Prof. Francisco M. Gonzalez-Longatt

Transcripción

1 TEMA.4 Celdas de Combustible Prof. Francisco M. Gonzalez-Longatt

2 Celdas de Combustible -Concepto-

3 Introducción Son dispositivos electro químicos que convierten la energía química de reacciones directamente en energía eléctrica SirWilliam Grove en 184 produjo la primera celda de combustible operativa. 1 H + O H O

4 Introducción Esquema General de una Celda de Combustible

5 Introducción Salto gigantesco en 1960, cuando General Electric produjo la primera aplicación practica de la celda de combustible, cuando esta proveyó de energía eléctrica a las cápsulas espaciales Gemini y Apollo. Celda de Combustible del Gemini Celda de Combustible del Apolo

6 Introducción Una celda de combustible, posee componentes y características similares a los que una batería típica, y se diferencia en varios respetos. La batería es un dispositivo de almacenaje de energía. + H H + e 1 O + H + + e (anodo) H O (catodo)

7 Introducción La energía máxima disponible es determinada por la cantidad de reactante químico almacenado dentro de la batería se misma. La batería dejará de producir la energía eléctrica cuando los reactantes químicos sean consumidos (esto es, descargados).

8 En vez de recargarse usando electricidad, una célula de combustible usa el hidrógeno y el oxígeno. de combustible usa el hidrógeno y el oxígeno. H 1 O H + + H + + e + e (anodo) H O (catodo)

9 Introducción Una célula de combustible consiste en dos electrodos, un ánodo y un cátodo, separado por un electrolito.

10 Introducción

11 Estructura de la Pila

12 Estructura de una Planta

13 Estructura de una Planta CO + H O CO + H 1 H + O H O

14 Clasificación La clasificación de las celdas de combustible según el electrolito: Celdas de Combustible Alcalinas (AFC). Celdas de Combustible de Metanol Directo (DMFC). Celdas de Combustible de Carbonato Fundido (MCFC). Celdas de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC). Celdas de Combustible de Oxido Sólido (SOFC). Celda de Combustible de Membrana de Intercambio de Protón (PEMFC).

15 PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Ha ganado mucha atención en los últimos años. Emplea un polímero sólido como el electrolito, es hecho de una membrana de Teflón, material que es un excelente conductor de protones y un aislador de electrones Su temperatura de operación oscila alrededor de C. Emplean catalizadores (principalmente platino) para aumentar la proporción de reacción

16 PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Larga vida útil, en los últimos años han sido probadas en laboratorios bajo condiciones de largos periodos continuos de funcionamiento 1 H + O H O 1 + O + H + e H O H H + + e Estructura de una Celda de Combustible PEMFC

17 SOFC: Solid Oxide Fuel Cells Operan en un rango de C. Utilizan un electrolito sólido, oxido de metal no poroso los portadores de carga son los iones de oxigeno. Pueden usar anhídrido carbónico o hidrógeno como combustible directo. Debido a las altas temperaturas de funcionamiento la reacción se logra sin necesidad de utilizar catalizadores de alto costo.

18 SOFC: Solid Oxide Fuel Cells Otra ventaja que pueden alimentase con otros tipos de combustibles. Les permite prescindir de un reformador de combustible, reduciendo sus costos operativos. 1 H + O H O 1 O + e O Estructura de una Celda de Combustible SOFC H + O H O + e

19 AFC: Alkaline Fuel Cells Emplea una solución líquida de hidróxido de potasio (KOH) como electrolito. Su temperatura de operación se encuentra alrededor de C 1 H + O HO 1 O ( ) + H O + e OH ( OH) H O + H + e

20 AFC: Alkaline Fuel Cells Este tipo de celda de combustible está siendo usada desde hace ya bastantes años por la NASA. Se obtiene con ellas una eficiencia del 70%. Hasta hace poco tiempo eran demasiado costosas para aplicaciones comerciales, pero muchas compañías están examinando diversas vías para reducir costos y mejorar su flexibilidad de operación.

21 DMFC: Direct Metanol Fuel Cells Las DMFC son un hibrido de las PEMFC. Usan la misma membrana del polímero que son usadas en las PEMFC, Usan metanol líquido como combustible en lugar del hidrógeno reformado. El catalizador del ánodo obtiene el hidrógeno directamente del metanol líquido. Es relativamente nueva comparada con los otros tipos de celdas de combustible. Se esperan eficiencias del 40% y operan a unas temperaturas entre ºC.

22 DMFC: Direct Metanol Fuel Cells Esquema de una Celda de Combustible DMFC.

23 MCFC: Molten Carbonate Fuel Cells Las MCFC operana C. Normalmente utilizan una combinación de carbonatos alcalinos retenido en una matriz de cerámica,, como electrolito. A altas temperatura de funcionamiento los carbonatos alcalinos forman una sal fundida muy conductiva, con iones del carbonato que proporcionan la conducción iónica. Las altas temperaturas de operación son adecuadas para promover las reacciones, los catalizadores de metales tl nobles no son requeridos

24 MCFC: Molten Carbonate Fuel Cells Requieren de dióxido de carbono (CO )enelcátodo para un funcionamiento eficaz 1 H O CO HO CO 1 + CO + e CO3 O CO H + CO H O + CO + e 3 Esquema de una Celda de Combustible MCFC Generación e de potencia de gran tamaño, hasta ahora se han probado celdas de 50kW a MW

25 PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells Utilizan un ácido fosfórico líquido como electrolito, El ácido se contiene en una matriz del Teflón que mantiene el ácido en su lugar durante las reacciones. La temperatura de funcionamiento están entre C. No puede ser demasiado alta debido a que el ácido fosfórico comienza a descomponerse a aproximadamente 10 C

26 PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells El catalizador empleado es platino, son tolerantes al CO. Ánodo de Carbón Poroso H 3 PO 4 Concentrado Gas Reformado (H + CO ) Catalizador de Platino Reacción del Ánodo e - Potencia Eléctrica H - e - Cátodo de Carbón Poroso Aire (O ) Reacción del Cátodo 1 H + O + CO H O + H 1 O + CO + e CO 3 CO + CO H O + CO + e 3 H O + Calor Esquema de una Celda de Combustible PAFC

27 PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells Una de las ventajas es que son muy tolerantes a las impurezas presentes en los combustibles de hidrocarburos reformados. Son tomadas en cuenta en el desarrollo de aplicaciones. La capacidad de usar combustibles con impurezas, las hacen más económicas porque reduce los costo del reformador de combustible

28 Celdas de Combustible -Diferencias-

29 Diferencias entre los Tipos de Celda de Combustible Tipo y Siglas en Ingles Electrolito Temperatura Combustible Aplicación Ventajas Desventajas -Transporte Baja temperatura, La baja temp. requiere Poliméricas -Equipos Arranque Rápido, Nafion ºC H catalizadores costosos (PEMFC) -Portátiles Electrolito Sólido (Reduce (Pt) y H puro. -Electricidad corrosión, fugas, etc.). Mejores prestaciones de Alcalinas -Militares KOH (Aq.) ºC H corriente debido a su (AFC) -Especiales rápida reacción catódica. Eficiencia de hasta un 85% De Acido (con cogeneración calor y Fosfórico H 3 PO ºC H -Electricidad electricidad). Posibilidad (PAFC) de usar H impuro como combustible. Requiere eliminar el CO de aire y combustible Catalizadores de Platino. Corriente y Potencia bajas. Peso y tamaño elevados.

30 Diferencias entre los Tipos de Celda de Combustible Tipo y Siglas en Ingles De Carbonatos Fundidos (MCFC) De Oxido Electrolito Temperatura Combustible Aplicación Ventajas Desventajas Carbonato Li, Na, K ºC H -Electricidad Sólido (Zr, Y)O ºC H -Electricidad (SOFC) Conversión Directa de Metanol (DMFC) Nafion ºC C H 3 OH -Transporte -Equipos -Pórtateles Póttl -Electricidad Ventajas diversas de las altas temperaturas. Ventajas diversas de las altas temperaturas. El electrolito sólido reduce corrección, fugas, etc. Combustible líquido, más cercano a la tecnología actual, más las ventajas de las PEM. Altas temperaturas aumentan la corrección y ruptura de componentes. Altas temperaturas facilitan la ruptura de componentes (sellos).

31 Celdas de Combustible -Comparación-

32 Reacciones Químicas

33 Reacciones -Ecuaciones de Nernst

34 Comparación Rango Capacidad Combustible de Potencia, Combustible, Eficiencia PAFC SOFC MCFC PEMFC kw 1 kw - 10 MW 50 kw - 10 MW 3-50 kw Gas natural, landfill gas, digester gas, propano Gas natural, hidrogeno, landfill gas, fuel oil Gas natural, hidrógeno Gas natural, hidrogeno, propano, diesel Eficiencia 36-4% 45-60% 45-55% 30-40% Contaminación Otras características Cercano a cero Cogen (agua caliente) Cercano a cero Cercano a cero Cercano a cero Cogen agua caliente, vapor de alta y baja presión) Cogen agua caliente, vapor de alta y baja presión) Cogen (agua 80 C)

35 Comparación Eficiencia, Energía y Tiempo de Arranque Tecnología de la Celda de Combustible Densidad de potencia pico (mw/cm ) Eficiencia del Sistema (% HHV) Tiempo de Arranque (horas) PAFC ~ MCFC ~ SOFC (tubular) SOFC (plana) desconocido PEMFC ~ <0.1

36 Celdas de Combustible -Eficiencia-

37 Eficiencia La eficacia térmica de un dispositivo de conversión de energía está definida como la cantidad de energía útil producida debido al cambio en la energía química almacenada (normalmente llamada energía térmica), que se obtiene cuando un combustible reacciona con un oxidante η = Energia Utilizada ΔH

38 Eficiencia Ideal En condiciones normales de 5 C (98 K) y 1 atmósfera, la energía térmica (AH) con hidrógeno/oxígeno la reacción es 85,8 kj/mol, y la energía Gibbs disponible para el trabajo útil es de 37,1 kj/mol. La eficacia térmica de una celda de combustible ideal que opera reversiblemente con hidrógeno y oxígeno puro en condiciones normales sería: η 37,1 85,8 ideal = = 0,83

39 Eficiencia Real La eficiencia de una celda de combustible real puede expresarse en términos de la relación del voltaje de operación entre el voltaje ideal de la celda. El voltaje ideal de una celda que opera reversiblemente con hidrógeno y oxígeno a 1 atm de presión y una temperatura de 5ºC es 1,9 V. Entonces la eficacia térmica real de una celda de combustible que opera a un voltaje V celda, basado en el valor calorífico dlhid del hidrógeno, es 0,83 Vcelda 0,83 Vcelda η ideal = = = 0,675 V celda V 1,9 idela

40 Eficiencia Real Características Voltaje/Corriente Ideal y Real de una Celda de Combustible

41 Eficiencia

42 Eficiencia

43 Celdas de Combustible -Costos-

44 Costos Elcosto inicial es muy alto comparado con las otras tecnologías FGD. En el 001 el costo de la unidad era de aproximadamente 4000 US$/kW.

45 Costos El costo de instalación de la unidad es aproximadamente US$. La mayoría de los fabricantes apuntan en costos por debajo de 1500 US$/kW basados en el volumen de producción. Plug Power, 7KW PEMFC Fuel Cell Residencial Fuel Cell 50 kw, PEMFC Ballard

46 Celdas de Combustible -Fortalezas-Debilidades-

47 Fortalezas-Debilidades PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells Fortalezas Debilidades Silencioso Bajas emisiones Alta eficiencia Probada confiabilidad SOFC, Tubular, Siemens Westinghouse Altos Costos MW, Santa Clara California MCFC SOFC: Solid Oxide Fuel Cells Fortalezas Debilidades Silencioso SOFC planas aun se mantienen en investigación y desarrollo, recientes Bajas desarrollos en operación a emisiones baja temperaturas son una Back promesa Alta eficiencia Alto costos

48 Fortalezas-Debilidades MCFC: Molten Carbonate Fuel Cells Fortalezas Silencioso Bajas emisiones Alta eficiencia 00kW UTC, Central Park, New York Debilidades Necesita demostrar a largo termino la seriedad Alto costo Celda de Combustible 50kW PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cells Fortalezas Silenciosos Bajas emisiones Alta eficiencia Debilidades Limitada experiencia en campo La baja temperatura del calor de desecho puede limitar su potencial en cogeneración.

49 Celdas de Combustible -Desarrollos Futuros-

50 Desarrollos Futuros PEMFC: Teledyne, Plug Power, General Motors Amplio rango de aplicaciones (portátiles, automóviles, residencial, comercial, iluminación industrial) Bajas temperaturas rápido arranque Madurez de la tecnología: 010? PAFC: UTC Fuel Cells MCFC: Fuel Cell Energy

51 Desarrollos Futuros Algunas comercialmente disponibles AFC: Apollo Energy Systems SOFC: Ceramic Fuel Cells, ZTEK Corporation Amplio rango: residencial, comercial e instalaciones industriales (5-50kW) Altastemperaturas (1000C) arranque lento (5-10h en algunos momentos) Madurez de la tecnología: 015?