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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
PILAS DE COMBUSTIBLE
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).
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PILAS DE COMBUSTIBLE
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
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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
PILAS DE COMBUSTIBLE
P. Ocón. SEMANA DE LA
CIENCIA 2012
PILAS DE COMBUSTIBLE
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)
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PILAS DE COMBUSTIBLE
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).
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PILAS DE COMBUSTIBLE
RETOS
Energías renovables
Almacenamiento de Energía durante los
periodos de bajo consumo.
Batería sistema de almacenamiento
Transforma Equímica→ Eeléctrica
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PILAS DE COMBUSTIBLE
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Energy Park at Agder College , Grimstadt, Noruega
Rentable, para lugares alejados
Conversión fotovoltaica de energía
PILAS DE COMBUSTIBLE
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España
7MW años 90
300MW actual
Europa
12% (total) 2012
Parque eólico
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Conversión y almacenamiento electroquímico
de la energía
Dispositivos Pilas primarias o elementos galvánicos
Pilas secundarias o acumuladores
Pilas de combustible
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Conversión cíclica de la energía
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O2
H2O
H2O --> H2 + 0.5 O2 H2 + 0.5 O2 --> H2O
H2
SOL
Electrolizador Pila de combustible
atmósfera
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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
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Primeros usos prácticos * Gemini : 1 kW PEFC (General Electric) * Apollo : ~10 kW AFC (Pratt & Whitney
1.5KW
PILAS DE COMBUSTIBLE
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
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PILAS DE COMBUSTIBLE
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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
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Electrodos de PEMFC
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combustible H2 ---> 2H+ + 2e-
O2 + 4H+ + 4e- ---> H2O
H+
W
e-
H2 + ½ O2 ---> H2O DG = -57 kcal mol-1
Componentes. Electrodos
Caracterización en célula de prueba
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- 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
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PILAS DE COMBUSTIBLE
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
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Pilas de Combustible Metanol Directo (DMFC)
Aplicaciones portátiles: ordenadores, teléfonos móviles , sensores, aparatos
médicos, etc.
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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
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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
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PILAS DE COMBUSTIBLE
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.
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PILAS DE COMBUSTIBLE
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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