Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Ciclo de Charlas: Seminario de Diseño
Celdas de
Combustible
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Contenido
z Celdas de Combustibles
– Historia
– Funcionamiento
– Tipos de celdas
z Hidrógeno
– Propiedades H
2– Producción y almacenamiento
– Transporte
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
¿qué es una celda de combustible?
z Dispositivo que realiza una conversión directa de energía química en eléctrica a través de una reacción electroquímica.
z 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).
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Un poco de Historia I
z
Sir William Grove
(1811-1896) Abogado y científico amateur, nacido en Gales.
z
1839:
”Batería a gas”
(ácido sulfúrico y platino).
z
1842:
“Cadena de gas”
utilizando la energía
en electrólisis.
“Batería a gas” de 1 [V] aprox. (Izquierda) y “Cadena de gas” (Derecha).Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Un poco de Historia II
z
Francis Bacon,
Ingeniero químico de la Universidad de
Cambridge, Inglaterra.
z
1930:(Década) Realiza importantes avances en un nuevo tipo de celda.
z
1950:
Bacon produce un celda alcalina. Utiliza como electrolito (KOH)
y electrodos de Níkel.
Laboratorio de Bacon en la Universidad de Cambridge (1955)Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Un poco de Historia III
z
1960:(Década)
International Fuel Cell en Windsor, Connecticut, desarrolla planta
energética para la misión Apolo de la NASA.
z
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.
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Celda Galvánica
ánodo cátodo
_ +
Flujo Electrones
Electrolito
Flujo Aniones (-) Flujo Cationes (+)
Oxidaxión (Se liberan electrones)
Reducción (Se acepta electrones)
Ejemplo Electrolito: NaCl + Agua → Na+& Cl-
ánodo y cátodo se
consumen durante
el uso de la batería
(combsutible )
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
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.
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Celda de Combustible, Batería y Motor a Combustión
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Eficiencia
Generador
E L E C T R
I C
I D A D Combustible Producción
de Vapor
Turbina a Vapor
Combustible Motor
Diesel Generador
Combustible
Celda
Electroquímica
de combustión
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Eficiencia
LHV, Lower Heating Value
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Ventajas y Desventajas
z
Hidrógeno es dificil de manufacturar y almacenar.
z
Requieren de un complejo sistema de soporte y control.
z
Materiales para la construcción son caros y sensibles a
contaminaciones.
z
Tecnología en desarrollo, no existe soporte para la utilización masiva.
z
No produce contaminación al utilizar hidrógeno puro (agua y calor).
z
Bajas emisiones con reformador.
z
Alto grado de eficiencia comparado con otras tecnologías.
z
Alta eficiencia en la partida del sistema.
z
Rápida y buena respuesta a variaciones de carga.
z
Utilización del calor en
cogeneración y calefacción.
z
No requiere recarga como la
baterías.
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Construcción y funcionamiento de una celda PEM I
Nafion
H2 O2
Pt Pt
Carga Carga
H+ H+
e- e- e-
e-
e- e-
e- e- e- e- H+
H+
H+ H+
H+ H+
H+ H+
Hidrógeno Oxígeno
Iones
H2O Calor
+ H2O Calor
+ H2O Calor
+
H+ H+ H+
H+
e- e-
Ánodo (-) Electrolito Cátodo (+) Ánodo (-) Electrolito Cátodo (+)
2H2→4H++4e− (oxidación)
2 4 4 2 2
O + H++ e−→ H O (reducción)
2 2 2
2H O+ →2H O :
ánodo : conjunta
: cátodo
0 273,3
r kJ
G mol
∆ =−
V
teórico= 1,23 [V]
V
vacío= 0.8 [V]
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Construcción y funcionamiento de una celda PEM II
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Construcción y funcionamiento de una celda PEM III
Variación respecto al estado de equilibrio ideal
Urev
U0
Densidad de Corriente I
Tensión de la celda U Pérdidas debido a
resistencias internas
Pérdidas debidas a Difusión
Pérdidas debidas a Transición
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Construcción y funcionamiento de una celda PEM IV
Conformación de un Stack del tipo PEM, Ballard.
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Ventajas y desventajas de una celda PEM
• 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.
• 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
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Principales Tipos de celdas
Tipo Celda T [ºC] Electrolito Combustible Oxidante Eficiencia Utilización
Alcalina 80 (KOH) Hidrógeno Oxigeno
(Aire) 63 % Transporte Membrana
de Intercambio
Protónico
80 Polímero
Sólido Hidrógeno Oxigeno
(Aire) 60 % Transporte
Ácido
Fosfórico 200 Ácido
Fosfórico Gas Natural Aire 36-46 % Generación:
Ciclo combinado y residencial Carbonatos
Fundidos 650 carbonato deLitio + Potasio Gas Natural Aire 48-56 % Generación:
Ciclo combinado y residencial Oxido
Sólido 1000 Oxido de zirconio sólido
+ itria Gas Natural Aire 55-65 % Generación
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Principales Tipos de celdas
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
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
• Requiere materiales resistentes a altas temperaturas en estado sólido
• Moderada intolerancia al Sulfuro
• No existe un proceso práctico de fabricación
• Tecnología no madura
Electrolito : Oxido de zircornio + Itria Electrodos : Cobalto y Nikel
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
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
• Requiere materiales resistentes a la corrosión
• Alta intolerancia al Sulfuro (ánodo)
• Electrolito Líquido, problemas de manejo
• Requiere al to período de calentamiento
Electrolito : Mezcla de carbonao de litio y potacio Electrodos : Nikel
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
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
• extremadamente intolerante al CO2 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
Electrolito : Hidróxido de potasio (KOH) Electrodos : Nikel
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Acido Fosfórico
• Tolerante al CO2 (30%)
• Opera a temperaturas medias con
grandes cantidaes de calor desperdiciado
• Rápida reacción cinética
• Tiene un electrolito estable
• 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
Electrolito : Acido fosfórico con silicio carburado Electrodos : Platino
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Acido Fosfórico
• Tolerante al CO2 (30%)
• Opera a temperaturas medias con
grandes cantidaes de calor desperdiciado
• Rápida reacción cinética
• Tiene un electrolito estable
• 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
Electrolito : Acido fosfórico con silicio carburado Electrodos : Platino
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Aplicaciones:
Transporte
Vehículo FC de Ford y bus de pasajero de UTC.
Vehículo FC de Peugeot y Daimler-Chrysler
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Aplicaciones :
Aplicaciones Móviles
Laptop Casio y PDA Motorola
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Aplicaciones:
Sistemas de generación estacionaria
Unidades FC estacionarias de UTC y General Motors
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Componentes de un sistema FC
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Módulo FC
Laboratorio Energía y Accionamientos
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Hidrógeno
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Estructura Atómica
Protón
e
2R1
2R2
• Elemento de mayor abundancia en el universo
• Presente en alrededor del 75% de la materia visible
Protón
1800*
ElectrónMasa > Masa
2
100000*
1R > R
Isotopos
Deuterium → 1 protón y 1 neutrón (Hidrógeno Pesado) Tritium → 1 protón y 2 neutrón
(Inestable, decaimiento rediactivo)
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Estructura molecular
z Atomos aislados altamente
radiativos → H
2z Orthohydrogen
(igual spin) (75% a Tº ambiente)
z Parahydrogen
(distino spin)
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Composición de otros combustibles
Alcoholes
Hidrocarburos
Gas natural Metano - Etano Propano- Butano
Gasolina
Heptano
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
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
vapor Liquido
( 20[ºC] .1 [atm]) ( Pto. E., 1 [atm])
Hidrógeno 0.08376 70.87
Metano 0.65 422.8
Gasoline 4.4 700
Densidad [Kg/m3]
sustancia
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
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Comparación contaminación
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Producción de H 2 : Electrólisis
Níkel, Cobre (manganese, tungsten, ruthenium)
Níkel (Platino)
Agua debe ser purificada
Eficiencia
del 65% al 85 %
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
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 CO 2
4. Purificación secundaria : reducción de CO
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Producción de H 2 : Reformador
z
Usa existente insfraestructura
z
Reduce la necesida de transportar y almacenar hidrógeno
z
No se necesita grandes canidades de energía como en la electrolisis
z
Es menos caro que otras técnicas
z
Tiempos de calentamiento pueden ser largos
z
Dificiles de aplicar a vehículos
z
Complejos, grandes y caros
z
No usa combustibles combustibles renovables
z
Produce contaminantes
mediante combsution,
como óxido nitroso
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Producción de H 2 : Reformador II
Tipos de reformadores
z
Vapor (proceso endotérmico, 450º - 925º C), más eficiente y económico (90% ef.)
z
Oxidación parcial (proceso exotérmico, 1150º - 1315º C)
z
Autotermal (mix)
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Producción de H 2 : Otros métodos
z Foto conversión (8-12 % eficiencia)
– Celdas Fotovoltaicas y electrólisis
– Proceso fotobiológico (cyanobactería,algas, 1-2%)
z Producción por biomasa (termoquímica conversión y digestion anaerobica)
z Procesos industriales (subproductos)
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Almacenamiento H
2:Gas a alta presión (cilindros) I
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Almacenamiento H
2:Gas a alta presión (cilindros) II
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Almacenamiento H
2: Líquido (baja temperatura)
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Almacenamiento H
2: Metales Híbridos
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Almacenamiento H
2: Otros métodos
• Carbón absorción (Metales híbridos)
• Microesferas de cristal
• Oxidación del Hierro
Energías Renovables: “Celdas de Combustibles”
Transporte H
2:
• Tuberías
•Gas
•Líquido
•Transportación móvil
• Gas
• Liquida
• Manufactura en el sitio
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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 SolutionsSM, 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.
