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FUENTES ALTERNAS DE ENERGÍA III
ING. ALEJANDRO ROGELIO AVELINO PEREZ ESPINOSA
CELDAS DE COMBUSTIBLES
AFC CELDAS ALCALINAS
8VO SEMESTRE
ING ELECTRICA
INTEGRANTES :
AGUILAR SOLORZANO LUIS ENRIQUE
CARPIO CARDENAS SERGIO
CHAVEZ AVENDAÑO MIGUEL ERNESTO
CORDOBA AGUILAR ERICK
COELLO PENAGOS JOSE ALBERTO
DIAZ GONZALEZ ROBERTO
SANCHEZ MAZA KAREN CECIA
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¿QUE SON LAS CELDAS DE
COMBUSTIBLE?• Dispositivo que realiza una
conversión directa de energía química en eléctrica a través de una reacción electroquímica.
• Es una pila eléctrica, que es semejante a las baterías del almacenaje, se puede alimentar continuamente con un combustible para producir potencia eléctrica indefinidamente (connihan,1981).
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De energía química a energía eléctrica
Rendimiento motor térmico combustión interna ≤ 25%
Rendimiento motor eléctrico (80%) movido por pila de combustible (90%)
Rto. Total= 72% del contenido energético H2
Energía Química
(Combustible + Oxidante)
Energía Eléctric
a
Energía Térmica
Energía Mecánic
a
Máquinas Térmicas
Límite de Carnot
Pilas de Combustible
Pilas de combustible: la ventaja de la Termodinámica
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Móviles
Estacionarias
Pilas de combustible: aplicaciones
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AFC EN LA HISTORIAALCALINA (ALKALINE FUEL CELL)
Francis Bacon desarrolló la primera pila de combustible.
Sus primeros usos estaban orientados a suministrar energía eléctrica y agua en las naves espaciales norteamericanas de los años 60.
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Francis T. Bacon desarrolló un sistema de 5 kW que operaba a 200°C y pordebajo de 5 bares de presión, con el fin de evitar la ebullición del electrolito.
La pila no solo generaba energía a la nave si no que la aprovisionaba de agua, que mezclada con unas sales minerales era potabilizada.
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Pila de Combustible de 1,5 kW de la nave espacial Apollo que llevó al hombre a la luna. Se utilizaron 2 unidades para el suministro de electricidad y agua potable.
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Más de treinta años contemplan su utilización, enlos cuales únicamente una vez se obtuvo un fallo en su operación, como consecuenciade la parada de uno de los módulos de 7 kW probablemente debido a unsobrecalentamiento del gas a su paso por el separador, el fallo sólo supuso unareducción del tiempo destinado a la misión.
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CARACTERÍSTICAS DE LAS AFCS
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ESTRUCTURA
1.-Hidrógeno.2.-Flujo de electrones.
3.-Carga.
4.-Oxígeno.
5.-Cátodo.
6.-Electrolíto.
7.-Ánodo.
8.-Agua.
9.-Iones hidróxido.
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ElectrolitoEl electrolito es un álcali, uno de los electrolitos más utilizados es el KOH (hidróxido de potasio o potasa cáustica), alojada en una matriz generalmente de amianto.El asbesto, también llamado amianto, es un grupo de minerales metamórficos fibrosos.
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Otros Datos Pueden alcanzar eficiencias de generación eléctrica de
hasta un 70%. La AFC opera en rangos de temperatura similares a los de
la PEMFC, entre 150 y 200ºC.
El calor residual puede utilizarse como calefacción o para calentar agua.
En el ánodo se suele utilizar platino o paladio y en el caso del cátodo oro o platino o bien carbono dopado con platino.
Las presiones de trabajo típicas son de 1 y 2 bares.
Amortización con 40,000 horas de trabajo.
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REACCIONES QUIMICAS DE LA PILA DE COMBSTIBLE
ALCALINA• Reacciones del electrodo y la carga de
flujo para una pila de combustible de electrolito alcalino. Los electrones fluyen del ánodo al cátodo, pero los flujos de corriente positivos convencionales del cátodo al ánodo.
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• Los cátodos y ánodos positivos negativos Mirando el ejemplo que se muestra como anteriormente, los electrones fluyen desde el ánodo al cátodo. El cátodo es, pues, el terminal eléctricamente positivo, ya que los electrones fluyen de - a +.
• Como se puede ver, la célula de combustible produce corriente eléctrica por hidrógeno reacciona en el ánodo, y luego la liberación de energía. Sin embargo, no se quiere decir la reacción puede ser producida sin limitación.
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• La "energía de activación" se debe suministrar para superar la "colina de la energía" para que ocurra la reacción. La energía de activación es la altura de la barrera de potencial (a veces llamada la barrera de energía) que separa dos mínimos de energía potencial (de los reactivos y de los productos de reacción).
• Para la reacción química tenga tasa notable, no debe haber número apreciable de moléculas con la energía igual o mayor que la energía de activación.
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• Si la probabilidad de que una molécula que tiene la suficiente energía es bajo, entonces la reacción procederá sólo lentamente. Con una temperatura muy alta, la energía de activación suficiente se puede conseguir. Sin embargo, este no es el caso de la reacción de la pila de combustible.
• Hay tres maneras de lidiar con la velocidad de reacción lenta:
• el uso de catalizadores. • el aumento de la temperatura. • aumentar el área del electrodo.
El aumento de la zona de electrodo,
De la reacción de
• 2H2 + 4OH- 4H2O + 4e-
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• El gas combustible y iones OH-de electrolito se requieren para tomar una reacción en el ánodo, así como la energía de activación necesaria. La "unión" de H2 y los iones OH-deben tener lugar en la superficie del electrodo, ya que los electrones producidos deben ser eliminados. La reacción, con la participación de combustible u oxígeno (por lo general un gas), con el electrólito (sólido o liquido) y el electrodo, a veces se llama el contacto de tres fases. La unión de estas tres cosas es un tema muy importante en el diseño de celdas de combustible. Claramente, la velocidad de reacción será proporcional al área del electrodo. Es por eso que se define el rendimiento de un diseño de la célula de combustible es citado a menudo en términos de la corriente por cm2.
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VENTAJASY
DESVENTAJAS
•Tensión de activación menor.
•Electrolito económico.
•No utiliza placas bipolares.
•Menos complejidad.
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PILAS DE COMBUSTIBLEAFC, ALCALINA
Ventajas:
Alto rendimiento y eficiencia.Mejora del funcionamiento del
cátodo Bajo coste del electrolitoTemperatura baja y ambienteResistencia Interna baja Tensión de activación menorNo utiliza placas bipolares.Menos complejidad
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• Desventajas:
Son muy sensibles a la contaminación por
CO2.
Utilización de gases reactivos muy puros
Evacuar agua del ánodo
KOH( hidróxido de potasio) , necesidad de reemplazar
Menor duración debido a su susceptibilidad a ese tipo de contaminación.
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FUNCIONAMIENTO
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FUNCIONAMIENTOEl funcionamiento de una celda de combustible consiste básicamente en la oxidación del hidrógeno en agua, generando energía eléctrica y calor directamente, sin pasar por generadores u otros artefactos.
La reacción producida da lugar a la formación de electricidad, calor y agua. Se logra alimentando el hidrógeno en el ánodo de la celda y el oxígeno en el cátodo, los cuales están separados por una membrana electrolítica.
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FUNCIONAMIENTOLa reacción se produce dentro de la celda misma. La producción de agua toma lugar en distintas partes de la celda dependiendo del electrolito utilizado.
Uno de los mayores problemas que surgen es que el combustible debe ser hidrógeno de gran pureza con nula concentración de CO o CO2. Si existen restos de CO2, este es absorbido por el KOH y se forma carbonato potásico, lo que reduce enormemente la eficiencia de la Pila de Combustible. Otra opción es utilizar amoniaco como portador de hidrógeno.
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CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO
Pila de combustible
Presión (bar)
Temperatura (°C)
KOH (% conc.)
Catalizador del ánodo
Catalizador del cátado
Bacon 45 200 30 Ni NiO
Apollo 3,4 230 75 Ni NiO
Orbiter 4,1 93 35 Pt/Pd Au/Pt
Siemens 2,2 80 Ni Ag
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CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO
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TIPOS
•Electrolito móvil
•Electrólito estático
•AFC con combustible disuelto.
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TIPOS•Electrolito móvil
•Electrólito estático
•AFC con combustible disuelto.
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TIPOS
•Electrolito móvil
•Electrólito estático
•AFC con combustible
disuelto.