Dr. Justo Lobato

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1 Dr. Justo Lobato

2 Oxidación del combustible ÁNODO Reducción del comburente CÁTODO Las pilas de combustible Las pilas de combustible SISTEMA DEMANDANTE DE ELECTRICIDAD Combustible Comburente ELECTROLITO Tránsito de cargas iónicas Productos de oxidación del combustible + combustible no reaccionado Productos de reducción del comburente + comburente no reaccionado PILA DE COMBUSTIBLE = REACTOR ELECTROQUÍMICO ENERGÍA QUÍMICA ENERGÍA ELÉCTRICA + CALOR

3 Clasificación de las pilas de combustible Tipo de celda Electrolito Electrodos Alcalinas (AFC) KOH recirculado o inmovilizado en una matriz de asbestos Metales de transición Pilas de baja temperatura Ácido fosfórico (PAFC) Ácido fosfórico inmerso en una matriz de SiC Carbón Catalizador Platino Platino Membrana polimérica (PEMFC) Membrana de intercambio iónico Carbón Platino o aleaciones de platino Pilas de alta temperatura Carbonatos fundidos (MCFC) Carbonato fundido inmovilizado en una matriz de LiAlO 2 Níquel y óxido de níquel Níquel y óxido de níquel Óxido sólido (SOFC) Perovsquitas (Cerámicas) Perovsquitas y cermets perovsquitas/metal Perovsquitas y cermets perovsquitas/ni/zr O 2 Temperaturas operación, ºC (200) Iones que se mueven por el electrolito OH - H + H + CO 3 2- O 2- Aplicaciones Transporte, espaciales, militares y sistemas de almacenamiento de energía Sistemas descentralizados de producción simultánea de electricidad y calor Transporte, espaciales, militares y sistemas de almacenamiento de energía Sistemas descentralizados de producción simultánea de electricidad y calor y para transporte (trenes, barcos, )

4 Pilas de combustible PEM Reacción Anódica CH 3 OH + H 2 O CO 2 +6H + + 6e - Reacción Catódica O 2 + 4H + + 4e - 2H 2 O Walther G. Grot

5 Rendimiento de las Pilas de combustible La eficiencia de una pila de combustible se basa en la variación de la energía libre de Gibss estándar. Para la reacción típica que ocurre en una pila: H 2 + ½ O 2 H 2 O (l) En condiciones stándard, 298 K and 1 atm W el = ΔG = - n F E E ideal º = 1.23 v ΔH = kj/mol ΔG = kj/mol η ideal = 0.83

6 Solo rendimiento de las Pilas de combustible?

7 Componentes de una pila de combustible PEM a) placa de metal que se corresponde con el terminal negativo de la pila de combustible, b) capa de difusión, fabricada a base de carbono y una fina capa de platino (ánodo), c) membrana electrolítica, d) capa de difusión, fabricada a base de carbono con una capa catalizadora de platino (cátodo), e) placa de metal que se corresponde con el terminal positivo de la pila de combustible. Monopolar plates Gas diffusion layer Catalytic layer Polymer electrolyte Catalytic layer Gas diffusion layer Monopolar plates MEMBRANE-ELECTRODE-ASSEMBLY (MEA)

8 Stacks de Pilas de combustible 1,2 V Stacks de pilas de combustible

9 Stacks de Pilas de combustible

10 Sistemas de Pilas de combustible Sistema de Pila de Combustible de 1 MW Ballard

11 Caracterización de Pilas de combustible 1,23 v Sobrepotenciales = Polarización = Irreversibilidades = Pérdidas Óhmicas Pérdidas = Caía de voltaje Actividad Catalítica Transf. Materia

12 Pilas PEM en el DIQ de la UCLM Distribución de corriente, Canales de flujo, Modelización Electrodos para PEMFC de alta T. 50 cm 2 Celda i (A/cm²) Entrada oxígeno E 2 L Electrochemical Engineering UNIVERSITY OF CASTILLA-LA MANCHA Salida oxígeno STACK, 50 cm 2 MEA Membranas a base de PBI

13 Por qué pilas PEM de alta Temperatura? ELECTROLITO Membrana polimérica Material estándar Nafion Material perfluorosulfonado Necesidad de agua de hidratación T. operación < 90ºC Baja tolerancia a impurezas Lenta cinética de reducción de O 2 PBI H 3 PO 4 Alta conductividad protónica hasta 200ºC Excelente estabilidad térmica (>500ºC) No necesidad de agua de hidratación Mayor actividad para la reducción de oxígeno que las celda de combustible de ácido fosfórico

14 Preparación de membranas a base de PBI Evaporación del disolvente y lavado con agua para eliminación de impurezas Dissolución en N,N - dimethylacetamide at 5% wt. with LiCl (stabilizador)

15 1º Capa microporosa Preparación de electrodos Negro Carbon de carbón black Alcohol Isopropyl isopropílico alcohol Teflón Teflon BAÑO ULTRASONIC ULTRASONIDOS BATH TINTA MICROPOROSA HOMOGÉNEA 2º Capa catalítica Platino Platinum sobre on carbón carbon N,N - N,N -dimetilacetamida dimethylacetamide PBI en PBI N,N - on N,N - dimetilacetamida dimethylacetamide BAÑO ULTRASONIC ULTRASONIDOS BATH TINTA HOMOGÉNEA CATALÍTICA DEPOSICIÓN DE LAS TINTAS CON AYUDA DE UN AERÓGRAFO

16 Preparación de una Monocelda

17 Equipos para trabajar con las pilas Celda de combustible, 5 cm 2 Sistema de control del flujo y la temperatura Potenciostato /galvanostato equipado con un booster de corriente 20 A

18 Equipos para trabajar con las pilas 3 Stack de 7 MEAs, 50 cm Sistema de Control de flujos 2. Carga electrónica (800 W) cm 2 PEMFC

19 Voltaje Celda (V) Conductividad (S/cm) Densidad de Potencia (mw / cm 2 ) Algunos resultados PBI-4 mol H 3 PO 4 PBI-11mol H 3 PO 4 PBI-(Casting Directo)-10mol H 3 PO 4 spbi-15mol H 3 PO 4 PBI-2% TiO2-15mol H 3 PO Temperatura (ºC) Membranas con 2 % TiO 2 Membranas sulfonadas y con 2 % TiO 2 ( [H 3 PO 4 ]) Efecto beneficioso de la T PBI-11 mol H 3 PO 4 spbi-15 mol H 3 PO 4 PBI (Casting Directo)-10 mol H 3 PO 4 PBI-TiO 2 (2%)-15 mol H 3 PO Densidad de Corriente (A/cm 2 )

20 Voltaje de celda / mv Voltaje de celda / mv % Teflón 20% Teflón 40% Teflón CÁTODO Densidad de corriente / ma cm -2 Curvas de polarización para los soportes carbonosos con diferente contenido en Teflón. AIRE ESTEQUIOMETRÍA 4 Algunos resultados ÁNODO Densidad de corriente / ma cm -2 Curvas de polarización para los soportes carbonosos con diferente contenido en Teflón. H 2 ESTEQUIOMETRÍA 1 Teflón limitaciones de transporte en ánodo y cátodo El soporte carbonoso libre de Teflón mostró no ser suficientemente estable SOPORTE CARBONOSO MÁS ADECUADO 10% TEFLÓN

21 Electrochemical active surface (m2/g Pt) -Z'' (ohm) Polarisation resistance (mw) Algunos resultados gun-sprayed electrodes electrosprayed electrodes Resistencia a la polarización Z' (ohm) ºC 150ºC 175ºC electrosprayed Temperature (ºC) gun-sprayed Type of electrode QUÉ MÉTODO DE DEPOSICIÓN ES MEJOR? electrosprayed gun-sprayed

22 Voltaje de celda / mv Voltaje de celda / mv H2 H2 + 2% CO vol Densidad de corriente / ma cm -2 Influencia de la presencia de CO en una celda PEM basada en PBI (T=200ºC) CON ETANOL TAMBIÉN SE PUEDE! Algunos resultados GRAN TOLERANCIA AL CO! bioetanol 175ºC etanol 175ºC bioetanol 200ºC etanol 200ºC Densidad de corriente / ma cm -2 Rendimiento de la celda empleando etanol y bioetanol como combustible

23 Algunos resultados SERPENTÍN CELDA DE 50 cm 2 MALLA PARALELO INTERDIGITADO

24 E (V) P (W/cm 2 ) Algunos resultados Serpentín Malla Paralelo Interdigitado i (A/cm²) Entrada oxígeno Salida oxígeno i (A/cm 2 ) i (A/cm²) Entrada oxígeno SERPENTIN Salida oxígeno PARALELO

25 Stack voltage (V) Power density (W/cm 2 ) Algunos resultados STACK T = 125 ºC 0.4 mg Pt cm -2 cada electrodo 3 MEAs de 50 cm ml O 2 / min ml O 2 / min 1656 ml O 2 / min 2208 ml O 2 / min > 40 w Current density (A/cm 2 ) BUEN RENDIMIENTO DE NUESTRAS MEAs EN STACK

26 Algunos resultados

27 Automobiles Buses Scooters Bicycles Golf carts Space Airplanes Locomotives Boats Underwater vehicles Distributed power generation Cogeneration Back-up power Portable power Donde pilas PEM?

28 PEM en autobuses?

29 PEM en coches?

30 PEM en coches! FCX Clarity Desde hace poco más de dos años se comercializa en el estado americano de California y en Japón el Honda FCX Clarity, el primer vehículo eléctrico con pila de combustible fabricado en serie. En Europa llegará en el 2015.

31 Otras aplicaciones Backup power systems for Telecoms, Utilities and Railways are used to power electronic systems during grid power outages. Telecom companies, Utilities and Railways need to be able to rely on their backup systems. Until now battery packs (in combination with diesel generators) have been the most common solution to bridge temporary grid failures. Now, a better alternative is available: Nedstack PEM fuel cell powered backup systems. DMFC

32 Fuel cell pilot plant in Delfzijl Otras aplicaciones AkzoNobel Industrial Chemicals and Nedstack Fuel Cell Technology work together in a pilot project with fuel cells that produce electricity from hydrogen at the Membrane Electrolysis plant (MEB) in Delfzijl, the Netherlands. Goal of this pilot is to demonstrate the sustainability, safety and employability of this energy power plant of the future. This innovative way of energy production, based on the transformation of hydrogen into electricity, heat and pure water, delivers sustainable, clean energy, it is free of emissions (CO 2, soot, particulates, NOx) and is noiseless. Consumo de 5 MW H 2

33 Más información en Asociación Española del Hidrógeno. Tecnologías de Hidrógeno y Pilas de Combustible Y mas y mas y mas.

34 Más información en Dr. Justo Lobato

35 Dr. Justo Lobato

Dr. Justo Lobato Justo.Lobato@uclm.es

Dr. Justo Lobato Justo.Lobato@uclm.es Dr. Justo Lobato Justo.Lobato@uclm.es Oxidación del combustible ÁNODO Reducción del comburente CÁTODO Las pilas de combustible Las pilas de combustible SISTEMA DEMANDANTE DE ELECTRICIDAD Combustible Comburente

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