etc. Una depuradora en Colonia, con el mismo modelo, que utiliza gas residual

de depuradora, en la empresa Alemana GEW koln AG, e instalada por Thyssengas.

1.3.- Pilas de Combustibles de Polímeros Sólidos. Las firmas ALSTOM Ballard y EnBW participan

desde el año 1999 de forma activa en el proyecto EDISON auspiciado por el gobierno Alemán, y

que tiene previsto terminar en el año 2004. Se diseñó una pila PEM de 250 kW en funcionamiento

en paralelo con dos plantas de cogeneración en paralelo. El calor producido se utiliza en el

calentamiento de una piscina cubierta. Este es uno de los 6 proyectos que en la actualidad la firma

ALSTOM Ballard está llevando a cabo. A su vez, existen proyectos piloto en Alemania, Bélgica,

Suiza y Holanda.

Figura 9.- Pila de Combustible PEM. (Fuente: Energética XXI, Julio-Agosto 2001)

Otra de las aplicaciones de este tipo de pilas es la residencial. La firma Vaillant anunció hace unos

años que iba a desarrollar una pila de combustible que generase electricidad, agua caliente y

calefacción. Para ello, se realizó una alianza con la empresa Plug Power. El modelo tiene una

potencia eléctrica de 4.6 kW, y una capacidad térmica de 7 kW, y es idóneo para casas particulares

o pequeños comercios (Generación Distribuida.) El Hidrógeno puro libre de CO2 que se utiliza en las

Refrigeración Humidificador

Reformador

Control Potencia

Conjunto de Pilas

Módulo Reactor

Comp. Eléctrico


Pilas PEM se produce mediante generadores de gas natural. Las características actuales y de futuro

de este tipo de pilas viene dado en la tabla 2.

2.- Aplicaciones de alta temperatura. Las tecnologías englobadas en este apartado tienen un

desarrollo tecnológico menor, y están actualmente en fase de I+D.

2.1.- Pilas de Combustible de Carbonatos Fundidos. La empresa MTU lleva años investigando en la

tecnología de la pila de combustible modelo MCFC. En la actualidad, el modelo más desarrollado en

el Hot-Module. Tiene unas medidas de 2.5 m de alto y 9 m de alto, y su aplicación es tanto en la

cogeneración como en la trigeneración. Tiene un módulo central que se mantiene a una temperatura

de 600 ºC. Esta alta temperatura presenta las tres ventajas principales. La primera, es la producción

directa de Hidrógeno a partir del combustible hidrogenado. La segunda es que a tan alta

temperatura no hay peligro de escape de gas, porque este se quemaría de forma inmediata. Es

decir, no puede existir una acumulación de gases explosivos. En tercer lugar, los gases de escape

salen a 450-600 ºC, lo que les hace ideales para la cogeneración. Una comparación inicial con otras

tecnologías apunta a que puede sobrepasar en eficiencia a otras tecnologías como las de ciclo

combinado.

2.2.- Pilas de Combustible de Óxidos Sólidos. Uno de los grupos que con más fuerza apoya esta

tecnología es el consorcio Siemens-Westinghouse. En un principio, el diseño se enfoca en una

gama desde los 250 kW hasta los 20 MW alimentada por gas natural. El objetivo es la producción

centralizada de electricidad mediante cogeneración. La pila, al igual que en el caso de Carbonatos

Fundidos, tiene dos ventajas importantes. La primera, la alta temperatura de funcionamiento (1000

ºC) permite la obtención de hidrógeno directamente del combustible, aunque este no sea un

combustible muy puro. La segunda es la utilización de los gases de escape, con una temperatura de

hasta 850 ºC para alimentar una microturbina, aumentando la eficiencia del ciclo por encima incluso

de los ciclos combinados. Esto, unido a la baja emisión de contaminantes, hace que el desarrollo de

esta tecnología sea muy atractivo. Siemens Westinghouse ha diseñado un sistema de pila de

combustible cerámicas de forma tubular que permite obtener resultados óptimos a altas

temperaturas. A presión atmosférica, la potencia es muy baja (210 W) sin embargo, en

funcionamiento a presión, la potencia se incrementa hasta los 280W. A finales de 1997, entró en

operación la primera pila con esta tecnología. Fue en Westervoort, Holanda, con una potencia de

100 kW. En el año 2000, el proyecto más ambicioso se emprendió en Pittsburg. Este nuevo sistema


de pila opera a sobrepresión (3 bar), tiene una potencia de 200 kW y está acoplada a una turbina de

gas de 50 kW, empleando las altas temperaturas de operación de la celda.

Figura 10.- Pila de Combustible SOFC Planar. (Fuente: Energética XXI, Julio-Agosto 2001)

También existen aplicaciones de

menor potencia para el uso

doméstico de esta tecnología.

En 1998 Thyssengas diseñó un

modelo de pruebas de una pila

de combustible de tecnología

SOFC, con una temperatura de

funcionamiento de 1000 ºC, para producir 1 kW eléctrico, con un sistema de calefacción de 16 kW

térmicos. Estos aparatos pueden abastecer la carga base eléctrica y la demanda total de calor de

una casa particular. La figura siguiente ilustra la aplicación de este tipo de celdas.

Figura 11.- Tecnología SOFC para una casa particular. (Fuente: Energética XXI, Julio-Agosto

2001)

El corazón de la instalación, denominado stack de celdas,

está formado por aproximadamente 70 discos cerámicos

muy fino de un diámetro de 120 mm, cubiertos ambos

lados por catalizadores. A ambos lados de los discos se

les suministra aire o gas natural tratado. Cada disco

cerámico cubierto es una pila de combustible. Los gases

de escape suministran el calor necesario para la

preparación del gas combustible.


8. Métodos de Obtención del Hidrógeno.

Como se ha comentado anteriormente, el Hidrógeno no existe de forma aislada en la naturaleza.

Aparece de forma masiva tanto oxidado en el agua como formando hidrocarburos. Es decir, se

necesita invertir una cierta energía para obtener hidrógeno puro. No es por lo tanto una fuente

energética, sino que se denomina un vector energético. En todas las aplicaciones de pilas de

combustible estudiadas, el Hidrógeno se obtiene a través de combustibles con una gran relación

de átomos H/C. Ejemplos son el Metano CH4 del gas natural, gases de refinería, gas de carbón e

incluso combustibles líquidos como el metanol o el gasoil.

1.- La tecnología de Reformado está muy extendida. Se utiliza con Hidrocarburo Ligeros, mediante

las reacciones:

- Reforming: CnHm + nH2O →→ n CO + (n+m/2) H2 - CALOR

- Shift: CO + H2O →→ CO2 + H2 + CALOR.

El CO2 (veneno para algunas pilas de combustible, como ya se ha mencionado) se elimina del

hidrógeno, mediante separación por membranas o por absorción. En la actualidad existen empresas

químicas como Uhde, Linde KTI cuyas plantas alcanzan niveles de producción de 105 Nm3/h. A esto

se le une costes en procesos de desulfuración y limpieza de gases.

2.- Otra técnica de obtención de hidrógeno es la Gasificación u Oxidación parcial de

Hidrocarburos Pesados, mediante una reacción exotérmica que produce calor. De esta forma se

produce Hidrógeno con combustibles más baratos o que no tienen otra aplicación sin necesidad de

invertir energía adicional. Estas plantas están también muy desarrolladas, al igual que las

anteriores, con plantas de capacidad similar a las de reformado.

CH1.4 + 0.3 H2O + 0.4 O2 →→ 0.9 CO + 0.1 CO2 + H2 + CALOR.

Las tecnologías de Reformado y Gasificación se aplican a menor escala que las plantas antes

mencionadas en Pilas de Combustible, especialmente en las aplicaciones de baja temperatura


(pilas alcalinas, de Polímeros Sólidos o de Ácido Fosfórico.) En aplicaciones de alta temperatura, la

producción de Hidrógeno es directa a través del combustible.

3.- Otra técnica es la Oxidación Parcial del Carbón, muy similar a la anterior, donde se necesita

preparar el carbón mediante una molienda para que esté suficientemente pulverizado antes de

entrar en el gasificador, bien en seco bien en suspensión con agua. No es una tecnología

consolidada, pero existen plantas de demostración, como por ejemplo la de ELCOGÁS.

4.- Mediante el Proceso Kvaerner, firma Noruega que ha desarrollado un sistema denominado

“plasma arc procecss”, que a alta temperatura (1600 ºC) separa HC en sus constituyentes (H2 y C

puro.) El proceso necesita delcombustible primario, agua y electricidad y está exento de

contaminantes. Existe una planta demostrativa funcionando desde 1992, y la aplicación de plantas

modulares podrían incrementar la producción hasta los niveles de reformado y gasificación.

5.- Producción de H2 a partir de Biomasa. La principal ventaja de este método es la utilización de

una fuente de energía renovable. Existen tecnologías disponibles en fase pre-comercial. Los

diferentes métodos difieren del tipo de combustible utilizado, aunque cabe nombrar la Gasificación

(reformado) de Biomasa, la Fermentación de Biomasa Residual, la Producción Fotobiológica y la

Fotoelectroquímica.

A parte de los métodos de obtención del Hidrógeno por Hidrocarburos, existen otros métodos

basados en la electrólisis del agua. Esta técnica actualmente no puede competir con la

utilización de combustibles mencionados en el apartado anterior, ya que tan solo un 1% del

mercado del H2 se satisface mediante la electrólsis. Esto es debido a que la electricidad es muy

cara (excepto en países con precios muy bajos de electricidad debido a la existencia de grandes

sistemas hidráulicos, como Noruega), y por lo tanto la tecnología no es rentable. En el proceso

convencional, se utiliza un mecanismo inverso a la pila de combustible, donde mediante

electricidad se obtiene el Hidrógeno puro. Este mecanismo no sería nunca útil para la producción de

H2 para pilas de combustible, ya que el rendimiento neto de todo el proceso sería negativo debido a

las pérdidas en ambos mecanismos. Sin embargo, si puede ser una posibilidad atractiva si se utiliza

energía barata (horas valle) para la producción de H2 que después puede ser empleado en

producción de energía eléctrica en pilas de combustible en horas punta, donde el precio del kWh es

mucho mayor. Con presiones de trabajo de 5 bar, la eficiencia del proceso relativa al PCI del H2 es


del 65%. Sistemas de electrólisis del agua se comercializan desde hace décadas, con potencias

variables desde 1 kWe hasta 125 kWe, por empresas como Electrlyser Corporation LTD (Canada.)

En el proceso a alta presión (50 bar) aumenta el rendimiento del proceso, pero se encarecen los

costes de la instalación. Existe asimismo un proceso de alta temperatura, donde aplicaciones

como la energía solar con concentradores o la energía nuclear pueden presentar un cierto

atractivo, al ser tecnologías que no emiten gases de efecto invernadero.

9. Conclusiones.

Las pilas de combustible es una tecnología novedosa y en proceso de desarrollo. Aunque las pilas

con electrolito de Ácido Fosfórico están actualmente comercializadas, en aplicaciones de

generación de electricidad y cogeneración se están desarrollando tecnologías de alta temperatura

que a priori presentan características muy atractivas. Las aplicaciones se pueden dividir en dos

grandes grupos. El primero de baja y media potencia (Generación Distribuida para pequeños grupos

cogeneradores y de trigeneración), donde las pilas de baja temperatura tienen una gran aplicación,

especialmente las de Ácido Fosfórico y las de Polímeros Sólidos. Esta tecnología tiene que competir

con la de las microturbinas y los pequeños motores de cogeneración, y presentan las ventajas de un

nivel mínimo de ruido, una muy alta eficiencia (mayor que la de las microturbinas o motores),

capacidad de cogeneración, modularidad, casi nula emisión de contaminantes, aceptación de

distintos combustibles para la producción de Hidrógeno y un mínimo mantenimiento. Sin embargo,

hasta que no se produzca un incremento en la demanda las pilas de combustible no pueden

competir en precio con las anteriores. En cuanto a generación de alta potencia (estacionaria), las

pilas deben ser de alta energía (tecnología de Óxidos Sólidos y Carbonatos Fundidos.) La ventaja

principal de la operación a altas temperaturas es la producción directa del Hidrógeno en la pila sin

necesidad de un sistema de gasificación-reformado. Sin embargo, estas pilas se encuentran todavía

en un estado inicial de I+D, debido a los problemas asociados de corrosión, materiales capaces de

soportar estas altas temperaturas, etc. Esto aumenta enormemente los costes a corto plazo, por lo

que su implantación no llegará hasta el medio-largo plazo. Incluso en esta tecnología se está

estudiando la posibilidad de disminuir la temperatura de funcionamiento y el nivel de potencia, para

poder entrar en el mercado de la Generación Distribuida.

La producción de Hidrógeno para esta Pilas de Combustible se obtiene principalmente mediante

reformado del gas natural, aunque se han apuntado otras tecnologías de futuro para su obtención.


Para las pilas de Combustible, se está hablando por lo tanto de una tecnología con grandes

promesas a futuro pero que necesita todavía una inversión importante en I+D para su aplicación a

nivel comercial.

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200505100005_6_12