Pilas De Combustible

Pilas de combustible en la
economía del hidrógeno

Energía en el siglo XXI
en siglo
Crecimiento de la demanda de energía
Hogares y servicios
Transporte
Industria
Aumento de la población (8.000 millones en 2020)
Desarrollo sostenible:
- Alimentación
- Agua
- Energía

Medio Ambiente

Objetivos en Energía:
1. Consumo (disminución, acceso, precio)
2. Reducción de contaminantes
3.Efecto invernadero (CH4, CO2)

Fuentes de Energía
Energ

España, 2005

Petróleo

Gas Natural

Carbón

Nuclear

50 %

20 %

15%

10%

CO2

H2O

H2

CO2

Biomasa
3%

H2O

Eólica
1%

Hidráulica

Solar

1%

< 1%

¿Por qué usaremos las Pilas de Combustible?

Pilas de Combustible e Hidrógeno
de
Hidr

H2
Pilas de Combustible
CO + H2

MetanolCarbón, Petróleo, Gas natural

Etanol
Biomasa

La economía
econom
del Hidrógeno
del Hidr

Características del Hidrógeno
del Hidr
Es el elemento más simple (1s1).
El más abundante del Universo (≈ 90%)
El tercero en abundancia en la corteza terrestre
Descubrimiento del Hidrógeno:
H. Cavendish (1781) [J. Priestley (1774)]
A.L. Lavoisier (1783)
Propiedades físicas
- Alta densidadenergética
- Puntos muy bajos de fusión y ebullición
- Muy baja densidad
- Tamaño molecular muy pequeño
Fuente de energía de las estrellas de la serie principal

Problemas fundamentales
PRODUCCIÓN
ALMACENAMIENTO
SEGURIDAD

Producción de Hidrógeno
Producci de Hidr

Gas Natural

¿Biogas?

CH4
SR
FT

CO + H2
Gas de síntesis (“Syngas”)

WGS

Fuel Cell
CxHy
AlcoholesÉteres

CH3OH

H2

Reformado con vapor de agua (Steam Reforming, SR)
Reformado con
agua
CH4 + H2O

3 H2 + CO

∆Ho = + 206 kJ/mol

1924: Ni, Co, Fe, Pt
Estabilidad, TOF, coste
Formación de coke
1931: primera planta comercial (Standard Oil, NJ)
Ni / Al2O3, 900-1000°C, 16-20 bar
Problemas más importantes:
Muy Endotérmica
Sobrecalentamiento de agua a 800°C
Relación H2/CO= 3 (2 enMetanol, Fischer-Tropsch)

Reformado con vapor de agua (Steam Reforming, SR)
con
agua
Tubo del reformador
≈ 30% coste del reformador

Unidad de reformado
≈ 60% coste de una
planta de metanol

Oxidación Parcial de Metano (POM/CPO)
de Metano
CH4 + 1/2 O2

2 H2 + CO

∆Ho = - 36 kJ/mol

A 700°C, 90% Conversion / 90% Selectividad
Ventajas respecto al Reformado con vapor:Exotérmica
Muy rápida (varios órdenes de magnitud respecto a SR)
No es necesario calentar agua
Relación H2/CO= 2
Desventajas:
Falta de estabilidad de los catalizadores
Planta de producción de oxígeno

Reformado Autotérmico (ATR)
Reformado
CH4 + H2O + O2

O2/CH4= 0.6 - 0.65

Reformado seco de metano (Dry reforming)
de metano

CH4 + CO2

2H2 + 2CO

∆Ho = 247 kJ/mol

Ventajas:
FijaCO2

Desventajas:
Problemas por formación de coke
Baja relación H2/CO, necesario aporte de H2 para FT

Producción de Hidrógeno a partir de Metanol
de Hidr
partir de Metanol
Steam Reforming
Steam
CH3OH + H2O
Endotérmico
Relativamente lento

3 H2 + CO2

Endo

2 H2 + CO2

Exo

Oxidación Parcial
CH3OH + 1/2 O2
Reformado Autotérmico
CH3OH + n O2 + (1-2n) H2O
Cu-ZnO-Al2O3(3-2n) H2 + CO2

A 300°C, 90% Conversión / 85% Selectividad

Producción de Hidrógeno a partir de Etanol
Producci de Hidr
partir de Etanol
e Hidrocarburos Superiores (LPG, gasolinas, …).
Hidrocarburos
(LPG, gasolinas
Baja relación H/C: Mayor producción de CO2
Posibilidad de sufrir craqueo térmico (600-650ºC):
Subproductos, deposición de coque
Presencia de impurezas ( S, N,...):Venenos para los sistemas catalíticos
Soluciones:
Sistemas catalíticos avanzados
Sistemas de reformado múltiples
- Acondicionamiento de la alimentación
- Pre-reformado a baja temperatura
El CH4 es el mas inerte!!!

Producción de Hidrógeno a partir Carbón
Producci de Hidr
partir
C (s) + H2O (g)

2H2 (g) + CO2 (g) ∆H = +88.7 KJ

Mayor presencia de impurezas ( S, N,...)
Mayor...