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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. 22 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
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