S UPERCONDENSADORES Y P ILAS DE C OMBUSTIBLE

aBALDIRIS,

Luisa FernandaJhon Jairo

aGIRN,

aUniversidad

Santiago de Cali

Facultad de Ciencias Bsicas Departamento de Ciencias Naturales, Exactas y Estadsticas Programa de Qumica Electroqumica Aplicada

CONTENIDO1. 2. 3. 4. 5.

QU ES UN CONDENSADOR? QU ES UN SUPERCONDENSADOR? HISTORIA PRINCIPIOS BSICOS CLASIFICACIN Y ELABORACIN DE SUPERCONDENSADORES VENTAJAS APLICACIONES

6. 7.

CONTENIDO8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.

PILAS DE COMBUSTIBLE HISTORIA REACCIONES EFECTO DE LA POLARIZACIN FUNCIONAMIENTO TIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLE VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE APLICACIONES

15.

Componente pasivo de un circuito elctrico con dos terminales formado por dos placas conductoras separadas por un material dielctrico, donde se almacena energa elctrica debido a la acumulacin de carga.

www.electronicafacil.net/tutoriales/Condensador.php

Son condensadores electroqumicos que tienen una densidad de energa inusualmente alta en comparacin con los condensadores comunes.

www.supercondensadores.com/

HISTORIAEl primer supercondensador fue patentado por el ingeniero elctrico H. E. Becker para la General Electric en 1957.

http://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_de_alta_capacidad

HISTORIAEl primer supercondensador fue ofrecido por Standard Oil of Ohio, tambin conocida como la SOHIO en 1969.

El primer xito para obtener supercondensadores rentables fue el uso de dixido de rutenio por Conway y sus colaboradores en 1991.

PRINCIPIOS BSICOS

Los estudios en supercapacitancia llevaron a proponer un nuevo modelo de almacenaje de energa elctrica: la pseudocapacitancia.

Supercapacitancia: Es la concentracin electrolito y la naturaleza de los electrodos.

del

Pseudocapacitancia: Es dependiente de la tensin.

un

fenmeno

CLASIFICACIN Y ELABORACIN DE SUPERCONDENSADORES

Los supercondensadores se clasifican de acuerdo con los materiales de los que se encuentran elaborados.

Actualmente, se distinguen principalmente cuatro tipos supercondensadores.

CLASIFICACIN Y ELABORACIN DE SUPERCONDENSADORES

1. Supercondensadores electrolticos de entrecaras de carbono de doble capa: Los principales son los que utilizan hidrxido de sodio y potasio o cido sulfrico.

CLASIFICACIN Y ELABORACIN DE SUPERCONDENSADORES2. Supercondensadores no electrolticos entrecaras de carbono de doble capa: de

Los principales son los que son elaborados como aerogeles, soles, los de nanotubos de carbono y carbn activado.

CLASIFICACIN Y ELABORACIN DE SUPERCONDENSADORES

3. Supercondensadores acuosos de xido de doble capa con pseudocapacitancia redox: Los principales son los de xido de litio, bixido de rutenio, bixido de iridio, xido de cobalto y bixido de manganeso.

4. Supercondensadores de polmeros conductores:

Los principales son los de politiofeno, polipirrol y polianilina. Tienen una densidad de energa mayor a 500 Watts por kilogramo.

VENTAJAS1. Gran perodo de operacin. 2. Capacidad de manejar altos valores de corriente. 3. Valor de carga fcil de monitorear. 4. Alta eficiencia.

5. Gran rango de tensin.6. Gran rango de temperatura. 7. Ciclos de funcionamiento largos. 8. Facilidad de mantenimiento.

APLICACIONES

Los supercondensadores han sido utilizados en diversas aplicaciones: - Automviles hbridos. - Apoyo energtico.

- Almacenamiento de energa.- Sistemas de transferencia de potencia.

Reactores de estado estacionario a los que se dosifican los reactivos en forma continua y de los que se extraen los productos tambin en forma continua.

Las celdas de combustible funcionan bajo el principio de intercambio de carga electroltica entre una placa de nodo negativa y una placa de ctodo positiva.

http://www2.ing.puc.cl/~iing/ed433/anales/celdasCombustible.htm

Cuando se utiliza hidrgeno como combustible bsico se produce hidrlisis inversa, dando agua y calor como subproductos, sin producir contaminantes, y convirtiendo energa qumica en elctrica.

Las Celdas de Combustible fueron inventadas y descubiertas en 1839. El alemn/suizo Christian Friedrich Schnbein public un artculo sobre el hidrgeno-oxgeno en el "Philosophical Magazine" en enero de 1839. El ingls Sir William Grove (1811-1896) trabaj en conexin en serie y paralelo en su poderosa batera platino zinc.

www3.euitt.upm.es/departamentos/ef/.../Tema%205.pdf

En una celda hidrgeno-oxgeno, el hidrgeno se oxida electroqumicamente en la interfase catalizadorelectrolito, segn la siguiente reaccin: H2(g) 2 H+ + 2e-

Los electrones atraviesan la carga para proporcionar la corriente deseada y terminar al ctodo, donde la reaccin de la reduccin que ocurre es: 2e- + O2 (g) La reaccin total es: H2 + O 2 H2O O2

Los diferentes tipos de celdas de combustible se caracterizan generalmente por el material de su electrolito. El electrolito es la sustancia que sirve como puente para el intercambio de iones entre el nodo y el ctodo.

Se agrupan en tres clases: resistencia o polarizacin hmica, activacin o polarizacin qumica y polarizacin de concentracin. La magnitud de cada uno de estos efectos es funcin de la densidad de corriente (Ji).

La potencia P proporcionada por una celda de combustible es Ie , por tanto:

El primer trmino de la derecha sera la potencia producida por la celda si la celda retuviese su fem de equilibrio al producir corriente, el segundo es la potencia generada normalmente en forma de calor por la resistencia del electrolito y el tercer trmino es el descenso de la diferencial de potencial en los electrodos debido a la produccin de corriente.

Un equipo de celdas de combustible est constituido por tres subsistemas:

1. Procesamiento de combustible (Reformer). Convierte el combustible en gas puro de Hidrgeno. Acepta diferentes combustibles, como Hidrgeno, gas natural, Gas Licuado, Diesel, Propano, Metanol, Gas de Carbn, Biogs, entre otros.

2. Apilamiento de Combustible. Donde ocurre el proceso electroqumico y se produce la corriente elctrica continua.

3. Inversor de Corriente. Este sistema convierte la corriente elctrica continua en corriente elctrica alterna.

1. Celdas de Combustible Alcalinas (AFC). 2. Celdas de Combustible con Intercambio de Protones (PEMFC). Membrana de

3. Celdas de Combustible de cido Fosfrico (PAFC). 4. Celdas de Combustible de Carbonato Fundido (MCFC). 5. Celdas de Combustible de xidos Slidos (SOFC). 6. Celdas (DMFCs). de Combustible de Metanol Directo

Celdas de Combustible de cido Fosfrico. Como toleran el CO2 pueden funcionar con combustibles derivados del carbono como metanol, etanol. Este es el tipo de celda de combustible ms desarrollado a nivel comercial y ya se encuentra en uso en aplicaciones tan diversas como clnicas y hospitales, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas elctricas y terminales aeroportuarios . Este tipo de celdas pueden ser usadas en vehculos grandes tales como autobuses y locomotoras.

Las celdas de combustible de cido fosfrico usan lquidos de este cido como medio electroltico, generan electricidad a ms del 40% de eficiencia y cerca del 85% si el vapor que sta produce es empleado en cogeneracin, comparado con el 30% de la ms eficiente mquina de combustin interna.Las temperaturas de operacin se encuentran en el rango de los 175-200C.

Celdas de Combustible con Membrana de Intercambio de Protones Estas celdas de combustible en comparacin a las otras celdas operan a bajas temperaturas (entre 60100C), tienen una densidad de potencia alta, pueden variar su salida rpidamente para satisfacer cambios en la demanda de potencia y son adecuadas para aplicaciones donde se requiere una demanda inicial rpida, tal como en el caso de automviles.

Estas celdas usan un polmero conductor de protones como electrolito, el material de una membrana tpica es Nafion. Entre el nodo y el ctodo est la membrana. Adems requieren de un catalizador comnmente formado por Platino. Como el electrolito usado es cido, ste tolera el CO2 permitiendo que con ello este tipo de celdas opere con combustibles reformados de productos fsiles como el gas natural, metanol u otro.

Celdas de Combustible de Carbonato Fundido

Las celdas de combustible de carbonato fundido prometen altas eficiencias combustible-electricidad y la habilidad para consumir combustibles base carbn. Esta celda opera a temperaturas del orden de los 6001000C.El electrolito es, normalmente, una mezcla binaria al 50% molar de Li2CO2 y K2CO3, que es lquida a la temperatura de operacin de la celda, embebida en una placa porosa inerte de partculas de LiAlO2.

l nodo es una estructura porosa de nquel sinterizado, con un espesor de alrededor de 0,5 mm y una porosidad del 60% a 70%, con un tamao medio de poro de unas 5 micras. El ctodo es una estructura similar de NiO, normalmente de 0,3 mm de espesor y 70% a 80% de porosidad, con un tamao medio de poro de 10 micras.

Celdas de Combustible de xidos Slidos

Un sistema de xido slido normalmente utiliza un material duro cermico en lugar de un electrolito lquido permitiendo que la temperatura de operacin alcance los 1000C. Las eficiencias de generacin de potencia pueden alcanzar un 60%.Un tipo de celda utiliza un arreglo de tubos de un metro de longitud mientras que otras variaciones incluyen un disco comprimido semejando la parte superior de una lata de sopa.

Estas celdas utilizan un xido slido, usualmente circonio estimulado con xido de itrio o de calcio (Y2O2)/ZrO2, como electrolito. Por la alta temperatura de operacin, estas celdas no necesitan platino u otro metal precioso como catalizador. El nodo de esta celda es ZrO2 dopado con nquel y el ctodo es estroncio dopado con xido de lantaniomagnesio (LaMgO3).

Celdas de Combustible Alcalinas Utilizan una disolucin acuosa de KOH como electrolito y operan a baja temperatura, alimentando el nodo con H2 puro y el ctodo con O2 puro. Para poder trabajar con esos gases a baja presin (12 bar) y conseguir las temperaturas sealadas, se requiere el empleo de catalizadores de metales nobles.

Se precisan sistemas de purificacin complejos y costos para que el H2 y O2 puros, requeridos en las zonas andica y catdica, cumplan las especificaciones de calidad exigidas por esta pila en un funcionamiento prolongado.

Celdas de Combustible de Metanol Directo En las celdas de este tipo, el metanol lquido se oxida directamente en el nodo. Esta celda no utiliza hidrgeno, trabaja a bajas temperaturas, es relativamente nueva en comparacin a las otras celdas.

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

CH3OH + H2OCtodo: (3/2)O2 + 6H+ + 6eReaccin Total: CH3OH + (3/2)O2

CO2 + 6H+ + 6e-

3H2O

CO2 + 2H2O

Tipo de celda de combusible Caracterstica PAFCs Electrolito Catalizador Reformer Combustible Temperatura opereracin (C) Eficiencia % PCI Potencia Eficiencia, % Aplicaciones Transporte H3PO4 Pt Externo H2 reformado 175 - 200 36 - 45 200 - 100 MW 40 - 85 Cogeneracin Estacional PEMFCs Polmero slido Pt Externo H2 reformado 60 - 100 32 - 40 100W - 10MW 40 - 50 Cogeneracin Portable, estacional MCFCs Li, Na y K Ni Externo, interno H2 reformado 600 - 1000 43 - 55 > 100 MW 50 - 60 Cogeneracin Estacional 44 - 55 > 100 MW > 60 Cogeneracin Estacional SOFCs xido slido, ZrO2, Trria Perovskites Externo, interno H2 reformado KOH Pt, Pd No usa H2 600 90 - 100 50 - 60 100 KW - 20MW 40 - 70 Cogeneracin AFCs KOH Pt, Pd No usa Metanol ~ 70 >50