Celdas de Combustible de Óxidos Sólidos:

Transcripción

1 FORO ENERGÍA Y UNIVERSIDADES Celdas de Combustible de Óxidos Sólidos: Generación de Energía Eléctrica, Vía Electroquímica Noviembre 2013

2 ENERGÍA Las formas convencionales de generación de energía han generado problemas graves para la humanidad: Contaminación ambiental (gases tóxicos, ruido, etc.) Crisis energética Escasez de combustibles Efecto invernadero Calentamiento global Problemas suministro energético en zonas rurales o aisladas, impidiendo el desarrollo económico y social de los mismos

3 En consecuencia, debemos buscar nuevas formas de generación de energía que sean más amigables con el medio ambiente y de fácil abastecimiento a zonas rurales o aisladas. Eólica Qué alternativas son posibles? Descarga Eléctrica Solar Hidráulica Celdas de Combustible

4 Celdas de Combustible Qué es una Celda de Combustible? Dispositivo electroquímico que convierte la energía química de una reacción directamente a energía eléctrica, a partir de la oxidación electroquímica de un combustible.

5 Celdas de Combustible Hidrógeno proveniente del tanque Ánodo: H 2 ---> 2H + + 2e - Electrodo Membrana Inter. Protónico Electrodo Salida Oxígeno Del aire Cátodo: 1/2O 2 + 2H + + 2e - ---> H 2 O Corriente Eléctrica Celda polimérica de intercambio protónico

6 DIFERENCIAS ENTRE BATERÍAS Y CELDAS DE COMBUSTIBLE Las pilas convencionales son sistemas cerrados: los reactivos están en la propia pila, por ende, la batería dejará de producir energía eléctrica cuando los reactantes químicos sean consumidos, esto es descargados. La energía máxima disponible es determinada por la cantidad de reactante químico almacenado dentro de la batería misma. Las baterías son dispositivos de almacenamiento de energía. Mientras que: Las celdas de combustibles son sistemas abiertos, no son dispositivos de almacenamiento de energía sino productores de energía en forma de electricidad y calor. mientras se les proporcione combustible y aire no se agotan ni se descargan, como le ocurre las baterías.

7 Celdas de Combustible Algo de Historia La posibilidad de generar energía eléctrica con celdas de combustible fue propuesta en 1839 por William Grove, pero dejaron de ser una curiosidad científica, recién en los años '60 cuando el programa espacial de los Estados Unidos las empleó para dar energía eléctrica, calor y agua en las misiones Gemini y Apollo. Desde entonces se han desarrollado diversos tipos de celdas de combustibles para variadas aplicaciones.

8 Ventajas de las celdas de combustibles No poseen las limitaciones de las máquinas térmicas, de modo que teóricamente pueden alcanzar eficiencias cercanas al 95%. En la práctica se han obtenido eficiencias de hasta el 65%. No se emiten gases tóxicos y, si se utiliza hidrógeno como combustible, puede evitarse completamente la generación de gases de efecto invernadero. No posee partes móviles, por lo que no producen ruidos. Desventajas de las celdas de combustible El costo de esta tecnología es actualmente muy superior a las formas convencionales de generación de energía.

9 Celdas de Combustible Aplicaciones Portátil CELDA DE COMBUSTIBLE Espaciales

10 Celdas de Combustible Tipos de Celdas En general todos los tipos de celdas de combustibles poseen la misma configuración básica - Un electrolito y dos electrodos. Los diferentes tipos de celdas de combustibles se diferencian por el tipo de electrolito. El tipo de electrolito utilizado determina tipo de reacción química que tiene lugar y el intervalo de temperatura de operación. Estas características a su vez determinan el tipo de aplicación mas apropiada para la celda.

11 Tipos de Celdas

12 Celdas de Combustibles de Óxidos Sólidos (SOFC) Poseen dos características fundamentales : el electrolito y los electrodos son sólidos versatilidad en la elección de combustible y oxidante.

13 Celdas de Combustibles de Óxidos Sólidos (SOFC)

14 CELDAS DE COMBUSTIBLE DE ÓXIDO SÓLIDO

15 CELDAS DE COMBUSTIBLE DE ÓXIDO SÓLIDO

16 Celdas de Combustibles de Óxidos Sólidos (SOFC)

17 Configuración de pila de combustible A La unidad básica de la celda de combustible se le denomina monocelda (o simplemente celda ). Una celda está formada por un sándwich de dos electrodos con una lámina de electrolito entre ambos. 1 celda de combustible produce 1V a circuito abierto para producir tensiones más elevadas se disposición en serie de celdas formando un stack o apilamiento.

18 CELDAS DE COMBUSTIBLE DE ÓXIDO SÓLIDO Mini SOFC Potencia 1kW Eficiencia 60%

19 Combustibles de Óxidos Sólidos (SOFC) Aplicaciones

20 Combustibles de Óxidos Sólidos (SOFC) A pesar de temperaturas de trabajo de las pilas SOFC es elevada ( C), lo que encarece notablemente los costos, en contrapartida Si se aprovechar el calor que desprende el dispositivo para la evaporación del agua, que a su vez puede convertirse también en electricidad (sistema de co-generación). Nuevos tipos de centrales a ciclo combinado con eficiencia comprendida entre 70 y 90

21 Ventajas de trabajar con celdas de combustibles SOFC: Poseen alto rendimiento en sistemas de cogeneración (electricidad + calor). No requieren del uso de catalizadores. Muy resistentes a la corrosión y a la contaminación por CO. Se pueden emplear diversos combustibles para su operación. Mínima emisión de gases con efecto nocivo al ambiente. Son ideales para aplicaciones comerciales de generación estacionaria. Diseño modular y construcción sólida, sin partes móviles y por tanto, funcionamiento silencioso.

22 Desventajas de trabajar con celdas de combustibles SOFC: Altas temperaturas de operación Requiere materiales resistentes a altas temperaturas en estado sólido Influencia negativa para la comercialización: el famoso tiempo de arranque (tiempo de precalentamiento). Al inicio de cada ciclo de trabajo, la celda requiere un precalentamiento hasta la temperatura de operación, además debe ser efectuado lentamente para evitar someter los componentes cerámicos a gradientes térmicos tales que generen fracturas. Razón por la cual se prefiere como sistema estacionario

23 Celdas de Combustible SOFCs Retos La apertura del camino hacia la comercialización de las SOFCs depende esencialmente del cumplimiento de los siguientes objetivos: Reducción de temperaturas de las celdas Evitar problemas de degradación por choque térmico. Reacciones en las interfaces [electrolito/electrodo]. Problemas de estabilidad química de los materiales en atmósfera reductora u oxidante, etc.. Menos restricciones para la elección de los materiales de interconexión utilizados. Reducción los costos de fabricación. Los componentes principales se acoplan entre sí en forma de películas con espesores en el intervalo de micrómetros a algunos milímetros. Hoy en día, se emplean procesos tecnológicamente avanzados y, por ende, costosos. Mejoramiento del diseño e implementación de nuevos materiales para sellar e interconectar los módulos de SOFC

24 En que estamos trabajando? Desarrollar nanomateriales cerámicos para celdas de combustibles de temperaturas intermedias Obtención y Caracterización de electrodos y electrolitos, a saber: compuestos nanométricos tipo Fluorita de CeO 2 dopado con Sm 2 O 3, Y 2 O 3 para ser empleados como electrolitos sólidos. compuestos nanométricos tipo manganitas y cobalitas para su uso como cátodos. compuestos nanométricos tipo Ni- CeO 2 dopado para su utilización como ánodos. Método de síntesis que permita electrodos y electrolitos con características mas adecuadas

25 Métodos empleados Métodos empleados: -Nitrato-glicina -Pechini -Sol-gel -Convencional en edo. sólido m 1 m

26 Algunos resultados 250 nm Electrolito: SDC 10 m 1 m

27 Conclusiones La principal dificultad de las SOFCs convencionales es su alta temperatura de operación. Por ello, se estudian materiales para electrolito y electrodo de temperatura intermedia. 250 nm En el caso de SOFCs de temperatura intermedia, es posible emplear materiales nanoestructurados para electrolito y electrodo, que pueden presentar mejores propiedades que los convencionales. 10 m 1 m

28 250 nm 10 m 1 m

29 Porque dopar? Con la finalidad de introducir vacancias de en el compuesto de ZrO 2, se emplea dopantes tri divalentes, como el Y 2 O 3. Las reacción al incorporar un dopante 10 trivalente m M, se 1 m crea 1 vacancia de oxígeno por cada 2 átomos incorporados.

30 Para compuestos de ZrO 2 y CeO 2 la conductividad crece con el incremento de l dopante hasta un valor máximo, para luego volver a decrecer. 10 m 1 m

31 CELDAS DE COMBUSTIBLE DE ÓXIDO SÓLIDO