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Celdas de Combustible de Óxidos Sólidos: “Generación de Energía Eléctrica, Vía
Electroquímica”
FORO
ENERGÍA Y UNIVERSIDADES
Noviembre 2013
Las formas convencionales de generación de energía han generado problemas graves para la humanidad:
ENERGÍA
• Contaminación ambiental (gases tóxicos, ruido, etc.)
• Efecto invernadero • Calentamiento global
• Crisis energética • Escasez de combustibles
•Problemas suministro energético en zonas rurales o aisladas, impidiendo el desarrollo económico y social de los mismos
En consecuencia, debemos buscar nuevas formas de generación de energía que sean más amigables con el medio ambiente y de fácil abastecimiento a
zonas rurales o aisladas.
¿Qué alternativas son
posibles?
Eólica
Solar
Hidráulica
Descarga Eléctrica
Celdas de Combustible
Celdas de Combustible
¿ Qué es una Celda de Combustible?
Dispositivo electroquímico que
convierte la energía química
de una reacción directamente
a energía eléctrica, a partir
de la oxidación electroquímica
de un combustible .
Celdas de Combustible
Celda polimérica de intercambio protónico
Hidrógeno proveniente del tanque
Electrodo Electrodo
Oxígeno Del aire
Membrana Inter. Protónico
Salida
Corriente Eléctrica
Ánodo: H2 ---> 2H+ + 2e-
Cátodo: 1/2O2 + 2H+ + 2e----> H2O
DIFERENCIAS ENTRE BATERÍAS Y CELDAS DE COMBUSTIBLE
Las pilas convencionales son sistemas cerrados: los
reactivos están en la propia pila, por ende, la batería dejará
de producir energía eléctrica cuando los reactantes
químicos sean consumidos, esto es descargados.
La energía máxima disponible es determinada por la
cantidad de reactante químico almacenado dentro de la
batería misma.
Las baterías son dispositivos de almacenamiento de
energía.
Mientras que:
Las celdas de combustibles son sistemas abiertos, no son
dispositivos de almacenamiento de energía sino
productores de energía en forma de electricidad y calor.
mientras se les proporcione combustible y aire no se agotan ni se descargan, como le ocurre las baterías.
Celdas de Combustible Algo de Historia
La posibilidad de generar energía eléctrica con celdas de combustible fue
propuesta en 1839 por William Grove, pero dejaron de ser una curiosidad
científica, recién en los años '60 cuando el programa espacial de los
Estados Unidos las empleó para dar energía eléctrica, calor y agua en las
misiones Gemini y Apollo.
Desde entonces se han desarrollado diversos tipos de celdas de combustibles para variadas aplicaciones.
No poseen las limitaciones de las máquinas térmicas, de
modo que teóricamente pueden alcanzar eficiencias
cercanas al 95%. En la práctica se han obtenido
eficiencias de hasta el 65%.
No se emiten gases tóxicos y, si se utiliza hidrógeno como
combustible, puede evitarse completamente la generación
de gases de efecto invernadero.
No posee partes móviles, por lo que no producen ruidos.
Desventajas de las celdas de combustible
El costo de esta tecnología es actualmente muy superior a
las formas convencionales de generación de energía.
Ventajas de las celdas de combustibles
Celdas de Combustible Aplicaciones
CELDA DE
COMBUSTIBLE
Espaciales Portátil
Celdas de Combustible
Tipos de Celdas
•En general todos los tipos de celdas de
combustibles poseen la misma configuración
básica - Un electrolito y dos electrodos.
•Los diferentes tipos de celdas de combustibles se
diferencian por el tipo de electrolito.
•El tipo de electrolito utilizado determina tipo de
reacción química que tiene lugar y el intervalo de
temperatura de operación.
•Estas características a su vez determinan el tipo
de aplicación mas apropiada para la celda.
Tipos de Celdas
Celdas de Combustibles de Óxidos Sólidos (SOFC)
Poseen dos características fundamentales :
el electrolito y los electrodos son sólidos
versatilidad en la elección de combustible
y oxidante.
Celdas de Combustibles de Óxidos Sólidos (SOFC)
CELDAS DE COMBUSTIBLE DE ÓXIDO SÓLIDO
CELDAS DE COMBUSTIBLE DE ÓXIDO SÓLIDO
Celdas de Combustibles de Óxidos Sólidos (SOFC)
Configuración de pila de combustible
• 1 celda de combustible produce 1V a circuito abierto
• para producir tensiones más elevadas se disposición en serie de celdas formando un “stack” o “apilamiento”.
A La unidad básica de la celda de combustible se le denomina “monocelda” (o simplemente “celda”).
Una celda está formada por un “sándwich” de dos electrodos con una lámina de electrolito entre ambos.
CELDAS DE COMBUSTIBLE DE ÓXIDO SÓLIDO
Mini SOFC
Potencia 1kW Eficiencia 60%
Combustibles de Óxidos Sólidos (SOFC) Aplicaciones………
Combustibles de Óxidos Sólidos (SOFC)
A pesar de
temperaturas de trabajo de las pilas SOFC es elevada
(700-1000°C), lo que encarece notablemente los costos,
en contrapartida
Si se aprovechar el calor que desprende el dispositivo para
la evaporación del agua, que a su vez puede convertirse
también en electricidad (sistema de co-generación).
Nuevos tipos de centrales a ciclo combinado con eficiencia
comprendida entre 70 y 90
Ventajas de trabajar con celdas de combustibles
SOFC:
Poseen alto rendimiento en sistemas de cogeneración
(electricidad + calor).
No requieren del uso de catalizadores.
Muy resistentes a la corrosión y a la contaminación por CO.
Se pueden emplear diversos combustibles para su
operación.
Mínima emisión de gases con efecto nocivo al ambiente.
Son ideales para aplicaciones comerciales de generación
estacionaria.
Diseño modular y construcción sólida, sin partes móviles y
por tanto, funcionamiento silencioso.
Desventajas de trabajar con celdas de
combustibles SOFC:
Altas temperaturas de operación
Requiere materiales resistentes a altas temperaturas en estado
sólido
Influencia negativa para la comercialización: el famoso “tiempo de arranque” (tiempo de precalentamiento).
Al inicio de cada ciclo de trabajo, la celda requiere un
precalentamiento hasta la temperatura de operación, además debe ser efectuado lentamente para evitar someter los
componentes cerámicos a gradientes térmicos tales que generen fracturas.
Razón por la cual se prefiere como sistema estacionario
Celdas de Combustible SOFCs Retos
La apertura del camino hacia la comercialización de las SOFCs depende esencialmente del cumplimiento de los siguientes objetivos:
Reducción de temperaturas de las celdas
•Evitar problemas de degradación por choque térmico. • Reacciones en las interfaces [electrolito/electrodo]. •Problemas de estabilidad química de los materiales en atmósfera reductora u oxidante, etc.. • Menos restricciones para la elección de los materiales de interconexión utilizados.
Reducción los costos de fabricación. Los componentes principales se acoplan entre sí en forma de películas con espesores en el intervalo de micrómetros a algunos milímetros. Hoy en día, se emplean procesos
tecnológicamente avanzados y, por ende, costosos.
Mejoramiento del diseño e implementación de nuevos materiales para sellar e interconectar los módulos de SOFC
¿En que estamos trabajando?
Desarrollar nanomateriales cerámicos para celdas de combustibles de temperaturas intermedias
Obtención y Caracterización de electrodos y electrolitos, a
saber: • compuestos nanométricos tipo Fluorita de CeO2
dopado con Sm2O3, Y2O3 para ser empleados como electrolitos sólidos.
• compuestos nanométricos tipo manganitas y cobalitas para su uso como cátodos.
• compuestos nanométricos tipo Ni- CeO2 dopado para su utilización como ánodos.
• Método de síntesis que permita electrodos y electrolitos con características mas adecuadas
Métodos empleados
m 1 m
Métodos empleados: -Nitrato-glicina -Pechini -Sol-gel -Convencional en edo. sólido
Algunos resultados
250 nm
10 m 1 m
Electrolito: SDC
Conclusiones
250 nm
10 m 1 m
La principal dificultad de las SOFCs convencionales es su alta temperatura de operación. Por ello, se estudian materiales para electrolito y electrodo de temperatura intermedia.
En el caso de SOFCs de temperatura intermedia,
es posible emplear materiales nanoestructurados para electrolito y electrodo, que pueden presentar mejores propiedades que los convencionales.
250 nm
10 m 1 m
10 m 1 m Las reacción al incorporar un dopante trivalente M, se crea 1 vacancia de oxígeno por cada 2 átomos incorporados.
Con la finalidad de introducir vacancias de en el compuesto de ZrO2, se emplea dopantes tri –divalentes, como el Y2O3.
¿Porque dopar?
10 m 1 m
Para compuestos de ZrO2 y CeO2 la conductividad crece con el incremento de l dopante hasta un valor máximo, para luego volver a decrecer.
CELDAS DE COMBUSTIBLE DE ÓXIDO SÓLIDO