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ZIENTZIA ETA TEKNOLOGIA FAKULTATEA. LEIOAFACULTAD DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA

VECTOR HIDRÓGENO

Y

CELDAS DE COMBUSTIBLE

CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS DE UNA

CELDA DE COMBUSTIBLE

Vicente Peñalosa, Jorge

I

INDICE

1 INTRODUCCION

1.1 VENTAJAS us DESVENTAJAS

1.2 TIPOS DE CELDAS DE COMBUSTIBLE

1.2.1 Pilas de polímero sólido (PEMFC)

1.2.2 Pilas de ácido fosfórico (PAFC)

1.2.3 Pilas de carbonato fundido (MCFC)

1.2.4 Pilas de óxido sólido (SOFC)

1.2.5 Pilas alcalinas (AFC)

1.2.6 Pilas de metanol directo (DMFC)

1.3 APLICACIONES

2 ANALISIS DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE

2.1 CURVA DE POTENCIA

2.2 CÁLCULO DE LAS POLARIZACIONES

2.2.1 Polarización de activación

2.2.2 Polarización ohmica

2.2.3 Polarización por concentración

2.3 EFICIENCIA DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE

3 NOMENCLATURA

4. BIBLIOGRAFIA

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Master en Ingeniería Química y Desarrollo Sostenible Jorge Vicente Peñalosa

Vector H2 y Celdas de Combustible 1__________________________________________________________________________________________________________

1. INTRODUCCION

La celda de combustible (FC) es un dispositivo electroquímico cuyo principio fundamental de funcionamiento fue descubierto en el año 1839, por Sir William Grove, nacido en Gales. Mientras el investigador experimentaba con la electrolisis, por casualidad notó que el proceso inverso- es decir, combinar hidrógeno y oxígeno-, producía agua, electricidad y calor. En un comienzo hubo entusiasmo por desarrollar dispositivos que aprovecharan este fenómeno. Sin embargo, la dificultad en conseguir materiales adecuados, los cuales hasta hoy siguen siendo costosos, y el desarrollo de la máquina de vapor y más tarde de los motores de combustión interna, dejaron atrás por mucho tiempo desarrollos en esta línea.

Recién en 1960, la NASA la redescubrió al utilizarla como fuente de poder para sus módulos espaciales tripulados, ya que la idea de un único dispositivo que produjera electricidad, calor y agua resultaba muy útil. Hoy en día, se encuentra en etapas de desarrollo y mejoramiento más o menos acelerada con el fin de implementarla masivamente en un futuro cercano (Lineo & Palma, 2004).

El principio de funcionamiento de la celda de combustible (PEM) se basa en la conversión directa de energía química en eléctrica a través de una reacción electroquímica. Es conveniente utilizar como referencia la celda del tipo PEM ya que los otros tipos de celdas ocupan el mismo principio, pero con diferentes características constructivas y combustibles utilizados para la generación de electricidad.

En general, una FC se compone de dos electrodos (ánodo y cátodo) separados por un electrolito. Al ánodo y el cátodo de la FC se le inyecta hidrógeno (H2) y oxígeno (O2, oxidante o aire) respectivamente. Las componentes que reaccionan (H2 y O2) no entran en contacto directo, ya que son separados por el electrolito, el que sólo permite el paso de protones o iones dependiendo del tipo de celda. Los catalizadores (electrodos) revisten las caras del electrolito. Una vez que entra el hidrógeno, el catalizador del ánodo lo escinde en electrones y protones. En el caso de existir consumo eléctrico, se establece una circulación de electrones a través de la carga, en tanto que los protones emigran al cátodo a través del electrolito. El catalizador del cátodo combina los protones con los electrones que regresan y el oxígeno del aire para formar agua y vapor de agua (ver Figura 1). La reacción tiene una característica exotérmica (liberación de calor) la que se ve aumentada por el efecto resistivo del electrolito.

Figura 1: Esquema de una celda de combustible.

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Para aplicaciones prácticas, una única celda de combustible no es suficiente, uniéndose varias de ellas para conseguir la potencia y tensión adecuadas, formando de esta manera una pila de combustible. Las celdas están unidas eléctricamente en serie. Cada cierto número de celdas unitarias se inserta un dispositivo que permite extraer el calor generado por la reacción electroquímica, manteniendo de esta forma la temperatura dentro de los márgenes óptimos para cada tipo de celda. El calor extraído a través del circuito interno de refrigeración es recogido mediante una serie de intercambiadores que lo entregan a un circuito externo, produciéndose en el mismo agua caliente o vapor, dependiendo de la temperatura de funcionamiento de la pila. La energía térmica así obtenida puede emplearse como tal, o bien utilizarse en la generación de una cantidad adicional de energía eléctrica, aumentando así el rendimiento del sistema.

La corriente continua proporcionada por la pila debe ser transformada en corriente alterna apta para el consumo, con una especial atención a los parámetros eléctricos (voltaje, frecuencia, armónicos, etc.) de la red. La parte eléctrica encargada de esta transformación recibe el nombre de sistema de acondicionamiento de energía, y su componente más importante es el inversor, que transforma la corriente continua producida por la pila en corriente alterna.

Análogamente a lo que sucede en baterías y acumuladores, en la FC existe un proceso electroquímico como resultado de dos reacciones en los electrodos respectivos. Sin embargo, en el caso de la FC no son los electrodos los que se transforman, por lo que una FC no puede descargarse. Dado que el proceso corresponde a una reacción de combustión, que sin embargo no implica una “combustión” en el sentido tradicional, en el caso de la FC se habla de “combustión fría”.

1.1 VENTAJAS us DESVENTAJAS

Las pilas de combustible ofrecen una serie de ventajas respecto de los sistemas tradicionales de producción de energía. Entre las más importantes podemos señalar:

1. Alta eficiencia energética: Las pilas de combustible no son máquinas térmicas, por lo que su rendimiento no está limitado por el ciclo de Carnot, pudiendo acercarse teóricamente al 100%. Sólo las limitaciones en el aprovechamiento de la energía generada y en los materiales empleados en su construcción impiden alcanzar este valor.

2. Bajo nivel de contaminación medioambiental: Al estar sustituida la combustión a alta temperatura de combustibles fósiles por una reacción electroquímica catalizada entre el hidrógeno y el oxígeno, no existe emisión de gases contaminantes (óxidos de nitrógeno y azufre, hidrocarburos insaturados, etc.), con lo que el impacto sobre el medio ambiente es mínimo. Es éste quizás, el aspecto más atractivo de las pilas de combustible.

3. Carácter modular: La disponibilidad de las pilas de combustible como módulos independientes supone una ventaja adicional, ya que un cambio de escala en la potencia requerida se consigue fácilmente mediante la interconexión de módulos.

4. Flexibilidad de operación: Una pila de combustible puede funcionar a alto rendimiento y sin interrupción en un amplio rango de potencias suministradas. Además, pueden realizarse variaciones rápidas de potencia; por ejemplo, es posible aumentar la potencia de una pila de combustible en un 10% en tan sólo un segundo. En contraste, los

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sistemas convencionales son muy inflexibles, debiéndose mantener la carga de combustible siempre por encima del 80% para garantizar una correcta operación.

5. Admisión de diversos combustibles: Cualquier combustible es apto para ser reformado, con tal de que incluya hidrógeno en su composición. Han sido empleados con éxito combustibles tan dispares como el gas natural, el gasóleo, el carbón gasificado o el metanol.

6. Funcionamiento silencioso: se ha estimado que el nivel de ruido a 30 metros de una pila de combustible de tamaño medio es de tan sólo 55 decibelios. Ello sugiere el uso de estos dispositivos para la generación de energía en recintos urbanos.

7. Bajo impacto estético: Al no existir tubos de emisión de gases ni torres de refrigeración, el impacto visual de una planta de producción de energía basada en pilas de combustible es mínimo. Se ha llegado incluso a proponer su integración en edificios residenciales.

8. Fiabilidad: Los sistemas informáticos de control permiten automatizar el funcionamiento de una pila de combustible, siendo mínima la intervención manual requerida.

9. Sencillez de instalación: Las obras de infraestructura son prácticamente innecesarias.

Frente a estas ventajas evidentes, el empleo de pilas de combustible como fuente de energía eléctrica presenta algunas desventajas:

1. Tecnología emergente: Determinados problemas aún no resueltos afectan al funcionamiento de las pilas de combustible, especialmente en lo que respecta a su vida útil, lo que repercute en su comercialización.

2. Alto coste: Al tratarse de una tecnología en desarrollo y al existir todavía una baja demanda de unidades, su precio no puede, hoy en día, competir con el de las tecnologías convencionales. Es de esperar que, conforme la demanda se incremente, los precios se vayan equiparando.

3. Sensibilidad hacia los venenos catalíticos: Los electrodos empleados incorporan catalizadores para favorecer el desarrollo de las reacciones electroquímicas. El contacto de estas sustancias con los llamados venenos catalíticos, tales como el monóxido de azufre o los compuestos de azufre, provoca su inactivación irreversible. En la actualidad se trabaja en la sustitución de estos catalizadores por materiales más resistentes.

4. Producción y almacenamiento de hidrógeno: Hoy en día la mayor parte del hidrógeno producido proviene de fuentes fósiles. Lo ideal sería producirlo a partir de energías renovables para que la emisión de CO2 fuese nula. Por otra parte, el almacenamiento de hidrógeno es una de los temas que más requiere de investigación. Debido a su baja densidad volumétrica a temperatura ambiente y la baja temperatura de licuefacción se deben estudiar otros modos de almacenamiento tales como los nanotubos o los hidruros metálicos, para que sea útil en aplicaciones móviles

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1.2 TIPOS DE CELDAS DE COMBUSTIBLE

Si bien los distintos tipos de FC tienen el mismo principio para la generación de electricidad, éstas se pueden clasificar por ejemplo de acuerdo al electrolito utilizado para el transporte de iones entre los electrodos (positivo y negativo), el cual condiciona la temperatura de operación.

Las principales celdas de combustibles que se encuentran bajo investigación, desarrollo, demostración y en algún grado de comercialización son:

• Alcalinas (AFC)

• Carbonato Fundido (MCFC)

• Ácido Fosfórico (PAFC)

• Membrana de intercambio protónico (PEMFC)

• Oxido Sólido (SOFC)

• Metanol directo (DMFC)

En la siguiente tabla y figura se presentan características importantes de los diferentes tipos de celdas, destacando la eficiencia, temperatura de operación, combustible, utilización, electrolito y reacción.

Tabla 1: Tipos de celdas combustibles con mayor desarrollo en la actualidad (Lineo & Palma, 2004).

Tipo Celda

T (ºC) Electrolito Comb Oxidante Eficiencia (%)

Aplicación

AFC 80 KOH H2 O2, aire 63 Transporte

PEMFC 80 Polímero Sólido H2 O2, aire 60 Transporte

PAFC 200 Ác. Fosfórico CH4 Aire 36-46

Generación: ciclo combinado y residencial

MCFC 650 Carbonato de Li + K CH4 Aire 48-56

Generación: ciclo combinado y residencial

SOFC 1000 Óxido de Zr + Y CH4 Aire 55-65 Generación

1.2.1 Membrana de intercambio protónico (PEMFC)

Estas pilas emplean como electrolito una membrana de intercambio catiónico que trabaja a una temperatura de 80-100oC situada entre el ánodo y el cátodo. Cuando se satura de agua, la membrana se vuelve conductora de protones, los cuales son

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transferidos del ánodo al cátodo. La estructura del polímero es una membrana polímero orgánica sólida, usualmente ácido polyper-fluorosulfonic.

Además requieren de un catalizador comúnmente formado por platino, el cual tiene la ventaja de ser resistente a la corrosión, pero su costo es muy elevado. El uso de este elemento se ha reducido con el mejoramiento de los materiales utilizados y las técnicas de fabricación. Como el electrolito usado es ácido, éste tolera el CO2 permitiendo que con ello este tipo de celdas opere con combustibles reformados de productos fósiles. Para ello el sistema requiere de un reformador o reactor químico que permita obtener el hidrógeno a partir de otro combustible más común y manejable como el gas natural, metanol u otro.

Sin embargo, dado que este tipo de celdas opera a bajas temperaturas existe una mayor sensibilidad a la degradación del catalizador por parte del monóxido de carbono. El CO es absorbido por el platino en un electrolito ácido y bloquea el acceso del hidrógeno al ánodo. A bajas temperaturas las concentraciones de CO son mayores, degradando la efectividad de la celda. De este modo, en caso de utilizar un combustible diferente del hidrógeno, el monóxido de carbono proveniente del reformado del combustible fósil debe ser prácticamente eliminado.

Por otra parte, su baja temperatura de operación requiere de un sistema de eliminación de calor muy eficiente y del uso de catalizadores. Ello conlleva la exigencia de una alta pureza del hidrógeno alimentado (por ejemplo, está completamente vedada la presencia de monóxido de carbono) trayendo consigo, por lo tanto, un alto costo de producción. A pesar de todo ello, presentan ventajas sustanciales frente a otros tipos de pilas: son de menor tamaño, más ligeras, de arranque más rápido y con una respuesta más rápida a los cambios de carga. De acuerdo con el Departamento de Energía de los Estados Unidos, son los principales candidatos para el suministro de energía en vehículos eléctricos, en sustitución de las baterías recargables, y potencialmente para otras aplicaciones mucho más pequeñas como el reemplazo de baterías recargables en vídeo cámaras y teléfonos celulares.

1.2.2 Ácido Fosfórico (PAFC)

En este tipo de pilas se emplea ácido fosfórico concentrado como electrolito. La temperatura de trabajo debe situarse entre 160oC y 220oC. Los electrodos, a su vez, se componen de grafito fibroso con platino dispersado en su interior, el cual actúa como catalizador. Como toleran el CO2 pueden funcionar con combustibles derivados del carbono como metanol, etanol (Fernandez 2001).

La ventaja de este tipo de pilas es la facilidad con que se recupera el calor residual generado, pudiéndose llegar a rendimientos del 80% (sin cogeneración rendimientos de más del 40 %). Es decir, proporcionan tanto energía eléctrica como calor a los usuarios. De ahí que los lugares más apropiados para instalar este tipo de tecnologías sean hoteles, hospitales, restaurantes, etc. Se puede decir que son el tipo de pilas de combustible más avanzado de los disponibles hoy en día, tanto desde el punto de vista tecnológico como comercial.

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1.2.3 Carbonato Fundido (MCFC)

Como electrolitos utilizan carbonatos de litio y potasio o de litio y sodio, los cuales presentan una elevada conductividad iónica en estado fundido. Las temperaturas de funcionamiento son lógicamente muy elevadas, en torno a 650-700oC, lo que permite recoger el calor excedente para la generación adicional de electricidad. Se emplean electrodos porosos de níquel y óxido de níquel.

El ánodo es una estructura porosa de níquel sinterizado, con un espesor de alrededor de 0,5 mm y una porosidad del 60% a 70%, con un tamaño medio de poro de unas 5 micras. El níquel suele estabilizarse mezclándolo con cromo o cobalto, o usando aditivos. Se soporta sobre un colector de corriente de acero inoxidable y de aquí a la siguiente celda de la pila.

El cátodo es una estructura similar de NiO, normalmente de 0,3 mm de espesor y 70% a 80% de porosidad, con un tamaño medio de poro de 10 micras. El cátodo de NiO está en contacto con Li2CO3 en el electrolito y por ello contiene algún Li2O en solución sólida.

Esta es un tipo de celda de combustible directa, que elimina los procesadores de combustible externos. Metano, el principal ingrediente del gas natural y vapor son convertidos en un gas rico en hidrógeno en el ánodo de regeneración o en la cámara de regeneración, la cual es parte de la celda de combustible. Esta celda tiene dos electrodos porosos en contacto con una sal fundida de carbonatos de litio (Li2CO3) y potasio (K2CO3). En el cátodo se alimentan el oxígeno (O2) y dióxido de carbono (CO2) los cuales son convertidos en iones de carbonatos.

El electrolito permite a los iones viajar hacia el ánodo. En él, el hidrógeno reacciona con los iones para formar agua y CO2, y dos electrones son liberados. Conectando los electrodos a través de un circuito externo se completa el flujo de generación de corriente continua.

En el ánodo se forma CO2 y se consume en el cátodo. Por lo que para un funcionamiento económico deberá por tanto recircularse el CO2 desde el ánodo al cátodo. Esto puede conseguirse mediante combustión catalítica del efluente anódico a CO2 y H2O (más el N2 de la combustión del aire), seguido de mezcla con el aire para producir la alimentación catódica (Sala, 1994).

Por otro lado, el monóxido de carbono producido durante el reformado del combustible puede ser alimentado directamente a la pila, donde se comporta como un combustible, lo que supone una considerable ventaja

Estas plantas pueden alcanzar eficiencias eléctricas de 50%, que es considerablemente mayor a las logradas por las plantas de celdas de ácido fosfórico. Además, en este tipo de celda una pequeña cantidad de agua es requerida para su funcionamiento y no emite prácticamente partículas y las emisiones de SOx y NOx son extremadamente bajas.

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Las aplicaciones de las pilas de carbonato fundido se centran en la generación de energía eléctrica como alternativa a las centrales térmicas. Están consideradas como la segunda generación de pilas de combustible.

1.2.4 Oxido Sólido (SOFC)

Las pilas de óxido sólido emplean materiales cerámicos porosos recubiertos de membranas de óxido de itrio y circonio como electrolitos, los cuales se ven sometidos a altas temperaturas, de hasta 1000ºC, a las cuales adquieren conductividad iónica. Por la alta temperatura de operación, estas celdas no necesitan platino u otro metal precioso como catalizador. Aparte de la rebaja en el costo que esto permite, hace que sean mucho más tolerantes a las impurezas como el CO.

El funcionamiento de la celda es el siguiente. En el cátodo, el cual está formado por un óxido de manganeso y lantano, se forman iones de oxígeno.

A través de un medio sólido, los iones formados son conducidos hasta un electrodo de combustible (ánodo), consistente en una placa compuesta de níquel y óxido de circonio Ahí, los iones de oxígeno reaccionan con el monóxido de carbono y el hidrógeno, liberando electrones y generando electricidad.

y/o

Una característica importante de este sistema es que la regeneración del gas natural u otros combustibles que contengan hidrocarburos puede ser llevada a cabo dentro del generador, eliminando la necesidad de un reformador externo. Además, la temperatura de los gases expulsados de las celdas van de 500 a 850ºC, valores muy atractivos para realizar una cogeneración aumentando el rendimiento global del sistema o para usos de ciclos combinados.

Por otra parte, puesto que en este tipo de pilas el electrolito es sólido, se eliminan los problemas derivados de la corrosión asociada al electrolito, a la vez que se dificulta la difusión de los gases de un electrodo a otro. Asimismo, se mejora la estabilidad dimensional del sistema y se evitan inundaciones en los electrodos. En contrapartida, las altas temperaturas empleadas ocasionan problemas mecánicos en los materiales de la celda.

Estructuralmente las pilas de óxido sólido difieren considerablemente de las otras tecnologías de pilas de combustible. En efecto, para formar una celda de óxido sólido se depositan capas delgadas de materia activa en la parte exterior de un tubo cerámico poroso (www.fuelcell.org). El gas combustible se alimenta por el exterior del tubo y el aire por el interior.

Medioambientalmente, cabe decir que poseen muy pocas emisiones. Debido a las altas eficacias en los procesos de eliminación de azufre de los combustible fósiles, no se emiten partículas de SOx, así como el no paso de nitrógeno por el electrolito impide la formación de NOx.

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Los rendimientos en la generación de energía eléctrica alcanzan un 60-65%, sobre todo si se acopla la salida de los gases con una turbina de gas, obteniéndose al mismo tiempo densidades de corriente muy elevadas. Por ello se considera a este tipo de pilas de combustible, junto con las de polímero sólido (SOFC), como las celdas de mayor interés potencial. En comparación con las celdas PAFC, ofrecen altas eficiencias, gran compactibilidad y más bajos costos de potencia. De este modo, en la actualidad han encontrado una aplicación en la cogeneración industrial de electricidad y calor, sustituyendo ventajosamente a las centrales térmicas basadas en turbinas de gas.

1.2.5 Alcalinas (AFC)

Utilizadas desde hace mucho tiempo por la NASA en misiones espaciales, este tipo de celdas pueden alcanzar eficiencias de generación eléctrica de hasta 70%. Estas celdas utilizan hidróxido de potasio como electrolito. El cual es un elemento alcalino y operan en los mismos rangos que las celdas PEM (50-100ºC). Hasta hace poco tiempo eran demasiado costosas para aplicaciones comerciales pero varias compañías están examinando formas de reducir estos costos y mejorar la flexibilidad en su operación.

Utilizan una disolución acuosa de KOH como electrolito y operan a baja temperatura, alimentando el ánodo con H2 puro y el cátodo con O2 puro. Para poder trabajar con esos gases a baja presión (1-2 bar) y conseguir las temperaturas señaladas, se requiere el empleo de catalizadores de metales nobles. Esta desventaja significativa, unida a la necesidad de evitar el CO2 que reacciona con el electrolito, limita actualmente el empleo de este tipo de pila a un número muy reducido de aplicaciones.

Además, se precisan sistemas de purificación complejos y costos para que el H2 y O2

puros, requeridos en las zonas anódica y catódica, cumplan las especificaciones de calidad exigidas por esta pila en un funcionamiento prolongado. Por tanto, sólo tiene sentido plantearse su utilización si se dispone de hidrógeno de elevada pureza (Sala, 1994).

1.2.6 Metanol directo (DMFC)

Como su nombre indica, se usa metanol como combustible en vez de hidrógeno, el cual se oxida directamente en el ánodo a bajas temperaturas. Es una tecnología relativamente nueva en comparación a las otras celdas.

Como el combustible metanol cruza a través de la membrana del ánodo al cátodo, hace disminuir la actuación del cátodo y gasta combustible.

Las reacciones electroquímicas que ocurre en este tipo de celdas de combustible es:

Ánodo: CH3OH + H2O CO2 + 6H+ + 6e-

Cátodo: (3/2)O2 + 6H+ + 6e- 3H2O

Reacción Total: CH3OH + (3/2)O2 CO2 + 2H2O

La mayor ventaja de este tipo de celdas es la de abastecer metanol líquido directamente. De este modo no requiere de un voluminoso y pesado sistema de almacenamiento de hidrógeno o de un subsistema reformador. Esto reduce costes y simplifica el sistema.

Recientes adelantos en investigación y desarrollo en las celdas de combustible de metanol directo han sido sustanciales. Sin embargo, existen obstáculos críticos en

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relación a la producción de corriente alta. La cantidad necesaria del catalizador de platino es todavía muy costosa en comparación a las del tipo PEM. Debido a la baja potencia que proporcionan se proponen para sustituir el uso de las baterías Li-ion en los aparatos electrónicos.

1.3 APLICACIONES

El mercado es muy variado y cada segmento de éste puede ser satisfecho con una variada mezcla de tecnología. La Tabla 2 recoge algunas de las aplicaciones de las celdas de combustible y su fecha aproximada de comercialización.

En general, existen tres grandes sectores de aplicación de las celdas de combustibles: i) Estacionario (industrias, residencias), ii) Transporte (terrestre, marítimo, aéreo, espacio) y iii) Portable. El que se ha investigado y desarrollado con mayor atención es el sector estacionario, debido al futuro desabastecimiento eléctrico en diferentes países y debido a la disminución de la producción de combustibles derivados del petróleo con su correspondiente irregularidad en los precios. Actualmente, la investigación para aplicaciones del sector transporte tienen una gran importancia debido a la contaminación de las fuentes móviles y al aumento del parque automovilístico a nivel mundial. En tercera instancia se encuentra la investigación del sector portable con diversas aplicaciones de baja potencia y la enseñanza de esta tecnología en organizaciones educativas.

Tabla 2: Aplicaciones de las celdas de combustible y año de comercialización.

Aplicación Habilitada Comercialmente Fuel Cells

Espacial 1960 AFCs

Cogeneración comercial < 5MW 1996 PAFCs

Automóviles 2003 – 2010PEMFCs,

DMFCs

Cogeneración comercial y residencial <500KW 2002 PEMFCs

Portable / Backup 1999 PEMFCs

Potencia distrib. / cogeneración ~ 2005 MCFCs, SOFCs

Cogeneración industrial ~ 2005 MCFCs, SOFCs

Central Generadora No se sabe MCFCs, SOFCs

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2. ANALISIS DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE

Los datos experimentales obtenidos en la pila de combustible fueron los que se presentan en la siguiente Tabla.

Tabla 3: Datos experimentales de voltaje-intensidad.

A partir de estos datos se van a calcular y analizar las pérdidas que tienen lugar, la potencia máxima a la que puede trabajar la pila y la eficiencia de la misma.

2.1. CURVA DE POTENCIA

La potencia de una celda de combustible se determina a partir de la siguiente expresión:

(1)

Si se representa la potencia calculada según la Ecuación 1 frente a la intensidad se obtiene la curva de potencia de la pila (Figura 2). Se observa que la potencia máxima a la que puede trabajar la pila es 1,8 W. Es decir, trabajando en continuo, a una intensidad de 3.5 A la pila daría un funcionamiento mejor. En la Figura 1 también se incluye la curva característica de la pila. Esta curva representa la evolución del voltaje con la intensidad, con lo que se observa el comportamiento de la pila bajo distintas condiciones de carga. Se aprecia que existen efectos irreversibles dentro de la pila de combustible que reducen grandemente su voltaje terminal. Al hablar de las pérdidas dentro de una pila generalmente se dice que hay sobrevoltajes o efectos de polarización. Por lo general, se agrupan en tres clases: resistencia o polarización óhmica, activación o _____________________________________________________________________________________


Voltaje (V) Intensidad (A)

0,135 4,574

0,220 4,499

0,330 4,304

0,433 3,945

0,512 3,514

0,604 2,78

0,702 1,800

0,749 1,300

0,800 0,784

0,838 0,451

0,891 0,149

0,905 0,07

0,940 0,014

0,970 0,003

1,018 0,000


polarización química y polarización de concentración. La magnitud de cada uno de estos efectos es función de la densidad de corriente (Ji). Estas polarizaciones se determinaran en el siguiente punto.

Figura 2: Curva característica (eje de la derecha) y curva de potencia (eje de la izquierda) de la pila a estudiar.

2.2 CÁLCULO DE LAS POLARIZACIONES

2.1.1 Polarización de activación

Este tipo de sobrevoltaje se debe al efecto catalítico de los electrodos, es decir, a las cinéticas químicas y físicas que ocurren en su superficie. La ecuación matemática que representa la polarización de activación es la siguiente:

(2)

Para estimar el valor de los parámetros de la Ecuación 2 se ajustan los datos experimentales a la dicha Ecuación 2 linealizada. Para ello, expresandola en forma de línea recta, y = a·x + b, se tiene que la pendiente es:

(3)

y la ordenada en el origen:

(4)

Entonces representando la polarización de activación frente al logaritmo neperiano de la densidad de corriente (Figura 3) se pueden calcular los valores de α y j 0, teniendo en cuenta que la temperatura de operación es de 80 ºC, el número de electrones es 2, y el valor de la constante de Faraday y de los gases ideales. De este modo se tiene que:

_____________________________________________________________________________________



Figura 3: Polarización de activación frente al logaritmo neperiano de la densidad de corriente, j.

2.2.2 Polarización Ohmica

Este tipo de polarización hace referencia a las pérdidas por la resistencia interna de la pila, e incluye pérdidas en el electrolito así como en los electrodos. En esta región la caída de voltage básicamente es proporcional a la densidad de corriente, y se denomina caída óhmica. Viene descrita por la siguiente Ecuación:

(5)

Entonces representando la polarización ohmica frente a la intensidad de corriente (Figura 4) se obtiene una línea recta cuya pendiente es la resistencia ohmica, cuyo valor es:

Figura 3: Polarización ohmica (V) frente a la intensidad de corriente (A).

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2.2.3 Polarización por concentración

La polarización por concentración son pérdidas por el transporte de masa. Se debe a los gradientes de concentración que se establecen en el electrolito como consecuencia de la disminución de la concentración de los reactantes en la superficie de los electrodos, debido a su consumo. A la máxima densidad de corriente (límite) la concentración de reactante en la superficie del electrodo es virtualmente cero; los reactante son consumidos tan pronto como llegan al electrodo.

La expresión matemática que describe este tipo de pérdidas es la siguiente:

(6)

Ajustando a los datos experimentales por medio del método de mínimos cuadrados se tiene que:

En la Figura 5 se representan las curvas de las polarizaciones calculadas. Se observa que cada una de ellas tiene más importancia que las otras en función del valor de la densidad de corriente. Así para valores bajos, las pérdidas causadas por los efectos catalíticos de los electrodos son mayores. A medida que aumenta la intensidad estas pérdidas se atenúan haciéndose apreciables las pérdidas causadas por las resistencias internas de la pila, las cuales tienen un efecto lineal. Finalmente, a partir de cierto valor de la intensidad de corriente las pérdidas debidas al transporte de materia son más importantes con carácter exponencial.

Figura 5: Potencial de la pila y efecto de las distintas polarizaciones.

2.3. EFICIENCIA

La eficiencia térmica de una pila de combustible que trabaja a baja temperatura es superior que a la de los procesos basados en el ciclo de Carnot, como los motores de combustión (interna o externa), ya que no se rige por un ciclo termodinámico. Entonces, la eficiencia térmica de una pila se define como el cociente de la variación de la energía _____________________________________________________________________________________



libre de gibas (energía química disponible), por la variación de la entalpía de la reacción química completa (energía liberada por la reacción química), es decir, la potencia calorífica superior del hidrógeno.

(7)

Sin embargo, si aumentase la temperatura de operación la eficiencia de la pila disminuiría considerablemente (Figura 6) puesto que el calor generado no es aprovechado. En la actualidad, una combinación de las dos tecnologías da lugar a un mayor aprovechamiento. El exceso de calor procedente de la pila de combustible es utilizado para alimentar una turbina y extraer más potencia eléctrica

Figura 6: Efecto de la temperatura en la eficiencia de las pilas de combustible y motores de combustión.

Pero la eficiencia real de una pila de combustible depende de otros factores. Por ejemplo, depende en gran medida de la corriente que circula a través de la celda de combustible: cuanto mayor es la corriente, más baja es la eficacia. También del aprovechamiento de la energía del combustible a eléctrica. Expresándolo en forma de eficiencias se tiene:

(8)

(9)

El conjunto de estas eficacias da lugar a la eficiencia real de la pila que es el valor que hay que tener en cuenta a la hora final.

(10)

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A partir de estas Ecuaciones se calcula la eficiencia real de una pila de combustible. Los datos experimentales son los siguientes:

Consumo de H2 = 25 ml/min (25ºC y 1 atm)I = 2.449 AV = 0.481 V

Entonces, para el cálculo de la eficiencia termodinámica solo es necesario sustituir el valor de los parámetros dados por la Ecuación 7. De este modo, se tiene que la eficiencia termodinámica tiene un valor de:

Para el caso de la eficiencia de voltaje, es preciso determinar el valor del potencial a la temperatura de trabajo mediante la Ecuación de Nerst:

(10)

De este modo se tiene que:

Por último, se determina la eficacia del combustible sustituyendo los parámetros de la Ecuación 9, previa transformación del caudal volumétrico de hidrógeno en caudal molar. De este modo:

Así que la eficiencia real de la pila de combustible es:

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4. NOMENCLATURA

A, superficie (cm2)

E potencial electrostático (V)

E0 potencial electrostático estándar (V)

F, cte. Faraday (C/mol)

I, intensidad (A)

ji, densidad de corriente, (mA/cm2)

mfuel caudal molar (mol/h)

n, moles (mol)

P, potencia (W)

PCS potencia calorífica superior a T (kJ/mol·K)

pH2 presión parcial de H2 (atm)

pO2 presión parcial de O2 (atm)

R, cte. gases ideales (atm·l/mol·K)

Relec resistencia de los electrodos (Ω)

Rion resistencia electrolito (Ω)

T, temperatura (K)

V, voltaje (V)

α, cte. ecuaciones polarización

ΔG, energía libre de Gibas a T (kJ/mol·K)

εfuel, eficiencia fuel

εreal, eficiencia real

εtherm, eficiencia térmica

εvol, eficiencia de voltaje

ηact, polarización de activación (V)

ηconc, polarización por concentración (V)

ηohm, polarización ohmica (V)

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5. BIBLIOGRAFIA

Fernández, D. (2001), Estudio de Generación de Energía en base a Celdas de Combustible en el Ámbito Tecnológico Nacional. Memoria para optar al Título de Ingeniero Civil Industrial. Universidad Diego Portales.

Lineo F. & Palma R. (2004), Celda de combustible controlada mediante LabView, Anales del Instituto de Ingenieros de Chile.

Sala J. (1994), Cogeneración: Aspectos Termodinámicos, Tecnológicos y Económicos, 2ªEd., Editorial Universidad del País del Vasco.

World Fuel Cell Council, "Internet Home to the world fuel cell council". Oneline. Internet. Disponible en: www.fuelcellworld.org

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http://www.fuelcellworld.org/

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