Materiales y dispositivos autónomos y sostenibles para regiones de difícil acceso. Papel de las pilas de combustible

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1 Materiales y dispositivos autónomos y sostenibles para regiones de difícil acceso. Papel de las pilas de combustible JOSÉ RAMÓN JURADO ICV, IPNA, CSIC MADRID. FEBRERO Seminario PILCONAER 8 de febrero de

2 PROGRAMA CIÊNCIA SEM FRONTEIRAS MEC/MCTI/CAPES/CNPq/FAPs Nº 71/2013 Projeto Ciências sem fronteiras/pesquisa Científica Obtenção e avaliação de materiais e dispositivos autônomos sustentáveis tendo em vista seu desempenho energético renovável em regiões de difícil acesso e carentes Coordenador(a): Prof. Dra. Vânia Caldas de Sousa Instituição: UFRGS/DEMAT/PPGE3M/LABIOMAT PVE: José Jurado Egea Instituição: Conselho Superior de Investigações Cientificas no Instituto de Cerâmica e Vidro no Laboratório do Departamento de Vidros (CSIC/ICV) Seminario PILCONAER 8 de febrero de

3 GROUP Escasas infraestructuras Grandes distancias, Periferia. Alto coste en las comunicaciones Dificultad para enviar información Problemas de coordinación Personal con formación insuficiente Sensación de aislamiento y alta rotación Seminario PILCONAER 8 de febrero de

4 GROUP Se apuesta por la construcción de sistemas autónomos: 1. Grupos electrógenos. Convencional. 2. Sistemas basados en energías renovables: micro-centrales hidráulicas sistemas eólicos sistemas con biogas Sistemas fotovoltaicos. DSSC y ISSC. Alimentan al electrolizador Electrolizadores: Producción de H 2. Lleva hidrógeno y oxígeno a la Pila de Combustible, ésta funciona mientras le llegue hidrógeno. El papel de las Pilas de Combustible es mantener la demanda de energía eléctrica en todo momento. Seminario PILCONAER 8 de febrero de

5 GROUP Final de la extractividad. Derivados del Petroleo Revolución de los Óxidos Carburos y Nitruros a partir de Óxidos Residuos- Reciclado Conexión Ciencia -Artesanía Seminario PILCONAER 8 de febrero de

6 PROJETO CIÊNCIAS SEM FRONTEIRAS. LABIOMAT Celda foto eletroquímica GROUP sol Eletrolizador Cierre Casa: Eletrolizador Fuel Cell Solar dye Cell Coche H 2 Celda de hidrógeno H 2 CARBÓN O GRAFITO POROSO Ánodo Poroso Electrolito denso Cátodo Poroso Titanio O 2 Cierre H 2 O Seminario PILCONAER 8 de febrero de

7 GROUP Seminario PILCONAER 8 de febrero de

8 Integración en residencial Electrocromismo. Celulas Fototovoltaicas Nanocristalinas. Baterias de Ion Litio. Seminario PILCONAER 8 de febrero de

9 PROJETO CIÊNCIAS SEM FRONTEIRAS Celda foto eletroquímica GROUP sol Eletrolizador Cierre Casa: Eletrolizador Fuel Cell Solar dye Cell Coche H 2 Celda de hidrógeno H 2 CARBÓN O GRAFITO POROSO Ánodo Poroso Electrolito denso Cátodo Poroso Titanio O 2 Cierre H 2 O Seminario PILCONAER 8 de febrero de

10 Electrolisis del Carbono. Electrolisis del agua asistida por polisacaridos y urea GROUP La electrolisis de carbono fue propuesta en primer lugar por Coughlin y Farooque en los años setenta. El proceso implica la oxidación del carbón en el ánodo de una celda electroquímica C + 2H 2 O CO 2 + 4H+ + 4ey la reducción en el cátodo para producir hidrógeno 4H+ + 4e- 2H 2 El potencial estándar teórico para este proceso es de 0.21 V, que es significativamente más bajo que el potencial estándar de la electrolisis del agua (1.23 V). Ellos obtuvieron 0.80 voltios Seminario PILCONAER 8 de febrero de

11 PROJETO CIÊNCIAS SEM FRONTEIRAS Celda foto eletroquímica GROUP sol Eletrolizador Cierre Casa: Eletrolizador Fuel Cell Solar dye Cell Coche H 2 Celda de hidrógeno H 2 CARBÓN O GRAFITO POROSO Ánodo Poroso Electrolito denso Cátodo Poroso Titanio O 2 Cierre H 2 O Seminario PILCONAER 8 de febrero de

12 GROUP PILAS PEMFC Matriz Polimerica Matriz Oxidica Seminario PILCONAER 8 de febrero de

13 Conductores Protónicos para Pilas de Combustible de Intercambio Protónico (PEMFCs) Nafion, Fórmula [CF 2 CF(CF 2 CF 2 )n]m OCF 2 CFCF OCF 2 CF 2 SO 3 H + 1 nm Nafion----Polímero Perfluorinado Acido sulfónico + Protón H 2 O -SO 3 - Representación Esquemática de la Microestructura de Nafion -Canales anchos nm -Pequeñas Distancias -SO 3- /-SO 3 - Seminario PILCONAER 8 de febrero de

14 Pilas PEMFC Caucho SiO 2 Seminario PILCONAER 8 de febrero de

15 Pilas PEMFC - Caucho: Funcionamiento microestructural Platino Carbono Hidrógeno, H 2 H 2 O H + electrón C 6 H 5 -SO 3 - Matriz polimérica Seminario PILCONAER 8 de febrero de

16 Microestructura de las membranas dopadas En las membranas dopadas las nanopartículas de la carga ocupan los poros y canales dejados entre las micropartículas de látex, aumentando de forma exponencial la conductividad protónica Membrana dopada al 33% con K 2 SiF 6 Partículas de látex Partículas de K 2 SiF 6 e - e Ō 2 H 2 Seminario PILCONAER 8 de febrero de

17 Conductividad. Influencia del tipo de membrana Diferentes membranas dopadas al 33% con K 2 SiF 6 Log (Conductividad)/ Scm -1-1,5-2,0-2,5-3, Temperatura / ºC Nafion 117 Con peróxido recubierto 1,75% NaSS Con peróxido recubierto 0,9% NaSS Con peroxido sin recubrir Prevulcanizado con azufre e - e Ō 2 H 2 Seminario PILCONAER 8 de febrero de

18 Caracterización electroquímica de las membranas preparadas: EIC Diseño del portamuestras y del protocolo de medida hecho en el grupo ELAMAT Condiciones de Medida: -Humedades relativas: 81% -Temperaturas: 80 ºC Muestra σm S/cm SiO 2 -P 2 O *10-2 TiO 2 -P 2 O *10-5 TiO 2 (80 ºC, 58%) 0.94*10-3 TiO 2 -P 2 O 5 / Nafion 1.16*10-3 Nafion 7.72*10-2 Nafion = 0.20 ev GROTHUS TiO 2 P 2 O 5 /Nafion = 0.14 ev R (Ohm) σ/s % HR 40 ºC /T (K-1) y = x R 2 = R -1 Cond. Seminario PILCONAER 8 de febrero de Log ( /(S/cm))

19 GROUP Alternativas al Nafion en LABIOMAT. BRASIL Nuevas membranas basadas en PVF Nuevas membranas con hidroxiapatita Electrolitos sólidos. Óxidos (Nogami), Seminario PILCONAER 8 de febrero de

20 GROUP Ánodo: H 2 2H + + 2e - (oxidación, polo negativo) CÁTODO ELECTROLITO ÁNODO Cátodo: ½ O 2 + 2e - O 2- (reducción, polo positivo) Reacción global: H 2 + 1/2 O 2 H 2 O Seminario PILCONAER 8 de febrero de

21 GROUP Pilas SOFC Basadas en Zircona Pilas SOFC Basadas en Aluminato de Calcio Seminario PILCONAER 8 de febrero de

22 GROUP Pilas SOFC de varias generaciones. Seminario PILCONAER 8 de febrero de

23 GROUP Seminario PILCONAER 8 de febrero de

24 GROUP 1, Energía fotovoltaica. Celdas Fotovoltaicas sensitivizadas con o sin dye. Electrocromismo. Baterías de ion Litio. Integración. 2. Electrolizadores productores de H 2. Almacenamiento H 2. Electrolizadores asistidos con cáscara de arroz, polisacáridos y urea. 3. Pilas de combustible. SOFC-RESIDENCIAL. PEM- TRANSPORTE Seminario PILCONAER 8 de febrero de

25 Seminario PILCONAER 8 de febrero de