PILAS DE COMBUSTIBLE : ENERGÍA LIMPIA PARA EL FUTURO


INTEGRANTES DEL GRUPO 10
- Pablo García Sebastián
- Diego González Lorido
- Jennifer González Mesías
- David González Munuera
- Beatriz González Romero
- Daniel Guío Jerez
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ÍNDICE:
  1. Introducción a las pilas de combustible.
  2. Evolución de las pilas de combustible.
  3. Tipos de pilas de combustible.
  4. Estado actual y perspectivas de futuro de las pilas de combustible.
  5. Ventajas e inconvenientes.
  6. Principales aplicaciones de las pilas de combustible.
  7. Las pilas de combustible en la industria del automóvil.
  8. Nanotecnología para catalizadores de celdas de combustible.
  9. El hidrógeno como combustible.
  10. Tipos de obtención del hidrógeno.
  11. Bibliografía.









1.INTRODUCCIÓN A LAS PILAS DE COMBUSTIBLE



Una célula de combustible o pila de combustible es un dispositivo que utiliza una fuente de combustible, como el hidrógeno, y un oxidante para crear electricidad a partir de un proceso electroquímico. Al igual que las baterías que se encuentran bajo el capó de los automóviles o en linternas , una célula de combustible convierte energía química en energía eléctrica. Todas las células de combustible tienen la misma configuración básica : Un electrolito y dos electrodos , pero hay diferentes tipos de pilas de combustible , basadas principalmente en el tipo de electrolito que utilizan. Se pueden utilizar diversos tipos de combustibles ( diésel , metanol ) y oxidantes ( cloro , dióxido del aire ) . La mayoria de pilas de hoy en dia tienen como producto oxígeno e hidrógeno. El fabricante de automóviles japonés "Honda" ha desarrollado un sistema autónomo y doméstico que permite obtener hidrógeno a partir de energía solar para repostar vehículos de pila de combustible y aprovechar el proceso para genera electricidad y agua caliente para el hogar.

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Esquema de una pila




2. EVOLUCIÓN DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE.
En 1791, en Italia, Luigi Galvani, que estudiaba a los impulsos nerviosos, demostró en un experimento que cuando dos metales diferentes tocaban los nervios de la rana, se producía una contracción muscular. Su compañero, Alessandro Volta, interpretó que ese efecto galvánico se originaba gracias al contacto de los dos metales con el tejido. A partir de estas ideas en 1800 diseñó la pila de Volta, que es el primer ejemplo de batería propiamente dicha, que supuso un gran desarrollo en el ámbito electroquímico.
En 1801, William Nicholson y Anthony Carlisle realizaron la electrolisis del agua, produciendo hidrógeno y oxígeno. Robert Grove, hacia 1830, siguió investigando las interacciones del agua con la electricidad. Sus aparatos de investigación constaban de dos electrodos de platino introducidos en una disolución de ácido sulfúrico y agua. Esto le hizo pensar que si el paso de la corriente hacía que el agua se descompusiera en hidrógeno y oxígeno, también ocurriría el proceso inverso. Vio que cuando desconectaba la corriente, los electrodos en los que se encontraba el hidrógeno y el oxígeno en forma de gas, estaban polarizados. Cuando en este estado los electrodos eran unidos mediante un circuito externo, encontró que había un flujo en este circuito. Grove llamó a este invento la batería de gas voltaica, y fue publicado en 1839. Este fue el primer prototipo de la pila de combustible. Grove no utilizó esto para producir energía eléctrica, sino que desarrolló una batería con cinc y ácido nítrico. Fue cinco años después cuando Langer y Mond generaron energía a partir de celdas de oxígeno he hidrógeno, usando electrodos de platino y un electrolito en medio.

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Primera pila de combustible

Aunque este descubrimiento hoy en día tiene una gran importancia biológica y medioambiental, no fue hasta 1960 cuando se le dio una utilidad práctica. La NASA decidió emplearlas en distintas misiones espaciales como en la misión Géminis o Apolo.

3.TIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLE
Las pilas de combustible podrían clasificarse de acuerdo a criterios muy diversos. Como: la temperatura de trabajo, en condiciones bajas, medias o altas, o según el tipo de oxidantes y combustibles que utilicen como base, dividiéndolos en sistemas con reactivos gaseosos o sistemas con combustibles líquidos, por ejemplo. Pero por razones prácticas las pilas se clasifican según el electrolito que poseen, el cual determina la temperatura de funcionamiento del sistema y el tipo de combustible empleado. Podemos encontrar 6 tipos de pilas:
  1. Membrana polimérica (PEM): Estas pilas poseen una membrana de polímero sólido en la que el intercambio de protones (H+) desde el ánodo al cátodo forma parte de las reacciones químicas que producen la electricidad. Exigen una gestión eficaz del agua que se genera en reacción para evitar inundación o excesivo desecamiento de la membrana. Tienen que usar Pt como catalizador, que al ser extremadamente sensible al CO, tiene que usar como combustible H2 puro. Actúan a una temperatura entre 30 y 100ºC. Son utilizadas para la generación de energía estacionaria, para el transporte(coches, autobuses..) y para quipos portátiles. Tienen una gran rapidez de arranque, una baja necesidad de mantenimiento y operan a temperaturas relativamente bajas, pero son extremadamente sensibles a la contaminación por CO2 y bastante caras.
  2. Alcalinas (AFC): Es una pila de hidrógeno/oxígeno en la que el electrolito está concentrado (35-50% de líquido) y los iones hidroxilo (OH-) son transportados del ánodo al cátodo. Deben utilizar H2 muy puro como combustible para no contaminar el electrolito, por ello su uso está restringido en misiones espaciales u otras aplicaciones especiales. Operan a una temperatura entre 90 y 100ºC. Son utilizadas para vehículos espaciales como Apolo, Lanzadera y para dispositivos militares… Son pilas utilizadas con materiales económicos, tolerantes al monóxido de carbono y con una elevada presentación de corriente. Pero están formadas por un electrolito corrosivo y son muy intolerantes al dióxido de carbono.
  3. De ácido fosfórico (PAFC): Utilizan un electrolito de ácido fosfórico líquido concentrado (H3PO4) y los protones (H+) son transportados desde el ánodo al cátodo. Estas pilas sí que admiten variedad de combustibles(gas de síntesis, hidrocarburos...). Actúan a una temperatura entre 175 y 200ºC. Son utilizadas por ejemplo para la calefacción y electricidad de un bloque de apartamentos. Las ventajas de estas pilas son que tienen una eficiencia de más del 85%, que son fáciles de fabricar y que tienen una excelente estabilidad química, entre otras. Pero tienen una bajo rendimiento, una duración limitada, catalizadores Pt muy costosos y escasos y un peso y tamaño elevados.
  4. De carbonato fundido (MCFC): Poseen un electrolito fundido de Li2CO3/Na2CO3 en el que la especie es transportada del cátodo al ánodo, y utiliza Ni como catalizador. Este sistema admite monóxido de carbono como combustible por lo que pueden utilizarse mezclas de CO y H2 como las que se producen en un gasificador de carbón. Pero el hecho de ser el electrolito líquido requiere un sofisticado diseño y es muy exigete con los materiales. Actúan a temperaturas entre 600 y 1000ºC. Son aplicadas en la potencia estacionaria comercial e industrial. Estas pilas tienen una alta eficacia, aprovechan el calor en turbinas de gas y vapor para aumentar las eficiencias y tienen la posibilidad de emplear otros combustibles como el gas natural, el gas de síntesis o el biogas. Sin embargo, constan de un electrolito inestable y corrosivo, requieren altas temperaturas de operación y un elevado coste.
  5. De óxidos sólidos (SOFC): Usa como electrolito un componente de cerámica duro y no poroso, normalmente un óxido de circonio estabilizado con itrio. Es un electrolito sólido en el que, normalmente, el ánodo es una mezcla de un material cerámico y un metal, Ni-ZrO2, y el cátodo es de manganita de latano dopado con estroncio o selenio. Operan a temperaturas entre 600 y 1000ºC. El óxido de circonio es un buen conductor de ión óxido a partir de los 1000ºC. Los combustibles más adecuados son el H2, el CO y el metano, mientras que en el cátodo se suministra aire u oxígeno. La elevada temperatura de operación hace posible el reformado interno de metano, evita el uso de catalizadores caros como el Pt y hace eficiente la utilización del calor transportado por los productos de la reacción en la calefacción y producción de agua caliente o turbinas. Se aplican en la potencia estacionaria residencial, comercial e industrial. Tienen una alta eficiencia, una larga duración, elimina el manejo de electrolitos líquidos y tiene una rápida cinética electroquímica. Pero requiere una alta temperatura de operación, unos elevados costes y tiene un bajo rendimiento.
  6. De metanol directo (DMFC): Pila cuyo combustible es el metanol (CH3OH), en forma gaseosa o líquida. El metanol se oxida directamente en el ánodo sin ninguna modificación del hidrógeno. Actúan a temperaturas entre 60 y 100ºC. Son utilizadas, sobre todo, en equipos portátiles. Sus ventajas son que requieren una baja temperatura, tienen un arranque rápido, un combustible líquido más cercano a la tecnología actual, un electrolito sólido que evita la corrosión y las fugas, y, por lo tanto, es más ecológica. Sin embargo, son más complejas de fabricar y requieren materiales muy costosos y caros.

4. ESTADO ACTUAL Y PERSPECTIVAS DE FUTURO:
En el panorama energético actual, la energía es un problema socio-político fundamental. El consumo de energía se ha multiplicado mas de 100 veces desde la era industrial existiendo grandes desigualdades entre las diferentes zonas geográficas, así como lugares que consumen entre 150 y 200 veces más que otros. Hay países muy desarrollados que necesitan de esta industria ya que si no tienen energía no podrán seguir desarrollándose. Por otro lado hay muchos países en vías de desarrollo que demandan esta energía, y entre los primeros y los segundos se suman casi el 80% de la población por lo que generar una nueva energía que no provenga de combustibles fósiles es una prioridad.
Para hacer frente al consumo de energía que cada día es mayor, se están estudiando energías alternativas a las producidas por los combustibles fósiles, las energías renovables y la energía nuclear. Esta energía que se está potenciando es la energía del Hidrógeno que constituye un 90% de la materia presente en la atmósfera.
Como cualquier innovación requiere un proceso de investigación muy costoso en el cual hay que invertir trabajo y dinero. Aquí en España la financiación esta producida por el CDTI (Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial) esta asociación ha invertido en el programa CENIT ( Consorcios Estratégicos Nacionales de Investigación Técnica). En el 2006 se aprobaron dos proyectos desde el CDTI para el CENIT: uno para la investigación del hidrógeno liderado por Gas Natural, y otro para las pilas combustibles liderado por Cegasa.

Video de APPICE (asociación de pilas de combustible de España)



5. VENTAJAS E INCONVENIENTESLa principal ventaja de la pila de combustible es su alto rendimiento de obtención de energía eléctrica máxime si se compara con un motor térmico convencional. Por otra parte es una tecnología emergente que debe madurar y aumentar su producción para que sea competitiva con las tecnologías tradicionales de producción de energía eléctrica.
La siguiente tabla ilustra las principales ventajas e inconvenientes de las pilas de combustibles.
VENTAJAS
Alta eficiencia:

En cualquier caso superior a un 40%
Modularidad:

Aumentos que pueden ser cubiertos ensamblando nuevas unidades
Nula emision de contaminantes:

Permite trabajar con H2( respetuoso con el medioambiente)
Nula contaminacion acustica:

Al no existir partes móviles, subniveles de ruido es muy bajo e inferior al de equipos auxiliares.
Facilidad de instalacion:

Por su modularidad y mínimo nivel de ruido permite su emplazamiento en cualquier lugar.

INCONVENIENTES
Alto coste:

Demanda actual no competitiva frente a otros dispositivos convencionales de producción de energía eléctrica
Tecnología emergente:

Existen retos tecnológicos e ingenieriles pendientes de resolver por falta de experiencia.
Sensibilidad frente a contaminantes:

Disminucion de vida util en caso de impurezas en los gases de los que se alimenta.

Esta claro que la pila de combustible va a ser el futuro y se a escogido la pila de combustible de hidrogeno reduce la dependencia energética y puede reducir el balance de emisiones, generándolo con excedentes de electricidad. Se puede obtener de muchas fuentes y es potencialmente inagotable, como el Sol, que funciona con hidrógeno y va a estar en marcha varios millones de años más .Cada día van apareciendo nuevos trabajos y avances en la búsqueda de viabilizar la entrada del hidrógeno en la matriz energética de los países. Dentro de estos avances se encuentra la producción de hidrógeno a partir de desechos orgánicos, incluyendo las aguas residuales (también denominadas aguas negras), posiblemente a un costo menor que la tecnología tradicional basada en la electrolisis (descomposición del agua mediante la electricidad).


Actualmente se intenta economizar los precios de las etapas, como el catalizador, uno de los procesos más caros, se pretende en unos años utilizar algunos microorganismos en lugar de utilizar metales nobles. La investigación actual se inspira en ciertos procesos enzimáticos. También se consideran medios sólidos de almacenamiento que no sean bombonas para conseguir más seguridad y compactación.



6. PRINCIPALES APLICACIONES DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE



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Adecuación a la demanda energética
Una de las ideas que se están barajando es utilizar el exceso de electricidad generado en las horas bajas de demanda para, mediante la hidrólisis del agua, producir hidrógeno y almacenarlo en pilas de combustible. Así, cuando aumente la demanda eléctrica, se conectaría la pila de combustible para conseguir una generación adicional. De esta forma, mediante fuentes renovables se consigue adecuar la electricidad producida a las diferentes situaciones de demanda con las mínimas pérdidas. Actualmente, las baterías “solucionan” el problema, pero las pilas de combustible serían una medida mucho más sencilla y económica.

"Baterías" portátiles
A diferencia de las baterías, las pilas de combustible poseen largos tiempos de duración y altos registros de potencia. Estas características hacen de la pila de combustible una excelente fuente de energía para dispositivos portátiles. Pero la utilización de pilas de combustible para suministrar energía a móviles, tablets… todavía está lejos; sobre todo por problemas en el almacenamiento del combustible,la gestión de los productos de la reacción (principalmente agua),la posibilidad de variar el flujo de combustible para adecuarlo a la energía requerida por el dispositivo en cada momento,los altos precios,y los posibles riesgos en la seguridad.


Estaciones eléctricas
La utilización de pilas de combustibles para generar electricidad sería de gran ayuda para todos esos lugares recónditos donde no puede llegar la electricidad a través de las típicas infraestructuras (torres de altas tensión,cableado...) Esto podría abastecer desde un refugio de montaña,hasta una costosa expedición al espacio exterior.

Avances de la pila de combustible en España
El Departamento de Energía de EEUU ha marcado una meta de potencia para las pilas de combustibles a cumplir en 2017, pero investigadores de la UNED ya lo han conseguido. El secreto es un nuevo método de fabricación desarrollado y patentado por el equipo español para uno de sus componentes.
Se refiere a una pila de hidrógeno, este tipo de pila emite agua en lugar de CO2 y se considera la tecnología futura más deseada para vehículos eléctricos, lo curioso del tema es que lo han conseguido cambiando sólo el modo de ensamblaje de la pila, ósea que no requiere más que un electrospray para añadir la capa catalítica mientras que otros estaban mezclando compuestos para ver si se podía bajar la pureza del platino o cambiar uno de los electrodos.

Vehículos propulsados por pilas de hidrógeno
Las pilas de combustible alimentadas por hidrógeno son silenciosas y, además de calor y electricidad, sólo generan agua como residuo, que adicionalmente en su salida puede mover también una micro-turbina (sistema de cogeneración). Para hablar de un tipo de energía totalmente renovable habría que asegurarse que la procedencia del hidrógeno fuera también renovable.

Esquema de un vehículo propulsado por pila de hidrógeno
Esquema de un vehículo propulsado por pila de hidrógeno



Un coche impulsado por hidrógeno es, en realidad, un coche eléctrico. La diferencia está, en que producen su propia energía eléctrica mediante una pila de combustible alimentada por hidrógeno, en lugar de acumular en pesadas baterías la energía eléctrica suministrada anteriormente por la red. Además el repostaje en este caso es más rápido.

El platino es el catalizador que hace posible esta reacción química y cada vehículo necesita varios gramos de este valioso elemento (tanto más cuanto más potente queremos que sea el coche). Actualmente se extrae muy poco platino y un incremento en las tasas de extracción provocado por la alta demanda, elevaría aun más su alto precio.Sin embargo, un equipo de investigadores de la Cornell Energy ha dado un importante paso adelante con un proceso químico que crea nanopartículas de cobalto-platino. Estas desarrollan una mayor actividad catalítica que si utilizásemos el platino puro, que es escaso y caro. En lugar de mezclar simplemente el cobalto y el platino, los átomos se organizan en una red ordenada. En las diferentes pruebas se observó una actividad catalítica 3’5 mayor que la de partículas similares con un núcleo desordenado, y más de 12 veces que la del platino puro. Estos nuevos catalizadores también duran más, ya que después de 5.000 ciclos de encendido y apagado, la actividad catalítica de las nanopartículas ordenadas se mantuvo constante, mientras que la de cobalto-platino desordenado rápidamente cayó.


El hidrógeno debe almacenarse a una altísima presión. Los tanques pueden ser de acero, pero lo más probable es que terminen siendo de fibra de carbono, para reducir su peso y no suponer un lastre en el peso total del automóvil.

Pero el mayor problema es la ausencia de infraestructura de repostaje de hidrógeno. Todo tiene que estar a alta presión (mangueras, tanques…) y el repostaje debe realizarse a través de un sistema totalmente sellado.

A pesar de su poca competitividad económica en el presente, prácticamente todas las compañías automovilísticas invierten grandes cantidades de dinero para ser las primeras en comercializar a gran escala vehículos con pilas de combustible. La comercialización masiva de este tipo de vehículos se prevé que comenzará a partir de 2015.

El cambio progresivo de vehículos con motores de combustión interna por vehículos de motor eléctrico alimentados por pilas de hidrógeno hará por tanto de nuestras ciudades sitios más silenciosos y saludables en el futuro, siempre y cuando, la investigación científica supere algunas barreras más.



7.Las pilas de combustible y la industria automóvil

La necesidad en el transporte de reducir el numero de emisiones hizo que los líderes de la UE y de la G8 declararan en 2009 que las emisiones de CO2 a la atmósfera deberían reducirse en al menos un 80% de los niveles emitidos en el año 1990 hasta el año 2050 con el objetivo de estabilizar la cantidad de CO2 en la atmósfera y reducir así el calentamiento global. Este nivel de descarbonización puede requerir la reducción de emisiones en un 95 % de CO2 en el transporte por carretera , un objetivo muy difícil. El motor de combustión interna ( ICE en inglés ) no se espera que mejore más de un 30% en su eficiencia, y la disponibilidad y compatibilidad de los biocombustibles alternativos es incierta , y por ello es poco probable que los vehículos convencionales puedan cumplir con este objetivo. Es evidente la necesidad de llevar a cabo una serie de soluciones para conseguir una tasa de emisión cero en toda gama de vehículos , desde los vehículos más pequeños a aquellos que tienen altos kilometrajes y mayor necesidad de aporta de biocombustibles.

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Pila de combustible de un vehículo FCEV



Las células o pilas de combustible se asemejan a una nueva tecnología : Una pila de combustible , como hemos mencionado anteriormente , genera electricidad a partir de una reacción electroquímica , es decir transforma la energía química en energía eléctrica y , además se obtienen energías secundarias como el calor. Una batería ( pila de combustible ) contiene energía encerrada en su interior , y cuando ésta se acaba es necesario recargarla mediante el suministro externo de electricidad y conducir así la reacción electroquímica en sentido inverso. Sin embargo , una célula de combustible puede funcionar de manera indefinida siempre y cuando se suministre una fuente de combustible de hidrógeno . Este proceso es similar al que se lleva a cabo en una ICE ( motor de combustión interna ) en que se oxida combustible , pero en lugar de utilizar este tipo de combustión , una célula de hidrógeno oxida electroquímicamente hidrógeno de una manera muy eficiente. Durante la reacción , iones de hidrógeno reaccionan con átomos de oxígeno para formar agua , y los electrones liberados en esta reacción de oxidación fluyen a través de un circuito eléctrico como una corriente eléctrica. El gas de escape es vapor de agua ( no contaminante ).
El tipo de pila de combustible utilizado en la industria automóvil el de celdas de combustible de membrana de intercambio de protones ( en inglés PEMFC ) . A una temperatura baja , una célula de combustible que contiene como catalizador una placa de platino es la más común y genera una variable eléctrica ideal para el uso de vehículos.



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Electrolisis del agua


Las células de combustible en un motor eléctrico : Los vehículos eléctricos de batería (BEV en inglés) alimentan sus motores con baterías , mientras que los vehículos híbridos los alimentan con células de combustible ( FCEV en inglés ) de hidrógeno accionados con una pequeña batería . Ambos vehículos se tienen la ventaja de tener un funcionamiento casi silencioso , una excelente facilidad de conducción y sin emisiones perjudiciales para la atmósfera. Los vehículos de batería ( BEV ) suelen ser vehículos pequeños que no soportan trayectos de más de 200 km continuos , sus largos tiempo de necesidad de recarga han limitado mucho su fabricación. Los vehículos eléctricos híbridos son un puente entre los vehículos convencionales y los eléctricos y nunca van a tener tasas cero de emisiones. Los vehículos de celdas de combustible permiten la combinación de todas las ventajas de los motores de combustión y los eléctricos . Pueden ser reabastecidos en minutos utilizando una boquilla similar a una bomba de combustible convencional y tienen la capacidad de poder recorrer una gran cantidad de kilómetros hasta su posterior abastecimiento. Las células de combustible constituyen una fuente de energía con cero emisiones y por ello el conjunto de sus ventajas e inconvenientes es un atractivo para el conductor.


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Repostaje de un vehículo que funciona con motor de hidrógeno



El hidrógeno es como un combustible : El hidrógeno es un combutible excepcional de alta densidad de energía en masa , más alta que los combustibles convencionales y sustancialmente mayor que las baterías . Más del 90% de combustible de carretera es fabricado a partir del petróleo crudo , el hidrógeno es fabricado a partir de una amplia variedad de fuentes , presentando la oportunidad a muchos países de reducir su dependencia de la energía importada. Existe una larga experiencia industrial de la fabricación , almacenamiento y distribución de hidrógeno. La producción mundial actual sería suficiente para alimentar combustible a 250 millones de coches de pila. El hidrógeno que se genera como subproducto en los procesos industriales está siendo también utlizado en los coches de pila ( FCEV ). La técnica utilizada para producir hidrógeno es la electrolisis del agua . Se trata de una reacción en la que a partir de electricidad se separa del agua el hidrógeno y el oxígeno. El hidrógeno proporciona la utilidad de una fuente de energía renovable , limpia y adecuada para el uso de vehículos híbridos , que son los automóviles futuros.










































8.Nanotecnología para catalizadores de celdas de combustible
Los electrodos catalíticos en las células de combustible a menudo se hacen a partir de platino. Se ha comprobado que el uso de nanopartículas de platino en lugar del de una superficie sólida aumenta la eficiencia y permite un menor gasto del metal. Una mejora potencial de la nanotecnología actual es la fabricación de nanopartículas de platino que permiten una mayor accesibilidad del material y una menor necesidad de usar gran cantidad de electrodo caro. Los catalizadores de nanotubos de carbono pueden sustituir al platino en pilas de combustible . La tecnología de estos nanotubos avanza rápidamente y la materia prima es barata , lo cual significa que los nanotubos de carbono pueden ser producidos por una fracción de coste de los catalizadores de platino. Como el platino representa alrededor del 25% del coste de las pilas de combustible comerciales , la adopción de estos catalizadores permitirá un mayor numero de aplicaciones de las células de combustible. Los nanotubos de carbono con nitrógeno o recubiertos por un polímero aceptor de electrones ( cloruro de polidialildimetilamonio o PDDA ) son técnicas utlizadas para hacer a los nanotubos más eficaces como catalizadores. La actividad catalítica de estos nanotubos es superior a la del platino ( la salida de potencial eléctrico en estos catalizadores es superior a la que tiene lugar en el platino). Además , la actividad catalítica los nanotubos de carbono no es dañada por monóxido de carbono o por metanol cuando se utliza como combustible , a diferencia de lo que ocurre con el platino.
Los catalizadores como autolimpiadores : Las actuales celdas de combustible solo pueden usar una determinada gama de combustibles ( hidrógeno , gas natural , metanol ). Los combustibles de hidrocarburos ( la mayoría ) que producen monóxido de carbono y depósitos de carbono de hollín dañan los electrodos de la pila de combustible después de un corto periodo de tiempo. A altas temperaturas ( más de 900ºC ) se pueden reducir las cantidades de estos venenos , pero se altera la estructura de la pila lo que requiere el empleo de materiales costosos de fabricación. En el año 2011 , investigadores de Georgia anunciaron que se podía modificar la superficie de un electrodo con nanopartículas de óxido de bario para eliminar esos depósitos de carbono que se producían . El uso de estas nanopartículas permitirá el uso de las pilas a temperaturas no elevadas y por ello inhibirá el gasto de componentes costosos que aguanten altas temperaturas.


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Nanotubo de carbono

Las membranas electrolíticas : La mayoría de las pilas de combustible utilizan como electrolitos sólidos cerámicas como la zirconia estabilizada con itria (YSZ) o un polímero de ácido perfluorosulfónico. Las pilas de combustible de este tipo tienen que trabajar a temperaturas muy altas. Esto crea un problema , ya que el rendimiento de la célula se mejora con capas más delgadas de electrolitos , lo que reduce su resistencia eléctrica. Sin embargo las capas de electrolitos muy finas sufren daños mecánicos a las temperaturas altas requeridas para el funcionamiento eficiente de la célula. En 2010 , investigadores de Harvard desarrollaron un método para estabilizar una capa delgada de YSZ de 100 nm de espesor. Ésto se logró mediante el depósito de una rejilla de metal micrómetro sobre la película de YSZ. Esto permitió la síntesis de películas con dimensiones de unos poco centímetros. Estas capas de electrolitos ultra delgadas permitirían el aumento de densidad de la capa de las células de combustible haciendo su tamaño y peso mucho más eficiente para el uso de este tipo de pilas.


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Esquema de zirconia estabilizada con itria



9. EL HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE
El hidrógeno es el elemento que más se usa en las pilas de combustible. Esto se debe a que es un elemento químico muy abundante y su utilización como combustible es el triple de eficaz que otros más perjudiciales para el medio ambiente.
A diferencia del gas natural, el petróleo, o las energías renovables, que están presentes en la naturaleza y que se pueden usar sin demasiadas transformaciones, el hidrógeno debemos producirlo a partir de otra fuente de energía. El hidrógeno puede ser almacenado durante mucho tiempo y transportado, a diferencia de la electricidad; y puede ser utilizado sin emitir gases contaminantes a diferencia de los combustibles fósiles.

El hidrógeno tiene muchas ventajas. Una de ellas es la gran capacidad calorífica que tiene, liberando así gran cantidad de energía muy superior a la de otros combustibles. También es un elemento que sufre una combustión completa fácilmente. Sus emisiones perjudicantes para el medio ambiente son muy bajos, poniendo especial atención en la ausencia de dióxido de carbono, responsables delefecto invernadero. Pero también, hoy en día, plantea bastantes desventajas como que no se da libre en la naturaleza, debido a su baja densidad hace que su depósito sea muy voluminoso y pesado, su coste de producción es muy elevado, y los esquemas de obtención de energía arrojan un balance energético negativo. Es por eso que hasta ahora no se ha desarrollado mucho la producción de energía mediante este combustible, pero no cabe la menor duda que será de un gran interés en un futuro próximo

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Propiedades energéticas del hidrógeno y otros combustibles


La utilización de este elemento es importante para dejar de abusar de los combustibles fósiles, reducir así el impacto medioambiental. Las energías renovables también son poco contaminantes, pero el inconveniente que tienen es que requieren de elementos naturales, como el viento o el agua, que pueden que no estén disponibles cuando haya una demanda energética o que se esté produciendo energía en lugares sobre los que no se precisa esa energía. La energía nuclear también sería una posibilidad si hubiese en un futuro la posibilidad de almacenar y transportar la energía producida.
Las pilas de combustible se podrían usar en todo tipo de aparatos que utilizamos hoy en día, como los móviles. Se produciría la electrolisis del agua cuando enchufásemos a la corriente nuestro aparato. El problema que hoy presentarían sería el poco desarrollo en infraestructuras de almacenaje, ya que estos depósitos serían más grandes que las baterías convencionales. Por eso hoy en día se sigue investigando en este campo, tan importante para el futuro del planeta.
















10. TIPOS DE OBTENCIÓN DEL HIDRÓGENO

A diferencia del petróleo, el hidrógeno no se obtiene como tal de la naturaleza. Debe ser generado, lo que conlleva un aporte de energía y esta se obtiene a través de energía renovable (eólica, solar, etc.) porque así sale más eficiente.

Los principales métodos de obtención del hidrógeno son:


Electrolisis: El proceso de la electrólisis consiste en la descomposición del agua utilizando la electricidad. Es un proceso industrial conocido desde hace tiempo y por ello perfectamente entendido; tiene la ventaja de que es modular y puede adaptarse fácilmente para pequeñas o grandes cantidades de gas; el hidrógeno que se obtiene mediante este procedimiento tiene una gran pureza. Otra ventaja de la electrólisis es su posible combinación con las energías renovables para producir H2 a partir de fuentes renovables.


Reformado: Consiste en la reacción de hidrocarburos con calor y vapor de agua. Permite obtener un hidrógeno de bajo coste a partir de gas natural. Plantea oportunidades para combinarse con la fijación de CO2 a gran escala. Como contrapartida las unidades a pequeña escala no son comerciales y el hidrógeno contiene algunas impurezas. Las emisiones de CO2 junto al proceso de fijación del CO2, que genera costes adicionales, son los inconvenientes que se le pueden encontrar a este proceso.


Gasificación: Partiendo de hidrocarburos pesados y biomasa se forma hidrógeno y gases para reformado mediante la reacción con vapor de agua y oxígeno. Perfectamente adecuado para hidrocarburos pesados a gran escala, puede utilizarse para combustibles sólidos, como el carbón, y líquidos. Las unidades pequeñas son muy escasas, ya que el hidrógeno suele exigir una limpieza sustancial antes de su uso. La gasificación de biomasa se esta investigando y tiene implicaciones debido a la utilización de grandes extensiones de tierra.


Ciclos termoquímicos: Utilizan el calor a alta temperatura procedente de la energía nuclear o solar concentrada. Este proceso sería potencialmente atractivo para su aplicación a gran escala, con bajo coste, y sin emisión de gases de invernadero, para la industria pesada o el transporte. Para ello existen diferentes proyectos de colaboración internacional sobre investigación, desarrollo y puesta en operación de plantas que operen con este proceso pero faltan años para su puesta en marcha.


Producción biológica: Las algas y las bacterias producen directamente hidrógeno en determinadas condiciones. En los últimos años se estudia este recurso de gran envergadura potencial aunque con un ritmo de producción de hidrógeno bastante lento. Se necesitan grandes superficies y la mayor parte de los organismos apropiados no se han encontrado todavía.




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11. BIBLIOGRAFÍA
  1. http://www.icma.unizar-csic.es/WebICMA/celdasDeCombustible.do?enlaceMenuDerecha=temas&enlaceMenuIzquierda=divulgacion
  2. http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/10499/3/Mem%C3%B2ria.pdf
  3. http://books.google.es/books?id=3SuiUYeXI_wC&pg=PA1092&dq=coche+hidr%C3%B3geno&hl=es&sa=X&ei=p1WmUI7JE_SY1AWvqYG4BQ&ved=0CE0Q6AEwBg#v=onepage&q=coche%20hidr%C3%B3geno&f=false
  4. http://www.nanowerk.com/news2/newsid=27135.php