CELDAS DE COMBUSTIBLE - Eugenio Gonzalez Bernal

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CELDAS DE COMBUSTIBLE
LMT: Grupo 8. Prof.: Ing. Jaime Aguilar
UNAM. FI
Oscar araujo
1
Información
Practica 11
Tema 2
Laboratorio: Martes
Contenido:
Funcionamiento
Componentes
Clasificación
Arreglos tipicos
Combustibles
Aplicaciones y alcances
Ahorro energético
Bibliografia:
G., Hoogers. Fuel Cell Technology Handbook. Ed. CRC Press enero de 2003
Venkatachalapathy, R. (1999). CDHP in alkaline solutions." Electrochemistry Communications
http://www.iie.org.mx/reno99/apli.pdf
http://www.planetseed.com/es/node/15755
Detalles introductorios del curso y/o libros/materiales necesarios para una clase/proyecto.
2
Introducción
Que es?
Celda, pila o celula
Dispositivo electroquímico con flujo continuo de combustible y oxidante que reaccionan químicamente, resultando en productos y suministran corriente eléctrica.
Diferente de bateria
Limitante
Electrodos
Disposición
Almacenamiento
Notas introductorias.
3
Datos históricos
1838, William Robert Grove, de Gales; creó la "pila de Grove". Con electrodo de platino en ácido nítrico y electrodo de zinc en sulfato de zinc.
1889, Ludwig Mond y Charles Langer con aire y gas de alumbrado; versión practica de pila de Grove llamándola "celda de combustible.
60’s NASA, para misiones espaciales
Funcionamiento
Se convierte la energía química de una reacción directamente en energía eléctrica. 
Por ejemplo, combinando hidrógeno y oxígeno. 
No se agotan como una batería, ni precisan recarga.
Corrosión y la degradación. 
Diferencia de maquinas de combustión
Componentes
Celda unitaria:
Electrolitos: de cerámica o bien una membrana de electrolito polimérico híbrida que comprende dos polímeros distintos 
Electrodos: de metal, de níquel o de carbón, y están cubiertas por un catalizador (platino, paladio) para conseguir una eficacia más alta.
Apilamientos
Sistema de pilas de combustible
Sistemas basados en pilas de combustible
Clasificación
Por el tipo de combinación de combustible y oxidante.
Por el tipo de electrolito usado. 
Por la temperatura de operación. 
Por su eficiencia. 
Por el tipo de uso.
Por su potencia.
Por el catalizador utilizado.
Pila de Combustible de Membrana de intercambio protónico (PEM)
Electrolito: membrana de polímero sólido (ácidos)
Catalizador: platino.
Temperatura de operación: Bajas, 80-95ºC
Eficiencia eléctrica: 40-60%
Alta potencia y de rápida variación
Uso en vehículos para el transporte de materiales, como los montacargas. También se utilizan en autobuses.
Clasificación por electrolito que usan
Pila de combustible de Metanol (DMFC)
Electrolito: membrana de polímero sólido.
Catalizador: Platino.
Temperatura de operación: alrededor de los 50-120ºC.
Eficiencia eléctrica: por encima del 40%.
No necesidad de reformador
Dado que la temperatura mínima de operación de este tipo de pilas es baja, las DMFC se pueden utilizar en aplicaciones de pequeño tamaño, portátiles, ordenadores y cargadores de baterías.
Clasificación por electrolito que usan
Pilas de Combustible Alcalinas (AFC)
Electrolito: una solución de hidróxido de potasio en agua.
Catalizador: se puede usar una gran variedad de metales no preciosos.
Temperatura de operación: entre 105-245⁰C
Eficiencia eléctrica: 60-70%
El combustible y el comburente que se utilizan tienen que ser hidrógeno y oxígeno puros.
Uso en sector aeroespacial y ambientes submarinos
Clasificación por electrolito que usan
Pila de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC)
Electrolito: Ácido fosfórico líquido.
Catalizador: Platino sobre base de carbono
Temperatura de operación: entre 180-205⁰C
Eficiencia eléctrica: 36-42%
Pueden utilizar como combustible hidrocarburos o biogás.
Se utilizan para proveer de electricidad a edificios con alta demanda energética
Clasificación por electrolito que usan
	Tipo de Pila	Electrolito	Catalizador	Temperatura de Operación(ºC)	Potencia	Eficiencia Eléctrica (%)	Usos Principales	Ventajas	Inconvenientes
	PEM	polímero sólido	Platino	80-95	(0,1-100)kW	40-60 (pila)
30-50 (sistema)	Vehículos de transporte
Residencial y comercial
Telecomunicaciones	Temperatura baja
Arranque rápido	Coste del catalizador
Sensibilidad a las impurezas del combustible
	DMFC	polímero sólido	Platino	50-120	1mW-100kW	20–30 (pila)
10–20 (sistema)	Aplicaciones de pequeño tamaño(portátiles)	Facilidad de transporte del metanol
Alta potencia del metanol	Baja eficiencia
	AFC	solución de hidróxido de potasio en agua	Metales mas comunes	105-245	(10-100)kW	60-70 (pila)
62 (sistema)	Aplicaciones espaciales
Aplicaciones militares
Vehículos de transporte	Rendimiento alto
Bajo coste de los componentes	Sensible al CO2 del aire
	PAFC	Ácido fosfórico líquido	Platino sobre base de carbono	180-205	>10MW	55 (pila)
36-42 (sistema)	Aplicaciones estacionarias(residencial y comercial)
Vehículos de transporte	Alta tolerancia a las impurezas	Coste del catalizador
Arranque lento
Baja densidad de potencia
	MCFC	carbonatos alcalinos sobre una matriz cerámica	Otros materiales	650	100MW	50-60 (pila)
47 (sistema)	Aplicaciones estacionarias	Alta eficiencia
Gran variedad de combustibles y catalizadores	Altas temperaturas
Arranque lento
Baja densidad de potencia
Comparativo entre distintos tipos de pila
Comportamiento
Pérdidas por activación: debidas a la baja velocidad de las reacciones en la región de polarización por activación.
Pérdidas resistivas: relacionadas con el flujo de electrones a través del material de los electrodos, así como a la resistencia al flujo de iones a través del electrolito en la región de polarización óhmica.
Pérdidas por concentración: los cambios de concentración del gas o transporte de masas región de polarización por concentración.
El potencial de salida de las pilas de combustible se ve afectado por las condiciones de operación (temperatura, presión, composición del gas, aprovechamiento de reactivos, densidad de corriente), por el diseño de la pila y por otros factores (impurezas, durabilidad del dispositivo) que hacen que se aleje del valor ideal
Cálculos
La expresión de la eficiencia de la pila de combustible es la siguiente:
 
donde Vreal es el voltaje medido entre los electrodos en condiciones reales de funcionamiento, e I es la intensidad de corriente que circula por el circuito externo. Esta eficiencia, también se conoce como eficiencia en voltaje
 El trabajo electico producido en la reacción es igual a la energía libre de Gibbs; o en otros términos:
Es igual al numero de electrones por la constante de Faraday ,multiplicado por el potencial eléctrico E
Combustibles
Aplicaciones y alcances
Automoviles, motocicletas, bicicletas
Camiones
Embarcaciones
Aviones, aeronaves
Submarinos
Plantas de potencia base
Sistemas Auxiliares de Energía
Sistemas de energía de emergencia
Equipo de telecomunicaciones 
Sistema de alimentación ininterrumpida
Sistemas de calefación
Vehículos híbridos
Sistemas de apoyo a la red eléctrica
Puertos portátiles para instrumentos electrónicos pequeños
Smartphones, portátiles y tablets.
Aparatos de calefacción pequeños
Etc.
Ahorro energetico: Ventajas y desventajas
Eficiencia 50- 85% (Cogeneración)
Emisiones
Escases de hidrocarburos
Principales retos
Costos
Materiales
Reservas de platino
Sobredimensiones de catalizador
México, presenta uno de los crecimientos en demanda de energía eléctrica más altos con valores de 5.8 a 6% anual. 
Vocabulario
Electrodo: Extremo de un cuerpo conductor en contacto con un medio del que recibe o al que transmite una corriente eléctrica.
Ánodo: Electrodo en el que se produce la oxidación. Para pilas de combustible es el terminal positivo.
Cátodo: Electrodo en el que se produce la reducción (ganancia de electrones). Para pilas electrolíticas es el terminal positivo.
Electrolito: Una sustancia que conduce iones cargados de un electrodo.
Apilamiento: Pilas de combustible individuales conectadas en serie. Las pilas de combustible se apilan para aumentar el voltaje..
Catalizador: Una sustancia química que aumenta la velocidad de una reacción sinser consumida.
Membrana: La capa de separación que actúa como una película de barrera que separa las sustancias de pila en los compartimientos anódico y catódico de la pila de combustible.
Lista de vocabulario relacionada. 
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Conclusiones
Enlaces complementarios:
https://www.youtube.com/watch?v=I6EKAH0b69s 
https://www.youtube.com/watch?v=F8mv2oq75vk&feature=youtu.be
Fuel Cell Hand Book. EG&G Technical Services, Inc. 2004. ISBN 0442319266, 9780442319267.
Pilas de combustible: una alternativa limpia de producción de energía Ricardo Escudero-Cid, Enrique Fatás, Juan Carlos Pérez-Flores y Pilar Ocón,2013