celdas de combustible€¦ · ¿qué es una celda de combustible? conversión directa de energía...

CELDAS DE COMBUSTIBLEENERGÍA, PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO Y REDUCCIÓN DE EMISIONES DE CO2

Melanie Colet Lagrille, Ph.D.

Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología

Universidad de Chile

[email protected]

MELANIE COLET LAGRILLE © UNIVERSIDAD DE CHILE 2

Introducción.

Sir William Grove (1839)

Francis Thomas Bacon (1932)NASA – Misión Gemini (1962-1965)

General Electric Fuel Cells

Actualidad…

Fuente: W. Groove, On the Gas Voltaic Battery in

Philosophical Magazine and Journal of Science,

pp. 272 (1843).

© General Electric

Fuente: http://www.fuelcellenergy.com/


¿Qué es una Celda de Combustible?Conversión directa de energía química de un combustible (por ej. H2 o CH4) a energía eléctrica.

alta eficiencia de conversión bajos niveles de emisiones (CO2)

ánodo electrolito cátodo

Combustible y oxidante alimentados continuamente / Componentes de la celda son estables en el tiempo.

ánodo: 2H+(ac.) + 2e- H2(g)

cátodo: ½O2(g) + 2H+(ac.) + 2e- H2O(l)

½O2(g) + H2(g) H2O(l)

Figura 1. Esquema de una celda de combustible.


Eficiencia de Conversión en Celdas de Combustible.

Figura 2. Eficiencia de conversión de energía química a energía eléctrica como función del tamaño de la planta.

Potencia generada /

MW

Efici

enci

a /

%

0,1 0,5 1 5 10 50 100 500 1.000

0

10

20

30

40

50

60

70

Motor a gas

Motor diésel

Turbina a gas

Termoeléctrica

Planta de ciclo

combinado

CCAF

CCOS

Fuente: Cappadonia, M. et al., Principles, Functions and Classification of Fuel Cells in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, pp.43 (2000).

eficiencia depende de:

- termodinámica.

- cinética.

- uso del combustible.


Aspectos Técnicos de Celdas de Combustible.

Electrodos. Largo total de FTF = 2,63 µm-2

Largo total de FTF = 8,63 µm-2Fuente: U. Doraswami et al., Solid State Ionics 192(1) 494-500 (2009).

- Estructura porosa

(permeabilidad a los gases

y frontera de triple fase,

FTF)

- Actividad catalítica

(oxidación / reducción).

- Conductividad eléctrica

(e iónica).

- Estabilidad química

(reducción / oxidación).



Electrolito.

- Alta conductividad iónica a la temperatura de operación (idealmente resistencia óhmica < 0,15 cm-2).

- Conductividad eléctrica nula (o despreciable).

- Impermeable a los gases y estable en ambiente reductor y oxidante (entre 0 y 1,2 V).

Tipo de celda de combustible Ion transportado a

través de electrolito

Temperatura de

operación

Alcalina OH- 50 – 200 °C

Membrana de intercambio protónico H+ 30 – 100 °C

Metanol directo H+ 20 – 90 °C

Ácido fosfórico H+ ~ 220 °C

Carbonato fundido CO32- ~ 650 °C

Óxido sólido O2- 500 – 1.000 °C

Tabla 1. Diferentes tipos de celdas de combustible. Fuente: J. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, Capítulo 1, Segunda Edición, Wiley (2003).


“Aplicaciones” de Celdas de Combustible.

Figura 3. Resumen de las aplicaciones y principales ventajas de los diferentes tipos de celdas de combustible y sus diferentes aplicaciones.

Equipos

electrónicos

portátiles

Autos, botes,

CCCP

domésticos

Generación de

energía estacionaria,

buses

“Aplicaciones”

1 10 100 1k 10k 100k 1M 10MEnergía

en Watts

Densidad de energía

mayor que baterías.

Recarga más rápida.

Potencial de cero

emisiones.

Alta eficiencia.

Alta eficiencia.

Menos contaminación.

Silenciosas.

Principales

Ventajas

DMFC AFC

PEMFC

DMFC

SOFC

PAFC

Rango de

aplicación de

los diferentes

tipos de celdas

combustibles

Fuente: J. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, Capítulo 1, Segunda Edición, Wiley (2003).




Figura 4. Celda de combustible de ácido fosfórico. Genera 200 kW de electricidad y cerca de 200 kW de energía térmica (vapor).

Estas unidades son conocidas como sistemas combinados de generación de calor y potencia (CCCP).




Figura 5. Sistema de generación combinada de calor y energía eléctrica basado en celdas de combustible.

Intercambiador de calor

Generador de vapor

Soplador de aire

Sistemas de control

Equipamiento eléctrico

Unidad de desulfurización

Pre-reformador

Módulo de celdas

de combustible

Transformadores



Stacks e Interconexiones.

- Buen conductor eléctrico.

- Estable en ambiente reductor y

oxidante.

- Una celda produce < 1,0 V

conectar en serie.

Figura 6. Esquema de tres celdas en serie conectadas por los extremos del cátodo/ánodo.

Oxígeno(alimentado

a cada

cátodo) Hidrógeno(alimentado a cada

ánodo)Cátodo ÁnodoElectrolito

Energía

si hay reacciones en esta zona los electrones

deben pasar a lo largo de todo el electrodo

para alcanzar la conexión

Interconexiones.




Figura 7. Distribuidor de gases interno:

un plato bipolar más complejo permite a

los gases reactantes ser alimentados a

través de un único canal.

(Ballard Power Systems)

Canales de distribución

de hidrógenoHidrógeno

alimentado

Stacks e Interconexiones.

Canales de

distribución de

aire

Aire

alimentado

Hidrógeno

removido

Aire

removido

Fuente: J. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained,

Capítulo 1, Segunda Edición, Wiley (2003).


Tipos de Celdas de Combustible.

Hidrógeno / Metanol (combustible)

Oxígeno (usualmente del aire)

Energía

eléctrica

Ánodo

Cátodo

Figura 9. Celda de combustible de electrolito ácido.Fuente: J. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, Capítulo 1, Segunda Edición, Wiley (2003).

Celdas de Combustible de Electrolito Ácido.

- Membrana de Intercambio Protónico (PEM-FCs).

- Metanol Directo (DMFCs).

- Ácido Fosfórico (PAFCs).

Figura 8. Stacks de PEM-FCs desarrollados

por Ballard Power Systems.

(de 100 W l-1 a 1,1 kW l-1)



Celdas de Combustible de Electrolito Alcalino.

Hidrógeno (combustible)

Oxígeno (usualmente del aire)

Ánodo

Cátodo

Energía

eléctrica

Figura 10. Celda de combustible de electrolito alcalino.Fuente: J. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, Capítulo 1, Segunda Edición, Wiley (2003).

Figura 11. Celda de 1,5 kW usada en la misión

Apollo (generación electricidad y agua).



Celdas de Combustible de Carbonato (Hidróxido) Fundido.

Hidrógeno / CH4 / Carbón / CO

Oxígeno y dióxido de carbono

Energía

eléctrica

Flujo de electrones

en un circuito externo

Ánodo

Cátodo

CO32- iones a través del electrolito

Figura 12. Celda de combustible de carbonato fundido (MCFCs).Fuente: J. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, Capítulo 1, Segunda Edición, Wiley (2003).



Celdas de Combustible de Óxido Sólido.

Figura 13. Esquema de una celda de combustible de óxido sólido (SOFCs) con (a) un electrolito conductor

de iones óxido (O2-) y (b) un electrolito conductor de protones.

(a) (b)


Producción de Hidrógeno y Gas de Síntesis (H2 + CO).

¿Cómo se produce hidrógeno (o gas de síntesis)?

Reformado Electrólisis

(foto-electrólisis)

1.1. Reformado húmedo: hidrocarburos (carbón) + H2O(g)

1.2. Reformado seco: hidrocarburos (carbón) + CO2(g)

(gasificación)

(gasificación)

CH4(g) + H2O(v) CO(g) + 3H2(g)

C(g) + H2O(v) CO(g) + H2(g)

CH4(g) + CO2(g) 2CO(g) + 2H2(g)

C(s) + CO2(g) 2CO(g)

2.1. Electrólisis: electrolizador celda de combustible inversa(membrana de intercambio protónico

o electrolito alcalino)

cátodo: 2H+(ac.) + 2e- H2(g)

ánodo: ½O2(g) + 2H+(ac.) + 2e- H2O(l)

H2O(l) ½O2(g) + H2(g)

2.2. Foto-electrólisis: aprovechamiento energía solar

(electrodos semiconductores)


Combustibles, Generación de Energías y Emisiones.

CELDAS DE COMBUSTIBLEENERGÍA, PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO Y REDUCCIÓN DE EMISIONES DE CO2

Melanie Colet Lagrille, Ph.D.

Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología

Universidad de Chile

[email protected]

celdas de combustible€¦ · ¿qué es una celda de combustible? conversión directa de energía...

Documents