que es una celda de combustible
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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA
ESCUELA DE:
INGENIERIA MECÁNICA AUTOMOTRIZ
CATEDRATICO:
ING. FREDDY TACURI
CATEDRA:
ELECTRICIDAD AUTOMORIZ I
ALUMNOS:
WALTER LÓPEZ
MARIO BERMEO
HECTOR ARIZAGA
NERIO SILVA
SANTIAGO INGA
GRUPO # 5
V CICLO INGENIERIA MECANICA AUTOMOTRIZ
2013
TEMA
CELDAS DE COMBUSTIBLE
INTRODUCCIÓN
La celda de combustible es una membrana en la que se mezclan el hidrógeno y el aire de la
atmósfera. De su unión surge una corriente eléctrica que sirve para mover un motor eléctrico en
el caso de los vehículos. El residuo de la reacción es sólo agua.
Figura 1. La Ubicación de las Celdas de Combustible
La primera celda de combustible fue
construida en 1839 por Sir William Grove,
un juez y científico galés que demostró que
la combinación de hidrógeno y oxígeno
generaba electricidad además de agua y
calor.
El verdadero interés por la utilización de
celdas de combustible como un generador
práctico vino hacia comienzos de los años
sesenta de nuestro siglo, cuando el
programa espacial de los Estados Unidos
seleccionó las celdas de combustible para
proporcionar electricidad y agua a las naves
espaciales Gemini y Apollo.
Figura 2. Sir Wllian Grove (inventor de las
celdas de combustible)
Hoy en día, la aplicación espacial ya no es la única de tipo práctico, puesto que las celdas de
combustible están atravesando por un gran momento, al haber alcanzado una etapa tecnológica
que les permite estar en posición de competir cada día más con las tecnologías convencionales
de generación eléctrica, ofreciendo enormes ventajas sobre ellas, sobre todo en el tema
medioambiental.
OBJETIVOS
Objetivo General
• Conocer que son las denominadas celdas de combustible.
Objetivos Específicos
• Conocer el funcionamiento de las celdas de combustible.
• Conocer los tipos de celdas de combustible existentes.
• Reconocer el principio de funcionamiento de las
denominadas caldas de combustible.
• Reconocer los componentes principales de las celdas de
combustible.
• Conocer las diferentes formas de obtención del Hidrógeno.
DESARROLLO
QUE ES UNA CELDA DE COMBUSTIBLE
Las celdas de combustible son aparatos electroquímicos análogos a las baterías convencionales:
ambos poseen electrodos positivos y negativos y un electrolito. Sin embargo, a diferencias de
las baterías, que puede suministrar potencia solo por un tiempo definido, luego del cual hay que
recargarlas o remplazarlas, la celda de combustible gracias a que absorbe nuevos suministros de
combustible permanente puede operar continuamente, es decir, produce electricidad mientras
esté siendo alimentada con combustible y oxidante.
Una celda de combustible es un sistema de flujo estable, en el cual el combustible y el oxidante
se suministran desde una fuente externa que provee un medio de transformar energía química en
eléctrica, sin combustión y sin contaminar el aire ni el agua, en un proceso continuo y directo
mediante reacciones de reducción y oxidación en presencia de un catalizador, y elimina los
productos de la reacción. De manera ideal, no hay cambios en la composición química del
electrolito o de ambos electrodos.
Figura 3. Configuración general de una Celda de Combustible
La reacción química que ocurre en la celda de combustible es isotérmica y continua. Las celdas
de combustión no están limitadas por el Principio de Carnot, por lo que pueden alcanzar una
mayor eficiencia teórica en la conversión de energía, mientras que las reacciones de combustión
involucren grandes variaciones de temperatura, lo cual genera energía como calor o calor y
trabajo. Las perdidas excesivas que se producen en los sistemas de conversión de energía de
varias etapas pueden evitarse mediante el uso de celdas de combustible que hacen la conversión
en un proceso de una sola etapa.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
El funcionamiento es simple. El hidrogeno que pasa por un medio electrolítico (membrana de
intercambio de protones en el caso de las Celdas de Combustible tipo PEM), que permite el
paso de los protones del hidrogeno, rechazando los electrones que son obligados a pasar por el
circuito y carga eléctrica con la consecuente generación de corriente eléctrica.
El esquema parece simple se complica por las variables que se introducen respecto combustible
(hidrogeno), fuente de origen, calidad, almacenamiento, etc. Estas variables afectan el
funcionamiento y las características técnicas de la energía generada.
Figura 4. Principios básicos de las Celdas de Combustibles
COMPONENTES BÁSICOS DE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE
Y FUNCIONAMIENTO DE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE
Funcionamiento de una celda de combustible
En una celda de combustible, el combustible y el oxidante reaccionan isotérmicamente, por lo
cual se produce una reacción en cada electrodo por separado. Una reacción ocurre en la
superficie de un electrodo que ioniza el combustible y manda los electrones liberados a un
circuito eléctrico externo, y en la superficie del otro electrodo ocurre una reacción que recibe
electrones del circuito externo que cuando se combinan con el oxidante crean iones. Los iones
se combinan en el electrolito para completar la reacción total. El electrolito, que no es conductor
eléctrico, transporta los iones entre los electrodos, para completar el circuito y continuar con el
flujo de electrones.
Componentes basicos de la Celda de Combustible son:
Los electrodos. El ánodo, que suministra los electrones al circuito externo, y el cátodo,
que los recibe del circuito externo. Los electrodos separan al combustible y al oxidante
del electrolito, y están hechos de materiales porosos para incrementar el área sobre la
cual ocurre la reacción.
El electrolito. El tipo de electrolito usado clasifica a las celdas de combustible, y
determina el flujo de iones y la temperatura de operación de la celda; puede ser ácido,
transportando iones positivos H+¿¿, o alcalino transportando iones negativos OH .
Puede ser, además de acuoso, líquido y también sólido, que son los adecuados para
celdas que funcionen a elevadas temperaturas.
El Combustible. Los combustibles utilizados en las celdas de combustibles son el
hidrogeno, el gas natural, hidrocarburos ligeros, etc. Sin embargo, el hidrógeno gaseoso
es el único que podría ser el de mayor aplicaión. El hidrogeno tiene el más alto
contenido de energía por unidad de peso que cualquier otro combustible, y en caso de
accidente se dispersa rapidamente.
Cuando reacciona con el oxigeno en las celdas de combustile, este puede producir
electricidad directamente, y puede sobrepasar los limites de eficiencia del ciclo de
Carnot obenidos en la actualidad en plantas termoelectricas. El hidrogeno peude
producirse de una gran variedad de fuentes de energía, tales como: Elctrólisis del agua,
gas natural, la biomasa, etc., y se puede almacenar de difernetes maneras, como gas
comprimido, licuado a muy bajas temperaturas, como compuesto liquido
(metanol,amoníaco) o como un sólido en forma de hidruro metalico.
Catalizadores. La tecnologia de la celdas de combustible fuen en sus principios
limitada por los catalizadores, ya que en las celdas de combustible de baja temperatura
que usan electrolitos acuosos se requerian metales nobles caros, tales como el platino,
para aumentar la velocidad de la reaccion en los electrodos.
Oxidante. Aunque el oxigeno es el gas oxidante, no es necesario utilizarlo puro, ya que
para muchas de las aplicaciones se el aire como el oxidante.
Tipos de celdas de combustible y características técnicas de cada una de ellas
(componentes, materiales, potencias, aplicaciones)
Tipo ElectrolitoTemperatura de operación
(°C)
Características Especiales
Aplicaciones
Celdas combustible
alcalina (AFC)
Solución de hidróxido de
potasio diluido
60 a 120
Alta eficiencia adecuada solo para el
hidrogeno no puro y el oxigeno
Sistemas espaciales, sistemas de defensa
Celdas de combustible de membrana de
intercambio de protones (PEM)
Membrana polímero
conductora de protones
20 a 120
Comportamiento de la operación muy
flexible, densidad de alta potencia
Vehículos, generación descentralizada de
electricidad (plantas pequeñas)
Celdas de combustible de ácido fosfórico
(PACF)
Ácido Fosfórico
160 a 220Eficiencia limitada,
problemas de corrosión
Generación de electricidad
descentralizada, potencia y calor
combinados
Celdas de Combustible de
carbonato fundido (MCFC)
Carbonato diluidos
600 a 650Control de proceso
complejo, problemas de corrosión
Generación de electricidad
centralizada y descentralizada de,
potencia y calor combinados
Celdas de combustible de
óxido solido (SOFC)
Bióxido de Zirconio solido
850 a 1000
Potencia eléctrica directa del gas natural, tecnología de cerámica
(altas temperaturas)
Generación de electricidad
centralizada y descentralizada calor y potencia combinados
Tipo de Celdas de Combustible (I) PEM (Proton Exchngue Membrane)
Las pilas PEM usan como electrolito un polímero solido
Utilizan un catalizador de platino
Ventajas
Rapidez de arranque. Operan a relativamente a bajas temperaturas (80°C).
Desventajas
Extremadamente sensible a la contaminación por CO.
Aplicaciones
Transporte terrestre vehicular (mayor aplicación)
Potencia estacionaria residencial y comercial
Característica:
Temperatura: 80°C
Eficiencia (%): 32-45
Potencia: 5-250 kW
Figura 5. Pila de combustible PEM
Tipos de celdas de combustible (II) PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)
Las pilas PAFC utilizan ácido fosfórico como electrolito
Requieren un catalizador de platino
Ventajas
Son menos sensibles a la contaminación por CO que las pilas PEM.
Desventajas
Gran peso y tamaño. Son caras (3500-4000 $ por kilovatio)
Aplicaciones
o Potencias estacionaria (residencia y comercial) combinación de calor y potencia.
Características
Temperatura: 205 °C
Eficiencia(%): 36-45
Potencia: 50 kW-11 MW
Figura 6. Pila de combustible PAFC
Tipos de Celdas de Combustible (III) AFC (Alkaline Fuel Cell)
Las pilas alcalinas utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como
electrolito.
Como catalizador se pueden emplear diversos metales no preciosos
Ventajas
Alto rendimiento y eficiencia.
Desventajas
Son muy sensibles a la contaminación por CO2.
Menor duración debido a su susceptibilidad a ese tipo de contaminación
Aplicaciones:
Espacio (Naves Espaciales)
Militares (Submarinos)
Características:
Temperatura: 65-220 °C
Eficiencia (%): ¿50
Potencia: 5-150 kW
Figura 7. Pila de combustible Alcalina
Tipos de Celdas de Combustible (IV) SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)
Las pilas de óxido solido emplean como electrolito un componente de cerámica duro y
no poroso.
No necesitan catalizador.
Ventajas
Menor costo (no necesitan catalizador).
Alto rendimiento en sistemas de cogeneración (electricidad + calor)
Muy resistentes a la corrosión y a la contaminación por CO.
Desventajas:
Arranque lento.
Las altas temperaturas afectan a la duración de los materiales de la pila.
Aplicaciones
o Potencia estacionaria comercial e industrial
o Transporte terrestre vehicular (en desarrollo)
o Transporte terrestre (trenes)
Características:
Temperatura: 600-1000 °C
Eficiencia (%): 43-55
Potencial: 100-250 kW
Figura 8. Pila de combustible SOFC
Tipos de Celdas Combustible (V) MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)
Las pilas de carbonato fundido utilizan un electrolito compuesto de una mezcla de sales
de carbonato fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa.
Como catalizador emplean metales no nobles.
Ventajas
Resistente a la contaminación por CO y CO2.
No necesitan reformador externo: debido a las altas temperaturas los combustibles se
convierten en hidrogeno dentro de la propia pila, mediante un proceso de conversión
interna.
Desventajas:
Arranque lento
Corta duración: Las altas temperaturas y el electrolito corrosivo deterioran los
componentes de la pila.
Aplicaciones:
Potencia estacionaria y comercial (combinación de potencia y calor)
Características:
Temperatura: 600-650 °C
Eficiencia (%): 43-55
Potencia: 100 kW- 2MW
Figura 8. Pila de carbonato fundido
Formas de obtención y almacenamiento del hidrogeno.
La producción de hidrógeno se realiza mediante diversos métodos que requieren la separación
del hidrógeno de otros elementos químicos como el carbono (en los combustibles fósiles) y el
oxígeno (del agua).
El hidrógeno se extrae tradicionalmente de los combustibles fósiles (habitualmente
hidrocarburos) – compuestos de carbono e hidrógeno- por medio de procesos químicos.
Reformado: es el procedimiento más usado actualmente, aproximadamente el 95% de la
producción mundial. En este proceso el metano, a partir de gas natural, reacciona con vapor de
agua (reformado con vapor de agua) o con oxígeno (reformado por oxidación parcial) o
mediante una combinación de ambos (reformado auto-térmico). En cualquiera de estos procesos
el CO2 aparece como uno de sus subproductos.
Pirólisis: consiste en la descomposición controlada de carbón o biomasa mediante la acción de
calor en ausencia de oxígeno para generar gas de síntesis rico en hidrógeno.
Gasificación: consiste en una combustión de carbón o biomasa pobre en oxígeno cuya posterior
manipulación consigue generar hidrógeno de gran pureza.
Electrolisis: proceso en el que se usa la corriente eléctrica para romper la molécula de agua y
disociar el hidrógeno y el oxígeno que contiene.
Fermentación: consiste en la producción de hidrógeno mediante la producción de etanol
(fermentación alcohólica) o biogás (fermentación anaerobia) a partir de biomasa.
Fotólisis: procedimiento de carácter experimental que emplea la luz solar usando organismos
(procesos foto-biológicos) o semiconductores de diseño específico (procesos foto-
electroquímicos) para la producción de hidrógeno.
Un reformador consiste en:
1. Purificación del combustible (incluyendo remoción de sulfuro)
2. Reformador de vapor o oxidación del combustible para formar hidrógeno y
óxido de carbón.
3. Purificación primaria: conversión de CO a CO2
4. Purificación secundaria: reducción de CO
Usa existente infraestructura
1. Reduce la necesidad de transportar y almacenar hidrógeno
2. No se necesita grandes cantidades de energía como en la electrolisis
3. Es menos caro que otras técnicas
4. Tiempos de calentamiento pueden ser largos
5. Difíciles de aplicar a vehículos
6. Complejos, grandes y caros
7. No usa combustibles combustibles renovables
8. Produce contaminantes mediante combustión, como óxido nitroso
Tipos de reformadores
Vapor (proceso endotérmico, 450º - 925º C), más eficiente y económico (90%
ef.)
Oxidación parcial (proceso exotérmico, 1150º - 1315º C)
Autotermal (mix)
Figura 9. Tipo de reformadores
Otros métodos
Foto conversión (8-12 % eficiencia)
Celdas Fotovoltaicas y electrólisis
Proceso fotobiológico (cyano bactería, algas, 1-2%)
Producción por biomasa (termoquímica conversión y digestion anaerobica)
Procesos industriales (subproductos)
Almacenamiento H2: Otros métodos
Carbón absorción (Metales híbridos)
Micro esferas de cristal
Oxidación del Hierro
CONCLUSIONES
• El funcionamiento de cada una de las celdas de combustible, esta basado en la generar una energía limpia igual a la de proceso químico.
• Este es un método muy bueno para la obtención de una energía, ya que el Hidrógeno hay en abundancia y solo hay que saber como obtenerlo y almacenarlo.
• Con la unión de varias placas podemos obtener una determinado voltaje ya que cada celda entrega 0.7 V.
• Para la obtención del hidrógeno existen muchos métodos los cuales están ligados siempre a tener una obtención pura, utilizando métodos con energías no renovables como métodos con energías renovables.
• Cada uno de los estudios apuntan para tener una generación de energías limpias, es decir es una energía del futuro no muy lejano.
BIBLIOGRAFÍA
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