CELDAS DE COMBUSTIBLE

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1 CELDAS DE COMBUSTIBLE ENERGÍA, PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO Y REDUCCIÓN DE EMISIONES DE CO 2 Melanie Colet Lagrille, Ph.D. Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología Universidad de Chile mcolet@ing.uchile.cl

2 Introducción. Sir William Grove (1839) Francis Thomas Bacon (1932) NASA Misión Gemini ( ) General Electric Fuel Cells Actualidad Fuente: W. Groove, On the Gas Voltaic Battery in Philosophical Magazine and Journal of Science, pp. 272 (1843). General Electric Fuente: MELANIE COLET LAGRILLE UNIVERSIDAD DE CHILE 2

3 Qué es una Celda de Combustible? Conversión directa de energía química de un combustible (por ej. H 2 o CH 4 ) a energía eléctrica. alta eficiencia de conversión bajos niveles de emisiones (CO 2 ) ánodo: 2H + (ac.) + 2e - H 2 (g) cátodo: ½O 2 (g) + 2H + (ac.) + 2e - H 2 O(l) ½O 2 (g) + H 2 (g) H 2 O(l) ánodo electrolito cátodo Figura 1. Esquema de una celda de combustible. Combustible y oxidante alimentados continuamente / Componentes de la celda son estables en el tiempo. MELANIE COLET LAGRILLE UNIVERSIDAD DE CHILE 3

4 Eficiencia / % Eficiencia de Conversión en Celdas de Combustible. eficiencia depende de: - termodinámica. - cinética. - uso del combustible CCAF CCOS Motor diésel Planta de ciclo combinado Termoeléctrica 20 Motor a gas Turbina a gas ,1 0, Potencia generada / MW Figura 2. Eficiencia de conversión de energía química a energía eléctrica como función del tamaño de la planta. Fuente: Cappadonia, M. et al., Principles, Functions and Classification of Fuel Cells in Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, pp.43 (2000). MELANIE COLET LAGRILLE UNIVERSIDAD DE CHILE 4

5 Aspectos Técnicos de Celdas de Combustible. Electrodos. Largo total de FTF = 2,63 µm -2 - Estabilidad química (reducción / oxidación). - Actividad catalítica (oxidación / reducción). - Conductividad eléctrica (e iónica). - Estructura porosa (permeabilidad a los gases y frontera de triple fase, FTF) Fuente: U. Doraswami et al., Solid State Ionics 192(1) (2009). Largo total de FTF = 8,63 µm -2 MELANIE COLET LAGRILLE UNIVERSIDAD DE CHILE 5

6 Aspectos Técnicos de Celdas de Combustible. Electrolito. - Alta conductividad iónica a la temperatura de operación (idealmente resistencia óhmica < 0,15 cm -2 ). - Conductividad eléctrica nula (o despreciable). - Impermeable a los gases y estable en ambiente reductor y oxidante (entre 0 y 1,2 V). Tabla 1. Diferentes tipos de celdas de combustible. Fuente: J. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, Capítulo 1, Segunda Edición, Wiley (2003). Tipo de celda de combustible Ion transportado a través de electrolito Temperatura de operación Alcalina OH C Membrana de intercambio protónico H C Metanol directo H C Ácido fosfórico H + ~ 220 C Carbonato fundido CO 3 2- ~ 650 C Óxido sólido O C MELANIE COLET LAGRILLE UNIVERSIDAD DE CHILE 6

7 Aplicaciones de Celdas de Combustible. Aplicaciones Equipos electrónicos portátiles Autos, botes, CCCP domésticos Generación de energía estacionaria, buses Energía en Watts k 10k 100k 1M 10M Principales Ventajas Densidad de energía mayor que baterías. Recarga más rápida. Potencial de cero emisiones. Alta eficiencia. Alta eficiencia. Menos contaminación. Silenciosas. Rango de aplicación de los diferentes tipos de celdas combustibles DMFC PEMFC AFC SOFC DMFC PAFC Figura 3. Resumen de las aplicaciones y principales ventajas de los diferentes tipos de celdas de combustible y sus diferentes aplicaciones. Fuente: J. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, Capítulo 1, Segunda Edición, Wiley (2003). MELANIE COLET LAGRILLE UNIVERSIDAD DE CHILE 7

8 Aplicaciones de Celdas de Combustible. Figura 4. Celda de combustible de ácido fosfórico. Genera 200 kw de electricidad y cerca de 200 kw de energía térmica (vapor). Estas unidades son conocidas como sistemas combinados de generación de calor y potencia (CCCP). Fuente: J. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, Capítulo 1, Segunda Edición, Wiley (2003). MELANIE COLET LAGRILLE UNIVERSIDAD DE CHILE 8

9 Aplicaciones de Celdas de Combustible. Intercambiador de calor Generador de vapor Soplador de aire Sistemas de control Equipamiento eléctrico Transformadores Unidad de desulfurización Pre-reformador Módulo de celdas de combustible Figura 5. Sistema de generación combinada de calor y energía eléctrica basado en celdas de combustible. Fuente: J. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, Capítulo 1, Segunda Edición, Wiley (2003). MELANIE COLET LAGRILLE UNIVERSIDAD DE CHILE 9

10 Aspectos Técnicos de Celdas de Combustible. Stacks e Interconexiones. Energía - Una celda produce < 1,0 V conectar en serie. Interconexiones. - Buen conductor eléctrico. - Estable en ambiente reductor y oxidante. Oxígeno (alimentado a cada cátodo) Cátodo Electrolito Ánodo si hay reacciones en esta zona los electrones deben pasar a lo largo de todo el electrodo para alcanzar la conexión Hidrógeno (alimentado a cada ánodo) Figura 6. Esquema de tres celdas en serie conectadas por los extremos del cátodo/ánodo. Fuente: J. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, Capítulo 1, Segunda Edición, Wiley (2003). MELANIE COLET LAGRILLE UNIVERSIDAD DE CHILE 10

11 Aspectos Técnicos de Celdas de Combustible. Stacks e Interconexiones. Aire alimentado Hidrógeno removido Aire removido Figura 7. Distribuidor de gases interno: un plato bipolar más complejo permite a los gases reactantes ser alimentados a través de un único canal. (Ballard Power Systems) Canales de distribución de aire Hidrógeno alimentado Canales de distribución de hidrógeno Fuente: J. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, Capítulo 1, Segunda Edición, Wiley (2003). MELANIE COLET LAGRILLE UNIVERSIDAD DE CHILE 11

12 Tipos de Celdas de Combustible. Celdas de Combustible de Electrolito Ácido. - Membrana de Intercambio Protónico (PEM-FCs). - Metanol Directo (DMFCs). - Ácido Fosfórico (PAFCs). Hidrógeno / Metanol (combustible) Ánodo Cátodo Energía eléctrica Oxígeno (usualmente del aire) Figura 8. Stacks de PEM-FCs desarrollados por Ballard Power Systems. (de 100 W l -1 a 1,1 kw l -1 ) Figura 9. Celda de combustible de electrolito ácido. Fuente: J. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, Capítulo 1, Segunda Edición, Wiley (2003). MELANIE COLET LAGRILLE UNIVERSIDAD DE CHILE 12

13 Tipos de Celdas de Combustible. Celdas de Combustible de Electrolito Alcalino. Hidrógeno (combustible) Ánodo Cátodo Energía eléctrica Oxígeno (usualmente del aire) Figura 10. Celda de combustible de electrolito alcalino. Fuente: J. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, Capítulo 1, Segunda Edición, Wiley (2003). Figura 11. Celda de 1,5 kw usada en la misión Apollo (generación electricidad y agua). MELANIE COLET LAGRILLE UNIVERSIDAD DE CHILE 13

14 Tipos de Celdas de Combustible. Celdas de Combustible de Carbonato (Hidróxido) Fundido. Hidrógeno / CH 4 / Carbón / CO Ánodo Cátodo CO 3 2- iones a través del electrolito Energía eléctrica Oxígeno y dióxido de carbono Flujo de electrones en un circuito externo Figura 12. Celda de combustible de carbonato fundido (MCFCs). Fuente: J. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, Capítulo 1, Segunda Edición, Wiley (2003). MELANIE COLET LAGRILLE UNIVERSIDAD DE CHILE 14

15 Tipos de Celdas de Combustible. Celdas de Combustible de Óxido Sólido. (a) (b) Figura 13. Esquema de una celda de combustible de óxido sólido (SOFCs) con (a) un electrolito conductor de iones óxido (O 2- ) y (b) un electrolito conductor de protones. MELANIE COLET LAGRILLE UNIVERSIDAD DE CHILE 15

16 Producción de Hidrógeno y Gas de Síntesis (H 2 + CO). Cómo se produce hidrógeno (o gas de síntesis)? Reformado 1.1. Reformado húmedo: hidrocarburos (carbón) + H 2 O(g) (gasificación) 1.2. Reformado seco: hidrocarburos (carbón) + CO 2 (g) (gasificación) CH 4 (g) + H 2 O(v) CO(g) + 3H 2 (g) C(g) + H 2 O(v) CO(g) + H 2 (g) CH 4 (g) + CO 2 (g) 2CO(g) + 2H 2 (g) C(s) + CO 2 (g) 2CO(g) Electrólisis (foto-electrólisis) 2.1. Electrólisis: electrolizador celda de combustible inversa (membrana de intercambio protónico o electrolito alcalino) cátodo: 2H + (ac.) + 2e - H 2 (g) ánodo: ½O 2 (g) + 2H + (ac.) + 2e - H 2 O(l) H 2 O(l) ½O 2 (g) + H 2 (g) 2.2. Foto-electrólisis: aprovechamiento energía solar (electrodos semiconductores) MELANIE COLET LAGRILLE UNIVERSIDAD DE CHILE 16

17 Combustibles, Generación de Energías y Emisiones. MELANIE COLET LAGRILLE UNIVERSIDAD DE CHILE 17

18 CELDAS DE COMBUSTIBLE ENERGÍA, PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO Y REDUCCIÓN DE EMISIONES DE CO 2 Melanie Colet Lagrille, Ph.D. Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología Universidad de Chile mcolet@ing.uchile.cl