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ALUMNA: ROJAS MEDRANO MADELEINE ARIADNA GRUPO: 3IV
Celda de combustible. Dispositivo electroquímico cuyo concepto es similar al de una batería. Consiste en la producción de electricidad mediante el uso de químicos, que usualmente son hidrógeno y oxígeno, donde el hidrógeno actúa como elemento combustible, y el oxígeno es obtenido directamente del aire. También pueden ser usados otros tipos de combustibles que contengan hidrógeno en su molécula, tales como el gas metano, etanol, gasolina o diésel entre otros.
Características.
Estas celdas no se agotan como lo haría una batería, ni precisan recarga, ya que producirán energía en forma de electricidad y calor en tanto se les provea de combustible. En la práctica, la corrosión y la degradación de materiales y componentes de la celda pueden limitar su vida útil. La manera en que operan es mediante una celda electroquímica consistente en dos electrodos, un ánodo y un cátodo, separados por un electrólito. El oxígeno proveniente del aire pasa sobre un electrodo y el hidrógeno gas pasa sobre el otro. Cuando el hidrógeno es ionizado en el ánodo se oxida y pierde un electrón; al ocurrir esto, el hidrógeno oxidado (ahora en forma de protón) y el electrón toman diferentes caminos migrando hacia el segundo electrodo llamado cátodo. El hidrógeno lo hará a través del electrólito mientras que el electrón lo hace a través de un material conductor externo (carga). Al final de su camino ambos se vuelven a reunir en el cátodo donde ocurre la reacción de reducción o ganancia de electrones del oxígeno gas para formar agua junto con el hidrógeno oxidado. Así, este proceso produce agua 100% pura, corriente eléctrica y calor útil, por ejemplo, energía térmica (Figura 1). Figura 1. Principio de operación de una celda de combustible.
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A diferencia de las máquinas de combustión cuya eficiencia está regida por el ciclo de Carnot y limitada por la temperatura, la eficiencia teórica de las celdas de combustible está dada por las leyes de Faraday, que relacionan directamente la corriente producida en una reacción electroquímica con la cantidad de material reactivo, es decir, con la cantidad de combustible. La mayor ventaja de las celdas de combustible descansa realmente en el hecho de que no están limitadas por la temperatura, lo cual les otorga el gran beneficio de alcanzar altas eficiencias. Así, en teoría, cada molécula de hidrógeno gas producirá dos electrones libres y junto con un átomo de oxígeno reducido se generará una molécula de agua. Tal reacción electroquímica es exotérmica, por lo que además el calor desprendido puede ser utilizado y así aumentar la eficiencia de las celdas de combustible. Estas características de lograr alta eficiencia durante la generación de electricidad y la ventaja de presentar cero emisiones contaminantes cuando el combustible es hidrógeno hacen de las celdas de combustible los mejores candidatos para la generación de energía eléctrica. Por otra parte, también ofrecen la posibilidad de utilizar casi cualquier combustible que contenga hidrógeno, aunque hidrocarburos como el gas natural, metanol, etanol, biogás y propano, así como el diésel y la gasolina son los que mayor atención han recibido por razones de tipo practico.
Tipos de celdas de combustible, principales diferencias y usos.
Las celdas de combustible son en realidad una familia de tecnologías que usan diferentes electrólitos y que operan a diferentes temperaturas. En la actualidad, el estado de la tecnología de las diferentes celdas de combustible puede describirse en la tabla 1, el cual muestra algunas características de las celdas y las temperaturas a las cuales operan. Tabla 1. Tipos de celdas de combustible y características principales.
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➢ Celdas de óxido sólido (SOFC) Este tipo de celda no utiliza electrólitos corrosivos sino electrólitos en estado sólido y presenta diversas ventajas técnicas: un sistema de óxido sólido normalmente utiliza un material sólido cerámico (zirconia estabilizada de ytrio) en lugar de un electrólito líquido, permitiendo que la temperatura de operación alcance los 1 000°C. Las eficiencias de generación de potencia pueden alcanzar un 60% sin cogeneración, al tiempo que la cinética de reacción en estas celdas es muy rápida y no requiere reposición de CO 2 en el cátodo. Al igual que las MCFC, el hidrocarburo alimentado puede ser reformado dentro de la celda. Este tipo de celda utiliza un arreglo de tubos de un metro de longitud, cuya disposición permite alcanzar mayores eficiencias (unidad Siemens Westinghouse), mientras que otras variaciones incluyen un disco comprimido, semejando la parte superior de una lata de sopa y ofrecen ventajas potenciales de fabricación y eficiencia. Esta facilidad de morfología es producto de poder vaciar el material sólido en diferentes formas durante la fabricación haciéndolas, por ejemplo, planares, tubulares o monolíticas. Su eficiencia es mayor a 80% cuando el calor producido es empleado en cogeneración. Esta celda de combustible altamente prometedora por sus bajos costos de fabricación y su capacidad de operar a costos competitivos (principalmente en unidades pequeñas), la cual podría ser usada en aplicaciones de potencia, incluyendo estaciones de generación de energía eléctrica a gran escala e industrial. ➢ Celda de polímero sólido o membrana de intercambio protónico (PEM) Estas celdas utilizan como electrólito una membrana polimérica conductora de protones. Dicha membrana se encuentra entre dos electrodos porosos impregnados en el lado de la membrana con un electrocatalizador (usualmente Pt) y un material hidrofóbico del otro lado. Operan a temperaturas relativamente bajas (unos 80°C), tienen una densidad de potencia alta, pueden variar su salida rápidamente para satisfacer cambios Figura 4. Esquema de una celda de Combustible SOFC
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en la demanda de potencia y son adecuadas para aplicaciones donde se requiere una demanda inicial alta. El único líquido que maneja la celda PEM es agua, por lo que los efectos por corrosión son mínimos. La presente tecnología permite fabricarlas en un modo tan compacto que una celda puede tener el grosor de una hoja de papel y generar varios mA de corriente por centímetro cuadrado, esto es, densidades de corriente superiores a los otros tipos de celdas. Desarrollos recientes evitan que el combustible tenga que ser presurizado para aumentar la eficiencia del sistema y que el manejo del agua sea controlado para evitar la “inundación” de los electrodos porosos empleados manteniendo, al mismo tiempo, la necesaria humedad en la membrana para que ésta pueda conducir iónicamente las cargas positivas provenientes del ánodo. Presiones actuales de operación se encuentran alrededor de valores de 30 psi en potencias de hasta 285 kW, sin embargo, adecuados colectores de corriente y estructuras soporte pueden llevar a las celdas PEM a presiones de operación hasta de 3 000 psi, lo cual incrementa principalmente el voltaje de la celda y la densidad de corriente. En general, el desempeño de las celdas PEM es muy variado, ya que éste depende de la presión, temperatura y calidad de los gases, entre otros parámetros. Este tipo de celda produce calor útil que no puede ser utilizado en cogeneración, pero que puede aprovecharse en sistemas de calefacción y agua caliente, por ejemplo, para aplicaciones residenciales y de oficina. Las celdas PEM son los principales candidatos para vehículos ligeros y prácticamente todos los gigantes de la industria automotriz han prometido llevar sus autos, ya en demostración, en etapa comercial, en los primeros cinco años del 2000. Otras aplicaciones mucho menores como la sustitución de baterías recargables en videocámaras, telefonía inalámbrica, además de aplicaciones residenciales, se encuentran entre los mercados Figura 5. Esquema de una celda de Combustible potenciales de las celdas PEM. PEM
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➢ Conservación del hidrógeno en estado liquido 20 grados Kelvin a presión atmosférica: baja la eficiencia y aumenta el peso del vehículo. ➢ Problemas con el transporte y distribución del hidrógeno: resulta mas conveniente utilizar el hidrógeno en su lugar de producción.
Referencias
Alonso, H. G. (enero de 2014). SlideShare. Obtenido de https://es.slideshare.net/hector29giron/pilas-de-combustible-cogeneracin Anónimo. (s.f.). EcuRed. Obtenido de https://www.ecured.cu/Celda_de_combustible Castillo, U. C. (septiembre de 1999). boletin iie. Obtenido de https://www.ineel.mx/reno99/apli.pdf Lagrille, M. C. (s.f.). Universidad de Chile. Obtenido de http://www.ingenieros.cl/wp- content/uploads/2017/01/Celdas_de_Combustible_20DIC2016.pdf Figura 8. Resumen de las aplicaciones y principales ventajas y desventajas de los diferentes tipos de celdas de combustibles y sus diferentes aplicaciones.
