Elementos básicosElementos básicos de una celda de combustiblecelda de combustible:

Dos electrodosDos electrodos (ánodo y cátodo). ElectrolitoElectrolito: sustancia encargada de transportar los iones producidos en

las reacciones redox.

El electrolito a veces se utiliza acompañado de un catalizadorcatalizador. HH22 yy OO22, utilizados como combustible y oxidante respectivamente.

Pila de combustible

Hidrógeno + Oxígeno Electricidad + agua

Electrólisis

Electricidad + agua Hidrógeno + Oxígeno

La celda de combustiblecelda de combustible es un dispositivo que produce electricidad y agua mediante un proceso inverso a la electrólisis.

Estructura típica de una celda de combustible

1) En el ánodo tiene lugar la oxidación del combustible: las moléculas de hidrógeno se disocian en protones y electrones.

2) El electrolito permite el paso de los protones,

e impide el paso de los electrones.

3) Los electrones generan corriente eléctrica a

su paso por un circuito externo. 4) En el cátodo se produce una reacción de reducción: electrones y protones se

combinan con el oxígeno para formar agua.

Celda de combustible

Pila de combustible PEM

Una celda individual genera un voltaje cercano a un voltio.Para las aplicaciones que requieren mayor voltaje y alta

potencia se apilan en serie el número necesario de estas celdas, para formar una pila de combustible.

-- +Anode Cathode

Electrolyte

OH2e2HO21

22

2e2HH2

Diferencias entre Diferencias entre celdas de combustible y baterías:celdas de combustible y baterías:

Las Las bateríasbaterías son dispositivos de almacenamiento de energía. La son dispositivos de almacenamiento de energía. La producción de producción de energía cesa cuando se consumen los reactivos químicos almacenados energía cesa cuando se consumen los reactivos químicos almacenados dentro dentro de la batería. No pueden proporcionar un flujo continuo de energía de la batería. No pueden proporcionar un flujo continuo de energía eléctrica.eléctrica.

En En las las celdas de combustibleceldas de combustible, tanto el combustible como el oxidante , tanto el combustible como el oxidante procedenprocedende una fuente externa, y permiten generar corriente eléctrica de manera de una fuente externa, y permiten generar corriente eléctrica de manera casicasiindefinida, en la medida en que pueda suministrarse combustible de forma indefinida, en la medida en que pueda suministrarse combustible de forma continuada.continuada.

Diferencias entre Diferencias entre celdas de combustibleceldas de combustible yy dispositivos de combustión internadispositivos de combustión interna..::

• Los Los dispositivos de combustión internadispositivos de combustión interna se basan en la conversión de energía se basan en la conversión de energía térmica en energía mecánica. La eficiencia de este proceso está limitado por térmica en energía mecánica. La eficiencia de este proceso está limitado por el Ciclo de Carnot.el Ciclo de Carnot.

• Las Las celdas de combustibleceldas de combustible convierten directamente la energía química en energía convierten directamente la energía química en energía eléctrica. Desde el punto de vista termodinámico este proceso es mucho más eléctrica. Desde el punto de vista termodinámico este proceso es mucho más eficienteeficiente.

][

][][ln

2 2

2/122

0 OHCOCHC

FRT

EE

][

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2 2

2/122

0 OHCOCHC

FRT

EE

El potencial eléctrico idealEl potencial eléctrico ideal generado por una celda de combustible viene dado por la ecuación de Nernst:

E: Potencial eléctrico de la pila (volts.) Eo: Potencial redox estándar( T=25º C , 1 Molar) R: Cte. de los gases (8.31 J/Kmol) T: Temperatura absoluta (K) F: Cte. de Faraday (96.6 kJ/mol) C[ ]: Concentraciones molares de reactivos y productos

E: Potencial eléctrico de la pila (volts.) Eo: Potencial redox estándar( T=25º C , 1 Molar) R: Cte. de los gases (8.31 J/Kmol) T: Temperatura absoluta (K) F: Cte. de Faraday (96.6 kJ/mol) C[ ]: Concentraciones molares de reactivos y productos

La ecuación de Nerst permite calcular el potencial ideal de una celda de combustibleLa ecuación de Nerst permite calcular el potencial ideal de una celda de combustibleen función de la temperatura y de las concentraciones de reactantes y productos.en función de la temperatura y de las concentraciones de reactantes y productos.

Las pilas PEM usan como electrolito un polímerosólido.

Utilizan un catalizador de platino.

Las pilas PEM usan como electrolito un polímerosólido.

Utilizan un catalizador de platino.

Características: Temperatura: 80 ºC Eficiencia (%): 32-45 Potencia: 5-250 kW

Características: Temperatura: 80 ºC Eficiencia (%): 32-45 Potencia: 5-250 kW

Aplicaciones: Generación de energía estacionaria.Transporte (coches, autobuses).

Aplicaciones: Generación de energía estacionaria.Transporte (coches, autobuses).

Ventajas:

Rapidez de arranque. Operan a relativamente bajas temperaturas (80ºC).

Desventajas:Extremadamente sensible a la contaminación por CO.

Ventajas:

Rapidez de arranque. Operan a relativamente bajas temperaturas (80ºC).

Desventajas:Extremadamente sensible a la contaminación por CO.

Las pilas PAFC utilizan ácido fosfórico como electrolito.

Requieren un catalizador de platino.

Las pilas PAFC utilizan ácido fosfórico como electrolito.

Requieren un catalizador de platino.

Características: Temperatura: 205 ºC Eficiencia (%): 36-45 Potencia: 50 kW - 11

MW

Características: Temperatura: 205 ºC Eficiencia (%): 36-45 Potencia: 50 kW - 11

MW

Ventajas:

Son menos sensibles a la contaminación por CO que las pilas PEM.

Desventajas:Gran peso y tamaño. Son caras (3500-4000 €

por kilovatio)

Ventajas:

Son menos sensibles a la contaminación por CO que las pilas PEM.

Desventajas:Gran peso y tamaño. Son caras (3500-4000 €

por kilovatio)

Aplicaciones: Generación de energía estacionaria.Transporte (vehículos pesados).

Aplicaciones: Generación de energía estacionaria.Transporte (vehículos pesados).

Las pilas alcalinas utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito.Como catalizador se pueden emplear diversos metales no preciosos.

Las pilas alcalinas utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito.Como catalizador se pueden emplear diversos metales no preciosos.

Características: Temperatura: 65-220 ºC Eficiencia (%): > 50 Potencia: 5-150 kW

Características: Temperatura: 65-220 ºC Eficiencia (%): > 50 Potencia: 5-150 kW

Ventajas:

Alto rendimiento y eficiencia.

Desventajas:Son muy sensibles a la contaminación por CO2. Menor duración debido a su susceptibilidad a ese

tipo de contaminación.

Ventajas:

Alto rendimiento y eficiencia.

Desventajas:Son muy sensibles a la contaminación por CO2. Menor duración debido a su susceptibilidad a ese

tipo de contaminación.

Aplicaciones: Aplicaciones: ambientes donde hay contaminación

por CO2 (espacio, fondo del mar).

Aplicaciones: Aplicaciones: ambientes donde hay contaminación

por CO2 (espacio, fondo del mar).

Las pilas de óxido sólido emplean como electrolito un componente de cerámica duro y no poroso .No necesitan catalizador.

Las pilas de óxido sólido emplean como electrolito un componente de cerámica duro y no poroso .No necesitan catalizador.

Características: Temperatura: 600-1000

ºC Eficiencia (%): 43-55 Potencia: 100-250 kW

Características: Temperatura: 600-1000

ºC Eficiencia (%): 43-55 Potencia: 100-250 kW

Aplicaciones: Sistemas estacionarios. No es adecuada para transportes o sistemas portátiles.

Aplicaciones: Sistemas estacionarios. No es adecuada para transportes o sistemas portátiles.

Ventajas:

Menor coste (no necesitan catalizador).Alto rendimiento en sistemas de cogeneración (electricidad + calor)Muy resistentes a la corrosión y a la contaminación por CO.

Desventajas:Arranque lento. Las altas temperaturas afectan a la duración de los materiales de la pila.

Ventajas:

Menor coste (no necesitan catalizador).Alto rendimiento en sistemas de cogeneración (electricidad + calor)Muy resistentes a la corrosión y a la contaminación por CO.

Desventajas:Arranque lento. Las altas temperaturas afectan a la duración de los materiales de la pila.

Las pilas de carbonato fundido utilizan un electrolito compuesto de una mezcla de sales de carbonato fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa. Como catalizador emplean metales no nobles.

Las pilas de carbonato fundido utilizan un electrolito compuesto de una mezcla de sales de carbonato fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa. Como catalizador emplean metales no nobles.

Características: Temperatura: 600-650

ºC Eficiencia (%): 43-55 Potencia: 100 kW - 2

MW

Características: Temperatura: 600-650

ºC Eficiencia (%): 43-55 Potencia: 100 kW - 2

MW

Ventajas:

Resistentes a la contaminación por CO y CO2

No necesitan reformador externo: debido a las altas temperaturas los combustibles se

convierten en hidrógeno dentro de la propia pila, mediante un proceso de conversión interna.

Desventajas:Arranque lento. Corta duración: Las altas temperaturas y el electro-lito corrosivo deterioran los componentes de la pila.

Ventajas:

Resistentes a la contaminación por CO y CO2

No necesitan reformador externo: debido a las altas temperaturas los combustibles se

convierten en hidrógeno dentro de la propia pila, mediante un proceso de conversión interna.

Desventajas:Arranque lento. Corta duración: Las altas temperaturas y el electro-lito corrosivo deterioran los componentes de la pila.

Aplicaciones: Generación de energía estacionaria.

Aplicaciones: Generación de energía estacionaria.

Tipo Electrolito Top ºC Usos Ventajas Desventajas

Membrana polimérica (PEMFC)

Polímero sólido

60-100

Generación estacionaria.

Portátiles.Vehículos.

Electrolito sólido reduce corrosión y

mantenimiento.Baja temperatura.Arranque rápido.

Catalizadores costosos. Sensible a impurezas en H2 u otro combustible.

Alcalina (AFC)

Solución acuosa de hidróxido de potasio

90-100 Espacio.Militar.

Reacción catódica más rápida en electrolito

alcalino. Mayor eficiencia.

Sensible a impurezas.

Acido fosfórico (PAFC)

Acido fosfórico liquido

175-200 Generación estacionaria.Portátiles.

85 % eficiencia en cogeneración de

electricidad y calor. Acepta H2 impuro.

Catalizador de Pt. Baja corriente y potencia.

Gran peso y volumen.

Carbonatos fundidos (MFCF)

Solución líquida de

litio, sodio y potasio

600-1000

Generación estacionaria.

Ventajas por alta temperatura: mayor

eficiencia, catalizadores mas baratos.

Corrosión debido a altas temperaturas. Baja vida

útil.

Óxidos sólidos (SOFC)

Oxido de Zr sólido con

adiciones de Itrio

600-1000

Generación estacionaria.

Ventajas por alta temperatura. Ventajas

electrolito sólido.

Corrosión debido a altas temperaturas. Baja vida

útil.