Estado del arte de las pilas de combustible reversibles de alta temperatura

1 Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles Autor: Francisco Javier Rodríguez Balboa Tutor: Manuel Felipe Rosa Iglesias Dpto. Ingeniería Energética. Grupo de Termotecnia Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 Introducción a la Economía del Hidrógeno 2 3 3 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles Autor: Francisco Javier Rodríguez Balboa Tutor: Manuel Felipe Rosa Iglesias Catedrático de Universidad Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 Introducción a la Economía del Hidrógeno 4 5 5 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles Trabajo Fin de Grado: Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles Autor: Francisco Javier Rodríguez Balboa Tutor: Manuel Felipe Rosa Iglesias El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2019 Introducción a la Economía del Hidrógeno 6 El Secretario del Tribunal 7 7 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles A mi padre Introducción a la Economía del Hidrógeno 8 9 9 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles Agradecimientos Cuando estas al final de esta etapa, te vienen muchos recuerdos buenos a la cabeza. Aún así, no hay que olvidar que no ha sido un camino de rosas, y en los peores momentos es donde más brillan esas personas fundamentales en tu vida. Por ello, quiero darle las gracias: En primer lugar, a mi familia. Mi madre, la que vela por todos nosotros y alberga un amor inmensurable hacia su familia, sin ninguna duda, sin ella no habría llegado hasta aquí. Mi hermano, que cuida de mí desde que nací y creo firmemente que lo seguirá haciendo toda la vida, por esto le doy las gracias y aunque el no lo sepa, yo también cuido de él, o al menos eso intento. Mi padre, sobran las palabras. Sacrificio, trabajo, cariño, humildad, respeto, honestidad…y podría seguir sin cansarme describiendo lo que he aprendido de el, lo que me ha inculcado y lo que representa para mi. Gracias por todo lo que me has dado, espero que estés orgulloso de mí. Mi abuela Ana, el pilar donde se sustenta toda una familia y la que la une, junto a mis tías Pilar y Anamari, que también son protagonistas en esta historia. Simplemente, gracias por existir y por estar ahí siempre. En segundo lugar, me gustaría darle las gracias a Cristina, la cual me ha levantado cada vez que he tropezado, y he de admitir que algunas de esas caídas han sido para quedarme en el suelo arrastrándome, pero ella, aún no se cómo, siempre lo consigue, siempre me ofrece la mano y me ayuda a seguir. Mil gracias. Y a su familia, la cuál me ha acogió desde el primer momento como un miembro más, y me ha ayudado en todo lo que he necesitado. Gracias. Por último, agradecer a los compañeros que he conocido durante este viaje y he tenido la suerte de que me acompañen. Y sobretodo, agradecer a los que pasaron de compañeros a amigos, y de amigos a familia. Gracias por vuestra ayuda, apoyo y amistad. Francisco Javier Rodríguez Balboa Sevilla, 2019 Introducción a la Economía del Hidrógeno 16 2.2.3.1 Requisitos para el Diseño de Pilas SOFC 48 2.2.3.2 Configuración de Celda Única 50 2.2.3.3 Configuración de Pilas (Celdas Interconectadas) 51 2.2.3.3.1 Diseño Tubular (Seal-less) 54 2.2.3.3.2 Diseño Microtubular 54 2.2.3.3.3 DISEÑO PLANAR (BIPOLAR/PLACA PLANA) 55 2.3 Interés de los Sistemas Reversibles 57 3 Sistemas Reversibles de Alta Temperatura 61 3.1 Estado del Arte 63 3.2 Limitaciones 65 3.3 Líneas de Investigación 66 Conclusiones 67 Bibliografía 69 Referencias de figuras 73 17 17 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles Índice de Tablas Tabla 1: Densidades gravimétricas y volumétricas de diferentes hidruros, en comparación con la densidad del hidrógeno líquido y del hidrógeno gaseoso a alta presión. 34 Tabla 2: Tipos de Pilas de Combustible 37 Introducción a la Economía del Hidrógeno 18 19 19 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles Índice de Ilustraciones Ilustración 1: Esquema básico reformado de combustibles 24 Ilustración 2 : Reactor de Reformado Autotérmico 26 Ilustración 3 : Producción primaria y secundaria de Hidrógeno 27 Ilustración 4: Esquema básico de la electrólisis del agua 27 Ilustración 5: Comparación de la energía por unidad de masa y la energía por unidad de volumen de varios combustibles en base a su poder calorífico inferior. 28 Ilustración 6: Volumen que ocupa una masa de hidrógeno (4 kg) en función del tipo de almacenamiento 29 Ilustración 7: Tipos de almacenamiento de hidrógeno 30 Ilustración 8: Esquema de los distintos tipos de depósitos para el almacenamiento de hidrógeno comprimido. 31 Ilustración 9: Método Linde para licuefacción de hidrógeno 32 Ilustración 10: Composición de un contenedor de Hidrógeno Líquido 33 Ilustración 11: Comparación de conversión de energía 36 Ilustración 12: Esquema de funcionamiento de una Pila PEM 37 Ilustración 13: Esquema de funcionamiento de una Pila Alcalina 38 Ilustración 14: Esquema de funcionamiento de una Pila de Ácido Fosfórico 39 Ilustración 15: Esquema de funcionamiento de una pila de carbonato fundido 40 Ilustración 16: Esquema de funcionamiento de una pila de óxidos sólidos 41 Ilustración 17: Esquema de funcionamiento de una pila de Metanol Directo 42 Ilustración 18: Esquema de la producción de hidrógeno mediante SOEC 44 Ilustración 19: Variación de las demandas energéticas en la producción electrolítica de H2 45 Ilustración 20: Esquema funcionamiento SOFC 47 Ilustración 21: Requisitos para el diseño SOFC 49 Ilustración 22: Configuraciones de Celda Única para SOFC 50 Ilustración 23: Diseños de apilamientos para SOFC 51 Ilustración 24: Diferentes patrones de flujo para SOFC. (a: Espiral ; b: Serpentín ; c: Radial ; d: Biflujo) 52 Ilustración 25: Demostración de la trayectoria de la corriente en diseño Monolítico de SOFC 53 Ilustración 26: Diseño tubular SOFC 54 Introducción a la Economía del Hidrógeno 20 Ilustración 27: Esquema de una Celda Microtubular 55 Ilustración 28: Configuración plana de SOFC con interconexiones acanaladas 56 Ilustración 29: Ciclo del Hidrógeno con Pila de Combustible 57 Ilustración 30: Ciclo del Hidrógeno con Motor de Hidrógeno 58 Ilustración 31: Esquema de funcionamiento de una Pila de Combustible de Óxido Sólido Reversible 58 Ilustración 32: Sistema RSOFC de la arma de EE.UU 62 Ilustración 33: Sistema de almacenamiento de hidrógeno comprimido en el RSOFC de la marina de los EE.UU 63 21 21 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles Índice de Ecuaciones Ecuación 1: Reacción Water-Gas shift 26 Ecuación 2: Ecuación global de la electrólisis del agua 28 Ecuación 3: Ecuación Electrolizador Óxido Sólido Alta Temperatura 44 Ecuación 4: Ecuación energética Proceso SOEC 45 Introducción a la Economía del Hidrógeno 22 23 23 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles 1 INTRODUCCIÓN A LA ECONOMÍA DEL HIDRÓGENO l hidrógeno es el elemento más simple de la tabla periódica y el más abundante en el universo. Sin embargo, éste tan sólo se encuentra combinado con otros elementos en la naturaleza, como pueden ser el oxígeno, formando así el agua (H2O), o compuestos orgánicos, formando así los hidrocarburos que hoy en día componen los combustibles más usados (gasolina, propano, metanol, gas natural). El hidrógeno almacena hasta el triple de energía por unidad de masa que el resto de combustibles, sin embargo, al poseer una densidad muy baja, la energía por unidad de volumen es muy pequeña. Debido a esto, el hidrógeno presenta algunos problemas en sus etapas de almacenamiento, transporte y distribución. Debido a que el hidrógeno no se encuentra de forma aislada en la naturaleza, es preciso obtenerlo por medio de distintos métodos. En los hidrocarburos se puede separar el hidrógeno usando un método llamado “reformado de combustible”, el cual consiste someramente en la aplicación de calor para la disociación de dichos elementos. De hecho, la mayor parte del hidrógeno producido actualmente en el mundo procede del reformado del gas natural. Pero esto no es todo, ya que también se puede producir hidrógeno a través de la “Electrólisis”, la cual consiste en el sometimiento al paso de una corriente eléctrica a una cierta cantidad de agua para separarla en hidrógeno y oxígeno. Este método presenta una ventaja esencial frente al reformado de combustibles, y es que no produce ningún residuo contaminante y prescinde del uso de combustibles fósiles los cuáles están condenados a agotarse en un corto periodo de tiempo. Una vez se ha obtenido el hidrógeno, tenemos varias opciones para su aprovechamiento. Una de ellas es producir su combustión en un motor de combustión de hidrógeno, el cual no produciría contaminación a pesar de la gran cantidad de energía que posee el Hidrógeno. De hecho, la NASA lleva varias décadas usando hidrógeno para la propulsión de sus cohetes espaciales. Otra opción es volver a producir energía eléctrica introduciendo el hidrógeno en una pila de combustible, la cual invierte el proceso ocurrido en el electrolizador, es decir, mediante las moléculas E ¿Qué es lo que van a quemar en lugar de carbón?, pregunto Pencroft. Agua, respondió Harding. La electricidad ha permitido descomponer el agua en sus elementos primitivos, lo cual hará que se convierta en una fuerza poderosa y manejable. Si, amigos míos, creo que algún día se empleará agua como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno de los que esta formada, usados por separado o en forma conjunta, proporcionarán una fuente inagotable de luz y calor, de una intensidad de la que el carbón no es capaz. El agua será el carbón del futuro. -Julio Verne- La Isla Misteriosa, 1874. Introducción a la Economía del Hidrógeno 24 de hidrógeno y oxígeno por separado, se pueden combinar para convertir la energía química del hidrógeno en energía eléctrica. También se puede obtener esta corriente introduciendo directamente un hidrocarburo en la pila de combustible, dentro de la cual se produciría en primer lugar el reformado de combustible, para proceder a continuación a combinar el hidrógeno obtenido con oxígeno (o aire). Centrándonos en las características que definen al Hidrógeno, una de las principales ventajas es que se puede convertir directamente en energía eléctrica, sin necesidad de utilización de un ciclo de potencia intermedio. Debido a que no se posee este ciclo termodinámico intermedio se pueden alcanzar rendimientos energéticos muy altos, ya que el proceso no está limitado por el rendimiento del ciclo de Carnot. Otra de las principales ventajas es que, sin ser un recurso energético, es útil en el transporte y almacenamiento de energía. El hidrógeno puede jugar un papel importante en la reducción de la dependencia energética en el caso en el que la energía esté producida por medios alternativos a los combustibles convencionales. En definitiva, el hidrógeno no es un recurso energético, si no un VECTOR energético, es decir un portador de energía ya que se debe obtener a partir de alguna fuente energética, y cuando está producido, éste contiene una cierta cantidad de energía. El hidrógeno, en definitiva, sirve para transportar y almacenar energía. 1.1 Producción de Hidrógeno La producción de hidrógeno consiste en la obtención de este elemento mediante el uso de algún método y a partir de alguna de las sustancias mencionadas anteriormente, las cuales pueden ser agua, hidrocarburos o biomasa. A continuación, se procede a explicar los métodos más comunes de producción de hidrógeno tanto a partir de hidrocarburos como a partir de agua, es decir, mediante reformado de combustible y mediante electrólisis. 1.1.1 Reformado de Combustibles El reformado de combustible tiene unos pasos bien diferenciados y con distintos objetivos. Ilustración 1: Esquema básico reformado de combustibles 25 25 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles El primer paso es el de purificación, es decir, se eliminan sustancias indeseables de los combustibles las cuales no se pueden aprovechar e incluso pueden dañar los equipos o contaminar el medio ambiente, tales como el cloro o el azufre. Tras esto, se realiza la producción primaria de Hidrógeno donde se obtiene la mayor parte del hidrógeno que posee el hidrocarburo. Una vez realizada la producción primaria, se intenta obtener el resto del hidrógeno que posee el combustible mediante la producción secundaria, en la cuál mediante la aplicación de más temperatura a los hidrocarburos resultados de la producción primaria se consigue obtener el Hidrógeno restante. Por último, se realiza la purificación del Hidrógeno ya que las pilas de combustible necesitan que el hidrógeno con el que se les vaya a alimentar tenga bajos niveles de CO, lo que se obtiene sometiendo al Hidrógeno a altas temperaturas y haciéndolo pasar por alguno de los procesos que se detallarán más adelante. 1.1.1.1 Reformado con vapor – RV (Steam reforming – SR) El reformado con vapor se utiliza mayoritariamente con gas natural (metano) aunque también se puede alimentar este proceso con gas licuado del petróleo. Es el método más usado para la producción de hidrógeno, de hecho, el 90% de la producción mundial de hidrógeno se realiza a través del reformado de metano con vapor. En el reformado, se utiliza una corriente de vapor de agua a alta temperatura (600ºC – 900ºC) para hacerlo reaccionar con el metano a una presión moderada en presencia de un catalizador para así producir hidrógeno. Además del hidrógeno, en esta reacción se obtiene también monóxido de carbono, dióxido de carbono y otros compuestos minoritarios. En este proceso se utiliza parte del combustible para generar el calor que precisan las reacciones del reformado, ya que éstas son reacciones endotérmicas. 1.1.1.2 Oxidación Parcial – OXP (Partial oxidation – POX) En la oxidación parcial, el metano y otros hidrocarburos en el gas natural reaccionan con una cantidad limitada de oxígeno (normalmente del aire), a una temperatura de unos 1100ºC, la cual no es suficiente para oxidar completamente los hidrocarburos a dióxido de carbono y agua. Con menos de la cantidad estequiométrica de oxígeno en la reacción, los productos de ésta son principalmente hidrógeno y monóxido de carbono (más nitrógeno si la reacción se ha llevado a cabo con aire en lugar de oxígeno puro) y una cantidad pequeña de dióxido de carbono con otros compuestos. La eficiencia de este método es elevada, aunque menor que la del reformado con vapor debido a las altas temperaturas y a los problemas de recuperación de calor. Por otra parte, debido a que la reacción es exotérmica, no se necesita aporte de energía externa para que se produzca la reacción. Introducción a la Economía del Hidrógeno 32 1.2.2 Hidrógeno Licuado El hidrógeno en estado líquido es otra de las formas de almacenamiento de hidrógeno, y en este caso se aumenta aún más que en el caso del hidrógeno comprimido la densidad energética por unidad de volumen, como se puede observar en las ilustraciones 5 y 6. El mayor problema de esta tecnología es que la temperatura crítica del hidrógeno es de 20,38ºK, es decir, -252,77ºC, por ello también se llama a esta tecnología almacenamiento criogénico. Al tener que alcanzar esta temperatura para licuarse y mantenerse por debajo de ella para que no se evapore durante el periodo de almacenamiento, este proceso conlleva un gasto bastante relevante en cuanto a energía se refiere. En concreto, alrededor del 33% del poder calorífico inferior (PCI) del hidrógeno es la energía que se usa para este proceso. Por lo que realmente se estaría aprovechando un 67% del poder calorífico que contiene el combustible. Normalmente una tecnología empieza a ser competitiva energéticamente hablando cuando dicho consumo baja del 20% del PCI del combustible utilizado. Existen varios métodos de licuefacción de hidrógeno, pero el más usado en la actualidad es el “Método Linde”. Este método usa un compresor de múltiples etapas, una válvula de expansión, un intercambiador de calor y un depósito para el gas ya licuado como se puede observar en la ilustración 9. Ilustración 9: Método Linde para licuefacción de hidrógeno 33 33 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles En primer lugar, el gas entra al compresor de múltiples etapas aumentando así su presión isotérmicamente. Tras esto, pasa por un intercambiador que enfría la corriente gaseosa manteniendo constante la presión, para llevarlo a una válvula de estrangulamiento donde el gas se expande de forma isoentálpica. Cuando un gas baja su presión súbitamente (expansión súbita), también lo hace su temperatura debido al efecto Joule-Thomson, y el gas pasa a ser una corriente saturada. Es decir, conviven en la misma corriente líquido saturado con vapor saturado. El líquido se lleva al tanque de almacenamiento y el gas, al estar a la misma temperatura que el líquido se aprovecha para recircularlo por el intercambiador y enfriar la corriente gaseosa que sale del compresor. Una vez aprovechada esta baja temperatura del gas resultante, se vuelve a introducir en el compresor y se repite el ciclo. Para almacenar este hidrógeno licuado, son necesarios contenedores o tanques almacenamiento criogenizados y aislados ya que el mayor problema del almacenamiento de hidrógeno como liquido son las pérdidas por evaporación flash. Es decir, al almacenarlo como liquido saturado, éste se encuentra en su punto de evaporación, por lo que cualquier aporte de calor al liquido supone la evaporación de una parte de éste y una reducción en la eficiencia del proceso, sobre todo si el hidrógeno evaporado se libera a la atmósfera y no se recupera. Los tanques de almacenamiento criogénicos que se usan para este tipo de almacenamiento se construyen con el objetivo de minimizar las transferencias de calor, tanto por conducción, como convección y radiación. Para evitar las pérdidas o la transferencia de calor al líquido mediante conducción y convección se construyen con dos paredes entre las cuales se realiza el vacío. De esta forma minimizamos la transferencia por conducción a través de las paredes, las cuales son aislantes, y por convección mediante el vacío. Mediante la colocación de hasta 100 capas reflexivas de baja emitancia, normalmente plástico aluminado Mylar, se evita la transferencia de calor por radiación al hidrógeno. A veces, para disminuir aun más la transferencia de calor, se dispone de nitrógeno líquido en la pared más externa del depósito. En la siguiente ilustración se puede observar las partes que componen este contenedor. Ilustración 10: Composición de un contenedor de Hidrógeno Líquido Introducción a la Economía del Hidrógeno 34 Normalmente se usan tanques esféricos para almacenar el hidrógeno líquido, ya que esta forma es la que posee menos superficie de transferencia por unidad de volumen, aunque a menudo se usan tanques cilíndricos ya que son más baratos de fabricar y la relación área de transferencia volumen es casi la misma. Aún estando bien aislados los depósitos de almacenamiento, siempre hay una parte del hidrógeno que se evapora. Si el hidrógeno es licuado en el mismo sitio donde es almacenado, cabe la posibilidad de capturar el hidrógeno evaporado que sigue estando frio para volverlo a introducir en el proceso de licuación, si no es el caso, hay que purgar el hidrógeno, lo cual no conlleva grandes problemas de seguridad ya que el hidrógeno se difunde rápidamente. 1.2.3 Hidruros Metálicos Los hidruros metálicos se forman a partir de unos compuestos metálicos que absorben hidrógeno reversiblemente bajo unas condiciones determinadas de presión y temperatura. Estos hidruros metálicos presentan dos problemas principales. El primero es que generalmente se rompen en finas partículas después de repetidas absorciones y liberaciones de hidrógeno. El segundo de los problemas es que estos compuestos son muy sensibles a impurezas tales como el oxígeno o el monóxido de carbono, por lo que una minúscula cantidad de estas impurezas puede provocar que estos compuestos dejen de absorber hidrógeno. Tabla 1: Densidades gravimétricas y volumétricas de diferentes hidruros, en comparación con la densidad del hidrógeno líquido y del hidrógeno gaseoso a alta presión. Esta es una alternativa atractiva debido a su versatilidad y porque los compuestos sólidos pueden almacenar más hidrógeno por unidad de volumen que el hidrógeno líquido en sí mismo (Tabla 1), además de aumentar la seguridad. Un compuesto es adecuado si puede absorber / expulsar hidrógeno a una presión y temperatura moderadas que oscilan entre 0-100ºC. Los compuestos más adecuados son los conocidos como compuestos intermetálicos cuya fórmula química es AB5, AB2 y AB (A y B son elementos con alta y baja afinidad con el hidrógeno, respectivamente) y que presentan un enlace metálico débil con el hidrógeno. Dichos compuestos han sido investigados y pueden absorber / expulsar el hidrógeno en solo unos minutos. Presentan una buena reversibilidad y son ideales para aplicaciones estacionarias como el almacenamiento de hidrógeno generado a partir de fuentes de energía renovables como la solar y la eólica. 35 35 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles En resumen, el problema de almacenar una gran cantidad de hidrógeno de una manera segura y económica aún no se ha resuelto y es un cuello de botella implementar la economía del hidrógeno como una alternativa viable. En este sentido, el almacenamiento de hidrógeno en estado sólido presenta buenas oportunidades, ya que existe una amplia gama de familias de hidruros que se podrían usar en diferentes aplicaciones (estacionarias, móviles, de un solo uso, altas temperaturas ...). También tienen ventajas añadidas como el aumento en la seguridad, la eficiencia y la capacidad en comparación con los métodos convencionales. Actualmente existen compuestos que pueden almacenar hasta 150 kg H2/m3 en un 20% en peso. La tecnología en la mayoría de estos hidruros es madura y las unidades de almacenamiento comerciales se han ido desarrollado durante años. Sin embargo, en otras familias (hidruros iónicos y complejos) se necesita más investigación y desarrollo técnico para encontrar soluciones factibles al problema de almacenamiento y, en consecuencia, avanzar en el terreno de la economía del hidrógeno. 1.3 Pilas de Combustible Una pila de combustible es un dispositivo que convierte la energía química de un combustible directamente en energía eléctrica mediante el uso de reacciones electroquímicas. Las pilas de combustibles pueden asemejarse a las baterías, aunque las pilas pueden suministrar energía eléctrica durante un periodo de tiempo mucho más largo. Esto se debe a que la pilas reciben continuamente de forma externa combustible y aire (u oxígeno) mientras que una batería contiene solo una cierta cantidad limitada de material combustible y oxidante que se agotan con el uso. Por esto las pilas de combustible se han usado durante décadas en sondas espaciales, satélites y naves espaciales tripuladas. 1.3.1 Funcionamiento Una celda de combustible (en realidad un grupo de celdas, que conforman una pila) tiene esencialmente los mismos tipos de componentes que una batería. Como en este último, cada celda de un sistema de pila de combustible tiene un par de electrodos coincidentes. Estos son el ánodo, que suministra electrones, y el cátodo, que absorbe electrones. Ambos electrodos deben estar sumergidos y separados por un electrolito, que puede ser un líquido o un sólido, pero que en cualquier caso debe conducir iones entre los electrodos para completar la reacción química del sistema. Un combustible, como el hidrógeno, se suministra al ánodo, donde se oxida, produciendo iones de hidrógeno y electrones. Se suministra un oxidante, como el oxígeno, al cátodo, donde los iones de hidrógeno del ánodo absorben los electrones de este último y reaccionan con el oxígeno para producir agua. La diferencia entre los niveles de energía de los electrodos (fuerza electromotriz) es el voltaje por celda. La cantidad de corriente eléctrica disponible para el circuito externo depende de la actividad química y la cantidad de sustancias suministradas como combustibles. El proceso de producción de corriente continúa mientras exista un suministro de reactivos, ya que los electrodos y el electrolito de una celda de combustible, a diferencia de los que se encuentran en una batería normal, están diseñados para permanecer sin cambios debidos a las reacciones químicas. Introducción a la Economía del Hidrógeno 36 1.3.2 Rendimiento El rendimiento máximo teórico de una pila de combustible es un 94,5% considerando un proceso a temperatura constante próxima a la temperatura ambiente. Sin embargo, las pilas que se usan hoy en día alcanzan unos rendimientos máximos de un 60%. Ilustración 11: Comparación de conversión de energía Como se puede observar en la ilustración 11, en las pilas de combustible no se pasa de energía térmica a energía mecánica (usualmente en una turbina), proceso el cual tiene un rendimiento muy bajo, por lo que el rendimiento total del ciclo resulta mayor que en el sistema convencional, ya que como se ha indicado anteriormente, el rendimiento de la conversión de energía química a energía eléctrica es bastante mayor, en torno al 60% actualmente. Ahora bien, se pueden conseguir rendimientos de incluso un 80-85% en las pilas de combustible si se logra aprovechar el calor restante para calentar agua y se combina con sistemas de cogeneración, lo que viene a ser la combinación de pila de combustible y turbina de gas. Por ello se consiguen unos rendimientos bastantes elevados al trabajar con pilas de combustible de alta temperatura. 1.3.3 Tipos de Pilas de Combustible Existen muchos tipos de pilas de combustible en la actualidad y se clasifican según el electrolito utilizado, ya que éste determina características como pueden ser el tipo de reacciones químicas que tienen lugar en la celda, el tipo de catalizadores que se requieren, el rango de temperaturas de operación y el combustible utilizado. 37 37 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles En la tabla 2 se presenta un resumen de los tipos de pilas de combustible más conocidas y sus principales características como la temperatura de operación, el rango de potencia o el electrolito utilizado. Tabla 2: Tipos de Pilas de Combustible 1.3.3.1 PEMFC (Proton Exchange membrane fuel cell): Pilas de combustible de intercambio protónico Ilustración 12: Esquema de funcionamiento de una Pila PEM Las celdas de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEM), también llamadas celdas de combustible de membrana de intercambio protónico, ofrecen una densidad de alta potencia y ofrecen las ventajas de bajo peso y volumen, en comparación con otras celdas de combustible. Las células de combustible PEM utilizan un polímero sólido como electrolito y electrodos de carbono porosos que contienen un catalizador de platino. Solo necesitan hidrógeno, oxígeno del aire y agua para funcionar y no requieren fluidos corrosivos como otras celdas de combustible. Por lo general, se alimentan con hidrógeno puro suministrado desde tanques de almacenamiento o reformadores a bordo. Las celdas de combustible PEM funcionan a temperaturas relativamente bajas, alrededor de 80°C. El funcionamiento a baja temperatura les permite arrancar de forma muy rápida (menos tiempo de Introducción a la Economía del Hidrógeno 38 calentamiento) y reduce el desgaste de los componentes del sistema, lo que se traduce en una mayor durabilidad. Sin embargo, requiere que se use un catalizador de un metal noble (típicamente platino) para separar los electrones y protones del hidrógeno, lo que aumenta el coste del sistema. El catalizador de platino también es extremadamente sensible al envenenamiento por monóxido de carbono (CO), por lo que es necesario emplear un reactor adicional para reducir el CO en el gas combustible si el hidrógeno se deriva de un alcohol o de un hidrocarburo. Esto también agrega un coste adicional. Los desarrolladores actualmente están explorando catalizadores de platino / rutenio que son más resistentes al CO. Las celdas de combustible PEM se utilizan principalmente para aplicaciones de transporte y algunas aplicaciones estacionarias. Debido a su rápido tiempo de puesta en marcha, baja sensibilidad a la orientación y favorable relación de potencia-peso, las celdas de combustible PEM son particularmente adecuadas para su uso en vehículos de pasajeros, como automóviles y autobuses. Una barrera importante para el uso de estas celdas de combustible en vehículos es el almacenamiento de hidrógeno. La mayoría de los vehículos de celdas de combustible propulsados por hidrógeno puro deben almacenar el hidrógeno a bordo como un gas comprimido en tanques presurizados. Debido a la baja densidad de energía del hidrógeno, es difícil almacenar suficiente hidrógeno a bordo para permitir que los vehículos viajen a la misma distancia que los vehículos de gasolina antes de repostar combustible. Los combustibles líquidos de mayor densidad, como el metanol, el etanol, el gas natural, el gas licuado de petróleo y la gasolina, pueden usarse como combustible, pero los vehículos deben tener un reformador de combustible incorporado para reformar el metanol al hidrógeno. Este requisito aumenta los costes y el mantenimiento del vehículo. El reformador también libera dióxido de carbono (un gas de efecto invernadero), aunque menos que el emitido por los motores de gasolina actuales. 1.3.3.2 AFC (Alkaline fuel cell): Pilas de combustible alcalinas. Ilustración 13: Esquema de funcionamiento de una Pila Alcalina Estas celdas de combustible utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito y pueden usar una variedad de metales no preciosos como catalizador en el ánodo y el cátodo. Las AFC de alta temperatura operan a temperaturas entre 100°C y 250°C. Sin embargo, los diseños más 39 39 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles nuevos de AFC funcionan a temperaturas más bajas en un rango de 23°C a 70°C. El alto rendimiento de AFC se debe a la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas en la célula. También han demostrado eficiencias cerca del 60% en aplicaciones espaciales. La desventaja de este tipo de celda de combustible es que se envenena fácilmente con dióxido de carbono (CO2). De hecho, incluso la pequeña cantidad de CO2 en el aire puede afectar el funcionamiento de esta célula, por lo que es necesario purificar tanto el hidrógeno como el oxígeno utilizado en la célula. Este proceso de purificación es costoso. La susceptibilidad al envenenamiento también afecta la vida útil de la célula, lo que aumenta aún más el coste. El coste es un factor menor para ubicaciones remotas, como el espacio o debajo del mar. Sin embargo, para competir de manera efectiva en la mayoría de los mercados comerciales, será necesario que estas celdas resulten más rentables. Se ha demostrado que las pilas de AFC mantienen una operación suficientemente estable durante más de 8,000 horas de operación. Para ser económicamente viables en aplicaciones de servicios públicos a gran escala, estas celdas de combustible deben alcanzar tiempos de operación superiores a 40,000 horas, algo que aún no se ha logrado debido a problemas de durabilidad del material. Este obstáculo es posiblemente el más importante en la comercialización de esta tecnología de celda de combustible. 1.3.3.3 PAFC (Phosphoric acid fuel cell): Pilas de combustibles de ácidos fosfóricos. Ilustración 14: Esquema de funcionamiento de una Pila de Ácido Fosfórico Las celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) son celdas de combustible que usan ácido fosfórico líquido como electrolito (el ácido está contenido en una matriz de carburo de silicio unido al teflón) y electrodos de carbono porosos que contienen un catalizador de platino. La celda de combustible de ácido fosfórico es considerada la "primera generación" de celdas de combustible modernas. Es uno de los tipos de células más maduras y el primero en ser utilizado comercialmente. Este tipo de celda de combustible se utiliza normalmente para la generación de energía de forma estacionaria, pero algunas PAFC se han utilizado para impulsar vehículos grandes como los autobuses urbanos. Los PAFC son más tolerantes a las impurezas en los combustibles fósiles que se han transformado en Introducción a la Economía del Hidrógeno 40 hidrógeno que las células PEM, que se "envenenan" fácilmente con monóxido de carbono porque éste se une al catalizador de platino en el ánodo, disminuyendo la eficiencia de la celda de combustible. Poseen una eficiencia de hasta un 85% cuando se usan en la cogeneración de electricidad y calor, pero menos eficientes para generar electricidad solo (37% –42%). Esto es solo un poco más eficiente que las centrales eléctricas de combustión, que normalmente funcionan con una eficiencia del 33% al 35%. Las PAFC también son menos potentes que otras celdas de combustible, dado el mismo peso y volumen. Como resultado, estas celdas de combustible son típicamente grandes y pesadas. Los PAFC también son caras. Al igual que las celdas de combustible PEM, los PAFC requieren un costoso catalizador de platino, que aumenta el coste de la celda de combustible. 1.3.3.4 MCFC (Molten carbonate fuel cell): Pilas de combustible de carbonatos fundidos. Ilustración 15: Esquema de funcionamiento de una pila de carbonato fundido Las celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC) se están desarrollando actualmente para aplicaciones eléctricas, industriales y militares. Las MCFC son celdas de combustible de alta temperatura que utilizan un electrolito compuesto de una mezcla de sal de carbonato fundido suspendido en una matriz porosa de óxido de litio y cerámica (LiAlO2). Debido a que operan a temperaturas extremadamente altas de 650°C y superiores, se pueden usar metales no preciosos como catalizadores en el ánodo y el cátodo, lo que reduce los costes. La eficiencia mejorada es otra razón por la que las MCFC ofrecen reducciones de costes significativos respecto a las celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC). Las celdas de combustible de carbonato fundido pueden alcanzar eficiencias cercanas al 60%, considerablemente más altas que las eficiencias del 37% al 42% de una planta con celdas de combustible de ácido fosfórico. Cuando se captura y se utiliza el calor residual, las eficiencias pueden llegar al 85%. A diferencia de las AFC, las PAFC y las PEMFC, las MCFC no requieren un reformador externo para convertir combustibles fósiles en hidrógeno. Debido a las altas temperaturas a las que operan los MCFC, estos combustibles se convierten en hidrógeno dentro de la propia celda de combustible 41 41 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles mediante un proceso llamado reformado interno, que también contribuye a la reducción de costes. Las celdas de combustible de carbonato fundido no son vulnerables al monóxido de carbono o al "envenenamiento" con dióxido de carbono, incluso pueden utilizar los óxidos de carbono como combustible, lo que las hace más atractivas para la alimentación con gases producidos a partir del carbón. Debido a que son más resistentes a las impurezas que otros tipos de celdas de combustible, los científicos creen que incluso podrían ser capaces de reformar el carbón de forma interna, asumiendo que pueden ser resistentes a las impurezas como el azufre y las partículas que resultan de la conversión del carbón, el combustible fósil más sucio. La principal desventaja de la tecnología MCFC actual es la durabilidad. Las altas temperaturas a las que operan estas células y el electrolito corrosivo utilizado aceleran la descomposición y corrosión de los componentes, lo que disminuye la vida útil de las células. Los investigadores están buscando materiales resistentes a la corrosión, así como diseños de celdas de combustible que aumenten la vida útil de la celda sin disminuir el rendimiento. 1.3.3.5 SOFC (Solid oxide fuel cell): Pilas de combustible de Óxidos Sólidos Ilustración 16: Esquema de funcionamiento de una pila de óxidos sólidos Las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) utilizan un compuesto cerámico duro y no poroso como electrolito. Debido a que el electrolito es un sólido, las celdas no tienen que construirse en la configuración tipo placa típica de otros tipos de celdas de combustible. Se espera que las SOFC tengan una eficiencia de alrededor de 50% a 60% para convertir el combustible en electricidad. En las aplicaciones diseñadas para capturar y utilizar el calor residual del sistema (cogeneración), estas podrían superar el 80% -85%. Las celdas de combustible de óxido sólido funcionan a temperaturas muy altas, alrededor de 1.000 °C. La operación a alta temperatura elimina la necesidad de un catalizador de metales preciosos, lo que reduce el coste. También permite a las SOFC reformar los combustibles internamente, como en el caso de las MCFC, lo que permite el uso de una variedad de combustibles y reduce el coste asociado al uso de un reformador externo. Las SOFC también son el tipo de celda de combustible más resistente al azufre; pueden tolerar varios órdenes de magnitud más de azufre que otros tipos de células. Además, no vulnerables al monóxido Electrolizadores y Pilas de Combustible de Alta Temperatura 48 48 2.2.2 Características Las celdas de combustible de óxido sólido funcionan a temperaturas muy altas, la más alta de todos los tipos de celdas de combustible. Trabajan en un rango de temperaturas de 800ºC a 1000ºC. Pueden tener eficiencias de más del 60% al convertir combustible en electricidad. Aunque si también se aprovecha el calor que se produce, su eficiencia global en la conversión de combustible en energía eléctrica puede superar el 80%. Las SOFC utilizan un electrolito cerámico sólido, como el óxido de circonio estabilizado con óxido de itrio, en lugar de un líquido o membrana. Sus altas temperaturas de funcionamiento se traducen en la posibilidad de reformar el combustible dentro de la propia celda, eliminando la necesidad de reformarlo de forma externa y permitiendo que las unidades se utilicen con una amplia variedad de hidrocarburos. También son relativamente resistentes a pequeñas cantidades de azufre en el combustible, en comparación con otros tipos de celdas de combustible y se pueden usar con gas producido a partir de carbón (syngas). Una ventaja adicional de la alta temperatura de operación es que las cinéticas de reacción se mejoran, eliminando la necesidad de un catalizador metálico. Sin embargo, estas altas temperaturas tienen algunas desventajas: • Tardan más en iniciarse y alcanzar la temperatura de operación. • Deben estar construidas con materiales robustos y resistentes al calor • Deben estar muy bien aisladas para evitar en la medida de lo posible la pérdida de calor. 2.2.3 Diseños de SOFC El electrolito se intercala entre el ánodo y el cátodo para formar una celda tipo SOFC. La estructura de sándwich de ánodo / electrolito / cátodo se conoce más comúnmente como celda de electrodo de celda única o PEN (positive electrolyte-negative). El combustible se alimenta en el ánodo, donde sufre una oxidación que libera los electrones que circularán por el circuito externo. En el cátodo, el oxidante (oxígeno) acepta estos electrones del circuito externo y se reduce. Además, el ion de oxígeno reducido migra a través del electrolito hacia el ánodo y reacciona con el combustible para producir vapor de agua. La potencia generada por una sola celda no es suficiente (<1 V) para mantener una aplicación estacionaria, por lo tanto, muchas celdas individuales se unen por una interconexión para formar una pila de celdas. Esta combinación de celdas de combustible es a lo que llamamos “Pila de Combustible. Existen distintos diseños de pila en función de la interconexión de las celdas, cada una con sus ventajas, desventajas y requisitos que deben tenerse en cuenta a la hora de diseñar la pila. 2.2.3.1 Requisitos para el Diseño de Pilas SOFC La pila SOFC debe ofrecer el rendimiento electroquímico deseado junto con el mantenimiento de la integridad mecánica de la pila para lograr los objetivos a largo plazo. Por esto, para elegir un diseño en concreto, se deben cumplir los siguientes requisitos: 49 49 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles ➢ Pérdidas Óhmicas mínimas: Para minimizar las pérdidas óhmicas en la pila, se deben acortar en la medida de lo posible todas las partes por las que circule corriente eléctrica. ➢ Buenos contactos Electroquímicos: Entre los componentes de la pila SOFC, el área de superficie de contacto debe ser alta y el colector de corriente debe regular el flujo de corriente deseado en la pila. ➢ Distribución uniforme de la temperatura: El diseño SOFC debe apotar una distribución uniforme de la temperatura durante su funcionamiento junto con un enfriamiento adecuado de la pila. ➢ Pérdidas mínimas de polarización: Por lo general, las pérdidas de polarización en SOFC causan una caída importante de voltaje de circuito abierto. Por lo tanto, la pila debe diseñarse de manera que se minimice cualquier pérdida de polarización, fuga de gas, cortocircuito y fuga cruzada de gases. ➢ Distribución uniforme de gases: El gas combustible y el oxidante deben distribuirse uniformemente en toda la pila de celdas para que los gases puedan llegar a los lugares donde se producen las reacciones y reducir de manera eficiente la limitación del transporte de masas. ➢ Integridad mecánica y estructural de la pila: El diseño SOFC debe ser robusto para resistir las tensiones térmicas y la presión de los gases. Ilustración 21: Requisitos para el diseño SOFC Electrolizadores y Pilas de Combustible de Alta Temperatura 50 50 2.2.3.2 Configuración de Celda Única Debido a la solidez de los componentes de las SOFC, los diseños de las celdas ofrecen una gran flexibilidad. Las celdas individuales se apilan juntas para obtener una configuración de pila particular. La configuración individual de las células puede ser de dos tipos: autoportante y de apoyo externo. Ilustración 22: Configuraciones de Celda Única para SOFC 51 51 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles Para la configuración de células autoportantes, el soporte estructural de la célula es proporcionado por una de las capas más gruesas del componente celular. Las configuraciones de células soportadas por ánodos, cátodos y electrolitos pertenecen a sistemas autoportantes. Para la configuración de soporte externo, las capas delgadas de células se configuran sobre un sustrato poroso o se interconectan. La ilustración 22 muestra las configuraciones de las células junto con sus ventajas y desventajas. YSZ es el electrolito más utilizado para las células soportadas por electrolitos, el electrolito posee un espesor típico >100 μm. De todos modos, los electrolitos gruesos presentan altas pérdidas óhmicas, por lo que la temperatura de funcionamiento debe mantenerse alta (900-1000°C). Pero cuando el electrolito de SOFC tiene un espesor de 5-20 μm, la temperatura de funcionamiento de la celda se reduce a <800°C, lo que proporciona una mayor variedad de materiales. A 1000°C, la conductividad iónica del electrolito sólido es de 0,1 Ω-1 cm-1, que se reduce a 0,02 Ω- 1 cm-1 a 800°C. Las resistividades típicas de los materiales de celdas a 1000°C para un ambiente de combustible gaseoso son: - Dopado LaCrO3 (Interconexión): 1 Ω cm (electrónico) - Ni/ZrO2 cermet (ánodo): 3 × 10-6 Ω cm (electrónico) - Dopado LaMnO3 (cátodo): 0.01 Ω cm (electrónico) - 8% YSZ (electrolito): 10 Ω cm (iónico) Las células soportadas por electrodos transmiten bajas pérdidas de polarización óhmica en comparación con las células con soporte de electrolitos. Además de esto, la polarización anódica es bastante menor que la polarización catódica, por lo tanto, la SOFC soportada por ánodos es la preferida configuración. 2.2.3.3 Configuración de Pilas (Celdas Interconectadas) Se han propuesto muchos diseños para las pilas de combustible de óxidos sólidos, los cuales se pueden observar en la ilustración 23. Dos de ellos son los que han estado funcionando con mayor éxito, el diseño tubular y el diseño plano. Ilustración 23: Diseños de apilamientos para SOFC Electrolizadores y Pilas de Combustible de Alta Temperatura 52 52 Cada diseño puede tener variantes, pero los diseños tubulares sin sello, los diseños microtubulares y los diseños bipolares de placa plana (planares) son los más relevantes, por lo que son los que se explicarán a continuación de forma más detallada. El diseño de las SOFC suele depender de tres criterios: a) Trayectoria de la corriente: La ruta de la corriente varía según el diseño de la pila SOFC. Por ejemplo, la corriente sigue una estructura monolítica multicelular en los diseños monolíticos. Los diseños monolíticos son básicamente soportados por electrolitos y los componentes celulares forman una estructura corrugada de flujo cruzado de gas (configuración de co-flujo) (Ilustración 24). En el caso de la célula tubular, la corriente atraviesa el espesor del electrolito/interconexión y a lo largo de la circunferencia del cátodo y ánodo. Ilustración 24: Diferentes patrones de flujo para SOFC. (a: Espiral ; b: Serpentín ; c: Radial ; d: Biflujo) 53 53 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles b) Conexiones célula a célula: Las pilas de óxidos sólidos se conectan en serie o en paralelo, pero en ciertos casos ambos tipos de conexiones se combinan para proporcionar una salida de voltaje cohesiva de la pila. Cuando las celdas se unen en serie, la producción es alta en comparación con la disposición en paralelo. c) Configuraciones de flujo de gas: El flujo de combustible y oxidante en las pilas de SOFC puede ser: co-flujo, contraflujo o flujo cruzado. Se pueden dar distintos patrones de flujos en cada una de las configuraciones de flujo, tales como patrones en forma de serpentín, radiales, espirales o de biflujos (especialmente para configuraciones planas) como se muestra en la ilustración 25. Para la configuración plana, los canales de flujo promueven una distribución uniforme del gas junto con el transporte de masa y calor de cada celda. Por lo general, los canales de campo de flujo se diseñan como parte de la interconexión, mientras que algunos diseños de SOFC los integran en el electrodo. Los patrones de campo de flujo conectan la interconexión con los electrodos, de ahí el área de contacto entre los electrodos y los juegos de interconexión. un papel importante en la decisión de las pérdidas de resistencia de contacto. d) Colectores de gas: El colector de gas proporciona puntos comunes de suministro de gas para cada celda y, a continuación, la eliminación de los productos de reacción, así como de los gases no reaccionados. Los colectores de gas pueden ser internos o externos. Los colectores internos están diseñados como parte de la interconexión o de la celda, mientras que los colectores externos están construidos por separado (Fig. 4.12). La fuga de gas puede ocurrir a través de los colectores, por lo tanto, el sellado es necesario para superar las pérdidas por fugas y las caídas en la celda. el rendimiento. Además, el colector debe proporcionar una baja caída de presión y distribución uniforme del flujo a la pila. Ilustración 25: Demostración de la trayectoria de la corriente en diseño Monolítico de SOFC Electrolizadores y Pilas de Combustible de Alta Temperatura 54 54 2.2.3.3.1 Diseño Tubular (Seal-less) El diseño tubular de SOFC fue creado inicialmente por Siemens Westinghouse, EE. UU. Cada tubo de la pila consta de un tubo de ensayo grande cerrado por uno de sus extremos. La pila tubular posee dos tubos, es decir, un tubo exterior y un tubo interior (Ilustración 26). El tubo externo (tubo celular) consiste en una superficie interna y una superficie externa. Ilustración 26: Diseño tubular SOFC La superficie externa del tubo de la celda se considera el lado del ánodo y la superficie interna se considera el lado del cátodo de la celda. El electrolito sólido se fabrica entre la superficie interna y externa del tubo celular. El tubo interno también se conoce como el tubo de inyección / guía. El tubo de inyección está compuesto de alúmina a través del cual se inyecta aire precalentado hacia el fondo del tubo celular. Este aire precalentado luego fluye sobre la superficie del cátodo a través del espacio entre la cara interna del tubo celular y los tubos de inyección. Los iones de oxígeno migran a través del electrolito para reaccionar con el combustible produciendo una corriente eléctrica. 2.2.3.3.2 Diseño Microtubular Las células microtubulares se fabricaron por primera vez en 1990 por Michaela Kendall, que tenían un diámetro de 1 a 5 mm, un grosor de pared de 100 a 200 μm y estaban hechas de zirconia extruida estabilizada con itria. Después de este logro, Kendall y sus compañeros construyeron reactores de 20 celdas, 200 celdas y 1000 celdas. Solo un reactor alimentado con aire caliente podría calentarse a la temperatura de funcionamiento deseada y la celda podría soportar un aumento de temperatura de hasta 200 ° C / min. Bujalski demostró que la temperatura operativa de estas células MT podía aumentar a una velocidad de 4000 ° C / min, que indica el tiempo de inicio rápido de 12 s para SOFC sin ningún daño operativo o estructural en estas celdas. En segundo lugar, estas celdas podrían enfriarse extremadamente rápido sin ningún daño. El tubo YSZ de espesor 150 μm y 2 mm de diámetro es un soporte para los electrodos. Además de esto, el tubo electrolítico también sirve como tubo de entrada de gas y tubo de salida de la cámara de combustión. La longitud del tubo puede variar entre 100 y 200 mm, mientras que la ocupación de la 55 55 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles región celular es de aproximadamente 30 mm hacia el extremo de salida del tubo. Ilustración 27: Esquema de una Celda Microtubular En la pared interna del tubo, se reviste un ánodo de Ni + YSZ de 30 mm de largo y 50 μm de espesor. Además, se inserta un cable colector de corriente de Ni que sale del lado de entrada de combustible del tubo. 2.2.3.3.3 DISEÑO PLANAR (BIPOLAR/PLACA PLANA) El diseño planar generalmente se construye utilizando la disposición: electrodo negativo-electrolito- electrodo positivo (PEN) intercalada entre las placas de interconexión (en la parte superior e inferior) (Ilust. 25). Los canales de aire están ubicados entre los electrodos de la placa de interconexión; es decir, existe un canal de aire entre el cátodo y la interconexión (placa separada), mientras que el canal de combustible se sitúa entre el ánodo y la interconexión. El diseño planar ofrece muchas características atractivas entre las cuales se incluyen: • Bajos costos de fabricación y un proceso de fabricación simple. • Alta densidad volumétrica de potencia; Conexiones eléctricas en serie simple. • Baja polarización óhmica debido a la recolección de corriente perpendicular en la pila de celdas. • Facilidad de eliminación del calor. En el diseño planar de las SOFC también se usan los mismos materiales comunes para la fabricación de componentes que se usan para otros diseños de SOFC: YSZ se usa como electrolito, el cermet Ni / YSZ como ánodo y lantano de estroncio manganita como cátodo. Si el grosor del electrolito es de 5 a 20 μm en lugar de 100 μm, la celda puede funcionar a temperaturas reducidas, lo que permite una amplia variedad de materiales junto a una reducción considerable del estrés térmico. De todos modos, las geometrías planas ofrecen algunos inconvenientes, entre los cuales se incluyen: • Dificultad para obtener una estructura mecánica estable. • El estrés moderado también puede conducir a la falla de la pila de celdas. • El tiempo de arranque es alto. • Requisito de sellos herméticos a alta temperatura para evitar fugas de gas en la configuración bipolar. Electrolizadores y Pilas de Combustible de Alta Temperatura 56 56 Ilustración 28: Configuración plana de SOFC con interconexiones acanaladas 57 57 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles 2.3 Interés de los Sistemas Reversibles En un sistema convencional, la energía eléctrica que puede provenir de una fuente renovable se utiliza para producir hidrógeno en un equipo llamado electrolizador, el cual, mediante la aplicación de una corriente eléctrica, es capaz de separar las moléculas de hidrógeno y oxígeno de una corriente de agua. Una vez producido el hidrógeno, se puede almacenar de las diversas formas que se han visto en el apartado 1.3 y transportarlo a cualquier lugar una vez almacenado, ya sea en camiones cisterna o en grandes buques. Finalmente, para revertir el proceso y obtener de nuevo energía eléctrica, es necesario hacer pasar el hidrógeno por una pila de combustible, equipo que transforma la energía química del hidrógeno, combinándolo con oxígeno (o aire, que contiene oxígeno), en energía eléctrica y dando como residuo agua en estado líquido o gaseoso. (Ilustración 29) Ilustración 29: Ciclo del Hidrógeno con Pila de Combustible Otra opción para revertir el proceso es introducir el hidrógeno en un motor de combustión interna de hidrógeno, y acoplar éste a un generador eléctrico, transformando así la energía química del hidrógeno en energía mecánica mediante el motor, y transformado a su vez esta en energía eléctrica mediante el uso del generador. (Ilustración 30) Sistemas Reversibles de Alta Temperatura 64 64 A pesar de su limitada potencia, este sistema puede dimensionarse para proporcionar hasta 400 kW de potencia. Con un contenedor de unos 20 pies (0,56 m³), la pila actual tiene una salida de 50 Kw, sin embargo, en un futuro se prevee que en el mismo tamaño pueda albergar un sistema que genere unos 200-250 kW. Estos sistemas son modulares y escalables en función de las necesidades de cada aplicación, y se pueden construir en varios tamaños estándar. Omar Saadeh, analista senior de redes en GTM Research, dijo que el ejército es un gran consumidor de energía con una necesidad muy alta de fiabilidad con respecto a los sistemas en misiones críticas; Por lo tanto, tiene sentido que inviertan en una combinación de generación de energía in situ y tecnologías de microrred. "En las bases de operaciones avanzadas, por ejemplo, el despliegue de energías renovables no solo mejora la eficiencia energética, sino lo que es más importante, también reduce el riesgo logístico en el transporte de combustible en territorio distante y a menudo hostil". Si bien la energía solar a menudo se promueve como el recurso del futuro, la generación a gas natural representa el 67% de la generación de energía de microrred doméstica de los militares. "Esto se debe a su rápida capacidad de envío y confiabilidad como fuente de energía a mayor escala", dijo. "Dicho esto, las bases remotas, que son más pequeñas por naturaleza, están desplegando combinaciones renovables y de almacenamiento como soluciones económicamente viables que satisfacen las necesidades energéticas actuales". La tecnología es única para poder almacenar energía y producir electricidad en un solo sistema, haciendo que la tecnología sea reversible. "El SOFC es una tecnología muy prometedora tanto para islas remotas como para aplicaciones expedicionarias", dijo Michael Cruz, gerente de proyectos de EXWC, en un informe publicado. "Combinado con una matriz solar fotovoltaica, un sistema SOFC genera electricidad, agua potable y calor con solo dos entradas, luz solar y agua de mar". 65 65 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles 3.2 Limitaciones Las limitaciones de las pilas de combustible de óxidos sólidos reversibles son las siguientes (algunas son las mismas que las de la tecnología de óxidos sólidos): o Rendimientos y eficiencia: El rendimiento de una RSOFC está limitado por la celda electrolítica de óxidos sólidos, cuyo rendimiento es menor que el de una SOFC. Sin embargo, su eficiencia (electricidad → electricidad) es aproximadamente el doble que la de los PEM URFC, dentro del rango del 75–80%. o Ciclabilidad / durabilidad: cuando la tecnología de óxido sólido funciona en condiciones estacionarias de temperatura y potencia, la durabilidad es mejor debido a los constantes esfuerzos de I + D. Las tasas de degradación en la tecnología de electrólisis de alta temperatura (> 2% / 1000 h) son más altas que en la tecnología SOFC (<1% / 1000 h) y, por lo tanto, se espera que la durabilidad de los RSOFC sea similar a la de las células HTSE (high temperatura steam electrolyzer). Sin embargo, el ciclo de carga y el ciclo de temperatura tienen efectos perjudiciales muy significativos tanto en el rendimiento como en la durabilidad. o Operación bajo presión: existen pocos informes sobre el desarrollo de las celdas HTSE o las pilas que funcionan bajo presión. o Alto coste destinado a los sistemas de almacenamiento y suministro. o Peso excesivo de pilas de combustible para los prototipos actuales. o Elevado gasto energético para licuar el hidrógeno. o Tecnología emergente. Determinados problemas aún no resueltos afectan al funcionamiento de las pilas de combustible, lo que repercute en su comercialización. o 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. Sistemas Reversibles de Alta Temperatura 66 66 3.3 Líneas de Investigación Los avances en RSOFC continuarán aprovechando el progreso en la tecnología SOFC / SOEC (solid oxide electrolyzer cell). Sin embargo, se requiere cierta I + D para abordar varios problemas críticos específicos del RSOFC, como el rendimiento y la reversibilidad de los electrodos de oxígeno, un conjunto de materiales, diseños de celdas / pilas y parámetros operativos adecuados para la operación reversible, y el diseño e integración del sistema para demostrar la viabilidad de la tecnología. Esto servirá como base para un mayor desarrollo de la tecnología hacia aplicaciones prácticas. El desafío principal proviene de la irreversibilidad de la pareja redox agua-oxígeno (tanto para la oxidación del agua en oxígeno como para la reducción de oxígeno en agua), que es una fuente de baja eficiencia (se puede obtener un máximo de 35-40% de eficiencia electricidad-electricidad en ciclos a 1Acm²). Además, la necesidad de combinar la reacción de evolución de oxígeno (que requiere dióxido de iridio como electrocatalizador) y la reacción de oxidación de hidrógeno (que requiere platino como electrocatalizador) es la causa de algunos problemas de corrosión y envejecimiento rápido. En el rango de alta temperatura (> 650 ºC), prevalece la tecnología de óxido sólido. En este rango de temperatura, la pareja redox agua-oxígeno es completamente reversible. Como resultado, el diseño de la celda se simplifica y se pueden lograr mayores eficiencias (se puede obtener 75-80% eficiencia electricidad-electricidad a 1Acm²). Aunque hay pocas (si las hay) aplicaciones de mercado para RSOFC en este momento, el desarrollo de la economía del hidrógeno sin duda impulsará las actividades de I + D en el campo y se desarrollarán sistemas de mayor capacidad en el futuro. 67 67 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles CONCLUSIONES Tras haber realizado este trabajo de investigación, se puede concluir que la tecnología del hidrógeno, a pesar de estar desarrollándose desde hace varias décadas, está cobrando importancia en soluciones reales en los últimos años. Esto se debe a todo el desarrollo e investigación que se ha realizado desde que se descubrieron las posibilidades del hidrógeno. Ya que hasta hace pocos años no se han podido fabricar sistemas basados en hidrógenos con unas características que sean capaces de competir con los sistemas convencionales. Aún así, la tecnología en la que se centra este trabajo es aún más novedosa y por tanto está en una etapa más temprana de desarrollo. Como ya se ha visto, se están consiguiendo unas cifras bastante favorables en cuanto a eficiencias, pero se ha comprobado que pueden alcanzar unos valores bastante más altos. Lo mismo ocurre con la potencia de las celdas. Otro de los puntos clave para que estos sistemas puedan desarrollarse por completo es el almacenamiento del combustible, el hidrógeno. El cual es costoso, ya que comprimirlo o licuarlo conlleva un gasto energético considerable, por ello se está investigando las posibilidades de la mezcla de hidrógeno con soluciones metálicas, los llamados hidruros metálicos. Se puede concluir que la tecnología reversible en las pilas de combustible es un gran avance que permitirá dar al hidrógeno un protagonismo que sería imposible que consiguiera sin ella, ya que al ser la pila un sistema independiente (al ser reversible) que puede realizar las dos funciones principales, producción de hidrógeno y producción de electricidad, aumenta en gran medida las posibilidades de uso de estos sistemas. Conclusiones 68 68 69 69 Pilas de Combustible de Alta Temperatura Reversibles BIBLIOGRAFÍA Linares Hurtado, J.I. y Moratilla Soria, B.Y. (2007). Colección: Avances de Ingeniería. Análisis de situación y prospectiva de nuevas tecnologías energéticas. Madrid: Asociación Nacional de Ingenieros del ICAI y Universidad Pontificia Comillas. Rosa Iglesias, M.F. (2018). Apuntes asignatura “Sistemas basados en el Hidrógeno”. Durán Flores, P. y Piña Abarca, A. Generación de Energía a partir de Hidrógeno. Chile: Pontificia Universidad Católica de Chile. 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