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PILAS DE

COMBUSTIBLE

P. OCON

Departamento de Química Física Aplicada

Facultad de Ciencias

UAM P. Ocón. SEMANA DE LA CIENCIA 2012 1

PILAS DE COMBUSTIBLE

Introducción

Conversión de energía química en eléctrica

Pilas de combustible.

Aplicaciones

Conclusiones

2 P. Ocón. SEMANA DE LA CIENCIA 2012


Introducción

La revolución industrial, provocó grandes cambios en los

hábitos y modo de vida de las personas.

Las comarcas rurales comienzan a despoblarse, la población acude a las industrias con el fin de tener una forma de vida más segura.

El rápido incremento de la población en las ciudades hace que surjan problemas en el abastecimiento de víveres.

Gran Bretaña tuvo desarrollo precoz en el último cuarto del siglo XVIII.

El fenómeno se extiende al resto de los países occidentales (siglo XIX).



James Watt ( Maquina de vapor) innovación mas importante

de la revolución industrial Ecalorifica → Emecánica

Desarrollan: Sistemas de producción industrial

Desarrollo de medios de transporte.

Tren → Expansión comercio

Consumo y producción de Energía NUEVO FACTOR

Sector Energético basado en Carbón no varia hasta finales del XIX


Primeros vehículos eléctricos 1830 (baterías no recargables) Finales del XIX (1869 Planté), producción en masa de baterías recargables (Batería Pb/ácido) uso masivo del VE 1911 motor de combustión interna (uso masivo del petróleo) Principal mercado de las baterías recargables fue desde entonces La industria del automóvil “arranque del motor de combustión interna”

5

Taxi en N.Y 1901

Dispositivo Energía especifica

Wh/kg

Energía especifica Wh/kg real

(recorrido de 50Km)

Dimensionado actual 45L

Combustible Motor de

combustión

9000 1800 (4.5L) 40 Kg

Batería Pb ácido 30 27 (270 Kg) 2700Kg

Aprovechar energía del a frenada regenerativa

Tiempo de recarga (horas), repostaje (minutos)

Coste

Sociedad (Domina la producción y distribución de alimentos,

pero se hace dependiente de la Energía)

INNOVACIONES


P. Ocón. SEMANA DE LA

CIENCIA 2012


Las fuentes de energía pueden clasificarse en

No Renovables o fósiles: Son la principal fuente de

Energía mundial consumida, actualmente (85%).

Problemas de CO2, CO, NOx.

Efecto invernadero.

Renovables. Fuente ilimitada (1970)



Energías renovables. Fuente ilimitada.

Hito: (1970, crisis del petróleo)

Concienciación sobre la conservación del medio ambiente.

Se implanta la construcción de centrales nucleares. Generando Energía por fisión Uranio. Tiene éxito ya que la producción de Energía es elevado dado que hay

grandes reservas de U con la posibilidad de reciclarlo.

Posibilidad de realizar proceso de fusión (ITER).




Producción de Energía eléctrica en España


RETOS

Energías renovables

Almacenamiento de Energía durante los

periodos de bajo consumo.

Batería sistema de almacenamiento

Transforma Equímica→ Eeléctrica




Energy Park at Agder College , Grimstadt, Noruega

Rentable, para lugares alejados

Conversión fotovoltaica de energía



España

7MW años 90

300MW actual

Europa

12% (total) 2012

Parque eólico

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2d/Tauernwindpark.jpg


Conversión y almacenamiento electroquímico

de la energía

Dispositivos Pilas primarias o elementos galvánicos

Pilas secundarias o acumuladores

Pilas de combustible


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ee/Photo-CarBattery.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/22/Fuel_cell_NASA_p48600ac.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d9/Batterien.jpg

Conversión cíclica de la energía


O2

H2O

H2O --> H2 + 0.5 O2 H2 + 0.5 O2 --> H2O

H2

SOL

Electrolizador Pila de combustible

atmósfera



Energía

térmica

Energía

eléctrica

Energía

Mecánica

Combustible

químico

caldera generador

Motor de

explosión

Rendimiento max.

20% Teórico y Practico

Pila de combustible

Rendimiento:

Teórico 90%

Practico 50%

Conversión electroquímica de la energía

Conversión directa

INICIO FIN


Primeros usos prácticos * Gemini : 1 kW PEFC (General Electric) * Apollo : ~10 kW AFC (Pratt & Whitney

1.5KW


Energía química

2H2+O2 2 H2O

Pila de

combustible

Energía eléctrica

H2 2H+ + 2e-

O2 + 4H+ + 4 e- → 2 H2O

Dispositivo electroquímico que convierte, la

energía química de una reacción

directamente en energía eléctrica, mientras

que se suministre combustible y oxidante a

sus electrodos, sin más limitaciones que los

procesos de degradación o mal

funcionamiento de los electrodos

Stack




PILAS DE COMBUSTIBLE 1) En el ánodo tiene lugar la oxidación del combustible: las moléculas de hidrógeno se disocian en protones y electrones. 2) El electrolito permite el paso de los protones, e impide el paso de los electrones. 3) Los electrones generan corriente eléctrica a su paso por un circuito externo. 4) En el cátodo se produce una reacción de reducción: electrones y protones se combinan con el oxígeno para formar agua.

Celda de combustible

Una celda individual genera un voltaje cercano a un voltio. Para las aplicaciones que requieren mayor voltaje y alta

potencia se apilan en serie el número necesario de estas celdas, para formar una pila de combustible.

- - +

Anode Cathode

Electrolyte

OH2e2HO2

122

2e2HH2

Tipos de Pilas de Combustible

PILA DE COMBUSTIBLE:

DE ELECTROLITO POLIMÉRICO PEMCF

60-100 oC

DE METANOL DIRECTO DMFC

60-100 oC

ALCALINA AFC

120-250 oC

DE ÁCIDO FOSFÓRICO PAFC

150-220 oC

DE CARBONATOS FUNDIDOS MCFC

650-750 oC

DE ÓXIDO SÓLIDO SOFC

600-1000 oC

Entrada de

combustible

Salida de

combustible

Salida de

oxidante y H2O

Entrada de

oxidante

Ánodo Electrolito Cátodo

Cargae-

PEMFC

PAFCH2

H+ O2

H2O

DMFCCH3OH

H2O

CO2

H+O2

H2O

AFC H2

H2OOH- O2

H2

CO2

H2OMCFC CO3

= O2

CO2

H2

H2OSOFC

O= O2


Electrodos de PEMFC


combustible H2 ---> 2H+ + 2e-

O2 + 4H+ + 4e- ---> H2O

H+

W

e-

H2 + ½ O2 ---> H2O DG = -57 kcal mol-1

Componentes. Electrodos


PILAS DE COMBUTIBLE

Caracterización en célula de prueba


- Célula de combustible de ensayo para

probar los materiales: eficiencia y

estabilidad

conjunto electrodo-membrana intercambiable

Monocelda

• Sellado adecuado para evitar fugas de gases

• Difusión de gases adecuada

• Monocelda

de 5cm2



SISTEMA REAL:

MONOCELDA EN

OPERACIÓN

Estación manual


Medidas de Actividad

• Curva de polarización I-V de una MEA comercial Pt/C

0 1 2 3 4 5 6

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Potencia (W

)Vol

tios

Amperios

40 psig / Humedad 70ºC

Tcelda 70ºC

Tcelda 75ºC

Tcelda 80ºC

Potencia


Pilas de Combustible Metanol Directo (DMFC)

Aplicaciones portátiles: ordenadores, teléfonos móviles , sensores, aparatos

médicos, etc.


TOSHIBA Tecnología DMFC

Desarrollo desde 2002

Presentado en el Congreso

Mundial de Telefonía Móvil

de Barcelona (2008)

SAMSUNG

Tecnología DMFC

8 h/dia y mes

sin recarga 650 Wh/l

27

P. Ocón. SEMANA DE LA

CIENCIA 2012

DISTRIBUCIÓN DE POTENCIA

EN FORMA MODULAR SOFC soportado en ánodo

Reformado interno con 60%

eficiencia

PORTÁTIL

sitios remotos, aplicaciones militares y transporte

GENERACIÓN DE POTENCIA

DOMÉSTICA Y CALOR

– CHP combined heat and

power (microgeneración)

- Toperación 500-600 °C

- - planar, soporte

suministra la calefacción, agua caliente y electricidad

(reemplaza la caldera) - reduce costes de energía 25%

y emisiones de CO2 1-2 T

ALTA TEMPERATURA SOFC

GENERACIÓN DE POTENCIA

ESTACIONARIA

Siemens Westinghouse

>

-hoteles,

hospitales,

suministro

a la red

1-25 kW

1 kW

100kW

Pilas de Combustible de Electrolito Polimérico PEMFC

Aplicaciones estacionarias (sistemas híbridos y aplicaciones residenciales) y

en aplicaciones en transporte (automóviles, autobuses y motocicletas).

250 kW



P. Ocón. SEMANA DE LA CIENCIA 2012 29

PILAS DE COMBUSTIBLE APLICACIONES



CONCLUSIONES Ningún dispositivo cumple con todos los requerimientos exigidos.

Los sistemas híbridos consiguen mayor eficacia en rendimiento total

La no generación de productos contaminantes y el uso como

energía alternativa a los combustibles fósiles, impulsa el desarrollo

de dispositivos de celda de combustible, abordados con nuevas

tecnologías.

La inversión en investigación y desarrollo a nivel Europeo y Mundial

es muy grande actualmente.



BIBLIOGRAFÍA

Handbook of Fuel Cells – Fundamentals, Technology and Applications.

W. Vielstich, A. Lamm, H. A. Gasteiger Fuel Cell Projects for Evil Genius.

Fuel Cell Handbook (7th Edition) Gavin D. J. Harper Batteries and Fuel

Cells.

M. S. Whittingham, R. F. Savinell, T. Zawodzinski, Chemical Reviews,

104(10), (2004), 4243-4886 Proton Conductor – Solid, membranes and

gels – materials and devices.

http://www.energy.gov/ (objetivos tecnológicos PEMCF)

www.hychain.org


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