Celdas de Combustible

Ciclo de Charlas: Seminario de Diseño Celdas de Combustible 1

Contenido Celdas de Combustibles Historia Funcionamiento Tipos de celdas Hidrógeno Propiedades H 2 Producción y almacenamiento Transporte 2

qué es una celda de combustible? Dispositivo que realiza una conversión directa de energía química en eléctrica a través de una reacción electroquímica. Es una pila eléctrica, que semejante a las baterías del almacenaje, se puede alimentar continuamente con un combustible para producir potencia eléctrica indefinidamente (Connihan, 1981). 3

Un poco de Historia I Sir William Grove (1811-1896) Abogado y científico amateur, nacido en Gales. 1839: Batería a gas (ácido sulfúrico y platino). 1842: Cadena de gas utilizando la energía en electrólisis. Batería a gas de 1 [V] aprox. (Izquierda) y Cadena de gas (Derecha). 4

Un poco de Historia II Francis Bacon, Ingeniero químico de la Universidad de Cambridge, Inglaterra. 1930:(Década) Realiza importantes avances en un nuevo tipo de celda. 1950: Bacon produce un celda alcalina. Utiliza como electrolito (KOH) y electrodos de Níkel. Laboratorio de Bacon en la Universidad de Cambridge (1955) 5

Un poco de Historia III 1960:(Década) International Fuel Cell en Windsor, Connecticut, desarrolla planta energética para la misión Apolo de la NASA. Desde entonces se han desarrollado diversos tipos de FC para variadas aplicaciones, pero aún su costo es elevado. FC de la NASA para el proyecto Apollo, 1964. 6

Celda Galvánica _ Flujo Electrones + ánodo y cátodo se consumen durante el uso de la batería (combsutible ) Oxidaxión (Se liberan electrones) ánodo Flujo Cationes (+) Flujo Aniones (-) cátodo Reducción (Se acepta electrones) Electrolito Ejemplo Electrolito: NaCl + Agua Na + & Cl - 7

Celda de Combustible Funcionamiento similar a una pila o batería. Electrodos no se consumen durante su uso, solo los combustibles Liberación de calor Existen diferetes tipos de celdas, caracterizadas por el electrolito y combustible utilizado. 8

Celda de Combustible, Batería y Motor a Combustión 9

Eficiencia Combustible Combustible Combustible Producción de Vapor Motor Diesel Celda Electroquímica de combustión Turbina a Vapor Generador Generador E L E C T R I C I D A D 10

Eficiencia LHV, Lower Heating Value 11

Ventajas y Desventajas No produce contaminación al utilizar hidrógeno puro (agua y calor). Bajas emisiones con reformador. Alto grado de eficiencia comparado con otras tecnologías. Alta eficiencia en la partida del sistema. Rápida y buena respuesta a variaciones de carga. Utilización del calor en cogeneración y calefacción. No requiere recarga como la baterías. Hidrógeno es dificil de manufacturar y almacenar. Requieren de un complejo sistema de soporte y control. Materiales para la construcción son caros y sensibles a contaminaciones. Tecnología en desarrollo, no existe soporte para la utilización masiva. 12

Construcción y funcionamiento de una celda PEM I Ánodo (-) Electrolito Cátodo (+) Iones H 2 O 2 H + Hidrógeno H + e - H + H + H + H + Oxígeno H + e - Pt Nafion e - e - e - Carga e - Pt H 2 O + Calor 13 ánodo: cátodo: conjunta: + 2H2 4H + 4e ( oxidación ) O2+ 4H + + 4e 2HO ( reducción ) 2 r 0 kj 2H2+ O2 2HO G = 273,3 2 mol V teórico = 1,23 [V] V vacío = 0.8 [V]

Construcción y funcionamiento de una celda PEM II Composición de una FC del tipo PEM 14

Construcción y funcionamiento de una celda PEM III U rev U 0 Variación respecto al estado de equilibrio ideal Tensión de la celda U Pérdidas debido a resistencias internas Pérdidas debidas a Transición Pérdidas debidas a Difusión Densidad de Corriente I 15

Construcción y funcionamiento de una celda PEM IV Conformación de un Stack del tipo PEM, Ballard. 16

Ventajas y desventajas de una celda PEM Tolerancia a CO 2 Opera a bajas temperaturas Utiliza un electrolito solido y seco Electrolito no corrosivo Tiene alta densidad voltaje, corriente y potencia Buena tolerancía a las diferencias de presión Simple mecanismo de diseño Se utilizan materiales estables para su construcción Sólo tolera alrededor de 50 ppm de CO Puede tolerar pocos ppm de compuestos sulfurosos Utiliza un costosos catalizadores de platino Utiliza un costoso electrolito, el cual es dificil de manejar. 17

Principales Tipos de celdas Tipo Celda T [ºC] Electrolito Combustible Oxidante Eficiencia Utilización Alcalina 80 (KOH) Hidrógeno Membrana de Intercambio Protónico Ácido Fosfórico Carbonatos Fundidos Oxido Sólido 80 200 650 1000 Polímero Sólido Ácido Fosfórico Hidrógeno Oxigeno (Aire) Oxigeno (Aire) Gas Natural Aire 36-46 % 63 % Transporte 60 % Transporte Generación: Ciclo combinado y residencial Generación: carbonato de Litio + Potasio Gas Natural Aire 48-56 % Ciclo combinado y residencial Oxido de zirconio sólido + itria Gas Natural Aire 55-65 % Generación 18

Principales Tipos de celdas 19

Oxido Sólido Soporta reformador interno de hidrocarburos Buena operación utilizando combustibles humedos o secos Rápida reacción cinética Tiene alta eficiencia Construido de diferentes formas No necesita catalizadores de metales nobles Elecrolito sólido Electrolito : Oxido de zircornio + Itria Electrodos : Cobalto y Nikel Requiere materiales resistentes a altas temperaturas en estado sólido Moderada intolerancia al Sulfuro No existe un proceso práctico de fabricación Tecnología no madura 20

Carbonato Fundidos Soporta reformador interno de hidrocarburos livianos Genera altos grados de calor como desperdicios Rápida reacción cinética Tiene alta eficiencia No necesita cataliozadores de metales nobles Electrolito : Mezcla de carbonao de litio y potacio Electrodos : Nikel Requiere materiales resistentes a la corrosión Alta intolerancia al Sulfuro (ánodo) Electrolito Líquido, problemas de manejo Requiere al to período de calentamiento 21

Alcalinas Opera a bajas temperaturas Rápidos tiempos de partida Utiliza pequeñas cantidades de Pt Tiene alta eficiencia Poca corrosión Bajo peso y volumen Facil de operar Electrolito : Hidróxido de potasio (KOH) Electrodos : Nikel extremadamente intolerante al CO 2 y alguna hacia al CO Requiere complejos manejadores de agua Alta intolerancia al Sulfuro (ánodo) Electrolito Líquido, problemas de manejo Relativo corto tiempo de vida 22

Acido Fosfórico Tolerante al CO2 (30%) Opera a temperaturas medias con grandes cantidaes de calor desperdiciado Rápida reacción cinética Tiene un electrolito estable Electrolito : Acido fosfórico con silicio carburado Electrodos : Platino Tolera un 2% de CO Tolera un alrededor de 50 ppm sulfuro Electrolito líquido corrosivo, problemas de manejo Debe se calentado antes de entrar en operación Tamaño grande y pesado 23

Acido Fosfórico Tolerante al CO2 (30%) Opera a temperaturas medias con grandes cantidaes de calor desperdiciado Rápida reacción cinética Tiene un electrolito estable Electrolito : Acido fosfórico con silicio carburado Electrodos : Platino Tolera un 2% de CO Tolera un alrededor de 50 ppm sulfuro Electrolito líquido corrosivo, problemas de manejo Debe se calentado antes de entrar en operación Tamaño grande y pesado 24

Aplicaciones: Transporte Energías Renovables: Celdas de Combustibles Vehículo FC de Ford y bus de pasajero de UTC. Vehículo FC de Peugeot y Daimler-Chrysler 25

Aplicaciones : Aplicaciones Móviles Laptop Casio y PDA Motorola 26 Unidades portátiles de Ballard y Avista Labs

Aplicaciones: Sistemas de generación estacionaria Unidades FC estacionarias de UTC y General Motors 27

Componentes de un sistema FC 28 UTC Fuel Cell. 200 KW PC25C.

Módulo FC Laboratorio Energía y Accionamientos 29

Hidrógeno 30

Estructura Atómica Elemento de mayor abundancia en el universo Presente en alrededor del 75% de la materia visible MasaPr otón > 1800* Masa Electrón Protón R > 100000* R 2 1 2R 1 2R 2 e Isotopos Deuterium 1 protón y 1 neutrón (Hidrógeno Pesado) Tritium 1 protón y 2 neutrón (Inestable, decaimiento rediactivo) 31

Estructura molecular Atomos aislados altamente radiativos H2 Orthohydrogen (igual spin) (75% a Tº ambiente) Parahydrogen (distino spin) 32

Composición de otros combustibles Alcoholes Hidrocarburos Gas natural Metano - Etano Propano- Butano Gasolina Heptano 33

Propiedades físicas del H 2 Estado Temperatura [ºC] Gas mayor a -253 Líquido menores a -253 Sólido menores a -259 Presión Ambiental Inoloro - Incolor Sin sabor - No tóxico 1 [m 3 ] agua 111[Kg] de H 1 [m 3 ] H 2 (liq) 71 [Kg] de H 1 [m 3 ] Metanol 100 [Kg] de H 1 [m 3 ] Heptano 113 [Kg] de H Densidad [Kg/m3] sustancia vapor Liquido ( 20[ºC].1 [atm]) ( Pto. E., 1 [atm]) Hidrógeno 0.08376 70.87 Metano 0.65 422.8 Gasoline 4.4 700 34

Comparación contaminación 35

Producción de H 2 : Electrólisis Eficiencia del 65% al 85 % Níkel, Cobre (manganese, tungsten, ruthenium) Níkel (Platino) Agua debe ser purificada Asbesto como base 36

Producción de H 2 : Reformador Un reformador consiste en: 1. Purificación del combustible (incluyendo remoción de sulfuro) 2. Reformador de vapor o oxidación del combsutible para formar hidrógeno y óxido de carbon 3. Purificación primaria : conversión de CO a CO2 4. Purificación secundaria : reducción de CO 37

Producción de H 2 : Reformador Usa existente insfraestructura Reduce la necesida de transportar y almacenar hidrógeno No se necesita grandes canidades de energía como en la electrolisis Es menos caro que otras técnicas Tiempos de calentamiento pueden ser largos Dificiles de aplicar a vehículos Complejos, grandes y caros No usa combustibles combustibles renovables Produce contaminantes mediante combsution, como óxido nitroso 38

Producción de H 2 : Reformador II Tipos de reformadores Vapor (proceso endotérmico, 450º - 925º C), más eficiente y económico (90% ef.) Oxidación parcial (proceso exotérmico, 1150º - 1315º C) Autotermal (mix) 39

Producción de H 2 : Otros métodos Foto conversión (8-12 % eficiencia) Celdas Fotovoltaicas y electrólisis Proceso fotobiológico (cyanobactería,algas, 1-2%) Producción por biomasa (termoquímica conversión y digestion anaerobica) Procesos industriales (subproductos) 40

Almacenamiento H 2 :Gas a alta presión (cilindros) I 41

Almacenamiento H 2 :Gas a alta presión (cilindros) II 42

Almacenamiento H 2 : Líquido (baja temperatura) 43

Almacenamiento H 2 : Metales Híbridos 44

Almacenamiento H 2 : Otros métodos Carbón absorción (Metales híbridos) Microesferas de cristal Oxidación del Hierro 45

Transporte H 2 : Tuberías Gas Líquido Transportación móvil Gas Liquida Manufactura en el sitio 46

Referencias 1. Cook,B. Heliocentris. An introduction to fuel cell and hydrogen technology.april 2002. 2. College of Desert, CA. Hydrgen Fuel Cell Engines. 2001 3. Fuel Cell 2000 s, Sitio web para difusión de las FC. http:// www.fuelcell.org. 4. Larminie, J.; Dicks,A. Fuel Cell Systems Explained, ISBN 0-417-49026-1. 5. Vielstich, W. Células de Combustión. ISBN 84-314-0190-7. 1973. 6. Heliocentris. Experimentieranleitungen, Brennstoffzellensystem NP20 y NP50. http://www.heliocentis.com. 7. Dupont Fuel Cells. http://www.fuelcells.dupont.com. 8. Unit Technologies Corp. http://www.utcfuelcells.com. 9. Handschin, E., Horenkamp, W. Lecture Notes on Fuel Cell Technology. June 2002. 10. EERE, Energy Efficiency and Renewable Energy, U.S. DOE. http://www.eere.energy.gov. 11. Heliocentris. Brennstoffzellensystem NP50-Twin (Datos técnicos). 12. [21] IDATECH. Advanced Fuel Cell Solutions SM, An IDACORP Company. http://www.igatech.com. 13. Ballard Power System. http://www.ballard.com. 14. Ford. http://www.ford.com. 15. ReliOn. http://www.avistalabs.com. 47

Consultas 48