Celdas de combustible diseño, simulación, caracterización y aplicación a la industria automotriz

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(1)INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS CIUDAD DE MÉXICO ESCUELA DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECATRÓNICA. ~ DE~. B. ~1>!!2t.Gf! J. Celdas de Combustible Diseño, simulación, caracterización y aplicación a la industria automotriz Rubén A. Arenal Mendoza Francisco J. ,Angeles Jilnénez , , Felix R. A. Avalos Gonz:alez. Dr. Ricardo Fernández del Busto y Ezeta Proyectos de Ingeniería Mecatrónica. México, D.F.. Mayo 2010. 1.

(2) Introducción .........................................................................................................................................8. l.. 1.1. Historia ........................................................................................................................................8. 2.. Motivación del proyecto ...................................................................................................................... 8. 3.. Objetivos del Proyecto ......................................................................................................................... 8. 4.. situación internacional ......................................................................................................................... 9. 5.. situación nacional ................................................................................................................................. 9. 6.. Estado del arte en la industria automotriz ........................................................................................... 9. 7.. Celdas de combustible en México ...................................................................................................... 12. 8.. Estudio ambiental ...............................................................................................................................12 8.1. El ciclo de la energía .................................................................................................................. 14. 8.2. Ciclo del agua ............................................................................................................................ 14. 8.3. Ciclo del carbono ....................................................................................................................... 14. 9.. Cambio climático ................................................................................................................................ 15 9.1. 10.. Cambio climático en México ..................................................................................................... 15 Generación de energía ..................................................................................................................18. 10.1. Generación de energía eléctrica en Méxlco .............................................................................. 19. 10.2. Dependencia del petróleo ......................................................................................................... 20. 11.. Celdas de combustible ..................................................................................................................20. 11.1. Tipos de celdas de combustible y sus principales diferencias .................................................. 20. 11.1.1. Celdas de ácido fosfórico {PAFC) ...................................................................................... 21. 11.1.2. Celdas de carbonato fundido {MCFC) .............................................................................. 21. 11.1.3. Celdas de óxido sólido (SOFC) .......................................................................................... 21. 11.1.4. Celdas de polímero sólido o membrana de intercambioJ de protones {PEM) .................. 22. 11.1.5. Celdas alcalinas ................................................................................................................ 22. 11.1.6. Celdas de combustible de metanol directo {DMFC) ......................................................... 22. 12.. Problemática de las celdas de combustible ................................................................................. 23. 12.1. Tecnología .................................................................................................................................23. 12.2. Reducción de costos .................................................................................................................23 4.

(3) 12.3. Infraestructura para la distribución de hidrógeno .................................................................... 24. 12.4. Financiamiento ......................................................................................................................... 24. 12.5. Aceptación por parte del público .............................................................................................. 24. 12.6. Desarrollo de estándares .......................................................................................................... 24. 13.. Eficiencia en una celda de combustible ........................................................................................ 25. 13.1 14.. Eficiencia termodinámica .......................................................................................................... 25 Celdas tipo PEM .............................................................................................................................27. 14.1. Tipos de construcción de celdas de combustible tipo PEM ...................................................... 29. 14.2. Electrolitos, catalizadores y electrodos .................................................................................... 29. 14.3. Ca racterlstlcas del electrodo ..................................................................................................... 30. 14. 4. Termodinámica ......................................................................................................................... 31. 14.5. Modelo termodinámico ............................................................................................................ 32. 14. 6. Balance de energía en la celda .................................................................................................. 33. 14. 7. Ecuación de Nernst ................................................................................................................... 34. 14.8. Circuito Equivalente de una celda tipo PEM ............................................................................. 34. 14.9. Caídas de voltajes en una celda PEM ........................................................................................ 34. 14.10. Efecto de carga de doble capa en una celda PEM .................................................................... 36. 15.. Rendimiento de una celda PEM .................................................................................................... 37. 16.. Influencia de la temperatura ......................................................................................................... 37. 17.. Diseño de canales de flujo para celdas de combsutible ................................................................ 38. 17.1. Definición de dimensiones y caracteristicas ............................................................................. 38. Serpentín ............................................................................................................................................41 lnterdlgital ..........................................................................................................................................42 Espiral Hemisférico .............................................................................................................................43 18.. Maquinado ....................................................................................................................................44. 18.1. Medidas de Seguridad en el Laboratorio .................................................................................. 44. 18.2. Elaboración del CAM .................................................................................................................44. 18.3. Elaboración de código de control numérico ............................................................................. 48. 19.. Simulación del comportamiento de los canales de flujo ............................................................... 50. 5.

(4) 19.1. Simulación de celdas de combustible con Matlab/Simulink ..................................................... 50. 19.1.1. Simulación de un stack de celdas de combustible tipo PEM ............................................ 50. 19.1.2. Simulación de una mono celda de combustible tipo PEM ............................................... 51. 19.2. Solución numérica por volúmenes finitos usando Fluent ......................................................... 52. 19.2.1. Modelado ......................................................................................................................... 52. 19.2.2. Discretlzación de los modelos en volúmenes finitos ....................................................... 54. 19.2.3. Definición de criterios de estudio .................................................................................... 55. 19.2.4. Definición de propiedades de materiales y condiciones de frontera .............................. 56. 19.2.5. Resultados ........................................................................................................................ 56. 19.2.6. Conclusiones del estudio .................................................................................................. 60. 20.. Ensamble de celdas de combustible ............................................................................................. 61. 20.1. Reconocimiento físico de celdas ............................................................................................... 61. 20,2. Ensamble y Desensamble de celda ........................................................................................... 61. 20.3. Sistema híbrido sustentable ...................................................................................................... 62. 20.4. Preparación de la capa catalítica .............................................................................................. 62. 20.5. Preparación y activación de membranas .................................................................................. 64. 20.6. Depósito de capa catalítica ....................................................................................................... 64. 20. 7. Preparación de difusores y ensamble membrana-difusor ........................................................ 65. 20.8. Ensamble de celda de combustible ........................................................................................... 67. 20.8.1. Sujeción ............................................................................................................................67. 20.8.2. Empaques .........................................................................................................................67. 20.8.3. Placas de Grafito (Electrodos) .......................................................................................... 67. 20.8.4. Placas Colectoras de Corriente ......................................................................................... 68. 20.8.5. Elementos de Mediclón .................................................................................................... 68. 20.8.6. Calentador ........................................................................................................................ 68. 20.8.7. Ensamble de Membrana y Difusores ............................................................................... 68. 20.8.8. Entradas y Salidas de Gases ............................................................................................. 68. 21. 21.1. Caracterización de celdas de combustible .................................................................................... 68 Resultados obtenidos del sistema de control ........................................................................... 69. 6.

(5) 22.. Aplicaciones de celdas de combustible en la industria automotriz .............................................. 70. 22.1. Modelado de un motor de corriente ........................................................................................ 70. 22.2. Diseño de un convertidor DC-DC .............................................................................................. 72. 22.2.1. Electrónica de Potencia .................................................................................................... 72. 22.2.2. Operación del convertidor ............................................................................................... 72. 22.2.3. Simulación Electrónica de Potencia ................................................................................. 74. 22.3. Simulación de un motor de corriente directa [Electratón] ....................................................... 76. 22.4. Diseño de un cargador de baterías automotrices ..................................................................... 77. 22.4.1. Cálculo de Impedancia .....................................................................................................80. 22.4.2. Etapa de Potencla ............................................................................................................. 80. 22.4.3. Etapa de Apagado Automático ......................................................................................... 81. 22.4.4. Simulación y Análisis de Resultados ................................................................................. 82. Referencias .................................................................................................................................................84. 7.

(6) En la búsqueda de nuevas tecnologías alternas de generación de energía se centro la atención en una tecnología que promete ser clave en los próximos años: la celda de combustible de tipo.PEM (Proton Exchange membrane), membrana intercambiadora de protones en el ámbito automotriz.. HISTORIA. 1.1. Esta celda fue descubierta por el científico Christian Friedrich Shéinbein en suiza en 1838 y publicada en la edición de enero de 1839 de "Philosophical Magazine" pero la primera aplicación fue desarrollada de acuerdo con este trabajo por Sir William Groove, un juez y científico galés que demostró que. la. combinación de hidrógeno y oxígeno generaba electricidad además de! agua y calor. No fue hasta 1959, cuando el ingeniero británico Francis Thomas Bacon, desarrolló con éxito una celda inmóvil de combustible de 5 kilovatios. En 1959 Bacon y sus colegas mostraron una unidad. de 5kW capaz de. accionar una máquina de soldadura, que condujo a que en los años 60, las patentes de Bacon licenciadas por el fabricante de motores de aviación Pratt y Whi:ney, fuesen utilizadas cuando el programa espacial de los Estados Unidos de América seleccionó las celdas de combustible, que utilizaban un membrana intercambiadora de protones (PEM) por sus siglas en inglés, para proporcionar electricidad y agua a las naves espaciales Gemini y Apol/o. Los materiales utilizados eran caros y las celdas requerían hidrógeno y oxígeno muy puros. Las primeras celdas de combustible solían requerir temperaturas muy elevadas lo cual era un problema, y por lo tanto se siguieron investigando ya que en el mundo hay grandes cantidades de hidrógeno y oxígeno para ser utilizados como combustible. A pesar del éxito obtenido por las celdas PEM. en programas espaciales no todos los sistemas. implementados con ellas podían ser redituables y no fue hasta finales de los 80's y principio de los 90's en que las celdas de combustible tipo PEM se convirtieron en una opción verdadera de uso amplio y común. Variaciones como catalizadores con menos platino y electrodos de película fina, bajaron el costo de las celdas de combustible haciendo de estas celdas más viables para todo sistema. Hoy en día las celdas de combustión han alcanzado una etapa tecnológica importante que les permite estar en posición de competir cada día más con las tecnologías convemcionales de generación eléctrica haciéndolas futuras sucesoras de la generación eléctrica de energía [H;rschenhofer, J.H. et al., 1998].. La Industria automotriz se encuentra en un punto en el cual es necesario el uso eficiente de la energía y el desarrollo de nuevas tecnologías limpias. Esta transición se debe al incremento en los precios del combustible y a la creciente preocupación por el medio ambiente. Este último, en conjunto con el interés que se tiene con los automóviles son los principales impulsores de este trabajo. Encontramos en las celdas de combustible la mejor alternativa para resolver estos problemas y además una excelente oportunidad para aplicar y desarrollar los conocimienttJs generados a la largo de nuestra vida estudiantil.. •. Conocer los principios y funcionamiento de las celdas de combustible tipo PEM.. •. Desarrollar un estudio sobre el estado del arte en celdas PEM aplicadas al transporte.. 8.

(7) •. Evaluar la aplicación de celdas de combustible en el transporte.. •. Diseñar, construir y simular diferentes perfiles de canales de flujo en celdas de combustible.. •. Solución numérica por volúmenes finitos los perfiles de canales de flujo.. •. Simular la operación de las celdas de combustible conectadas a una carga eléctrica.. •. Caracterización de celdas de combustible por medio de experimentación.. •. Realizar estudios sobre aplicaciones de celdas de combustible en el trasporte.. El Departamento de Energía de los Estado Unidos gasta aproximadamente $50millones de dólares en investigación de celdas de carbonato fundió y de óxido sólido estas son utilizadas en aplicaciones estacionarias, aparte gasta cerca de $20millones de dólares en aplicaciones en el transporte. Vehículos provistos de celdas de combustible podrían transportar tropas americanas en los campos de batalla en un futuro y podrían servir como fuente vital de energía auxiliar en el combate, ya que como se explicó las celdas son silenciosas, flexibles y operan a bajas temperaturas haciéndolas ideales para su uso en vehículos no detectables. La dependencia de buscar otra tecnología es cada vez más fuerte ya que las importaciones del petróleo en Estados Unidos están en crecimiento y más con el shock del petróleo. Solamente los vehículos de pasajeros consumen 6 millones de barriles diarios de petróleo, esto equivale al 85% de las Importaciones del país. Si tan sólo 20% de los autos usaran celdas de combustible, se reducirían sus importaciones de petróleo en 1.5 millones de barriles diariamente y más importante aún se eliminarían 60 millones de toneladas de C0 2 (causante del efecto invernadero en el planea) si tan sólo el 10% de los automóviles fueran impulsados por celdas de combustible [Departamento de Energía de los Estado Unido (U.S. DOE)).. México como país en desarrollo, presenta crecimientos en la demanda de energía eléctrica más altos del orbe con valores de 5.8% a 6% anual. Políticas ambientales cada ve;: más estrictas en todo el planeta exigen pronta solución a los problemas de contaminación y demandan niveles de emisiones cada vez más bajos. La Inestabilidad de los precios del petróleo están forzando a países como México a estimular una economía menos dependiente de este energético buscando soluciones tales como la exhibida en este escrito. En México se creó la Sociedad Mexicana del Hidrógeno (SMH) el 7 Junio de 1999, en la ciudad de Toluca, en el Estado de México. La SMH es una asociación civil no lucrativa cuya finalidad es promover la investigación, el desarrollo, la formación de recursos humanos, así como el establecimiento de normas de seguridad para el uso del hidrógeno como fuente de energía limpia. (Sociedad Mexicana del Hidrógenos A. C., 2010). Actualmente se cuenta con una gran variedad de vehículos prototipo en todas las grandes empresas automotrices. Esto refleja el gran crecimiento que ha tenido, en lo.s últimos años, y que tendrá esta tecnología. Además se está pasando de una etapa de prototipaje, a L1na etapa de programas de prueba para determinar las posibilidades reales de esta tecnología además del perfeccionamiento de la misma para la industria del transporte.. 9.

(8) El mercado de la Unión Europea de vehículos con celdas de combustible de hidrógeno marca la misma tendencia y tiempos que el mercado de los Estados Unidos; mientras que el desarrollo en Japón avanza con pasos más grandes. Honda cuenta ya con un vehículo con celdas de combustible de producción en serie (Honda FCX Clarity 2008-2009), aunque de producción limitada, 11uestra los avances de este país. Japón espera tener para el 2010 circulando 50 000 vehículos con celdas de combustible y 5 millones para el 2020. En la actualidad la mayoría de las empresas automotrices han optado por el uso de celdas de combustible tipo PEM y se espera que se continúe con esta elección. Ballard Power Systems es la empresa que domina este mercado aún cuando existen ciertas armildoras que desarrollan su propia tecnología. Aunque cada empresa ha marcado de manera diferente los tiempos y las tecnologías por desarrollar, es una tendencia general el invertir; para que en el corto plazo, se mejoren los motores de combustión interna para aumentar su eficiencia y reducir emisiones. Para el mediano plazo hacer uso de combustibles alternos y de vehículos híbridos. Y finalmente en el largo plazo hacer uso de fuentes alternas de energía como son las celdas de combustible. En la figura l se muestra el plan de trabajo de Ford Motor Company en el corto, mediano y largo plazo, aunque es un plan de trabajo propio, sigue la tendencia de todas las demás empresas automotrices.. NEARTERM. MIDTERM. LONGTERM. Be~in migratian to adVanced tochnology. Ful ~lementotion ol lolown technclogy. Continuo deployin9 adVanced powertreins and aternattve tuell 11n.d energy sources. HyÍ,JldEteclrlc V ~ CHfV&) B.ttery Electric Vellicles (BEVs) Plug-in HybridElet:tricVehiclee (PliEV&). Renewable/Btolueted V Hydrcgen lnten)al C<>nmusllon En!lines. (H21CE.s) Hydrogen Fuel Cel Vehicles (FCVs). Figura 1. Plan de Ford Motor Company para el desarrollo e Implementación de nuevas tecnologías. (23). Los vehículos de celdas de combustible, como los eléctricos no producen emisiones tóxicas o contaminantes lo cual es una ventaja, aún cuando la membrana de Nafion• es contaminante. Sin embargo los vehículos eléctricos en base a baterías por lo general deben ser recargados por fuentes externas a ellos, lo que los vuelve un poco menos eficientes, en cambio los vehículos con celdas portan su propio combustible para crear su potencia eléctrica mediante reacciones químicas en base al hidrógeno por ejemplo. Estos últimos son la fuente principal para obtener potencia motriz aunque también se podrían manejar los híbridos con baterías de alto voltaje buscando mejorar el rendimiento y optimizar costos y darle más autonomía al sistema. Ford Motor Co., una de las principales armadoras automotrices continúa con el desarrollo de las celdas de combustible en base a hidrógeno con su modelo Focus FCV y su fleta de prueba. Este modelo trabaja con tecnología de celdas de combustible a la cual ellos bautizaron como HyWayl, siendo uno de los pioneros en crear un concepto híbrido con celdas de combustible y un sistema de baterías. Ahora hay una flota de 30 pruebas circulando por las ciudades de Estados unidos y Europa. En 2005 se realzo una 10.

(9) pre-serie de vehículos impulsados con celdas de combustible en Orlando, Sacramento, Michigan y Vancouver y en 2006 en Berlín, Aachen, Alemania y por ultimo en 2008 en Islandia. Claro está que antes de realizar las pruebas de estos autos a las calles, se le realizaron pr 1Jebas de laboratorio exhaustivas para asegurarse no solo de que funcionara sino que no fuera a tener algún problema al menos en un promedio de 3 años y 36,000 millas lo cual es importante, pero aún mas importante son los resultados y la información que se está obteniendo del comportamiento del auto en la calle, sobre todo del comportamiento y rendimiento de la celda, sus rangos y cómo influye las condiciones climáticas por ejemplo. Se calcula que entre toda la flotilla se ha recorrido un millón de millas en condiciones verdaderas de uso cotidiano, lo cual es muy importantísimo para Ford pues toda esta información recabada se utiliza en su centro de Investigación con celdas, lo cucil los llevo a hacerle mejoras y desarrollar ahora la tecnología que ellos llaman HyWay 2/3, la cual mejora un punto importante al manejar un sistema de arranque aún a bajas temperaturas mediante la misma celda. Con todos estos avances y el desarrollo que Ford ha conseguido con la tecnología en base a hidrógeno durante estos últimos 10 años, queda mucho con que trabajar y retos que superar antes de que los vehículos de celdas de combustibles puedan salir al mercado, por E!jemplo los costos, la vida útil o duración de los sistemas es por esto que aún con todas las mejoras en el estado del arte de las celdas de combustible, estos problemas aún tienen demasiado peso. Por ejemplo una gran parte del alto costo de las celdas radica en el stack de las mismas, es por esto que Ford se está enfocando en la investigación de cómo lograr reducir estos costos de manera significativa para que de esta forma la tecnología sea más redituable por ejemplo evitando el uso de los materiales preciosos en los catalizadores, por otra parte las bombas de recirculación y los compresores también absorben una gran parte del costo del vehículo el cual no afectan tanto en cuanto a la tecnología pero aún así si se refleja en el precio, es por esto que se está buscando simplificar las celdas lo mayor posible manteniendo su rendimiento y disminuyendo costos, logrando de esta manera un gran paso hacia la comercialización de la tecnología. También se está buscando mejorar la durabilidad y lo robusto de las celdas, mediante el uso de materiales más comunes, de aquí que la investigación se desvíe un poco de la implementación directamente en el área automotriz, enfocándose primero en investigación de posibles materiales a utilizar y utilizando simulaciones y análisis por ejemplo con dinámica molecular, para poder avanzar y mejorar las celdas en sí, su vida útil y rendimiento, disminuyendo su costo para posteriormente reenfocarse en la Implementación en los vehículos. Otro punto crítico a considerar es el almacenamiento del hidrógeno, ya que es todo un reto y es uno de los principales problemas a resolver sobre el uso de esta tecnología, ya que Ford reconoce que el almacenaje que ellos están utilizando de hidrógeno comprimido, funciona bien en los prototipos y pruebas pero no necesariamente lo hará para lo que ellos pretenden en el auto comercializable. Es por esto que parte de su investigación se enfocará fuertemente a este rubro tratando de conseguir la mejor solución. La producción y distribución es algo que no se puede dejar a un lado, ya que para que se pueda implementar esta tecnología y que sustituya a lo que conocemos hoy en día al menos deben de ofrecer la misma autonomía, mediante nueva infraestructura tanto para la producción como para la distribución del hidrógeno. Viendo tantos problemas o complicaciones enfrente de esta tecnología Ford se da cuenta que trabajando solo no llegara a ningún lado y es por esto que se crean alianzas o colaboraciones para la investigación y solución de los problemas con otras armadoras y con centros de investigación. Desafortunadamente ya no se cuenta con todo el apoyo del gobierno de los Estados unidos como se. 11.

(10) qu1s1era, pero las investigaciones continuaran esperando que en un futuro no muy lejano esta tecnología esté al alcance de todos.. La Investigación y desarrollo de nuevas tecnologías enfocadas a energías alternas, no es algo nuevo, sino que ha ido creciendo y como un país importante en América es importante que nosotros también incrementemos nuestro desarrollo en esta área, siendo una de las razc,nes por las que nuestro proyecto se enfoca en el estudio y desarrollo de celdas de combustible en base a hidrógeno y dirigido al área automotriz. En nuestro país no es tan fácil encontrar empresas o proveedores que ya tengan un producto terminado; como un celda de hidrógeno o algún desarrollo de celdas de combustible, es por eso que cuando se quiere trabajar con esto, o se diseñan y desarrollan las celdas como en el caso de ciertas instituciones como el Instituto Politécnico Nacional(IPN}, no se tiene el apoyo o la tecnología disponible a quienes se les pueda recurrir, o por el contrario contratar proveedores o empresas extranjeras, como el caso del proyecto que quiere realizar el gobierno de Durango el cual está en tratos con la empresa AJUSA, la cual es una empresa espai'lola de giro de Desarrollo Industrial que dentro de varias cosas se dedica a producir y comercializar pilas de combustible (PEM), y con ,~llos se piensa crear un proyecto ambientalista y moderno dentro de este estado aunque aún no se define cual ni dentro de cuánto tiempo. En el 2005 con la intención de hacer más formal el estudio, desarrollo e investigación de la tecnología de hidrógeno, se creó la Red Nacional del Hidrógeno () el cual está conformado por las principales organizaciones, institutos académicos especializados, empresas, organismos gubernamentales y representantes del sector privado, con la intención de impulsar al hidrógeno como un sector importante para un futuro desarrollo del país y sobretodo en la economía con un enfoque sustentable. El CINVESTAV, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN, cuenta con varias áreas de trabajo y dentro de una de ellas es sobre un tema de nuestra investigación que son las celdas de hidrógeno. Esta área es una fuente importante de referencia y dE! posible colaboración para este proyecto ya que no hay muchas empresas o institutos mexicanos; ya sea que investiguen o desarrollen este tipo de tecnología, por lo que sería bueno intentar colaborar con ellos para el desarrollo de este proyecto. Existe además como antecedente un proyecto de celdas de combustible desarrollado por el TEC CCM del 2001 al 2003 con la colaboración del Departamento de Química del CINVESTAV (México, D.F.) y el IIE de Cuernavaca, Morelos. El proyectó fue encabezado por el Dr. Roberto Dante, el Dr. José Luis del TEC CCM y el Dr. Ornar Solorza del CINVESTAV y el Dr. Ulises Cano del IIE. Uno de sus proyectos que se están trabajando es el desarrollo de fuentes de energía limpias y renovables como lo puede ser el hidrógeno y darles una aplicación de uso enfocado a las computadoras portátiles y en un futuro no muy lejano en bicicletas eléctricas, mediante la utilización de celdas de hidrógeno, con las cuales durante este proyecto nosotros también desarrollarlas o crear un sistema que mejore el desempei'lo de las mismas, aprendiendo su funcionamiento básico, para después poderles dar una aplicación más especifica enfocada a la industria automotriz. Y pc,r qué no trabajar en conjunto con la asociación de electratón, buscando una relación mutualista dando un mejor desarrollo de este proyecto y del suyo, mediante un sistema de respaldo o recarga de energía mediante una celda.. La Tierra es un planeta con tantas características que la hacen de este, un planeta muy complejo. Se encuentra rodeada por una delgada capa de aire que se mantiene en su lugar gracias a la gravedad. Esta. 12.

(11) capa consiste principalmente de nitrógeno 78% y de oxigeno 21%. Estos componentes son "transparentes" a la radiación solar entrante y a la radiación emitida por la tierra. En la atmosfera también está formado por otros elementos como sor, el vapor de agua y el dióxido de carbono. Estos son "transparentes" a la radiación solar pero absorben la radiación infrarroja emitida por la tierra.. l. tt. De estos, el más abundante es el vapor de agua aunque este no está distribuido de igual manera a lo largo de toda la atmósfera, puede tener concentraciones de 0.01% hasta un 3%. El dióxido de carbono C02 es el que I,~ sigue en abundancia y posee un tiempo de estancamiento en la atmosfera muy elevado además de que se distribuye de manera equitativa a lo largo del planeta.. ;' SOLAR LONG I' • WAVC. .. 1. Existen también otros gases como el metano, el ozono y óxidos nitrosos. ¡. presentes en la atmósfera. La radiación infrarroja absorbida por estos gases y reflejada en todas. .. 1,...... IIINI. direcciones, algunas de ellas regresc1n a la superficie logrando así la. ....... temperatura ideal del planeta. En concentraciones normales estos. ¡,..,1ayllftd. Figura 2. Comparación entre una atmosfera en presencia y ausencia de 1ases de efecto Invernadero. [16). Mercurio. 58. Venus. 108. Tierra. 150. gases son los que brindan las condiciones ideales para sustentar la vida en el planeta.. >90% C02 + densa >90% C02- delgada. 167"(. 167°C. OºC. -46º(. 464º(. 510º(. -18' C. 15º(. 33º(. Tabla 1, Efecto de los gases de Invernaderos con la temperatL1ra de un planeta.. Existen además varios componentes que determinan el clima de nuestro planeta. La atmosfera, la litosfera, la hidrosfera, la biosfera y la crlósfera. cada una de ellas realiza procesos que afectan el dima de manera global. Se requirió de mucho tiempo para lograr el equilibrio y cualquier variación en alguna de las partes que lo balancean altera al conjunto.. Figura 3, Procesos que se realizan en nuestro planeta y la manera en que controlan el cllma. [16). 13.

(12) Diversos ciclos que vistos de manera independiente también determinan el clima y las condiciones de una cierta región.. 8.1. ~lCICLO D~1tA ENER(?{At. El balance de la radiación ocurre tanto en la atmosfera y en la superficie de la tierra. Solamente una pequei'la fracción de la energía solar que llega a la tierra es absorbida por elementos como las nubes y los gases atmosféricos mientras que otra parte es reflejada. Aproximadamente la mitad de la radiación solar que llega a la tierra es absorbida por la superficie terrestre y re-irradiada y transferida a la atmosfera como calor latente por convección. Partículas de los gases de efecto invernadero absorben esta energía y la emiten en todas direcciones logrando así mantener la temperatura ideal en el planeta .. . Figura 4. Clclo de la energía en forma de radiación solar. (16). 8.2. CICLO DEL AGUA. El ciclo del agua comienza con la evaporación del agua de los océanos y de los continentes. El agua es trasportada a lo largo de la atmosfera y la condensación forma nubes que después se precipitan en forma de lluvia o nieve para alimentar ríos, lagos y océanos. El ciclo del agua es el mecanismo central que regula el clima. Es vital el trasporte de la brisa de los océanos (que cubren 2/3 partes del planeta) hacia los continentes y mantener el ciclo funcionando. El vapor de agua es el principal elemento que se considera de efecto invernadero para lograr mantener la temperatura del planeta. El ciclo del agua y el ciclo de energía están íntimamente relacionados.. Figura S. Clclo del agua. (16). 8.3. CICLO DELCARBONO. El carbono es el segundo elemento que contribuye en el estado del clima debido a sus propiedades de gas de efecto invernadero. Aunque es un ciclo sumamente complejo, lo más importante de este ciclo es la relación que existe entre la atmosfera, biósfera e hidrósfera en el intercambio de este elemento.. 14.

(13) -e· 1. Figura 6. Clclo de carbono. (16). Entonces los gases de efecto invernadero son necesarios para brindar las condiciones necesarias para que se lleven a cabo los ciclos que brindan las condiciones necesariai; para que exista vida en nuestro planeta. El exceso de los mismos provoca un desorden de los ciclos que, se efectúan de manera periódica en la Tierra y a este desorden y sus consecuencias es lo que llamamos Cambio Climático.. El cambio climático es un fenómeno que se presenta por el aumento de la temperatura global promedio; la cual está totalmente vinculada con el aumento de los gases de efecto Invernadero en la atmósfera terrestre, esto debido a las actividades humanas como la quema de combustibles fósiles (carbón, petróleo), la deforestación, la producción de energía, la producción de los alimentos que consumimos, entre otras. El simple hecho del aumento de la temperatura trae consecuencias catastróficas para el planeta, un vivo ejemplo es el aumento de la intensidad de los fenómenos del clima en el mundo. El cambio más importante en el clima que los científicos han registrado y asociado al incremento de C02 en la atmósfera es el ascenso de la temperatura, tanto de la superficie, terrestre como de la marina. Por ejemplo, si consideramos el promedio de temperatura del periodo 1951-1980 se observa que la temperatura global en los últimos diez años fue en promedio 0.46ºC superior. También se logra ver como el ascenso de la temperatura se acompaña por el aumento en la cantidad de C02 en la atmósfera.. La concentroci6n d~ CO, y la te111pcrmro d&I planeta han aum&ntado.. .... ..... •si•. ....,.... Figura 7, Tendencia de elevación de temperatura debido al Incremento de la concentración de gases. (16). El hecho que la temperatura global vaya en aumento va preocupando a la sociedad ya que esto causará el deshielo de los polos y aumentará el nivel del mar promedio inundando zonas costeras y/o haciendo que ciertas islas desaparezcan debido a la inundación. [16]. 9.1 15.

(14) En México se han realizado muchos estudios acerca de la vulnerabilidad ante el cambio climático, y según cifras de la UNAM y del Instituto de Ecología, el 96.9% del territorio nacional es muy susceptible en un grado moderado y alto a la desertificación y disminución de lluviélS como consecuencia del cambio climático. (INE 2008). Figura 8, Vulnerab11ldad de Mlixlco. [ZZ). La vulnerabilidad en México es muy alta, ya que es un país en vías de desarrollo y por lo tanto su tecnología para la producción de energía no es la más adecuada ni eficiente, sobreexplota sus recursos y no hay conciencia en la población del impacto ambiental que esto conlleva. Un vivo ejemplo son los huracanes. Emily en Yucatán, Katrina en el sLJreste de E.U., Stan y Wilma en el sureste de México. Incremento del nUmero de hurou:anc!il en el mundo. ....,4. ann,. 1.99o-a4. a,1,..... 1.99014. ~95-,9. o. , 000-0 4. ll"er5odo. Figura 9. Incremento del número de huracanes en el mundo. (16). Existen cifras que nos dicen que en los últimos años hay más huracanes y cada vez más intensos todo esto afecta a los ecosistemas naturales. Según el Inventario Nacional de Emisiones de Gases de Efecto Invernadero, se emitieron poco más de 553 millones de toneladas de GEi en el año 2002; las emisiones han incrementado, en 2002 fue 30% mayor que la estimada para 1990 según el inventario nacional, antes mencionado. La agricultura y la pesca excesiva, en México, ha traído muchos efecto:; negativos. En 1998 hubo grandes sequías debido a que disminuyeron las lluvias, se perdieron miles de c:>sechas. Debido a las pocas lluvias hubo muchos incendios, cerca de 400mil hectáreas, la mayoría ecosistemas naturales. En la pesca se redujo gran parte de la producción de abulón, camarón, langosta. Debido al deshielo de los casquetes polares, el nivel del mar ha aumentado y si continúa así, debido al calentamiento global, gran parte de las costas del territorio mexicano desaparecerán.. 16.

(15) Figura 10, Reducción del hielo en el casquete polar Árt.lco. (16]. Durante el siglo XX la altura del nivel del mar se elevó a una velocidé1d media de 1 a 2 milímetros por ai'lo, lo que equivale a una elevación total de 10 a 20 centímetros en el siglo.. Si ocurri.ar• un au.fl'teruo del _ .,. .,/-/- niv•I del mar 6e- .1. º"'.r o, [ ~ laa .ift.u •n rojo podrian inund:an.• .. -; #". \. ,.. Figura 11, Desaparición de costas de México con el Incremento en hs niveles del mar. (16]. En México la explotación del agua se está siendo de una manera alarmante, ya que se utiliza más volumen de lo que hay disponible. Para abastecer ciertas zonas, como la cuenca del valle de México de la cual se tiene que obtener agua de otros lugares más lejanos ya que el agua que está disponible para dicha zona no es suficiente. Este cambio climático conlleva más consecuencias sobre la biodiversidad, puesto que muchas especies desaparecerán ya que no podrán adaptarse a los cambios tan drástlcc,s del planeta, algunas especies de plantas, sólo se pueden desarrollar en cierto rango de temperatura, y el hecho de que se descompense esto por el calentamiento global, van a tender a la extinción. El que cada año se presenten huracanes más intensos y en mayor número y que los glaciares se estén derritiendo, puede estar relacionado con el cambio climático y en particular con el calentamiento de los océanos. También se ha sugerido la posibilidad de impactos sobre diversas especies de animales y plantas, con la posible reducción o pérdida de poblaciones y ecosistemas. Con relación a las lluvias en México, en las últimas décadas se aprecia una tendencia a una mayor precipitación, principalmente en los estados del norte, mientras que en los estados en los que las lluvias dependen de lo que ocurre en el Pacífico, por ejemplo Jalisco y Oaxaca, la tendencia parece ser en el sentido opuesto.. 17.

(16)

(17) Rl~'IPs ,,:'*I;' 17" ,y-,,« ;. .,.~. : :" t °'". 'i. '="uso:del 'Agua·en~litros' 1MegaWatt::t\. 1. Caso Consumo Bajo. Caso Consumo Regular. Energía Nuclear. 1514.16. 1514.16-2725 .5. Carbón. 1135 378.54. Gas Natural. •. Caso de Consumo Alto. 2725.5 1816.99 681. 5413.13 4012.53. Plantas Hidroeléctrica Energía Solar. 6813.74. Geoté r mica. 15141.648 1816.99. Biomasa Celdas Fotovoltaicas Energía Eólica. 113.56 3.78. 1.89. 8.32. Tabla 2. Consumo del agua para la generación de energía eléctrlca. (18]. 10.1. GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN MÉXICO. En México la generación de energía eléctrica necesaria para cubrir las demandas de la población así como de otros sectores como son la industria, agricultura, comercios v servicios se realiza en diferentes tipos de centrales y con diferentes tecnologías. Cada una de las tecnologías tiene una capacidad efectiva para poder suministrar la energía eléctrica en México.. .... .. ~. .. . .. ... ..... 1. Termoeléctrica Hidroeléctrica Carboeléctrica Geotermoeléctrica Eoloeléctrica Nucleoeléctrica Termoeléctrica {Productores independientes) Total. "efectiva eri Mega 22 404 .69 11 054.90 2600.00 964 .50 85.48 1 364.88 11456.90 49 931.34. WTtisl. Tabla 3. Datos al mes de Septiembre de 2008. [ 19]. La tabla muestra el incremento en la demanda en los últimos años, cifras alarmantes muestran un Incremento del 10.23% en la capacidad de generación de energía eléctrica por la CFE debido a la demanda del año 2000 al año 2008 y un incremento del 2367.14% en la capacidad de Productores Independientes debido a la demanda actual. Esta cifra significa que los Productores Independientes han incrementado la generación de energía eléctrica en un 4680% en los últimos 8 años.. Generación. [TWh]. 37,325. 37,470. 38,397. 38,474. PIE' s. 484. 1,455. 3,495. 6,756. 7,265. 8, 251. 10,387. 11,457. 11,457. Total. 34,389. 35,385. 37,691. 40,350. 43,727. 45,687. 45,576. 47,857. 49,854. 49,931. CFE. 179 .07. 188 .79. 190 .88. 177.05. 169.32. 159.53. 170 .07. 162.47. 157 .51. 121.64. 1.2. 4 .04. 21 .83. 31.62. 4S .85. 45 .56. 59.43. 70.98. 56 .16. 179 .07. 190. 194.92. 198 .88. 200 .94. 205.39. 215 .63. 221.9. 228 .49. 177 .8. [MW]. PIE' s Total. 36,855. 38,422. 34,901. CFE. 36,236. 36,971. 34,389. Capacidad. Tabla 4. Datos al mes de Septiembre de 2008. IJ9). 19.

(18) La Figura 13 muestra los porcentajes de capacidad efectiva. En la gráfica se puede observar que más del 67% de la energía eléctrica se produce por plantas termoeléctricas o plantas hidroeléctricas y energías renovables como la Eólica solo son el .171% de la producción total. •Ca¡,acidaú eíectm instalada de gcuco,ción Produdoror indqimdlentea (21 oen11111cs). 22.!IS%. i. Nucl-16c1rica 2.73%. 1. +. ¡. Boloel6clrica 0.171% --. HidnleWcoica 22.14%. J * Caner•ción por fuente Figura 13. Porcentajes de capacidad efectiva en generación de er,ergía eléctrica. (19). Si tan sólo se detuviera la producción de energía termoeléctrica por parte de la CFE por un año se tendrían ahorros equivalentes a: • •. Las emisiones producidas por un vehículo manejado 3.2 BIiiones de kilómetros; o retirar de circulación a 166 666 vehículos de circulación por un año; o plantar 77 millones de árboles en un año. 10.2. DEPENDENCIA DEL PETRÓLEO. Se estima que la producción de fuentes de energía a partir de petrólec, así como de productos derivados de ella como la gasolina, vea un decremento en los próximos años volviendo vulnerables todos los sistemas que requieren de él para su funcionamiento.. El principio básico de un celda de combustible es operar y dar alimentación a un sistema tal y como funciona una batería. La generación de esta energía sucede por la combinación de hidrógeno y oxígeno electroqufmicamente sin ninguna combustión. A diferencia de una batería la celda de combustible no se agota ni requiere recargarla. Esta proveerá energía en forma de electricidad y calor mientras se le provea combustible obteniendo una ventaja a comparación de la batería u otros medios para generar energía, esta ventaja es el único subproducto que se genera o sea 100% agua pura. En la práctica la corrosión y la degradación de materiales y componentes de la celda pueden limitar su vida útil. Para generar cantidades utilizables de corriente estas celdas son colocadas en una pila o. stock de varias. capas.. 11.1. TIPOS DE CELDAS DFCOMBUSTIBLE Y SUS PRINCIPALES DIFERENCIAS. La diferencia de las celdas de combustible radica en los diferentes ele:trolitos que usan y también en las temperaturas de operación. Normalmente las celdas de altas temperaturas operan a más de 200ºC mientras que las de baja temperatura sólo llegan hasta los 200ºC. Cuando se llega a temperaturas 20.

(19) elevadas, los materiales son empleados de diferentes maneras tal como el uso de electrolitos no acuosos. Las celdas de alta temperatura llegan a generar potencias mayores a lMW, mientras que las de baja temperatura se diseñan para potencias menores a las de lMW. Las celdas de altas temperaturas logran esta eficiencia gracias a que las reacciones de oxidación y de reducción no requieren de materiales electrocatallzadores, ya que ocurren con mayor facilidad. Los electrocatalizadores son necesarios cuando las reacciones ocurren a baja temperatura y generalmente son materiales costosos basados en metales nobles como el platino. Un ejemplo de las celdas de altas temperaturas es el vapor generado y las altas energías y por ende favorece la cogeneración mediante el empleo de turbinas de. gas, ciclos convencionales de vapor o ambos, incrementando así su eficiencia (ver figura 14).. Fuel Cells. t,nr Ttm,w.r1f1t1N'. 'º toro•c. • HiO, or Air rEMFC • CH,OHK>r or A ir DMFC. lmormodlo" 'f•m~n111rt 120"' 100 e • H,'O, « AirPAFC , H.,'O, or Air PEMFC. • H,10, Allialile. lli&~ Tfmpon11... 650 to IOOO '<:. • H, and C0/0, or Air, CHJO,. ar Air. MCFC: (Direc:I md lndirclJ • H, an,I C0/0, or Air, CIVO, or Air SOFC (l)irec:t and lndinoct) • H~rid systema- MCFC w/SOFC/Ga1 Turbiuea:. Figura 14. Claslflcaclón de las celdas de combustible de acuerdo a su temperatura de operación. (Z). Ya explicada la diferencia más relevante de ellas ahora explicaremos la composición de los diferentes tipos y sus propiedades que existen.. l11.1.1 CELDAS DE ÁCIDO FOSFÓRICO (PAFC) Esta celda es la más desarrollada comercialmente, con aplicaciones tan diversas como clínicas, hospitales, escuelas, plantas eléctrlcas y algunos aplicaciones en vehículos pesados como autobuses. Estas celdas generan electricidad utilizando gas natural con eficiencias del 40% y si el vapor que produce se emplea en cogeneración llegan a un 85% aproximadamente. El uso de un electrolito corrosivo como el ácido fosfórico y potencialmente peligroso de manejar tiende a restar la preferencia sobre este tipo de celda.. l11.1.2. CELDAS DE CARBONATO FUNDIDO (MCFC). Estas celdas utilizan sales fundidas como electrolitos con altas eficiencias combustible-electricidad, así como consumir combustibles base carbón,. incluyendo CO y blocombustibles.. No necesita. electrocatalizadores de metales nobles y el orden de temperaturas va de los 6SOºC. Su desventaja principal es la corrosividad de las sales fundidas y la necesidad de reposición de C0 2 en el cátodo para la recuperación y formación de iones carbonato.. 111.1.3 CELDAS DE ÓXIDO SÓLIDO (SOFC) Este tipo de celda no utiliza electrolitos corrosivos sino electrolitos en estados sólidos, normalmente utiliza material cerámico (zirconia estabilizada de ytrio) en lugar de un electrolito líquido, permitiendo. 21.

(20) una temperatura de lOOOºC y con eficiencias del 60% sin cogeneración. Unas ventajas adicionales son que no requieren de C0 2 en el cátodo y que tienen una gran rapid,~z en la cinética de reacción. Su eficiencia es del 80% cuando el calor producido es empleado en cogeneración.. 11.1.4 CELDAS. DE. POLÍMERO. SÓLIDO. O. MEMBRANA. DE. INTERCAMBIO. DE. PROTONES (PEM) Como su nombre indica esta celda usa como electrolito una membrana polimérica conductora de portones. Esta membrana se encuentra entre dos electrodos porosos Impregnados en el lado de la membrana como un electrocatalizador (usualmente Pt) y un material hidrofóbico. Un material hidrofóbico es aquel hecho de tejido de carbón o de papel de carbón poroso, que es tratado con politetrafluoroetileno (PTFE). La función de estos componentes es la de permitir un acceso directo y uniforme de los gases reactantes de la región del catalizador sin que estos se tengan que difundir a través de capas de agua líquida. El lado hldrofóblco impide el paso de agua líquida desde la membrana hacia el exterior del electrodo, lo cual podría. provocar un taponamiento de los accesos del gas. entrante. Su temperatura de operación es baja (aproximadamente BO"C), con una potencia de densidad alta que puede variar su salida rápidamente para un cambio en la demanda de potencia. Hay efectos mínimos de corrosión ya que el líquido manejado por la celda es agua, la humedad en la membrana es vital para que esta pueda conducir iónicamente las cargas positivas provenientes del ánodo. El voltaje de salida y la densidad de corriente en la celda PEM, son datos muy variados ya que estos dependen de la presión en la celda, temperatura, calidad de los gases, entre otras más. El éxito de la celda se debe a los avances en materiales con propiedades fisicoquímicas más favorables para este sistema tales como electrocatalizadores más eficientes y menos costosos, diseños de electrodos porosos para bajar la carga del electrocatalizador, entre otros. En su aplicación las celdas PEM son candidatos para vehículos de transporte ligeros y casi todo medio de transporte. Otra aplicación importante es en la generación distribuida y muestra de ello es que Ballard (industria líder en la creación de celdas PEM) ha lanzado el plan de comercialización de su celda PEM de 250kW [Barrlgh, T.J., 1999], otras apllcaciones potenciales aparte de la automotriz son: la sustitución de baterías recarga bles en videocámaras, telefonía inalámbrica y aplicaciones residenciales.. l 11.1.s CELDAS ALCALINAS Estas celdas usan hidróxido de potasio como electrolito, no reqL1iere de materiales nobles como catalizadores. Un factor adverso de estas celdas es el efecto nocivo que el C0 2 produce al reaccionar con el hidróxido presente, lo que hace la necesidad de un combustible altamente puro o sistemas de limpieza caros capaces de reducir las concentraciones del gas carbónic:o en el flujo del combustible.. 111.l.6 CELDAS DE COMBUSTIBLE DE METANOL DIRECTO (DMFC) Estas celdas son caracterizadas por utilizar metanol como combustible sin la necesidad de la reformación del mismo. Estas celdas aparecen como una alternativa atractiva a las baterías recarga bles en la generación de energía y trabajan igual que una celda PEM con diferencia en su temperatura de trabajo, la cual llega a 600ºC. A continuación mostramos un diagrama resumido de los tipos de celdas que existen (ver figura 15).. 22.

(21) Tipo, de celdas de combustible y caraclcrísticas prindp:tlc$.. Típo de celda. Electrólito. Aplicació11 i11111edinta. PEM. M,,rnhrana de in1ercamblo. <,encrJción distribuid,~ lmnsporlc y aplic. móviles. proí.Snico. Gcnt'r:tciún dislribuida, cogencraci6n y lr:msporte. PAFC. Acido fosfórico. Mere. SOl'C. Ollf'./ 11ns1a o.is. Disponible E.fichmcia Temp. de comercialmente conv. eléctrico operac/611/ (.-ogc11erac/611) eloattoca1<1//::ador 1997 (.¡ kW) 1002 (transp.) 2001 (250 kW). 80C/P1. 40% (80%). lOOC/Pl. 45% (70%). 650UNi. 1996 (200 kW) O.l · JO. 1992 (lt.UlSp.). Carbona10 Ccneración fundido (s:d <lblril>uida, íundida .. inmó,'il'") co¿,,encración, poten. ce111111l. 0.25- 100 (y mayor). Óxido s61ido (cer:'unico). 20()() 1 • .IO 50 (y m:tyor). G. <llstrib. poten. cenlt,tl. >•i0% (> 70%). 1997. 2000 > 50%. l(){)(l{¡. (> 80%). perol'll(¡uilas. Fl¡ura 15. Especificaciones de diferentes celdas de combustible. (2). 12:' . PROBLEMÁTICA DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBL •. '1. Aunque las celdas de combustible parecen ser la solución para el futuro, en la actualidad presentan diferentes obstáculos que impiden que la transición entre tecnologías se logre de manera sencilla.. 12.1. TECNOLOGÍA. Las celdas de combustible son todavía una tecnología en desarrollo, se necesita mejorar el desempeño así como su confiabilidad y durabilidad. No solo se deben de lograr estos requisitos, se debe demostrar que esto es una realidad y que las celdas de combustible pueden sustituir a las tecnologías convencionales. Se debe de invertir para la investigación en materiales avanzados, uso de catalizadores y en el diseño e integración de nuevos sistemas. Una parte fundamental en la cual también existe una gran área de oportunidad es en la manufactura, reciclaje y disei'lo sustentable de la!; celdas de combustible.. 12.. 2 .. "Rmücc:1óÑ '.,:Í:>,E cbsrós . :". .... '. " '. '· :~·. '. ' .·.. ·:\.. · .. ·. . ;. -.. Quizás uno de los más grandes problemas de las celdas de combustible es el precio, y es que el precio por kilowatt se encuentra muy por encima del precio que un cliente potencial está dispuesto a pagar.. .y~~-. Aunque sabemos que ofrece diversos beneficios es todavía una alternativa que no puede ser considerada por aspectos financieros.. ~;ir; ,. 1. :. Motores de Combustióñ lntern Motor en un vehículo familiar US$50/KW. vt·'!.:. "!". (gasolina). US$80-100/KW. Motor diesel en un tractor. AFC PAFC PEMFC MCFC. Tamaño (KW). Costo. Eficiencia. 1-100 200-1000 1-750 250-3000. (US$/kW) S00-1250 2500-3000 1000-1500 1250-1715. 40-60 40-50 35.45 50-60 23.

(22) SOFC SOFC/MC FC-GT. 1-300. 800-1500. 45-55. 300-30 000. 660-1600. 60-70. Tabla 5, Tabla comparativa de costos por KW generado para diferentes tecnologías. [21). 12.3. INFRAESTRUCTURA PARA LA DISTRIBUCIÓN DE HI )RÓGENO. Aquí se presenta también un gran conflicto con las tecnologías existentes, ya que es necesario realizar dos cambios que nos son fáciles de llevar a cabo; por un lado no se puede comenzar la distribución de celdas de combustible (de hidrógeno) si no se cuenta con el suministro de este elemento para poder hacerlas funcionar, se vuelven una inversión obsoleta. Por otro lado, no puedes comenzar con estaciones distribuidoras de hidrógeno si no cuentas con una tecnología que lo requiera, entonces se requieren ambas tecnologías para poder ser un producto utilizable. El hidrógeno se podría distribuir para el uso en los vehículos por medio de tanques con hidrógeno líquido, así que se necesitaría entonces de medios de almacenamiento capaces de brindar la posibilidad de transporte mientras se asegura la seguridad. La otra manera sería por medio del uso celdas de combustible para la distribución de energía, de esta forma se requeriría únicamente de vehículos eléctricos que para su carga se conectaran a las líneas de distribució1. El beneficio de esta tecnología permite una reducción en el peso total del vehículo, la desventaja de esta alternativa es la poca autonomía con la que se contaría. 12 .4. FINANCIAMIENTO. Aunque se han invertido ya grandes cantidades de dinero en investigación y desarrollo, los resultados no son concluyentes. Se requiere de mayor inversión para poder dar grandes avances. 12.5. ACEPTACIÓN POR PARTE DEL PÚBLICO. Desgraciadamente, el uso de hidrógeno trae a la mente acontecimientos como la caída del Hindenburg en 1937. Aún cuando las investigaciones demuestran que no fue el hidrógeno el causante de dicho evento, es una idea que permanecerá de esa manera. En investigaciones realizadas por Ford Motor Company para el Departamento de Energía de los Estado Unidos a tecnologías para el almacenamiento de hidrógeno en un vehículo de celdas de combustible, se demuestra que esta tecnología es aún más segura que la usada actualmente en vehículos a gasolina. Esto necesitaría. de divulgación y de una campaña de concientización en su debido momento. En. conjunto con divulgaciones de este tipo, sería necesario dar a conocer al público de las ventajas de usar este tipo de energías alternas. 12 .6. DESARROLLO DE ESTÁNDARES. Se requiere de la creación de códigos y estándares para celdas de combustible. Estas, entre otras cosas, permitirán simplificar el proceso de certificación para un mercado global, así como para proteger a los consumidores de productos inseguros y además facilitar los desarrollos en la infraestructura. Actualmente, The lnternationai Electrotechnical Commission (IEC) se encuentra trabajando en una serie de normas y regulaciones por medio de un comité internacional ''IEC/TC 105". De manera regional también hay organismos trabajando en estándares y códigos apropiados. Entre los más destacables se encuentra el TC 197 de ISO en tecnologías de hidrógeno.. 24.

(23) Se requiere de acciones por parte del gobierno que impulsen tanto el mercado como la investigación y el desarrollo, por medio de incentivos a industrias, comercios y consumidores se podrían tener grandes avances. Si se desea que las celdas de combustible se vuelvan un mercado con grandes volúmenes de venta, se deben desarrollar programas educativos que permitan capacitar profesionistas y técnicos con los conocimientos necesarios para la manufactura, instalación y reparación de esta tecnología.. A diferencia de las máquinas de combustión cuya eficiencia está regida por el ciclo de Carnot y limitada por la temperatura, la eficiencia teórica de las celdas de combustible está dada por las leyes de Faraday, que relacionan directamente la corriente producida con la cantidad de material reactivo, es decir la cantidad de combustible. La ventaja de estas radica en que no están limitadas por la temperatura, lo cual las hace alcanzar altas eficiencias. Así, en teoría, cada molécula de gas hidrógeno producirá dos electrones libres y con la unión de un átomo de oxígeno reducido se generará agua. Esta reacción electroquímica es exotérmica por lo cual el calor desprendido puede ser utilizado y así aumentar la eficiencia de las celdas de combustible. La alta eficiencia durante el proceso de generar energía eléctrica, la ventaja de tener cero emisiones contaminantes hace dE! las celdas los mejor candidatos para la generación de energía eléctrica.. 13.1. EFICIENCIA TERMODINÁMICA. Para el caso de un convertidor de energía electroquímica trabajando idealmente, se ha mostrado que la energía libre de Gibbs en la reaccion generada puede ser convertida a energía electrlca. El convertidor de energía electroquímica tiene una eficiencia termodinámica dada por la siguiente ecuación.. T/th. 6G T6S = 6H = 1 - 6H ... (1). En la tabla 6 con datos termodinámicos para algunas reacciones e11 las celdas de combustible bajo condiciones estandar 25ºC. Como podemos observar, dependiendo del tipo de combustible se crean reacciones diferentes para un número de celdas de combustible en situaciones estándares. Para casi todas las reacciones las eficiencias térmicas son mayores al 90% y sabemos que en los motores de combustión interna prácticamente es de menos del 40%. Para temperaturas menores de 100º C, agua, un producto de las reacciones de la celda, está en estado líquido. Esto causa que, en c:iertas reacciones el cambio en la entropía en cierta reacción ser negativa, y por lo tanto la eficiencia en menor al 100% y viceversa para temperaturas mayores. Teniendo potencia de densidad baja, para tener la densidad de corriente y su sobrepotencial (sobrevoltaje) bajo también, crean eficiencias mayores para aquellas celdas que trabajan con temperaturas bajas [12).. 25.

(24) Fuel. Reaction. Hydrogen. H~ + 0.5 0. -áHº -AOº E'' rev. % [kJ/mol] [kJ/mol] [V]. n. 2. 286.0. 237.3. 1.229. 83.0. 2. 335.S. 262.S. 1.359. 78.3. 2. 242.0. 20.5.7. 1.()66. 85.0. Methane. 8. 890.8. 818.4. 1.060. 91.9. Propane. 20. 2221.1. 2109.9. 1.093. 95.0. 66. 6832.9. 6590.5. 1.102. 96.5. 2. 283.1. 257.2. 1.066. 90.9. H 2 0 11 ) 2 HCl,""1 2 HBr. 2 -. H 2 + CJ 2 H 2 + Br2 -. Decane. C 10 H 2z + 15.5 0 + 11 H 20 11 ¡. 2. ---+10 C0 2. Carbon monoxide. Cnrbon. e+ o.50 2 C+ 0. co. -. 2 ---+C0 2. Melhanol. CH_,OH + 1.5 0. Formalde-. CH~O<&> + 0 2 --+ C02 + 2 H 20m. 2 -. C0 2 + 2 H,0 111. 2. 110.6. 137.3. 0.712. 124.2. 4. 393.7. 394.6. 1.020. I00.2. 6. 726.6. 702.S. 1.214. 96.7. 4. 561.3. 522.0. 1.350. 2. 270.3. 285.5. 1.480 105.6. 3. 382.8. 338.2. 1.170. 88.4. 4. 622.4. 602.4. 1.560. 96.8. 93.0. hyde Formicacid. Tabla 6. Datos Termodinámicos, para las reacciones de ciertas celdas de combustible bajo condiciones estándar de 25'C [12).. En la figura 16 se hace la comparación entre la eficiencia termodinámica de Carnot y la de una celda de combustible.. 500 -. 750. 1000. 1250. 1500. 1750. TEMPERATUR l't ). Figura l&(Kordesch & Günter, 1996)•.. En la figura 17, mostramos una gráfica que se obtuvo experimentalmente de diferentes sistemas de generación de energía y su eficiencia. Comparando los datos concluimos que las celdas de combustible tiene una mayor eficiencia y que a mayor sea esta, mayor la capacidad de generación de energía (12).. 26.

(25) 100•1.. 80% 60'¼ 40'Y.. 20%. O"lo+----r---.--.---.----.....,....---r 1 k\.l. 10. 100 11'1\./ 10 100 Power Plant Capacny. 16\.1. Fisura 17. Eficiencia de diferentes tecnologlas en función de escala. [12]. Celdas de Combustible. Rango de Temperatura. Eficiencia. Electro lito. Celda Alcalin a (AFC). 60-90º( 50-80º(. 50-60% 50-60%. 35-50% KOH Membrana polimérica (Nafion/Dow). Es pacia 1/Te rrestre Terrestre/Espacia 1. Celda de Áci do Fosfórico(PAFC). 160-220º(. 55%. Ácido Fosfór"co Concentrado. Aplicaciones de Potencia (SOSOOkW, lMW, SMW,llMW). Celda de Carbonato Fundido (MCFC). 620-660º(. 60-65%. Fu ndidos d2 carbonato. Generación de Energía. Celda de Óxi do Sólido (SOFC). 800-1000º(. 55-65%. Yttrium estabilizado con Dioxido de Zirkon. Generación de Energía. Area de Aplicación. JI. Celda de Membrana Intercambio Protónico(PEFC). Tablil 7. Aplicaciones para sistemas de celdas de combustible HZ/02. [12]. Celda de Combustible Celda Alcal ina. Reacción en el Ánodo. H2 + 2(0H ) -. 2H 2 0 + 2e+ 2e -. 2 0:: + 2H + + 2e--, H2 0. H2 ...., 2H+ + 2e-. -2 0-,.. + 2H +2e- -,H2 0. H2. Celda de Áci do Fosfórico. Celda de Óxido Sólido. 2 O:¡ + H20 + 2e--, 2(0H) 1. Celda de Membrana Intercambio Protónico. Celda de Carbonato Fundido. Reacción en el Cátodo. 1. H2 +. ....,. 2H. '1:. co¡--, H2 0 + C02 + 2e-. 1 02 + 2C0 + 2e- -, C0 2 2 3. 2 Á. H2. + 0 2- - , H2 0 +. 2e-. -=0 2 + 2e--, 0 2 -. 2. Tabla 8. Reacciones electroqulmlcas en el ánodo y en el cátodo.. 14.. '. "'. CELDAS TIPO PEM, , r. ,. La manera en que operan es mediante una celda electroquímica consistente en dos electrodos, un ánodo y un cátodo, separados por un electrolito. Cuando el hidrógeno es ionizado en el ánodo, se oxida y pierde un electrón; al ocurrir esto, el hidrógeno oxidado (ahora en forma de protón) y el electrón toman diferentes caminos migrando hacía el segundo electrodo llamado cátodo. El hidrógeno pasará por el electrolito mientras el electrón lo hará a través de una carga e:<terna. Al final ambos se reúnen en. 27.

(26) el cátodo donde ocurre la reacción de reducción o mejor dicho la ganancia de electrones del oxígeno para formar como subproducto agua. Así este proceso produce agua 100% pura, corriente eléctrica y energía térmica (figura 18). ELECTRIC CIRCUIT. ·-·-llllclonc)'J. Ánodo: Utodo:. 2H 2 ..... 4H• + 4e· 4e·+4H++02 ..... 2H 20. RNcdón Completa:. -111'<1 -IN'AlrC....... --. - , ___ .--. _ ,_. ----..-. · · · -,~ = ...... -·-··----....-... ········•• C.lalpt. Figura 18. Funcionamiento básico de una celda de combustlble tipo PEM. (13). Figura 19, Vista de corte de un polfmero eiectrolitlco de una celd,1 de combustible (12). A continuación mostramos un diagrama de operación de una celda de combustible (ver figura 20). Combustible. • G:is n:.úur:~ • Nafta. Proces:1111ienio de combustible. Gas rico cn H,. • Oestil.ados de bajo azufre • CombustJhles me1ílicos • Arniles pesados • Catbón. • Dcspcrdiclos sólidos. Cclda. de combustible. (potencia). ---~ po1cnda. d.c.. calor. Sistemas auxiliares • llmuidlficadorcs • Comroles de ilujo • 1wMccn:unien10. • Compresores Cogcncmción. Acondicioo:uttiento de la potencia.. Potencia a.c.. Figura 20. Sistema de pondela con celda de combustlble. (2). 28.

(27) 14 . 1. TIPOS DE CONSTRUCCIÓN DE CELDAS DE COMBUSTIBLE TIPO PEM. Existen dos tipos de diseños para la recolección de corriente en las celdas PEM: Monopolar: se conectan en paralelo y están conectadas individualmente en un stack, dependiendo de la demanda voltaje-corriente. Una sola celda puede ser descone,:tada en caso de algún mal funcionamiento sin ningún problema de rendimiento. El área máxima para la recolección de corriente 2. en los electrodos es de 400cm para que la celda funcione en óptimas condiciones. Bipolar: las celdas se conectan en serie para obtener voltajes elevados y no están limitadas en el tamaño del stack. En esta configuración, la corriente fluye perpendiculc1r a la superficie del electrodo y la recolección de la corriente es realizada sobre toda el área del electrodo. Electrodos de baja conductividad como los de carbono pueden ser usados. Una de sus desventajas es que cuando una celda falla, conlleva al mal funcionamiento de todo el stack. Una ventaja es la capacidad de utilizar celdas 2. >400cm de área para la recolección de la corriente.. º2. ) 0 Figura 21. Esquema de construcciones mono polares y bipolares en celdas de combustible.. 14 . 2. ELECTROLITOS, CATALIZADORES Y ELECTRODOS.. La celda de combustible tipo PEM (también conocida como celda de combustible de polimero sólido) usa uno de varios polimeros intercambiadores de iones como electrc,lito. En las celdas de combustible hidrógeno-oxígeno con electrolitos ácidos, platino(proporciona la separación del hidrógeno en iones), paladium, o el tungsteno son comunmente usados para los electrodos de hidrógeno en donde se lleva acabo la oxidación del hidrógeno. El oxígeno (aire), los electrodos normalmente contienen platino, paladio, carbonos especiales, talocianinas o porfirinas como catalizadores para hacer la reducción del oxígeno. Los materiales de los electrolitos pueden ser: Polímero de fluorocarbon (caro y similar al Teflón): en el cual lo!; grupos de ácidos sulfonicos son. anexados. Las moléculas ácidas son compactadas por el polimerc y no pueden filtrarse, pero los protones en este grupo de acidos son libres de migrar a traves de la membrana. El control del agua en la membrana es crítico para la eficiencia de operación de la celda y gracias a "General Electric" se solucionó el problema haciendo la humidificacion interna de los gases reactantes en una cámara separada, también con una diferencia de presurización, por ejemplo: usando mayor presión en el lado del cátodo (lOatm con aire) que en el lado de el ánodo (2atm con hidrógeno) . Se muestran las reacciones involucradas a continuación:. 29.