Ingenieria_Ambiental_Hidrogeno_y_Pilas_d

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Ingeniería Ambiental 
Hidrogeno y Pilas de 
Combustible Ing. Marcel Castillo 
Msc. Energias Renovables, MBA.
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE HONDURAS
Ingeniería Mecanica Industrial
http://www.google.hn/imgres?imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b2/UNAH_logo.jpg&imgrefurl=http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:UNAH_logo.jpg&usg=__MZnfncMjUrQaGfqMlAdzgGmFu_U=&h=1059&w=636&sz=139&hl=pt-PT&start=3&zoom=1&tbnid=4J1zn6ovbspW5M:&tbnh=150&tbnw=90&ei=JNbYT4rzMM7k6QGg7JCiAw&prev=/search?q=universidad+autonoma+de+honduras&um=1&hl=pt-PT&sa=N&rlz=1R2GGLL_pt-PTES380&biw=1366&bih=612&tbm=isch&um=1&itbs=1
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Índice
Ing. Marcel Castillo
6) HIDRÓGENO Y PILAS DE COMBUSTIBLE
6.1 - El hidrógeno:
6.1.1 - Métodos de producción
6.1.2 - Almacenamiento del hidrógeno
6.2 - Celdas de combustible vs pilas de combustible:
6.2.1 - Funcionamiento
6.2.2 – Comparación de celdas de combustible y
dispositivos de combustión interna y baterías
6.3 - El ciclo del hidrógeno solar
6.4 - Motor de hidrógeno
6.5 - Ventajas y desventajas
6.1.EL HIDRÓGENO
Ing. Marcel Castillo
 El hidrógeno no es una fuente primaria de energía, ya que 
no se encuentra libre en la naturaleza y no es directamente 
aprovechable. Es un vector energético, es decir, un portador 
de energía.
 Hay que producir el hidrógeno a partir de energías
primarias. Hoy en día aproximadamente el 95% del
hidrógeno se obtiene a partir de combustibles fósiles.
 El hidrógeno tiene una densidad energética en masa 3
veces superior a la de la gasolina.
Combustible Energía
[kJ/g]
Energía
[kJ/l]
Carbón 29.3 -
Madera 8.1 -
Gasolina 43.5 30590
Diesel 42.7 29890
Metanol 19.6 15630
Gas natural 50.02 31.7
Hidrógeno 119.9 10
Contenido energético de
diversos carburantes
Ing. Marcel Castillo
6.1.1. Métodos de producción por medios que no contaminan el 
medio ambiente
A partir de biomasa:
• Gasificación: Combustión incompleta de la biomasa entre 700 y 1200ºC. 
Productos: H2, CH4, CO.
• Pirólisis: Combustión incompleta en ausencia de oxígeno, a unos 500 ºC
Productos: H2, CO, CO2 e hidrocarburos ligeros.
• Fotoelectrólisis:
• Indirecta: Paneles fotovoltaicos + radiación solar.
• Directa: Celdas fotoelectroquímicas (material semiconductor) + radiación solar.
• Ciclos termoquímicos: Consisten en una combinación de reacciones químicas a alta 
temperatura que producen la disociación de la molécula de agua. Se han alcanzado 
eficiencias del 40%.
• Para realizar los ciclos termoquímicos se puede emplear energía nuclear o solar.
• Producción fotobiológica: Ciertas bacterias y algas verdes pueden producir hidrógeno, 
utilizando únicamente luz solar, agua y una enzima llamada hidrogenasa.
6.1.EL HIDRÓGENO
Ing. Marcel Castillo
6.1.2. Almacenamiento del hidrógeno
Almacenamiento en forma gaseosa:
• El hidrógeno se almacena a alta presión (P > 20 Mpa).
• Requiere depósitos pesados y voluminosos.
• Plantea problemas de seguridad. 
• No resulta competitivo debido a su elevado coste.
Almacenamiento en forma líquida:
• El hidrógeno se almacena en estado líquido en recipientes criogénicos.
• Requiere alcanzar temperaturas de almacenamiento muy bajas (21,2 K).
• El coste es elevado. Indicado sólo para aplicaciones donde el coste del hidrógeno no sea 
un factor crítico y éste sea consumido en cortos periodos de tiempo (por ejemplo, en 
aplicaciones aeroespaciales). 
Adsorción en sólidos porosos (nanoestructuras de carbono):
• Se está estudiando la utilización de nanoestructuras de carbono con elevada superficie 
específica como medio de almacenamiento. 
• Sería una forma segura y sencilla de almacenar el hidrógeno sin usar altas presiones.
6.1.EL HIDRÓGENO
Ing. Marcel Castillo
6.2. CELDAS DE COMBUSTIBLE
La celda de combustible es un
dispositivo que produce electricidad y
agua mediante un proceso inverso a la
electrólisis.
Electrólisis
Electricidad + agua  Hidrógeno + Oxígeno
Pila de combustible
Hidrógeno + Oxígeno  Electricidad + agua Estructura típica de una
celda de combustible
Elementos básicos de una celda de combustible:
Dos electrodos (ánodo y cátodo).
Electrolito: sustancia encargada de transportar los iones producidos en las 
reacciones redox.(Reacciones de Oxidacion – Reducción)
El electrolito a veces se utiliza acompañado de un catalizador.
H2 y O2, utilizados como combustible y oxidante respectivamente.
6.2.1. Funcionamiento
Ing. Marcel Castillo
6.2. CELDAS DE COMBUSTIBLE
6.2. CELDAS DE COMBUSTIBLE
Ing. Marcel Castillo
1) En el ánodo tiene lugar la oxidación del 
combustible: las moléculas de hidrógeno
se disocian en protones y electrones.
2) El electrolito permite el paso de los protones,
e impide el paso de los electrones.
3) Los electrones generan corriente eléctrica a
su paso por un circuito externo. 
4) En el cátodo se produce una reacción de
reducción: electrones y protones se combinan
con el oxígeno para formar agua.
Celda de combustible
Una celda individual genera un voltaje cercano a un voltio.
Para las aplicaciones que requieren mayor voltaje y alta
potencia se apilan en serie el número necesario de estas
celdas, para formar una pila de combustible.
-- +
Anode Cathode
Electrolyte 
OH2e2HO
2
1
22 

  2e2HH2
Ing. Marcel Castillo
Diferencias entre celdas de combustible y baterías:
Las baterías son dispositivos de almacenamiento de energía. La producción de
energía cesa cuando se consumen los reactivos químicos almacenados dentro
de la batería. No pueden proporcionar un flujo continuo de energía eléctrica.
En las celdas de combustible, tanto el combustible como el oxidante proceden
de una fuente externa, y permiten generar corriente eléctrica de manera casi
indefinida, en la medida en que pueda suministrarse combustible de forma
continuada.
Diferencias entre celdas de combustible y dispositivos de combustión interna.:
• Los dispositivos de combustión interna se basan en la conversión de energía
térmica en energía mecánica. La eficiencia de este proceso está limitado por
el Ciclo de Carnot.
• Las celdas de combustible convierten directamente la energía química en energía
eléctrica. Desde el punto de vista termodinámico este proceso es mucho más
eficiente.
6.2. CELDAS DE COMBUSTIBLE
6.2.2. Comparación de celdas de combustible y dispositivos de
combustión interna y baterías
Ing. Marcel Castillo
6.3 - EL CICLO DEL HIDRÓGENO SOLAR
1) La electricidad generada en los paneles fotovoltaicos se emplea para alimentar un
electrolizador.
2) El oxígeno producido en la electrólisis se libera en el aire, y el hidrógeno es almacenado
en tanques.
3) Cuando la energía solar no está disponible, el hidrógeno se recombina con el oxígeno del
aire en una pila de combustible, la cual convierte directamente la energía química en
electricidad. El único producto secundario de este proceso es agua pura.
Ciclo del H2
Ing. Marcel Castillo
6.4 – MOTOR DE HIDRÓGENO
Ing. Marcel Castillo
Casi todos los grandes fabricantes están
trabajando en nuevos modelos que incluyen
motor de hidrógeno (Honda FCX, BMW
745H, Nissan X-Trail FCV, Toyota HighLander
FCHV, Opel Zafira Hydrogen 3 o Mercedes
Clase B Fuel Cell).
La mayoría de ellos siguen un esquema
similar. El motor eléctrico situado debajo del
capó, recibe la alimentación desde las
células de combustible, que generan
electricidad al mezclar el hidrógeno que
contiene el depósito de combustible y el
oxígeno del aire. El único residuo que genera
esta reacción es vapor de agua.
6.4 – MOTOR DE HIDRÓGENO
Ing. Marcel Castillo
Motor Wankel
Este tipo de motor rotativo parece dar
buenos resultados al emplear hidrógenocomo combustible, según lo atestiguan
ensayos realizados con dinamómetro y
una vez resueltos los problemas que
presentaba en lo que a estanqueidad se
refiere. Estos buenos resultados se
deben a la configuración de este motor,
el cual minimiza las dificultades de
combustión que se dan en otros tipos
de motores
6.4 – MOTOR DE HIDRÓGENO
Ing. Marcel Castillo
En el motor Wankel es posible el
aprovechamiento de la alta temperatura
de ignición del hidrógeno. Se está
investigando la posibilidad de incluir agua
pulverizada en la mezcla de entrada, la
cual se evapora al quemarse el hidrógeno
llegando a ejercer presiones muy altas de
forma elástica, a diferencia de lo que
ocurre en el pistón, en el cual se da una
detonación.
6.4 – MOTOR DE HIDRÓGENO
Ing. Marcel Castillo
El diseño del motor de hidrógeno
es básicamente el mismo que el de
un motor a gasolina, es decir, un
motor que sigue el ciclo Otto, con
sus pistones, válvulas y demás
sistemas. Esta clase de motores
permiten aprovechar las
especiales características que
presenta el hidrógeno como
combustible, a saber: – Alta
velocidad de llama en flujo laminar.
– Alto número de octanos efectivo
– Ninguna toxicidad y no llega a
formar ozono .
6.4 – MOTOR DE HIDRÓGENO
Ing. Marcel Castillo
El alto número de octanos permite elevar la relación de compresión que
redundará en un aumento del rendimiento energético, mientras que la alta
velocidad de llama en flujo laminar contribuye a la reducción de las
emisiones de NOx, pues es posible emplear dosados muy bajos, tan
bajos que han llegado al 0,2. Gracias a esta posibilidad se puede
aumentar también el rendimiento. Con todo esto se han conseguido
aumentos del rendimiento del 25-30% con respecto a los motores
equivalentes en gasolina
6.4 – MOTOR DE HIDRÓGENO
Ing. Marcel Castillo
Otro punto importante de la
configuración del motor es la
inyección. Esta se puede realizar
de dos maneras: inyectando el
hidrógeno a una temperatura
ambiente o bien criogenizado. El
BMW 750 hl presenta el primero
de estos sistemas. Al entrar el
combustible baja la potencia y
aumenta el rendimiento del motor.
6.4 – MOTOR DE HIDRÓGENO
Bus a hidrógeno en España
Ing. Marcel Castillo
6.4 – MOTOR DE HIDRÓGENO
6.5 – VENTAJES Y DESVENTAJES
Ing. Marcel Castillo
Ventajas frente a los combustibles fósiles :
Alta densidad energética en base másica. Bajo peso de combustible 
en los tanques de almacenamiento.
Alta disponibilidad. Se puede producir a partir de distintas materias
primas.
Elemento estable y no corrosivo.
Combustible "limpio". La combustión del hidrógeno con oxígeno sólo
produce agua.
Desventajas frente a los combustibles fósiles :
Baja densidad energética en base volumétrica. Se requieren tanques
contenedores grandes y pesados.
Transporte y almacenamiento costosos y de implementación compleja.
Combustible secundario: se debe consumir energía para conseguirlo a 
partir de las distintas materias primas (agua, biomasa,fotovoltaica), ya que no 
existe en estado elemental.
Ing. Marcel Castillo
MUCHAS GRACIAS
Ing. Marcel Castillo
Msc. Energías Renovables, MBA.