CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACION Y DESARROLLO … Nestor Ramirez... · Estructura de una celda de...

S.E.P S.E.I.T D.G.I.T.

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACION Y

DESARROLLO TECNOLOGICO

cenidet

“LA TECNOLOGIA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERIA MECATRONICA P R E S E N T A :

ING. NÉSTOR RAMÍREZ MORALES

DIRECTORES DE TESIS:

DR. JAIME EUGENIO ARAU ROFFIEL. DR. RIGOBERTO LONGORIA RAMÍREZ

CUERNAVACA, MOR., JULIO DEL 2004.

TABLA DE CONTENIDO

Tabla de contenido

Agradecimientos Dedicatoria Tabla de contenido .................................................................................. i Lista de símbolos y abreviaturas ......................................................... iii Lista de figuras ......................................................................................... vii Lista de tablas ........................................................................................... iv Resumen .................................................................................................... xi Resumen (en inglés) ............................................................................... xiii Capítulo 1. Introducción a las celdas de combustible ........ 1 1.1 Panorama de las celdas de combustible ...................................................................2 1.2 La historia y principales aplicaciones ......................................................................3 1.3 Avances actuales ......................................................................................................5 1.4 Definición de celda de combustible. ........................................................................6 1.5 Operación básica de una celda de combustible. .......................................................8 1.6 Tipos de celdas de combustible................................................................................8 1.7 Aspectos ambientales en las celdas de combustible.................................................12 1.8 Conclusiones del capítulo ........................................................................................14 Capítulo 2. Características de operación de la celda de

combustible. .....................................................17 2.1 Los sistemas basados en celdas de combustible.......................................................18 2.2 Celdas electroquímicas y sus aplicaciones .............................................................. 19 2.3 Formas de apilamiento de las celdas de combustible............................................... 20 2.4 Ventajas y desventajas operativas de las celdas de combustible.............................. 22

2.4.1 Ventajas y desventajas generales............................................................23 2.4.2 Ventajas y desventajas entre las diferentes celdas de

combustible de acuerdo a su régimen de operación. ............................24 2.5 El desempeño ideal de la celda ................................................................................26 2.6 La energía electroquímica de la celda de combustible.............................................29

2.6.1 El procesamiento de energía en la celda de combustible......................30 2.6.1.1 Determinación del potencial y trabajo eléctrico en la celda ....30 2.6.1.2 La energía libre de Gibbs.........................................................30

2.6.2 El voltaje generado por una celda.........................................................32 2.6.3 Eficiencia en Celdas de combustible ....................................................33 2.6.3.1 Eficiencia ideal y real de una celda de combustible ................33

2.7 La curva de operación de la celda de combustible...................................................35 2.7.1 El voltaje reversible de la celda o potencial de Nernst .........................36 2.7.2 Sobrepotencial de activación ................................................................37 2.7.3 Sobrepotencial óhmico .........................................................................37 2.7.4 Sobrepotencial por concentración o transportes de masas....................38

2.8 La dinámica de operación de la celda de combustible .............................................39 2.8.1 Factores que afectan el desempeño de la celda.....................................39 2.8.1.1 El efecto de la presión .............................................................40 2.8.1.2 El efecto de la temperatura ......................................................40 2.8.1.3 Los tiempos de arranque en la celda de combustible...............41 2.8.1.4 Cambio rápido de carga ...........................................................43 2.8.1.5 El efecto de capa doble de carga..............................................45

2.9 La celda de combustible comparada con otros dispositivos generadores de energía .................................................................................................................47 2.10 Conclusiones del capítulo ........................................................................................50

i

TABLA DE CONTENIDO

Capítulo 3. La electrónica de potencia asociada a sistemas

basados en celdas de combustible ................. 51 3.1 El acondicionamiento de energía aplicado a las celdas de combustible ..................52

3.1.1 La importancia de la electrónica de potencia asociada a las celdas de combustible...........................................................................................52

3.1.2 Aspectos generales a tomar en cuenta en el diseño de un sistema de acondicionamiento de energía aplicado a celdas de combustible......................................................................................54

3.2 La conversión CD/CD y su importancia en sistemas de alimentación de energía basados en C.C........................................................................................................55

3.2.1 El convertidor CD/CD..........................................................................55 3.2.2 Los requerimientos del convertidor CD/CD aplicados a celdas de

combustible...........................................................................................57 3.3 La problemática al enlazar la celda de combustible con los sistemas de

acondicionamiento de energía..................................................................................59 3.3.1 Los sobretiros de tensión en las celdas de combustible.......................59 3.3.2 El rizo de corriente de entrada ..............................................................61

3.4 Topologías de acondicionamiento de energía aplicadas a celdas de combustible ...62 3.4.1 Topología no aislada.............................................................................63 3.4.2 Topología con aislamiento galvánico de baja frecuencia .....................64 3.4.3 Topología con aislamiento galvánico de alta frecuencia ......................65 3.4.4 El respaldo de energía para sistemas acondicionadores

aplicados a C.C.....................................................................................65 3.4.4.1 Respaldo de energía colocado en paralelo de la celda de

combustible ..........................................................................66 3.4.4.2 Respaldo de energía colocado en paralelo después de la

celda de combustible ............................................................67 3.4.5 Ejemplos de otras topologías ................................................................67

3.4.5.1 Topología de con filtro activo y respaldo de batería de baja tensión......................................................................67 3.4.5.2 Topología con convertidor CD/CD bidireccional y respaldo de batería................................................................69 3.4.5.3 Topología usando supercapacitores......................................69

3.4.6 Topologías alternativas.........................................................................71 3.4.6.1 Topología con cargador de baterías aplicado celdas de

combustible ..........................................................................71 3.5 Conclusiones del capítulo ........................................................................................72

Capítulo 4 Conclusiones y aportaciones

del trabajo ............................................. 75 4.1 Conclusiones ............................................................................................................76

4.1.1 Celda de combustible............................................................................76 4.1.2 Aspectos operativos de las celdas de combustible ...............................77 4.1.3 Los sistemas basados en celdas de combustible ...................................78 4.1.4 Problemas a resolver.............................................................................80 4.1.5 La Electrónica de Potencia aplicada a los sistemas basados

en celdas de combustible ......................................................................81 4.1.5.1 Diferentes tipos de topologías .................................................82

4.1.6 Perspectivas futuras ..............................................................................83 4.1.7 Perspectivas de la situación nacional e internacional ...........................84 4.1.8 Disponibilidad actual ............................................................................84

4.2 Trabajos futuros en el CENIDET.............................................................................85 Bibliografía ................................................................................ 87

ii

ANEXOS ..................................................................................... 93

LISTA DE SIMBOLOS Y ABREVIATURAS

Lista de Símbolos y Abreviaturas. Abreviaturas GM General Motors NASA Nacional Aeronautics and Space Administration FCVH Fuel Cell Vehicle Hybrid REDOX Proceso de oxidación-reducción PEMFC Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (celda de combustible de membrana de

intercambio protónico) AFC Alkaline Fuel Cell (celda de combustible alcalina) PAFC Phosphoric acid Fuel Cell (celda de combustible de ácido fosfórico) MCFC Molten Carbonate Fuel Cell (celda de combustible de carbonato fundido) SOFC Solid Oxide Fuel Cell (celda de combustible de oxido sólido) ITSOFC Intermediate Temperature solid Oxide Fuel Cell (celda de combustible de oxido

sólido de temperatura intermedia LHV Low Heat Power (bajo Poder calorífico) ppm partes por millón CD Corriente directa [v] CA Corriente alterna [v] C.C. Celda de combustible Hz Hertz CENIDET Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico. Símbolos K Grados Kelvin T Temperatura °C Grados centígrados mA miliamperes cm centímetros kW kilowatts Sn Estaño

−3NO Ion nitrato

Km kilómetros 2H Hidrógeno +H Ion Hidrógeno

−e Electrón 2O Oxígeno

OH 2 Agua HgAl2O4 Aluminato de mercurio ZrO2 Dióxido de Zirconio Ni-ZrO2 Dióxido de Zirconio-Níquel LaMnO3 Trióxido de Manganeso lantanido CO Monóxido de carbono

2CO Bióxido de carbono SO2 Bióxido de azufre CH4 Metano mV milivolts

=3CO Ion Carbonato

0E Potencial de equilibrio [v]

iii


F Constante de Faraday, la carga en una mole de electrones 96485 Coulombs P Presión parcial [Pa] R Constante universal de los gases

fg∆− Energía libre de Gibbs de formación t tiempo [s] I corriente [A] E Energía interna q Calor H Entalpía de formación M Mol

0G∆ Cambio en la energía libre de Gibbs a temperatura estándar y presion estándar con reactivos puros

fg Energía libre de Gibbs de formación por mole [Joules]

( )Xf

g Energía libre de Gibbs de formación por mole de una sustancia “X”

h Entalpía por mole fh Entalpía de formación por mole

( )Xf

h Entalpía de formación por mole de una sustancia “X” N Numero de Avogadro 6.0022x1023

η Eficiencia VCELDA Voltaje de la celda [v] Videal Voltaje ideal de la celda de combustible [v] VFC Voltaje de la celda de combustible a circuito abierto [v] ENERNST Potencial termodinámico de la celda [v] VACT Caída de tensión debido a la activación del ánodo y del cátodo (sobrepotencial

de activación) [v] VOHMIC Caída de voltaje óhmico (sobrepotencial óhmico) [v] VCON Caída de voltaje que resulta de la concentración o transporte de masas de

oxígeno e hidrógeno (sobrepotencial de concentración) [v] ENERNST Voltaje de Nernst [v]

G∆ Cambio en la energía libre de Gibbs (J/mol). S∆ Cambio en la entropía (J/K mol ).

)(∗

2HP Presión parcial de hidrógeno [atm]

Presión parcial oxígeno [atm] *

)(2O

PTref Temperatura de referencia [K] i Corriente de operación de la celda [A]

•

)(2O

C Concentración de oxígeno en la interfase catalítica del cátodo [mol/cm3]

´ξ Coeficientes paramétricos de cada modelo de la celda y estos valores son puestos en ecuaciones teóricas con fundamentos termodinámicos y electroquímicos.

RM Resistencia equivalente de la membrana [Ω] ρM Resistividad específica de la membrana [Ω.cm] A Área activa de la celda [cm2] l Espesor de la membrana [cm]. µm micras λ Parámetro ajustable de preparación de la membrana

iv


∆ Cambio en…….. V Voltaje [v] P Presión

B Coeficiente en la ecuación para calcular el potencial por transportación de masas.

C Capacitancia eléctrica [F] τ Constante de tiempo [S] Ra Resistencia interna de la celda [Ω] kWh Kilowatt-hora Ah Amperes por hora Wh Watts por hora

ε Permisividad eléctrica. A área [m2]. d Separación de los platos [m]. µF Microfaradios RR Resistencia que representa las pérdidas óhmicas IAV Corriente promedio [A] ILOAD Corriente de carga [A] Iref Corriente de referencia [A] Ireq Corriente requerida [A] Ich Corriente de carga [A] Kg Kilogramo U Energía interna.

v


vi

LISTA DE FIGURAS

Lista de figuras.

Capitulo 1 Figura 1.1 Celda de combustible tipo PEM. Figura 1.2 Celda de combustible desarrollada por William Grove. Figura 1.3 Tractor impulsado por una celda de combustible. Figura 1.4 Autobús CITARO impulsado por celdas de combustible. Figura 1.5 Esquema de una celda de combustible. Figura 1.6 Diagrama esquemático de una celda de combustible. Figura 1.7. Estructura de una celda de combustible de membrana de intercambio

protónico. Figura 1.8. Estructura de una celda de combustible alcalina. Figura 1.9 Celda de combustible de ácido fosfórico. Figura 1.10 Esquema de una celda de combustible de sales carbonatadas fundidas. Figura 1.11 Esquema de una celda de combustible de óxido sólido tubular. Figura 1.12 Esquema de una celda de combustible de óxido sólido. Figura 1.13 Gráfica comparativa de emisiones entre una planta de generación usando

combustibles fósiles y una planta a base de celdas de combustible tipo PC25. Capitulo 2 Figura 2.1 Diagrama a bloques de un sistema a base de celdas de combustible Figura 2.2 Conexión simple de tres celdas en serie. Figura 2.3 Estructura tipo plato bipolar en la celda de combustible. Figura 2.4 Vista expandida de una unidad de celda de combustible. Figura 2.5 Potencial ideal en una celda de combustible en función de la temperatura. Figura 2.6 Flexibilidad de los puntos de operación de acuerdo a las variables que la

afectan. Figura 2.7 Esquema de entradas y salidas en el procesamiento de energía en una celda de

combustible. Figura 2.8 Eficiencia de las celdas de combustible de acuerdo al aprovechamiento de

combustible. Figura 2.9 Perfil característico (voltaje-densidad de corriente) en una celda de

combustible. Figura 2.10 El efecto de la presión en el perfil de operación de la celda de combustible. Figura 2.11 Gráfica de respuesta de voltaje ante temperaturas de operación en diversas

celdas de combustible. Figura 2.12 Sistema instrumentado basado en celda de combustible de la compañía

Ballard. Figura 2.13 Gráfica de arranque en frió de una celda de combustible de metanol directo. Figura 2.14 Arranque en frío con temperatura ambiente de una celda de combustible de

metanol directo. Figura 2.15 Perfil de operación obtenido para una celda de combustible de metanol. Figura 2.16 Respuesta de la celda ante variaciones en carga (Prueba de seguimiento

rápido de carga). Figura 2.17a. Gráfica de escalón de corriente aplicado a la celda Figura 2.17b. Respuesta en voltaje de salida. Figura 2.18 El efecto de capa doble de carga en la celda de combustible. Figura 2.19 Modelo de circuito eléctrico equivalente de una celda de combustible.

vii

LISTA DE FIGURAS

Capitulo 3 Figura 3.1 Sistema basado en celda de combustible para una computadora portátil. Figura 3.2 Escala de potencias para las diversas aplicaciones en las celdas de

combustible. Figura 3.3 Diagrama a bloques de un sistema de acondicionamiento de energía Figura 3.4 Topología reductora. Figura 3.5 Topología elevadora. Figura 3.6 Topología elevadora-reductora. Figura 3.7 Topología tipo forward. Figura 3.8 Topología tipo push-pull. Figura 3.9 Topología tipo medio puente. Figura 3.10 Clasificación de las diversos convertidores de acuerdo a su voltaje y potencia

de salida. Figura 3.11 Opciones de topologías de conversión de energía en función de los

requerimientos en celdas de combustible. Figura 3.12 Magnitud de los sobretiros de tensión presentes en una celda de combustible

de acuerdo a la corriente demandada en los electrodos. Figura 3.13 Gráfica de respuesta de un apilado de celda de combustible. Figura 3.14 Característica de ruido y sobretiro de tensión en un convertidor CD/CD de

conmutación dura para una celda de combustible tipo SOFC. Figura 3.15 El problema de rizado de corriente en un sistema a base de celda de

combustible. Figura 3.16 Topología alternativa para reducir el rizo de corriente. Figura 3.17-a Diagrama a bloques de una topología de conversión no aislada Figura 3.17-b Circuito de ejemplo. Figura 3.18 Gráficas de rizo de corriente para topología elevadora-reductora. Figura 3.19-a Diagrama a bloques topología con aislamiento galvánico

de baja frecuencia Figura 3.19-b Circuito de ejemplo. Figura 3.20-a Diagrama a bloques topología con aislamiento galvánico de alta frecuencia. Figura 3.20-b Circuito de ejemplo. Figura 3.21 Diagrama a bloques de un sistema acondicionador de energía con sistema de

respaldo para una celda de combustible. Figura 3.22 Sistema con respaldo de energía en paralelo con la celda de combustible. Figura 3.23 Sistema con respaldo de energía en paralelo después del convertidor CD/CD. Figura 3.24 Topología propuesta por Santi. Figura 3.25 Diagrama del control del filtro activo propuesto por Santi. Figura 3.26 Topología propuesta por Lai. Figura 3.27 Supercapacitor para respaldo de energía. Figura 3.28 Topología usando supercapacitores. Figura 3.29 Topología con cargador de baterías aplicado a celdas de combustible. Capitulo 4 Figura 4.1 Esquema deseado para un sistema acondicionador de energía para celda de

combustible considerando respaldo de energía auxiliar. Figura 4.2 Etapa de potencia en un sistema generador de energía, aplicado a celdas de

combustible. Figura 4.3 Diagrama esquemático de un sistema generador a base de celdas de

combustible en régimen de cogeneración. Figura 4.4 Sistema fotovoltaico-electrolizador (proyecto del IIE).

viii

LISTA DE TABLAS

Lista de tablas.

Capítulo 1 Tabla 1.1 Tipos de celdas de combustible. Tabla 1.2 Tabla comparativa de emisiones contaminantes entre diversos tipos de

vehículos. Capítulo 2 Tabla 2.1 Principales usos y estado actual de las celdas de combustible. Tabla 2.2 Reacciones electroquímicas en las celdas de combustible. Tabla 2.3 Reacciones de las C.C. con su correspondiente ecuación de Nernst. Tabla 2.4 voltaje ideal en las celdas de acuerdo a su temperatura de operación. Tabla 2.5 Propiedades físicas del Nafion Tabla 2.6 Tiempos de arranque (no dimensionados) en frío de las diversas celdas. Tabla 2.7 Comparación en costo de las diferentes baterías secundarias. Tabla 2.8 Costo por generar 1 kW con diferentes tecnologías. Capítulo 3 Tabla 3.1 Valores de potencia en sistemas de generación eléctrica de acuerdo a los tipos

de celdas. Tabla 3.2 Especificaciones de tensión para un sistema instrumentado con una celda de

combustible tipo SOFC. Tabla 3.3 Comparación entre el supercapacitor y los métodos de almacenamiento

convencional. Capítulo 4 Tabla 4.1 Tabla comparativa de las diferentes tecnologías para generación de energía. Tabla 4.2 Tipos de electrolitos empleados. Tabla 4.3 Comparación entre tecnologías de turbinas y las tecnologías de celdas de

combustible

ix

RESUMEN

Las celdas de combustible representan una gran alternativa de generación de energía eléctrica; en años recientes se ha incrementado la investigación y el desarrollo tecnológico, que sin duda vendrá a dar un giro interesante en el tema de generación de energía eléctrica. Dada la preocupación por la disponibilidad de los recursos no renovables (petróleo y sus derivados), se han realizado investigaciones con el fin de desarrollar nuevas formas de generación de energía eléctrica, que por una parte permitan seguir generando energía de buena calidad y por otro tener menores índices de contaminación de los que se tienen actualmente. Durante el siglo 20, las máquinas de combustión interna emergieron como una nueva tecnología usada en pocas aplicaciones tales como: automóviles y locomotoras, pero este tipo de tecnologías contribuyeron en gran medida al problema de contaminación de la atmósfera que tenemos hoy en día. En los comienzos de este siglo 21, las celdas de combustible se están posicionando como una tecnología con gran penetración en aplicaciones que van desde teléfonos celulares hasta la generación de energía eléctrica en plantas de gran escala. Actualmente las celdas están teniendo gran penetración en el mercado, sobre todo en el sector automotriz, el cual está teniendo un impresionante desarrollo, se espera que para el año 2004 se empiecen a comercializar las primeras unidades impulsadas a base de celdas de combustible. El trabajo de tesis es una investigación bibliográfica y su estructura esta comprendida en 4 capítulos: el capítulo 1 da una introducción a las celdas de combustible y su desarrollo a través del tiempo, así mismo, se explica de manera detallada los tipos de celdas que existen y las aplicaciones para las cuales están destinadas de acuerdo a su capacidad de generación; en el capítulo 2 se analizan las características físicas y operativas, más adelante se dan las características generales de funcionamiento de las celdas electroquímicas que rigen el principio de operación de las celdas de combustible, para finalmente explicar el procesamiento de energía que se lleva a cabo en la celda; el capítulo 3 describe la relación que la electrónica de potencia tiene con los sistemas basados en celdas de combustible y se estudian las diversas topologías de conversión CD/CD encontradas en artículos de investigación, finalmente; el capítulo 4 muestra las conclusiones del trabajo de investigación y se ofrecen algunas recomendaciones de trabajos futuros que pueden ser desarrollados. El objetivo de este trabajo de tesis es explorar la naturaleza propia de las celdas de combustible, observar los últimos avances registrados y sus características más relevantes. La justificación de este trabajo es porque se tiene el objetivo a corto plazo de establecer esta línea de investigación en CENIDET y desarrollar aplicaciones relacionadas con celdas de combustible en los diversos programas de maestría con que cuenta la institución. Cabe mencionar que como aportación adicional al trabajo de investigación, se proporciona en la versión electrónica, un medio de poder acceder a los artículos que sirven de base a esta investigación mediante la inclusión de vínculos en las referencias bibliográficas en cada capitulo y facilitar la lectura de este trabajo y proveer de una herramienta de búsqueda más rápida al lector. Esperamos que la información aquí expuesta sea de mucha utilidad para aquellas personas que estén interesadas en estudiar esta tecnología que promete un buen futuro y una excelente alternativa de generación de energía. PALABRAS CLAVE: Celda de combustible, tipos de celdas, procesamiento de energía, electrónica de potencia, convertidor CD/CD.

xi

Abstract

Fuel cells represents a great alternative of energy generation, in recent years it has been increased the research and technical development, without a doubt, it will give an interesting turn on electric generation. Many researches have been realized and there are a lot of concerns with availability of no renewal resources (oil and hydrocarbons) in order to develop new forms of electric generation that allow a high quality power generation and less environmental pollution. During 20th century, internal combustion machines emerged like a new technology used in few applications such as automobiles and locomotives, but this type of technologies contributed with the problem of contamination of the atmosphere. In the beginnings of this century 21, fuel cells are being positioned as a technology with great penetration in different applications like cellular phones, energy plants. Actually fuel cells are having great impact on the market, but mainly in the automotive sector, where an impressive development is being had, it hopes that for year 2004 manufacturers begins to commercialize the first units with fuel cells. This thesis is a state of art of fuel cells and it cover a bibliographic work with papers about fuel cells, is supported by four chapters: chapter 1 introduces to fuel cells and its development, and also explains in detail manner different fuel cells characteristics, the applications according with power capacity; in chapter 2 all internal and operational characteristics are analyzed and also fuel cell performance, and ends with energy processing of fuel cells; chapter 3 describe the relationship between power electronics and fuel cells systems, and finally cover DC/DC conversion and topologies for fuel cell systems; chapter 4 give the conclusions of this work and includes some recommendations about future works. The main goal of this work, is explore the nature of this technology and observe actual developments, the justification for this job is because CENIDET wants to establish fuel cells as line of investigation and exploit all capacities of the institution. It’s important to mention that as additional contribution of this work (in electronic file), there are multiple hyperlinks in the document and facilitate the reading of different topics and gives additional tool in order to understand this document. We hope that this information helps to the reader that is interested on fuel cells that is a promising technology. Keywords: Fuel cell, Fuel cell types, energy processing, Power electronics, DC/DC converter.

xiii

CAPÍTULO 1. INTRODUCCION A LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE.

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE.

a evolución que la celda de combustible ha tenido desde su invención, ha venido a dar un giro interesante al desarrollo de nuevas formas de generación de energía eléctrica. Actualmente se desarrollan investigaciones y avances sustanciales en diversas aplicaciones donde la celda de

combustible (C.C.) juega un papel importante. [8],[16] El objetivo de este capítulo es mostrar la historia y el desarrollo que la celda de combustible ha tenido hasta hoy, así mismo, se enlistan las características generales y los diversos tipos de celdas que hay disponibles y sus usos más representativos. El documento de tesis concentra información obtenida de diversas fuentes, tales como libros especializados sobre el tema, artículos en revistas especializadas y en sitios de la Internet. El objetivo es mostrar la información de una forma condensada resaltando aquella que se considera fundamental para una mayor comprensión de esta tecnología. Cabe hacer notar que el documento cuenta con hipervínculos a diversos artículos que tratan sobre el tema, lo que permite conocer a fondo sobre algún tópico en particular. 1.1 Panorama de la celda de combustible.

L

1

LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

Durante el siglo 20 las máquinas de combustión interna emergieron como una novedosa tecnología usada en automóviles y locomotoras, con la desventaja de que contribuyeron en gran medida al problema de la contaminación en la atmósfera. En los comienzos de este siglo 21, las celdas se están posicionando como una tecnología con gran penetración en diversas aplicaciones que van desde su utilización a baja potencia (en Watts), hasta para la generación de energía eléctrica en plantas de gran escala, alta potencia (en Megawatts) [8] La celda es una tecnología que está empezando a difundirse en diversas aplicaciones como fuentes de energía:

Estacionarias Portátiles Para el respaldo de energía Para el uso residencial de energía eléctrica Para la generación de energía en centrales eléctricas. En sistemas de transporte

Se estima que para el año 2010 esta tecnología se haya expandido a un nivel considerable. [14],[19] Una de las ventajas más significativas en este tipo de tecnología es que se generan bajas emisiones de contaminantes y resulta atractivo emplear C.C. como un medio de generación de energía. Otra de las ventajas desde el punto de vista operativo, es que la celda al integrarse en modo de cogeneración con otros dispositivos, alcanza altas eficiencias en comparación con las obtenidas con tecnologías solo a base de combustibles fósiles.

Figura 1.1.Celda de combustible tipo PEMFC (membrana intercambiadora de protones)

Por citar un caso, después de un siglo de constantes mejoras, el motor de combustión interna aún convierte, en promedio, solamente el 16% de la energía disponible de la gasolina, para impulsar un auto. Todas las máquinas de calor tienen eficiencias limitadas por el ciclo de Carnot [58].

La teoría termodinámica para derivar el ciclo de Carnot muestra que en condiciones ideales una máquina de calor utilizada para un vehículo o usada como generador, no puede convertir toda la energía suministrada en energía mecánica y por tanto, algo de energía calorífica se desperdicia. [9].

Por ejemplo, en un motor de combustión interna, en el cual se acepta calor que proviene de una fuente de alta temperatura (T1), parte de esa energía se convierte en trabajo mecánico y el resto se disipa hacia un sumidero de calor a una temperatura más baja (T2), por tanto, entre mayor sea la diferencia de temperatura entre la fuente y el sumidero de calor, mayor será la eficiencia, la cual está dada por la siguiente expresión:

( )1

21

TTT

MáximaEficiencia−

= ...............................(1.1)

Donde las temperaturas T1 y T2 están dadas en grados Kelvin

2


Los vehículos impulsados con C.C. a diferencia de los vehículos que operan con gasolina, no están limitados por el ciclo de Carnot; por lo que se alcanzan eficiencias energéticas del orden del 40% al 45% comparadas con eficiencias del 20% al 25% que se alcanzan con las máquinas de combustión interna. Dada esta importante mejora en eficiencia energética, los vehículos impulsados por celdas ofrecen reducciones substanciales de emisiones de gases con efecto invernadero. [59]

Los vehículos que usan C.C. han demostrado ser más eficientes que los vehículos de combustión interna, recientemente la empresa automotriz Toyota [www.toyota.com] publicó un estudio en donde se comparan los resultados de eficiencia obtenidos en un vehículo de gasolina y un vehículo impulsado por celdas, mostrando que el vehículo convencional, a gasolina, tiene una eficiencia de tanque a rueda de solo 16%, mientras que su modelo FCVH-4 a base de celdas alcanzó un 48% de eficiencia tanque a rueda, una eficiencia tres veces mayor. [83]De igual manera, General Motors [www.gm.com] anunció que sus prototipos con C.C. tienen el doble de eficiencia que sus vehículos convencionales a gasolina.[84] Como breve conclusión podemos mencionar que la combinación de C.C. con alta eficiencia y el uso combustibles derivados de fuentes renovables de energía eliminarán casi por completo las emisiones de gases con efecto invernadero (dióxido de carbono).

1.2 La historia de las C.C. y principales aplicaciones. Al hablar de celdas de combustible, se piensa inmediatamente en avances tecnológicos que habrán de conducir a la producción limpia de energía con altas eficiencias y barata. Un salto considerable hacia la obtención de esta energía del futuro fue dado en el año 1839, cuando el galés William Grove [85] comprobó que podía generar una corriente eléctrica mediante una reacción electroquímica usando hidrógeno y oxígeno como reactivos. Le ha llevado a la humanidad más de 120 años comprobar la viabilidad de producir energía eléctrica de manera eficiente usando C.C. Fue hasta los años cincuenta y sesenta, del siglo XX, cuando la NASA descubrió que podía usarlas para proveer electricidad en los vuelos espaciales. Los siguientes párrafos muestran la historia de la celda de combustible, desde sus inicios hasta la situación actual [10]. 1839-1849. El científico galés Sir William Robert Grove (1811-1896), considerado generalmente el padre de la celda de combustible, usando sus propios recursos monetarios y gran cantidad de platino, desarrolló un sistema basado en celdas de combustible/electrólisis usando electrodos de platino, como se muestra en la figura 1.2.

Figura 1.2. Celda de combustible desarrollada por William Grove. [10]

La manera en que operaba su sistema fue la siguiente: inicialmente se sometió el sistema a un proceso de electrólisis, aplicando electricidad a una solución electrolítica de ácido sulfúrico y agua, mediante el cual obtuvo hidrógeno y oxígeno.

3

http://www.toyota.com/http://www.gm.com/


Cuando se dejo de suministrar corriente eléctrica, el proceso de electrólisis se detuvo y el sistema se conectó a las terminales de unas celdas dispuestas en arreglo serie y el hidrogeno y oxígeno reaccionaron y el resultado fue la obtención de corriente eléctrica y agua. 1855. El científico francés Antonio Becquerel desarrolló un tipo de batería mezclando nitrato de potasio y platino en un recipiente e insertó una barra de carbón, después, procedió a medir la corriente eléctrica que circulaba cuando los cables hacían contacto con el recipiente y la barra de carbón. 1889. Ludwing Mond y Carl Langer profundizaron el trabajo de Grove al diseñar y desarrollar una batería alimentada por gas, la cual también llamaron celda de combustible. Como característica principal en sus celdas se emplearon diafragmas muy delgados de matrices no conductivas impregnadas de electrolito y “emparedadas” entre electrodos metálicos. La ventaja de este diseño fue que se obtuvieron corrientes de 2 amperes con voltajes bajísimos (del orden de 0.73 volts). Una de las desventajas más significativas fue el alto costo del platino y esto limitó el trabajo que tenían planeado a futuro. 1896. El Dr. William W. Jacques, un empresario de Boston, experimentó usando carbón como electrodos en su celda de combustible, estas nuevas celdas llegaron a ser una novedosa tecnología. La celda desarrollada por Jacques se componía de una barra central de carbón que actuaba como ánodo, el cual estaba contenido en un electrolito de hidróxido de potasio fundido entre 400°-500°C; para poder retener el electrolito fundido se usaron contenedores circulares de hierro, las paredes de dichos contenedores también cumplían funciones como catalizadores en el cátodo, el resultado obtenido fue un desempeño excelente de la celda. Jacques obtuvo densidades de corriente del orden de los 100 mA/cm2 por cada volt generado durante periodos prolongados de operación. Posteriormente experimentó con un sistema de 100 monoceldas cilíndricas, que se construyeron sobre la superficie de un horno plano de alta temperatura y demostró un buen funcionamiento durante un periodo de medio año; con este sistema se generaron alrededor de 1500 Watts. 1898. W. Nernst sugirió que el sistema de celda de combustible, se basara en una reacción tipo REDOX (oxidación-reducción), la cual puede tener más flexibilidad y más opciones de reactivos. 1930. Francois Bacon de la Universidad de Cambridge en Inglaterra, trabajó en C.C., su planteamiento fue usar sistemas alcalinos que no usaban metales nobles como catalizadores. En sus experimentos encontró que los electrodos elaborados de níquel eran buenos catalizadores de las reacciones electroquímicas del hidrógeno y oxígeno, y además encontró que el desempeño de la celda se mejoraba mediante el incremento en la presión de alimentación de los reactivos (realizo pruebas a 40 atmósferas). Para mantener una baja presión diferencial en celdas de gran diámetro se emplearon electrodos de doble porosidad. 1959. El doctor Harry Irigh de la compañía Allis-Chalmers en Milwaukee, Wisconsin, introdujo el primer tractor impulsado por celdas de tipo alcalino tal como se observa en la figura 1.3.

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Figura 1. 3. Tractor impulsado por una celda de combustible. [10]

En la década de los 50, el profesor Posner de la Universidad de Florida, en los días previos al lanzamiento del Sputnik, diseñó un sistema de oxidación-reducción (en base al modelo de Nersnt), usando soluciones de bromuro de estaño. El sistema desarrollado por Posner no fue adecuado para los viajes espaciales de esa época por la dificultad del bombeo de las soluciones químicas en estado de gravedad cero. 1.3 Avances actuales. En el portal de Internet http://www.fuelcells.org se encuentra información sobre los últimos avances sobre la tecnología de C.C., hasta el presenta año. Aplicaciones en el transporte.

Ballard [www.ballard.com] suministra sistemas basados en celdas de combustible a Australia y entrega autobuses impulsados por celdas de combustible a Londres: Ballard líder fabricante en C.C., proveerá tres de sus últimos desarrollos en sistemas basados en celdas de uso rudo a la compañía EvoBus para su integración en un autobús Citaro de la compañía Mercedes-Benz, e incorporarlos al sistema de transporte público en Australia. Así mismo entregará máquinas que operan a base de celdas de 205 kW de capacidad de generación para uso rudo y serán puestas en operación en la primera mitad del 2004 como parte de un programa de demostración en la ciudad de Londres.[62]

Figura 1.4 Autobús CITARO impulsado por celdas de combustible.

La fuerza área de Estados Unidos prueba con éxito sus autobuses: Enova Systems [www.enovasystems.com] ha integrado exitosamente un sistema a base de C.C. que se incorporó a su primer vehículo híbrido en sus instalaciones en Honolulu, Hawai. [69]

GVB opera su primer autobús impulsado por hidrógeno: GVB y el departamento de tránsito en Ámsterdam Holanda, comenzó a operar 4 autobuses impulsados por C.C., los autobuses extraen el hidrógeno de 9 tanques de agua dispuestos en el techo de los mismos, y cada uno es capaz de proveer el suficiente combustible para impulsar el autobús durante 250 Km, el costo de este proyecto que duró 2 años fue de 7 millones de euros ($8.6 millones de dólares) con fondos de la Unión Europea, el ministerio de transporte holandés y el ayuntamiento de Ámsterdam. También estuvieron involucrados la compañía Daimler-Chrysler, Hoek Loos, Nuon, Shell y la Agencia de energía y medio ambiente de Holanda.

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http://www.fuelcells.org/news/updates.htmlhttp://www.ballard.com/http://www.enovasystems.com/


Energía estacionaria

La Universidad de Yale realiza actividades de investigación sobre celdas de combustible: Fuel Cell Energy [www.fce.com], la fundación Energía Limpia de Connecticut y la Universidad de Yale están dedicando sus esfuerzos a instalar una planta de generación de energía eléctrica a base de C.C. de alta eficiencia en su centro de ciencia ambiental (ESC por sus siglas en inglés), que se encuentra cerca del museo Peabody de la Universidad de Yale. La celda de 250 kW, suministrará aproximadamente el 25% de la electricidad necesaria en el edificio y el calor generado por la celda será usado para mantener controlada la temperatura y los controles de humedad en la instalación.[70].

Energía de respaldo y portátil

Astris lanza nuevo generador de celda de combustible: Astris Energy Inc.[www.astris.ca] lanzó al mercado su nuevo modelo E8 de C.C. tipo alcalina de 2.4 kW, la cual es una unidad portátil integrada que emplea una celda modelo POWERSTACK MC250, cuyo desempeño es del orden del 30% al 60% de eficiencia. Astris Energy planea colocar al POWERSTACK MC250 dentro de su producción piloto en su planta de Vlasim en la Republica checa en la primera mitad del 2004. [71].

Plug Power comienza envíos de productos. Plug Power [www.plugpower.com] ha enviado los primeros 15 sistemas de energía de respaldo GenCore™ 5T de 5kW, que se alimentan con hidrógeno a consumidores en los Estados Unidos de Norteamérica, Reino Unido y Japón para apoyar diversas aplicaciones como son: telecomunicaciones, industria, investigación y sectores del gobierno. [72]

Combustibles / reformadores / almacenamiento. Nueva York contruye “Hydrogen HI WAY”. $2 millones de presupuesto federal se asignaron para arrancar el proyecto denominado “Hydrogen HI WAY” en el estado de Nueva York, el cual consiste en validar la infraestructura necesaria para la instalación de centrales de hidrógeno. [73]. Dynetek entrega sistemas de almacenamiento a FORD. Industrias Dynatek Ltd [www.dynatek.com], entregará sistemas de almacenamiento de hidrógeno a la compañía automotriz FORD, para sus autos impulsados por celdas. Dynetek proveerá todos los componentes y el sistema de almacenamiento de combustible.[74] Innovatek gana contrato con el Ejército de Estados Unidos. Innovatek [www.tekkie.com] Ha recibido $780,000 dólares por concepto de asignación de un contrato para desarrollar un nuevo procesador de combustible que genere hidrógeno para C.C. portátiles. La tecnología se basa en un diseño propietario de Innovatek, el cual consiste en una arquitectura de microcanal compacta que produce hidrógeno a partir de combustibles como la gasolina o el diesel.[75].

1.4 Definición de una celda de combustible. Existen muchas definiciones en la literatura especializada en C.C., pero se tomará la más común y la más sencilla de entender a manera de ejemplo. De acuerdo a Báez [11], una celda de combustible se puede definir como sigue: “Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico que transforma la energía química almacenada por un combustible, directamente en energía eléctrica y, lo que es más importante,

de forma continua”.

La estructura física básica de una celda de combustible se observa en la figura 1.5 y consiste en una capa de electrolito en contacto con un ánodo y un cátodo de naturaleza porosa.

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http://www.fce.com/http://www.astris.ca/http://www.plugpower.com/http://www.dynetek.com/http://www.tekkie.com/


Figura 1.5 Esquema de una celda de combustible. [15]

La celda de combustible es un dispositivo que se alimenta, en el ánodo, con un combustible (hidrógeno preferentemente) y en el cátodo, con oxígeno o aire. La reacción electroquímica global da como resultado la producción de agua y la generación de corriente eléctrica.

Una representación más esquemática de la celda se observa en la figura 1.6, donde se muestran los flujos de los reactantes (hidrógeno y oxígeno) y la dirección de flujo de los iones que circulan por el electrolito.

Aunque la celda de combustible tiene componentes y características similares a los de una batería, difieren en ciertos aspectos: mientras que una batería se considera como un dispositivo que almacena energía y que deja de suministrarla al consumirse los reactantes, la celda de combustible es un dispositivo que procesa energía y la entrega de manera continua mientras los reactivos sean suministrados a la celda.

Figura 1.6. Diagrama esquemático de una celda de combustible. [13]

Considerando el caso de las baterías secundarias (aquellas que son recargables), los reactantes son regenerados en el proceso de recarga, lo cuál implica suministrar energía a la batería desde una fuente externa.

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1.5. Operación básica de una celda de combustible

Desde el punto de vista analítico, es interesante conocer el principio de operación de la celda de combustible y conocer la dinámica que envuelve a este dispositivo. Tal y como se observa en la figura 1.6, la naturaleza de la transferencia de iones entre los diferentes tipos de celdas es diferente de acuerdo al tipo de electrolito y al tipo de combustible que se emplea, pero el caso más representativo es la celda de combustible de membrana de intercambio protónico sólido (PEMFC por sus siglas en inglés) cuyo funcionamiento básico se describe en los párrafos siguientes. La forma de operar es la siguiente: se tiene una celda electroquímica que consiste en dos electrodos, en ella se hace circular oxígeno sobre un electrodo (cátodo) y el hidrógeno sobre el otro (ánodo), para que se produzca una reacción electroquímica. La reacción electroquímica que sucede en el interior de la celda se lleva a cabo de la siguiente forma: una molécula de hidrógeno es ionizada por la pérdida de dos electrones y esto se debe a la oxidación de la molécula de hidrógeno en el ánodo, es decir, la formación de dos iones hidrógeno; al ocurrir esto, el hidrógeno oxidado, ahora en forma de protón, y los electrones, producto de la oxidación, toman diferentes caminos migrando hacia el cátodo. El hidrógeno lo hará a través del electrolito, mientras que los electrones lo hacen a través de un circuito externo. Por tanto, las reacciones parciales que ocurren en el proceso electroquímico en la celda, están dadas por las siguientes ecuaciones químicas:

−+ +→ eHH 442 2 .......................................(1.2) Como se observa en la ecuación (1.2), el hidrógeno al descomponerse en iones de hidrógeno y en electrones, implica que se libere energía, mientras que en el cátodo el oxígeno reacciona con los electrones tomados del electrodo y con los iones de hidrógeno (H+ ) del electrolito para formar agua

OHHeO 22 244 →+++− .......................................(1.3)

Así, este proceso produce agua 100% pura, corriente eléctrica y calor útil. Una animación del proceso se presenta en [78] A manera de conclusión de este proceso, se observa que en ambas reacciones para que sucedan continuamente, los electrones producidos en el ánodo deben de pasar a través de un circuito eléctrico al cátodo, en tanto que los iones H+ deben de pasar a través de un electrolito que no presente resistencia al flujo de los iones. Ciertos polímetros pueden ser hechos para contener iones H+ móviles, estos materiales son llamados membranas de intercambio protónico, las cuales ofrecen relativas ventajas en comparación con los electrolitos líquidos ya que éstas ofrecen un manejo sencillo y una alta conductividad.

1.6. Tipos de celdas de combustible. Una gran variedad de celdas están en etapa de desarrollo, y pueden ser clasificadas de acuerdo a diversas características como las siguientes:

Por el tipo de uso. Por el tipo de combinación de combustible y oxidante. Por el tipo de procesamiento del combustible (interno o externo). Por el tipo de electrolito usado. Por la temperatura de operación. Por su potencia (alta, media, baja)

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Todas las clasificaciones anteriores son mostradas por algunos autores [14], sin embargo, la clasificación más generalizada es la relacionada con el tipo de electrolito usado. De acuerdo a la tabla 1.1, la clasificación es la siguiente:

Tabla 1.1 Tipos de celdas de combustible. [14]

Tipo de celda y tipo de electrolito usado Abreviatura Electrolito empleado

Valor aproximado de temperatura de operación

Celda de combustible de electrolito polimérico PEMFC

Membrana de intercambio protónico 50°C - 80°C

Celda de combustible tipo alcalina AFC Hidróxido de potasio 250°C

Celda de combustible de ácido fosfórico PAFC Ácido fosfórico 220°C.

Celda de combustible de carbonato fundido MCFC Carbonato fundido (líquido) 650°C

Celda de combustible de óxido sólido SOFC Cerámico 800°C – 1000°C

Cabe hacer mención que los electrolitos acuosos están limitados para operar hasta 200°C, esto debido a la presión del vapor de agua y a una rápida degradación a altas temperaturas. Hay dos características que impactan en las C.C. y son: temperatura de operación y tiempo de vida, las cuales influyen en el comportamiento de la celda y en las propiedades fisicoquímicas y termomecánicas de todos los materiales usados (electrodos, electrolitos, interconexiones, colectores de corriente). En lo que respecta a la temperatura de operación en una C.C , ésta se considera como uno de los parámetros de vital importancia, ya que repercute directamente en el tipo de combustible que puede emplearse, por ejemplo, en las celdas de baja temperatura con electrolitos acuosos, el combustible que predomina es el hidrógeno, en cambio en las celdas de alta temperatura existe más diversidad en el uso de combustibles, esto fundamentalmente se debe a que se pueden emplear debido a su inherente rapidez en la cinética de reacción y a una menor necesidad de actividad catalizadora en reacciones a altas temperaturas. En seguida se da una breve descripción de los diferentes tipos de C.C que existen y en donde se enlistan sus características más importantes. [14] C.C. de membrana de intercambio protónico (PEMFC por sus siglas en inglés). El electrolito en esta celda es una membrana de polífluoretileno sulfonado u otro polímero similar que es un excelente conductor de iones. El único líquido generado como producto de la reacción en la celda es agua, de tal modo que los problemas de corrosión son mínimos. Por otra parte, la cantidad de agua en la membrana es crítica para el desempeño eficiente de la celda y en consecuencia debe de operar bajo condiciones donde el agua no se evapore rápidamente para mantener hidratada la membrana el mayor tiempo posible. Debido a la limitación en la temperatura de operación impuesta por el tipo de polímero, usualmente menor de 120°C, y a raíz de los problemas con el balance de agua, es recomendable usar hidrógeno libre de impurezas como combustible. Es recomendable el uso de un buen catalizador con el objetivo de poder acelerar la cinética de reacción tanto en ánodo como en cátodo. La figura 1.7 muestra el esquema de este tipo de celda.

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Figura 1.7. Estructura de una celda de combustible de membrana de intercambio protónico

(PEMFC por sus siglas en inglés) [79]

C.C. tipo alcalina (AFC por sus siglas en inglés). Fue la primera celda en ser usada para una aplicación y fue en misiones espaciales de la NASA. Su tiempo de vida es de aproximadamente 15000 horas, el electrolito puede ser hidróxido de potasio en concentraciones que van desde 35% a 80% en peso. Su temperatura de operación en altas concentraciones de electrolito es de aproximadamente 250°C, y para concentraciones bajas es favorable tener temperaturas menores a 120°C. El electrolito es retenido en una matriz (usualmente elaborada de asbesto) y una amplia variedad de electrocatalizadores pueden ser usados, ejemplo de algunos de ellos: níquel, plata, óxidos metálicos y espinels (óxidos de magnesio y aluminio HgAl2O4 y otros óxidos minerales similares a la ferrita y metales nobles. El combustible que más favorece a esta celda es el hidrógeno, no es recomendable usar otro tipo de combustibles ya que no se garantiza un buen desempeño. La figura 1.8 permite ver la estructura de la celda.

Figura 1.8. Estructura de una celda de combustible alcalina. (AFC por sus siglas en inglés) [80].

C.C. de ácido fosfórico (PAFC por sus siglas en inglés). El ácido fosfórico concentrado al 100% es usado como electrolito en esta celda, opera en el intervalo de temperatura de 150°C a 220°C; a bajas temperaturas el ácido fosfórico es un pobre conductor de iones y el envenenamiento con monóxido de carbono en el electrocatalizador de plata llega a ser severo. La relativa estabilidad del ácido fosfórico concentrado es alta, comparado a otros ácidos comunes y consecuentemente la celda PAFC es capaz de operar a valores superiores de su temperatura de operación.

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En suma, el uso de ácido concentrado como electrolito en esta celda, minimiza la presión de vapor del agua, así que el manejo de agua no es difícil. La matriz que se emplea para retener el ácido es carburo de silicio y el catalizador es platino tanto en ánodo como en cátodo. La figura 1.9 muestra el esquema de la celda.

Figura 1.9 celda de combustible de ácido fosfórico (PAFC por sus siglas en inglés) [80]

C.C. de carbonato fundido (MCFC por sus siglas en inglés). El electrolito en esta celda es usualmente una combinación de carbonatos alcalinos, los cuales son retenidos en una matriz cerámica de óxido de aluminio y litio. La celda opera en el intervalo de temperatura de 600 a 700°C, donde los carbonatos alcalinos forman una sal fundida altamente conductora. A temperaturas de operación altas es recomendable usar níquel en el ánodo, y óxido de níquel en el cátodo, estos componentes son adecuados para promover y acelerar la reacción. La figura 1.10 muestra la estructura básica de la celda.

Figura 1.10. Esquema de una celda de combustible de sales carbonatadas fundidas (MCFC por sus

siglas en inglés) [80]

C.C. de óxido sólido tubular (TSOFC por sus siglas en inglés). El electrolito que se usa en esta celda es óxido metálico no poroso, usualmente es trióxido de ítrio (Y2O3) estabilizado con bióxido de zirconio. La celda opera a 1000°C donde la conducción iónica se lleva a cabo por medio de iones oxígeno. Típicamente el ánodo contiene una aleación cerámica de dióxido de zirconio y cobalto (Co-ZrO2) o dióxido de zirconio y níquel (Ni-ZrO2) y el cátodo contiene Estroncio Sr-contaminado con LaMnO3 (trióxido de manganeso y lantano).

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En las celdas de baja temperatura (PEMFC, AFC, PAFC) los protones y iones hidroxilo son los portadores mayoritarios de carga en el electrolito, mientras que en las celdas de alta temperatura (MCFC y TSOFC) los iones carbonato y el oxígeno son los portadores de carga. La figura 1.11 muestra el esquema básico. C.C. de óxido sólido de temperatura intermedia (ITSOFC por sus siglas en inglés). Los materiales del electrodo y el electrolito en esta celda son básicamente los mismos que se usan en la celda de óxido sólido tubular (TSOFC), la celda ITSOFC opera a temperaturas bajas, opera en el intervalo de temperatura de los 600 °C a los 800°C. Por otro lado, para mejorar el desempeño de la celda se está desarrollando una tecnología de capa delgada para promover la conducción de iones. La figura 1.12 muestra el esquema básico de la celda TSOFC y de la celda ITSOFC.

Figura 1.11. Esquema de una celda de combustible de óxido sólido tubular (TSOFC por sus siglas en

inglés) [81]

Figura 1.12. Esquema de una celda de combustible de óxido sólido (SOFC por sus siglas en inglés)

[80]

1.7. Aspectos ambientales en las celdas de combustible. Como se ha venido mencionando anteriormente, una de las mayores ventajas en el uso de las celdas de combustible es el bajo nivel de emisiones contaminantes, siendo esto uno de los principales motivos por lo que se ha impulsado tanto su investigación como su desarrollo. Al utilizar hidrógeno como combustible, el único producto de la reacción electroquímica es vapor de agua y en consecuencia no se emiten contaminantes a la atmósfera, esta ventaja está siendo principalmente aprovechada por la industria automotriz en donde ya se han desarrollado “Vehículo Cero Emisiones”, los cuales han demostrado una significativa ventaja sobre los vehículos impulsados por hidrocarburos.

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http://fuelcells.si.edu/so/sox1.htm


Las celdas tienen flexibilidad en el empleo de combustibles y no solo el uso de hidrógeno sino también combustibles como el metanol o gasolinas reformadas, que estrictamente no se consideran como de cero emisiones, mas sin embargo han demostrado que sus emisiones de CO2 son significativamente menores que las de un motor de combustión interna y sólo existen trazas de otros contaminantes. Así mismo, en lo que respecta a la producción de hidrógeno para ser usado como combustible en celdas, es factible el empleo de energías renovables para su obtención, tal es el caso de la energía solar, la biomasa y no necesariamente mediante el proceso de electrólisis. Estos aspectos sumados a una mayor eficiencia en el uso de los combustibles, colocan a las C.C. como una de las más viables para ser el sistema de propulsión en los vehículos del futuro y la generación de energía y con ello disminuir los impactos negativos de estas actividades humanas. [19] La utilización de C.C., reduce sustancialmente las emisiones de CO2 por unidad de energía producida y prácticamente eliminan los problemas de producción de SO2 y NOx, por lo que las emisiones a la atmósfera no representan problema. A manera de ilustrar lo que se comenta anteriormente, la figura 1.13 muestra una gráfica comparativa de emisiones contaminantes entre los sistemas convencionales usando combustibles fósiles y un sistema de generación basado en C.C. para aplicaciones residenciales tipo [PC25]. La gráfica muestra las emisiones en libras por cada 1659 MWh que se generan y las emisiones de dióxido de carbono que se generan en un periodo de un año. [15]

Figura 1.13. Gráfica comparativa de emisiones entre una planta de generación usando combustibles fósiles y una planta a base de celdas de combustible tipo PC25. [15]

Es claro observar en base a la figura anterior, que las C.C representan una potencial alternativa de generación de energía eléctrica que puede contribuir enormemente al ambiente.

Desde el punto de vista de las diversas aplicaciones que existen en C.C, la que más ha tenido impacto es la industria del transporte, donde se han hecho avances notables y actualmente los fabricantes están desarrollando vehículos prototipos, inclusive se ha empezado con la comercialización de unidades impulsadas a base de celdas, más información al respecto se puede obtener de [informe sobre los beneficios de las C.C.] La tabla 1.2 ilustra el potencial de las C.C. para reducir las emisiones; para este propósito emplea como punto base de comparación, un vehículo con una máquina de combustión interna donde se usa gasolina y

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se observa que los vehículos impulsados por C.C. emiten hasta el 100% menos, tomando como base los criterios de emisiones en motores a gasolina. [16]

Tabla 1.2. Tabla comparativa de emisiones contaminantes entre diversos tipos de vehículos. [16]

CRITERIOS DE EMISIONES CONTAMINANTES

Tipo de vehículo Gases

orgánicos (no metanos)

Monóxido de carbono (CO)

Óxidos de nitrógeno

(NOX)

Óxidos de azufre (SOX)

Partículas

Gases de efecto invernadero

Línea base: máquina de combustión interna

impulsada por gasolina (gramos por kilómetro)

0.48 3.81 0.28 0.035 0.01 282.5

Vehículo eléctrico (usando baterías) -95% -99% -56% +321% +153% -37%

Vehículo eléctrico a base de celdas de

combustible (usando hidrógeno)

-100% -100% -100% -100% -100% -65%

Vehículo eléctrico a base de celdas de

combustible (usando hidrógeno comprimido obtenido por vía solar)

-100% -100% -100% -100% -100% -94%

Vehículo eléctrico de baterías o celdas de

combustible (alimentado por

hidrógeno obtenido de la energía solar)

-100% -100% -100% -100% -100% -100%

1.8. Conclusiones de capítulo.

El capítulo mostró el crecimiento que han tenido las C.C. a lo largo de su historia, es claro entender que no se trata de una tecnología de reciente descubrimiento, su investigación y desarrollo tienen un avance importante y actualmente es posible ver diversos usos que van desde las aplicaciones portátiles hasta aplicaciones industriales, donde la celda ha demostrado tener una ventaja significativa sobre otras tecnologías convencionales de generación de energía.

Hay que tener en cuenta que no se trata de una tecnología que venga a sustituir a los hidrocarburos por completo, pero si representa una seria alternativa de una transición hacia el uso de formas alternativas de generación de energía basadas en recursos renovables.

La situación internacional muestra avances importantes, algunas compañías automotrices inclusive han lanzado a la venta las primeras unidades impulsadas por hidrógeno que reducirán las emisiones contaminantes de una manera significativa. Por otro lado en las aplicaciones portátiles también se están desarrollando avances, algunas compañías de equipo de cómputo han diseñado las primeras baterías para computadoras portátiles, cuyo tiempo de alimentación rebasa las 40 horas continuas, lo que sin duda es una gran avance en el desarrollo de baterías que brinden una mejor respuesta y un mayor tiempo de vida de los dispositivos.

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La infraestructura necesaria para el crecimiento de las celdas es cara actualmente, se espera que en un lapso no mayor de 5 años se empiece a tener un acceso más factible a esta forma de generación. Algunas barreras que impiden un pleno desarrollo son:

a. Uso de materiales caros (electrocatalizadores, tipos de electrolitos),

b. Es una tecnología que empieza a crecer (no ha penetrado completamente al mercado,

c. Es necesario investigar sobre diversas formas de procesamiento y almacenamiento de hidrógeno (que en la actualidad resulta muy caro).

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CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

CAPÍTULO 2 CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE

COMBUSTIBLE.

l objetivo del capítulo es mostrar y analizar las características físicas y operativas de las C.C. De manera inicial se describen los componentes de un sistema basado en C.C., posteriormente se mencionan las propiedades de las celdas electroquímicas y sus aplicaciones. La C.C. es un

dispositivo electroquímico que procesa energía y en este capitulo se desglosan los fundamentos termodinámicos que rigen su principio de operación y se explica el funcionamiento de celda en base a sus potenciales generados. Términos como: Potencial por activación, Energía libre de Gibbs y otros son explicados a detalle, pretendiendo con ello proporcionar la información necesaria para entender la naturaleza de las energías y los procesos químicos que envuelven a la C.C. Las variables que afectan el desempeño de la C.C. es otro tema que se trata y se muestran algunos trabajos desarrollados al respecto. Para finalizar se hace una comparación entre la celda de combustible y otros dispositivos que manejan energía, tal es el caso de las baterías, básicamente se trata de una comparación a nivel operativo ya que ambas funcionan bajo el mismo principio electroquímico y es interesante conocer las ventajas de usar celdas o baterías dependiendo del tipo de aplicación.

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2.1. Los sistemas basados en celdas de combustible. Los sistemas basados en celdas de combustible pueden tener diversas configuraciones y varían de acuerdo a las características de operación de cada tipo de celda y parámetros como temperatura, capacidad de generación y tipo de aplicación. En la figura 2.1 se presenta un esquema general de un sistema basado en C.C., en donde se identifican los siguientes elementos característicos:

Reformador. Sistema de purificación de gas. Celda de combustible. Acondicionador de energía.

Figura 2.1 Diagrama a bloques de un sistema basado en celda de combustible.[29]

La función de cada uno de estos bloques es la siguiente: El reformador es la primera etapa por donde ingresa el combustible (hidrocarburos como gas natural o metano) y se produce un gas altamente rico en hidrógeno denominado "reformado", el cual se obtiene mediante una transformación química, el producto de la transformación es hidrógeno puro y monóxido de carbono. El contenido de monóxido de carbono que posee el gas reformado se reduce a niveles aceptables menores a 50 ppm. El diagrama muestra un sistema donde la reformación se lleva a cabo de manera externa; en algunos tipos de celda por su temperatura de operación es necesario procesar externamente el combustible para obtener hidrógeno, esta condición se aplica a las celdas de baja temperatura que usan combustibles como el metano ó etanol y donde la celda no puede llevar a cabo el proceso de reformación internamente. Lo contrario sucede con las C.C. de alta temperatura, donde la cantidad de calor que se genera es suficiente para reformar el combustible internamente. Las celdas que no usan este proceso externo son: MCFC, ITSOFC, TSOFC. El sistema purificador de gas tiene la función de eliminar las impurezas o gases diferentes al hidrógeno generados en el reformador, y así el gas hidrógeno llegue en un estado lo más puro posible a la C.C. La celda de combustible es la etapa encargada de generar la energía eléctrica mediante la reacción electroquímica del hidrógeno y del oxígeno. Además, se obtiene calor que puede ser aprovechado para alimentar turbinas en régimen de cogeneración o para incrementar la cinética de las reacciones producidas en la celda.

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El sistema de acondicionamiento de energía, toma la corriente continua que se genera en la C.C. y la procesa a corriente directa regulada para ser usada en alguna aplicación. El sistema se compone de un convertidor de corriente directa a corriente directa (CD/CD) que regula la tensión que se genera en la celda. Algunas etapas acondicionadoras incluyen un convertidor de corriente directa (CD) a corriente alterna (CA) ó inversor como también se le llama. Así mismo, se usan sistemas de respaldo, baterías o supercapacitores, con el objetivo de ayudar a la celda a proporcionar el nivel de tensión requerido. 2.2. Celdas electroquímicas y sus aplicaciones. Las celdas electroquímicas se usan principalmente para: convertir la energía química en eléctrica y convertir la energía eléctrica en química. En las pilas secas comunes y en el acumulador de plomo se tienen convertidores de energía química a eléctrica, mientras que en la carga de la batería de almacenamiento y en la purificación electrolítica del cobre se utiliza la energía eléctrica para realizar una acción química. Es importante señalar una distinción entre los términos celda y batería. Por un lado la celda es un dispositivo simple de dos electrodos y electrolito capaz de generar electricidad por la acción química dentro de la celda o de producir una acción química por el paso de la electricidad, en pocas palabras, es un dispositivo que procesa la energía. Una batería, por otra parte, es una combinación de dos o más celdas dispuestas en serie o en paralelo. Por ejemplo, el acumulador de plomo es una batería constituida por un arreglo de celdas en serie en donde el número de celdas depende del voltaje nominal de la batería, en las baterías de 12 Volts se requieren 6 celdas, y fundamenta su funcionamiento en base a los reactivos químicos que están dentro de la misma, por tanto es un dispositivo que almacena energía. Al tratar con las relaciones de energía en las celdas, los principios termodinámicos encuentran una aplicación muy extensa. Sin embargo, el uso de estos principios se encuentra sometido a una restricción muy importante, esto es, son aplicables a procesos reversibles (definición disponible en esta liga:[termodinámica]). Se tiene en cuenta que las condiciones de reversibilidad termodinámica son:

a) Las fuerzas motrices y de oposición se diferencian infinitesimalmente entre sí b) Debe de ser posible invertir cualquier cambio por aplicación de una fuerza

infinitesimalmente mayor que la que está actuando. Satisfechos estos dos requisitos, la celda es reversible y la diferencia de potencial medido bajo condiciones adecuadas, puede reemplazarse por las ecuaciones termodinámicas fundamentales. Si las condiciones anteriores no se satisfacen, la celda es irreversible y las consideraciones anteriores no aplican. Las aplicaciones en las celdas electroquímicas están difundiéndose rápidamente como una manera alternativa para generar energía eléctrica. En la actualidad existen aplicaciones desde computadoras portátiles, teléfonos celulares, sistemas de medición de alcohol en la sangre, etc., hasta aplicaciones estacionarias como lo son sistemas de alimentación de respaldo en casas, sistemas de alimentación en edificios, aplicaciones en transporte y aplicaciones en generación de energía eléctrica. La tabla 2.1 muestra un resumen de los usos actuales de las celdas de combustible.

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Tabla 2.1 Principales usos y estado actual de las celdas de combustible. [11]

TIPO DE CELDA USOS PRINCIPALES GRADO DE DESARROLLO ACTUAL

PEMFC

• Transporte terrestre vehicular (mayor aplicación)

• Potencia estacionaria residencial y comercial (reciente).

• Carga para equipos portátiles

• Prueba pre-comercial. • Prototipo de vehículos (0.1 – 50 kW.). • Prueba pre-comercial para generación de

potencia estacionaria (250 kW.).

AFC • Espacio (naves espaciales) • Militar (submarinos). • Transporte terrestre vehicular (menos

aplicación).

• Programas espaciales (comercial). • Etapa pre-comercial (


Figura 2.2. Conexión simple de tres celdas en serie [1].

Una mejora en el apilamiento de celdas en serie se muestra en la figura 2.3 donde se utilizan los platos bipolares, mediante los cuales se hacen las conexiones sobre una superficie que actúa como ánodo y otra como cátodo de la celda (de aquí que se le llama bipolar), al mismo tiempo el plato bipolar sirve como un excelente medio para la alimentación del oxígeno al cátodo y del combustible (hidrógeno) al ánodo. Hay que tomar en cuenta que debe existir una buena conexión eléctrica entre los dos electrodos pero también el hidrógeno y oxígeno que se alimentan a la celda deben de estar estrictamente separados. El arreglo bipolar tiene la particularidad de que el flujo de la corriente y la distribución del combustible y el oxigeno es más eficiente. La corriente es colectada en la parte superior de la superficie del electrodo, y no tan solo en las puntas. Los electrodos están soportados mucho más firmemente y toda la estructura es más fuerte y más robusta, sin embargo la principal desventaja del diseño bipolar es que no es sencillo de construir. Idealmente el plato bipolar debe ser lo más delgado que se pueda para minimizar la resistencia eléctrica y así reducir el tamaño del apilamiento.

Figura 2.3. Estructura tipo plato bipolar en la celda de combustible. [1]

Estos tipos de configuraciones contienen elementos adicionales que garantizan un mejor desempeño en el funcionamiento de la celda, y son descritos usando el esquema básico que se bosqueja de una celda de tipo PAFC (ácido fosfórico).

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La figura 2.4 ilustra una configuración de placa plana, la interconexión forma una placa separadora la cual tiene dos propósitos: la primera es proveer una conexión eléctrica en serie entre las celdas adyacentes, específicamente para celdas de placa plana y la segunda es proveer de una barrera para que el gas combustible quede separado del oxidante de las celdas adyacentes.

Figura 2.4. Vista expandida de una unidad de celda de combustible [1]

Para el caso de la celda de combustible tipo tubular, se considera un caso especial, todas las interconexiones deben de tener un conductor eléctrico y ser impermeables a gases. [60] Otras partes importantes de esta configuración son:

Las estructuras cuya función es la distribución de los gases reactivos a través de la superficie del electrodo y la cual sirve de soporte mecánico.

Depósitos de electrolito, para reponer el electrolito que se pierde en la celda.

Colectores de corriente (que no se muestran en la figura), y que proveen una ruta para la

circulación de corriente entre los electrodos y una separación de las placas de la celda. 2.4. Ventajas y desventajas operativas de las celdas de combustible. Las celdas de combustible poseen ventajas que les permiten ser competitivas frente a otras tecnologías para la generación de electricidad, debido a sus características relacionadas con su alta eficiencia y bajos niveles de contaminación, pero existen otras ventajas adicionales y se mencionan a continuación:

Simplicidad en su construcción. La parte esencial de las C.C es simple y requiere de muy pocas partes móviles, lo que conduce a sistemas confiables y duraderos.

No generan ruido. Las celdas no generan niveles de ruido considerable. Esto es muy importante en

aplicaciones portátiles y en la generación de energía local en esquemas de ciclos combinados.

Algunos sistemas comerciales de generación a base de C.C presentan eficiencias del 40% al 55%, basado en un poder calorífico inferior LHV.[14]

En los sistemas híbridos que combinan turbinas de gas y C.C. se obtienen eficiencias mayores del

70% muy por encima de los sistemas basados en máquinas de combustión interna. [14] Algunos equipos comerciales han sido evaluados con el objeto de elaborar estudios comparativos entre los sistemas basados en celdas y otros sistemas comerciales generadores de energía que se basan en la combustión de hidrocarburos.

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Los resultados que se muestran a continuación, referidos a los niveles de contaminantes generados, fueron obtenidos de un sistema comercial a base de celdas de combustible del tipo ácido fosfórico.


2.4.2. Ventajas y desventajas entre las diferentes celdas de combustible de acuerdo a su régimen de operación.

Las celdas consideran diferentes tipos de regímenes de operación, esto como resultado de los materiales con que están construidas, las técnicas de fabricación y los requerimientos de sistema que difieren en cada tipo de celda. Estas diferencias que se enlistan a continuación, resultan en ventajas y desventajas individuales que gobiernan la capacidad y el potencial para ser usadas en diferentes aplicaciones. PEMFC. La característica principal de esta celda es que tiene electrolito sólido, y por ello exhibe una excelente resistencia al cruce y fuga de gas, la celda opera a baja temperatura, típicamente 80°C, esto resulta en llevar a la celda a su punto de temperatura de operación rápidamente, pero el calor que genera no puede ser usado para propósitos de cogeneración. Algunas pruebas realizadas por investigadores demuestran que la celda puede operar a altas densidades de corriente comparadas con otras, sin embargo el manejo del calor y agua generados limitan su operación. La celda PEMFC tiene tolerancia al CO (monóxido de carbono) en bajos niveles de partes por millón (ppm). [14] AFC. Entre los atributos mayores de esta celda están su excelente desempeño, debido a que la reacción en el cátodo es rápida, y a su flexibilidad para usarse con diversos electrocatalizadores, un atributo que facilita su desarrollo. Uno de los requerimientos para un buen desempeño de esta celda es que el hidrógeno que se use como combustible esté en estado puro ya que el monóxido de carbono presente en cualquier combustible reformado reacciona con el electrolito de hidróxido de potasio para formar carbonatos y con ello se reduce la movilidad de los iones en el electrolito. Aunque una pequeña cantidad de CO2, aproximadamente 360 ppm, está presente en el ambiente, el flujo de aire a la celda debe de ser tratado para eliminar o reducir al mínimo la concentración de dióxido de carbono. Sin embargo, investigaciones realizadas determinaron que la purificación del aire para eliminar el monóxido de carbono no es muy efectiva debido a su alto costo, por esto la aplicación de esta celda podría estar limitada a aplicaciones especiales tales como ambientes cerrados. [14] PAFC. El monóxido de carbono que está presente en el combustible reformado que fluye en la celda y el aire, no reacciona con el electrolito en esta celda, pero se comporta como un diluyente, esta característica junto con una baja temperatura de operación la hacen una excelente candidata para aplicaciones terrestres como sistemas transporte, sistemas de generación de energía. Aunque el desempeño de la celda es bajo, debido a que en el cátodo se lleva a cabo una reacción a baja velocidad, la celda puede acepta con hidrocarburos como combustibles. La necesidad de eliminar el monóxido de carbono para purificar el aire también se descarta. El calor que se genera debido a las reacciones en la celda es de calidad para ser usado en propósitos de cogeneración en sistemas que operen con turbinas de vapor, de hecho, un punto clave de aplicación para estas celdas es expandirla a aplicaciones de cogeneración para alcanzar mejores eficiencias. [14] La celda de ácido fosfórico alcanza valores de eficiencia eléctrica del orden del 37% al 42% y están en el extremo más bajo de eficiencias que se pueden alcanzar en celdas que se emplean en plantas de generación de energía.

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El combustible tiene que ser reformado externamente lo que implica un impacto en la eficiencia general. El monóxido de carbono tiene que ser eliminado mediante una reacción de gas-agua por debajo del 3% al 5% del volumen ó esto afectara al catalizador. Estas limitaciones han provocado el desarrollo de celdas alternativas de alta temperatura. MCFC. Las desventajas que se presentan tanto en las celdas de alta temperatura, así como en las de baja temperatura pueden ser atenuadas con la celda tipo MCFC, esto debido a su alta temperatura de operación, 650°C , lo cual resulta en muchos beneficios, entre los cuales está que la celda puede ser construida de hojas metálicas disponibles, lo que se traduce en reducción de costos de fabricación en el ensamble de la celda. Otras ventajas de esta celda son: la reacción electroquímica ocurre con la ayuda de un catalizador de níquel; la reformación del combustible puede ocurrir dentro de la celda, esto resulta en una alta ganancia en la eficiencia, además de que el monóxido de carbono puede ser considerado como combustible para usarse en la celda directamente. Esta celda puede operar eficientemente con combustibles conteniendo dióxido de carbono, como gases derivados de biocombustibles y el calor que genera la celda se puede aplicar para manejar turbinas de gas o producir vapor de alta presión para propósitos de usarlo en sistemas de cogeneración. Una de sus mayores desventajas es que el electrolito es corrosivo y móvil. La tolerancia al azufre es controlada mediante un catalizador reformado y es baja. La operación de la celda requiere el uso de acero inoxidable como material del cuerpo de la celda. Las altas temperaturas provocan problemas en los materiales, particularmente estabilidad mecánica lo que impacta en el tiempo de vida de la celda. [14] ITSOFC. La celda de óxido sólido de temperatura intermedia, 600-800°C, combina una serie de características disponibles en la tecnología de C.C. Entre sus ventajas están: uso de componentes cerámicos en los electrodos y electrolitos que absorben variaciones bruscas de temperatura; no se acumulan depósitos de carbón, por consiguiente esta celda puede aceptar hidrocarburos y monóxido de carbono en el combustible. La reformación interna de combustibles es práctica a temperaturas por encima de los 650°C, además, el uso de materiales cerámicos previene fenómenos de corrosión inherentes a las celdas de electrolito líquido. La reducción de temperatura de la celda permite su construcción a base de acero inoxidable, y representa costos reducidos en manufactura. Las desventajas de este tipo de celdas son: la conductividad en el electrolito es baja y su cinética de reacción en el electrodo disminuye a bajas temperaturas. La tecnología actual se ha enfocado en el desarrollo de capas delgadas de electrolito y también en la búsqueda de materiales alternativos para su fabricación. [14] TSOFC. Sus ventajas son: su sólida construcción cerámica evita los problemas de corrosión característicos en las celdas con electrolito líquido, tiene la ventaja de ser impenetrable al cruce de gas de un electrodo a otro, la ausencia de líquido también elimina el problema de movimiento del electrolito o la inundación del líquido en los electrodos, por otra parte la velocidad de reacción de la celda es alta y el monóxido de carbono no le afecta. A temperaturas de operación normal de 1000°C, el combustible puede ser reformado dentro de la celda. Y el calor que se genera en la celda se aprovecha para precalentar el aire que entra en la celda. Sin embargo, la alta temperatura en la celda tiene sus inconvenientes, existe incompatibilidad en la expansión térmica entre los materiales y el sellado entre las celdas es difícil en la configuración de placas

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planas. Por otra parte, la alta temperatura presenta severas restricciones en la selección de los materiales y como resultado de ello, existe complejidad en los procesos de fabricación. Este tipo de celda exhibe una alta resistividad eléctrica en el electrolito, lo cual resulta en un pobre desempeño en comparación con la celda tipo MCFC por aproximadamente 100 mV. [14] 2.5. El desempeño ideal de la celda. El desempeño ideal de una celda de combustible está definido por su potencial de Nernst (ENERNST), el cual es el potencial a circuito abierto, es decir sin carga asociada [13] La ecuación de Nernst provee una relación entre el potencial ideal (E0) para la reacción de la celda y el potencial ideal de equilibrio (E) a otras temperaturas y presiones parciales de los reactivos y productos. [13]. Una vez que el potencial ideal a condiciones estándar es determinado, el voltaje ideal puede ser calculado a otros valores de temperatura y presión a través de la ecuación de Nernst. De acuerdo a esta ecuación, para una reacción usando hidrógeno como combustible, el potencial ideal de la celda a condiciones estándar de temperatura y presión y el potencial ideal a otra temperatura, pueden ser incrementados mediante la manipulación de las presiones de los reactivos, y con ello el desempeño de la celda. La tabla 2.2 ilustra las reacciones globales de acuerdo al tipo de celda.

Tabla 2.2 Reacciones electroquímicas en las celdas de combustible. [13] CELDA DE

COMBUSTIBLE REACCIÓN EN EL ÁNODO REACCIÓN EN EL CÁTODO

PEMFC −+ +→ eHH 222 OHe2H2O21

22 →++−+

PAFC ( ) −− +→+ e2OH2OH2H 22 −− →++ )(OH2e2OHO21

22

MCFC −= ++→+ eCOOHCOH 22232 =− →++ 322 COe2COO2

1

SOFC, TSOFC, ITSOFC −= +→+ eOHOH 222 =− →+ Oe2O

21

2

Donde: CO monóxido de carbono CO2 Dióxido de Carbono

=3CO Ion Carbonato

e- Electrón H+ Ion Hidrógeno H2 Hidrógeno (molecular) H2O Agua O2 Oxígeno (molecular) Las reacciones mostradas en la tabla anterior muestran las reacciones en cada electrodo, en el caso de las celdas MCFC, SOFC, TSOFC, IT

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