Pilas de Combustible. Pilas de Combustible

Transcripción

1 Pilas de Combustible Pilas de Combustible

2 Evolución histórica de las baterías

3 Esquema de electrolizador Pilas de Combustible e - Fuente de corriente e - Reacción global: H 2 O H 2 + ½ O 2 ánodo Electrolito H 2 O H 2 O cátodo G= +237 KJ/mol H2 E eq =- G/nF= /(2*96500)=1.23V H 2 2H + + 1/2 O 2- ½ O 2 Pt Solución acuosa conductora Pt

4 Qué es una Pila de Combustible? Dispositivo electroquímico que convierte la energía química de las reacciones de oxidación de un combustible y de reducción de un oxidante en energía eléctrica (corriente contínua nua) ) y calor. Elementos básicos: -Anodo -Cátodo -Electrolito Reacción anódica: H 2 2 H e - Reacción catódica: ½ O e H + H 2 O Reacción global: H 2 + ½ O 2 H 2 O G=-237 KJ/mol H2 E eq =- G/nF= /(2*96500)=1.23V

5 Electrolisis Pila de combustible

6 Características de Pilas de Combustible Altas eficiacias energéticas: - no existen limitaciones termodinámicas del ciclo de Carnot, Ofrecen eficacias de conversión mayores que las que puedan conseguir otros generadores térmicos. Poco contaminante: Bajas emisiones y Silenciosas, (proceso electroquímico y no por combustión), Configuración nodular. Se pueden apilar células para suministrar el voltage deseado

7 Características de Pilas de Combustible Altas eficacias energéticas: - no existen limitaciones termodinámicas del ciclo de Carnot, Ofrecen eficacias de conversión mayores que las que puedan conseguir otros generadores térmicos. Poco contaminante: Bajas emisiones y Silenciosas, (proceso electroquímico y no por combustión), Configuración nodular. Se pueden apilar células para suministrar el voltage deseado Empleo metales catalíticos costosos y escasos: -Pd, Pt y Ag en cantidades imptes. (3-4 g Pt/kW en H2/O2) Dificultad almacenamiento H 2

8 Reseñas históricas Sir William Grove ( )

9 Reseñas históricas Sir William Grove ( ) Utilización práctica: Años 60: Proporcionaron electricidad y agua en naves espaciales Gemini y Apolo

10 Cómo funciona una pila de combustible? Electrolyte

11 Principio básico Vol O 2 <> 1/2 Vol H 2 H 2 + ½ O 2 H 2 O (+ i )

12 Problemas Pequeña superficie de contacto Elevada distancia entre electrodos H 2 + ½ O 2 H 2 O (+ i )

13 Solución e - e - Gran superficie de contacto Electrolito delgado: conductor iónico y aislante electrónico Combustible (H 2 ) Comburente (O 2 ) Anodo Electrolito Cátodo

14 Monopila de combustible Electrolito Anodo Cátodo Combustible: H 2 Polo negativo conectado al ánodo Comburente: O 2 Polo positivo conectado al cátodo

15 Placas bipolares Hidrógeno a los ánodos Oxígeno a los cátodos Placas bipolares acanaladas para suministro de combustible y comburente en una pila de combustible Grafito, acero inoxidable

16 Batería de pilas de combustible Hidrógeno a los ánodos Conexión negativa Célula electroquímica Conexión positiva Oxígeno a los cátodos Batería de tres pilas mostrando las conexiones a través de placas bipolares del ánodo de una al cátodo de otra

17 Montaje de células estancas Pilas de Combustible

18 Cierre final del dispositivo Combustible: H 2 Polo negativo conectado a los ánodos Comburente: O 2 Polo positivo conectado a los cátodos Batería con tapas, contactos eléctricos y conexiones para los gasesg

19 Cierre final del dispositivo Batería con tapas, contactos eléctricos y conexiones para los gasesg

20 Tipos de pilas de combustible Tipo Ión Móbil Temperatura de operación Comentarios Alcalina (AFC) OH ºC Vehículos espaciales: Apolo,Lanzadera, Membrana de intercambio protónico (PEMFC) H Vehículos y aplicaciones móviles Metanol Directo (DMFC) H Sistemas portátiles de baja potencia: ordenadores, teléfonos (larga duración) Ácido Fosfórico (PAFC) H Existen muchos de hasta 200 kw en funcionamiento Carbonato fundido CO Adecuados para centrales de ciclo combinado (CHP: combined heath and power) ) de tamaño medio ( ( 1 MW) Óxido sólido (SOFC) O Válido para ciclo combinado en diferentes tamaños

21 Pilas alcalinas (AFC) Ánodo: H OH - 2H 2 O + 2 e Cátodo: ½ O 2 + H 2 O+2e 2 OH - Global: H 2 + ½ O 2 H 2 O ºC Electrolito: KOH (aq( aq.) embebida en una matriz Rdto.: 47% Desarrollo <100 kw

22 Pilas alcalinas (AFC) Ventajas: -Materiales económicos -Tolerante al al CO CO -Elevada prestación de de corriente (rápida reacción catódica) Desventajas: -Electrolito corrosivo -Intolerante al al CO CO 2 (Se 2 (Se debe debeeliminar del del aire airey combustible)

23 Pilas alcalinas (AFC): Aplicaciones Pilas de Combustible Ánodo: H OH - 2H 2 O + 2 e Cátodo: ½ O 2 + H 2 O+2e 2 OH - Submarinos Célula: H 2 + ½ O 2 H 2 O Naves Espaciales

24 Pilas de membrana polimérica (PEM) Pilas de Combustible Ánodo: H 2 2H e - Cátodo: ½ O 2 +2e - + 2H + H 2 O Global: H 2 + ½ O 2 H 2 O ºC Electrolito: Membrana polimérica Nafion Rdto.: % Desarrollo: kw

25 Pilas de membrana polimérica (PEM) Pilas de Combustible Ventajas: Larga Largaduración de de operación Alta Alta densidad de de corriente y potencia a bajas bajast Rapido arranque y enfriamiento por porlas lasbajas bajast de de operación. Sistema no no corrosivo Desventajas: Intolerante al al CO CO (envenenamiento de de catalizadores )) y en en menor menor grado gradoal al CO CO Materiales nobles nobles Membranas costosas

26 Esquema célula electroquímica PEM Pilas de Combustible

27 Electrodos en PEM: Pt(C) H 2 + ½ O 2 E * G H 2 O TEM del catalizador /anodo/cátodo Catalizador de Platino para disociar H 2 y O 2 Pt + 2H 2 2 Pt-H 2 Pt-H 2 Pt + 2H + +2e Carbón Pt Carbón Pt Carbón Pt Carbón Pt Carbón Pt

28 Pilas poliméricas (PEM): Aplicaciones Automoción Potencia estacionaria residencial

29 Pilas poliméricas (PEM): Aplicaciones Equipos portatiles

30 Pilas Metanol Directo (DMFC) ºC Rdto.: 40% Desarrollo: 5 kw Ánodo: CH 3 OH + H 2 O 3H 2 6H + + 6e CO 2 + 3H 2 Cátodo: ½ O2 + 2H+ + 2 e 2 H2O

31 Pilas Metanol Directo (DMFC) Ventajas: Combustible líquido líquidomás máscercano a la la tecnología actual actual Baja Baja temperatura arranque rápido rápido Electrolito sólido, sólido, reduce reduce corrosión fugas, fugas, etc etc Desventajas: Complejo Materiales nobles nobles (costosos y escasos) En En desarrollo

32 Pilas Metanol Directo (DMFC): Aplicaciones Equipos portátiles Motorola + Los Alamos NL Recargables en 2-3 segundos. La carga dura aproximadamenta un mes. Son más ligeras, la mitad que las baterías actuales. Son más ecológicas, no hay residuos contaminantes. Tensión eléctrica constante independiente del estado de la carga.

33 Pilas Ácido Fosfórico (PAFC) Ánodo: H 2 2H e Cátodo: ½ O 2 + 2H + +2e H 2 O Célula: H 2 + ½ O 2 H 2 O ºC Rdto.: 40% Desarrollo: kw Primeras comercializadas (Más de 200 instaladas en el mundo)

34 Pilas Ácido Fosfórico (PAFC) Ventajas: Eficiencia de de hasta hastaun un 85% 85% (con (con cogeneración de de calor calory electricidad). Posibilidad de de usar usarh 2 impuro 2 como comocombustible Tecnología bien biendesarrollada Excelente estabilidad química, electroquímica y térmica Fabricación relativamente sencilla Desventajas: Bajo Bajorendimiento Duración limitada Catalizadores Pt: Pt: costosos y escasos Peso Peso y tamaño elevado

35 Aplicaciones Pilas de Combustible Central de Energía C, gas, der. petroleo

36 Pilas Ácido Fosfórico (PAFC): Aplicaciones Calefacción y electricidad de un bloque de apartamentos

37 Pilas Carbonato fundido (MCFC) Pilas de Combustible Ánodo: H 2 + CO = 3 H 2 O+CO 2 + 2e Cátodo: ½ O 2 + CO 2 +2e CO = 3 Célula: H 2 + ½ O 2 +CO 2 H 2 O +CO ºC Electrolito:Li CO 2 3 / Na CO 2 3 matriz embebidos en una Rdto.: 54% Desarrollo: kw

38 Pilas Carbonato fundido (MCFC) Pilas de Combustible Ventajas: Alta Alta eficacia Aprovechamiento calor caloren en turbinas de de gas gas y vapor vaporpara paraaumentar las laseficiencias. No No hay hay envenenamiento de de ánodos por porco Posibilidad de de emplear otros otroscombustibles (Gas (Gas natural, gas gas de de síntesis, biogas,...)...) Desventajas: Electrolito inestable y corrosivo. Electrodo inestable y frágiles Altas Altastemperaturas de de operación Elevado Costo Costo

39 Carbonato fundido (MCFC) : Aplicaciones Potencia estacionaría comercial e industrial (combinación de calor y potencia)

40 Pilas Óxido Sólido (SOFC) Ánodo: H 2 +O = H 2 O + 2 e Cátodo: ½ O 2 + 2e O = Célula: H 2 + ½ O 2 H 2 O ºC Electrolito: YSZ Rdto.: 55% Desarrollo: 100 kw

41 Pilas Óxido Sólido (SOFC) Electrolito: YSZ (10-20 µm de espesor) Tiene elevada R y se reduce disminuyendo espesor Ánodo: Ni/YSZ cerment (1,5 mm de espesor) Ni proporciona σ eléctrica Estructura porosa: Capa funcional ánodo: interfase ánodo electrolito (pocas µm de espesor) Cátodo: Perovskitas de baja reactividad α similar a los del electrolito R degradación térmica

42 Pilas Óxido Sólido (SOFC) Ventajas: Alta Alta eficiencia Aprovechamiento calor caloren en turbinas de de gas gas y vapor vaporpara paraaumentar las laseficiencias. Larga Largaduración Elimina manejo electrolitos líquidos Rápida cinética electroquímica eliminando el el uso usode de metales nobles nobles en en electrodos Desventajas: Altas Altastemperaturas de de operación Altos Altos Costos Baja Baja potencia

43 Pilas Óxido Sólido (SOFC) : Aplicaciones Potencia estacionaría residencial, comercial e industrial (combinación de calor y potencia) 1 kw 100 kw

44 Aplicaciones y Proyectos en marcha Automoción Chrysler Ford Motor General Motors Daimler Benz Toyota