celdas de combustible - Universidad Nacional de La Plata

UNIVERSIDAD NACIONAL
DE LA PLATA
FACULTAD DE INGENIERIA
CELDAS DE COMBUSTIBLE
Trabajo práctico
Celdas de combustible
Alumnos:
Roll, Nilda
Nº 36221
Ramón Owsiak, Fernando
Nº 48811
David, Alejandro T.
Nº 46603
Items principales:
 Introducción.
 Principio de funcionamiento.
 Tipos de celdas:
PEM.
Carbonato fundido.
Oxido sólido.
Acido fosfórico.
Alcalina.
 Usos.
 Ventajas y desventajas.
 Qué pasa en la Argentina?
 Conclusión.
 Bibliografía.
Introducción
Al señor William Grove se le atribuye ser ampliamente el “Padre de la Célula
de Combustible.” Las visiones de Grove se ganaron de sus experimentos en 1839 en
la electrólisis del agua. Grove razonó que debe ser posible invertir el proceso y debe
reaccionar hidrógeno con oxígeno para generar electricidad. El término “la célula de
combustible” (Fuel Cell) se acuñó en 1889 por Ludwig Mond y Charles Langer que
intentaron construir el primer dispositivo práctico usando aire y el gas de carbón
industrial.
Los esfuerzos a principios del Siglo XX por construir células de combustible
que podrían convertir combustible proveniente del carbón directamente a
electricidad continuaron fallando debido a una falta de comprensión de materiales.
Los primeros dispositivos de célula de combustible exitosos fueron el resultado
de las invenciones del ingeniero Francis Bacon en 1932. Él mejoró los catalizadores
de platino caros empleados por Mond y Langer con la célula de hidrógeno - oxígeno
usando un electrolito alcalino menos corrosivo y electrodos de níquel baratos. Sin
embargo, no fue hasta 1959, un cuarto de un siglo después, que Bacon pudo
demostrar un sistema de 5 kilowatts práctico capaz de impulsar una máquina de
soldadura. En octubre de ese mismo año, Harry Karl Ihrig demostró su famoso tractor
de 20 caballos de potencia impulsado por célula de combustible.
En la década de 1950, por entonces una pequeña agencia federal llamada
Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), empezó a investigar
en serio un generador compacto de electricidad de a bordo para proporcionar
impulso para una próxima serie de misiones espaciales tripuladas. Después de
desechar reactores nucleares como demasiado arriesgado, baterías como demasiado
pesadas y de corta vida, la NASA optó por células de combustible.
La NASA consolidó en el futuro más de 200 contratos de la investigación en
todos los aspectos de tecnología de célula de combustible. Hoy, después de abastecer
fiablemente electricidad (y agua) al Apolo y otras misiones, las células de
combustible han demostrado su papel en el espacio.
Principio de funcionamiento
Una celda de combustible es un dispositivo que utiliza procesos químicos para
producir energía a partir de iones de hidrógeno y átomos oxígeno. Estos iones pasan a
través de un electrolito (qué conduce electricidad), y reaccionan con los átomos de
oxígeno. La celda de combustible produce corriente como una batería, pero al
contrario de una ésta, nunca se descarga; la celda sigue produciendo energía mientras
se disponga de combustible. Esta energía es proporcional al tamaño (área) de los
electrodos. Estas células pueden ser “apiladas” hasta llegar al nivel de energía que se
desea alcanzar. En términos sencillos, las celdas de combustible combinan
químicamente los gases de hidrógeno y oxígeno, para así producir agua y energía. La
ecuación química básica de esta reacción es:
Tipos de celdas:
Existen varias clases:
PEM (sigla en inglés de Membrana de Intercambio Protónico).
Carbonato fundido.
Acido fosfórico.
Oxido de sólidos.
Alcalina (del tipo de combustible utilizado por el programa espacial de los
EUA).
PEM:
PEM (Membrana de Intercambio Protónico). El funcionamiento central de la
PEM son dos electrodos (el ánodo y el cátodo), y una membrana electrolítica
selectiva intercalada entre los dos electrodos. Los procesos físicos y electroquímicos
que ocurren en cada electrodo son realmente complejos e involucran el uso de un
catalizador, normalmente platino, para promover la reacción deseada. En términos
simplificados, el catalizador separa el gas en protones de hidrógeno y en electrones
libres. Los protones de hidrógeno atraviesan la membrana al lado del cátodo, y de
nuevo con la ayuda de un catalizador, se combinan con el oxígeno. Los electrones no
pueden atravesar la membrana y son forzados a fluir a través de un circuito externo
que proporciona una corriente eléctrica. La electricidad producto de una sola célula es
demasiado poca para el uso extendido. Para aumentar este rendimiento, se conectan
células de combustible múltiples en serie o paralelo para construir una pila.
Para ver una animación del funcionamiento de una celda de este tipo diríjase a:
www.hpower.com
Carbonato fundido:
Las células de combustible de carbonato fundido son un tipo de célula de
combustible directa que elimina procesadores de combustible externos. Metano (el
ingrediente principal de gas natural) y vapor se convierten en hidrógeno-rico gaseoso
en el ánodo reformador que es parte de la pila de combustible. La pila de combustible
se compone de dos electrodos porosos en contacto con una sal fundida de carbonato
de litio-potasio (LiKCO3) y opera aproximadamente a 650°C. En el cátodo, oxígeno
(O2) y dióxido del carbono (CO2) se convierten en los iones del carbonato. El
electrolito permite emigrar al ánodo los iones del carbonato. En este, el hidrógeno
reacciona con los iones del carbonato para formar agua y CO2, y se sueltan dos
electrones. Conectando los dos electrodos a través de un circuito externo completa el
flujo de electrones para generar electricidad de corriente continua.
La reacción electroquímica ocurrida en el ánodo de una celda de combustible
de carbonato fundido es:
y en el cátodo:
La reacción de la celda global es:
Las plantas de celdas de combustible de carbonato fundido pueden lograr una
eficacia eléctrica de 50 por ciento, que son considerablemente más alto que una
planta de celdas de combustible de ácido fosfórico.
Las celdas de combustible de carbonato fundido funcionan a
temperaturas muy elevadas y así son aptas para aplicaciones a gran escala, por
ejemplo, en plantas eléctricas.
Acido fosfórico:
Estas células de combustible utilizan ácido fosfórico líquido como electrolito.
En el ánodo se ioniza gas de hidrógeno para producir iones de hidrógeno y electrones.
Los electrones viajan del ánodo al cátodo a través de un circuito externo. Los iones
de hidrógeno viajan al cátodo a través del electrolito. En el cátodo el oxígeno
reacciona con los iones de hidrógeno y los electrones para formar agua.
Entre los problemas relacionados al funcionamiento de estas celdas se puede
mencionar el envenenamiento del ánodo por impurezas, tales como monóxido de
carbono y sulfuro de hidrógeno, la corrosión a circuito abierto tanto del platino como
del soporte de carbón y el sinterizado de las partículas del electrocatalizador durante
el empleo prolongado de la celda.
El conjunto de celdas de combustible se arma acoplando en serie un número dado de
celdas unitarias, repitiéndose la secuencia: ánodo – matriz con electrolito – cátodo –
placa de grafito bipolar. Durante su funcionamiento a 150 – 190 ºC, el sistema se
enfría con liquido o con aire. Celdas de este tipo pueden exceder las 10000 horas de
uso continuo.
Oxido de sólidos:
Estos sistemas requieren temperaturas de operación muy altas que van de 900 a
1100 °C. La desventaja principal de este plan es esa temperatura de operación que
requiere especializados y exóticos materiales para interconectarce con otros
componentes de la pila. Esto lleva a un alto costo de la producción del material. Estas
altas temperaturas también presentan un problema para el largo término de
funcionamiento y fiabilidad de las celdas debido a los problemas de la oxidación de
los materiales.
Una más nueva y más prometedora aplicación de la célula es el concepto de "
Ánodo de Apoyo". Este plan tiene un ánodo espeso que actúa como la estructura de
apoyo. El electrolito y cátodo son muy delgados en comparación. Este tipo de célula
generalmente opera dentro de un rango de temperatura de 750 a 850 °C. El ánodo,
cátodo y electrolito están hechos de materiales cerámicos para resistir las
temperaturas.
A este rango medio de temperaturas, existen aleaciones de cromo que pueden
usarse. Aquí, el término de largo funcionamiento ha sido mejorado aunque puede
haber todavía un poco de degradación debido a la oxidación del metal. Una ventaja
significante de las celdas de oxido sólido es que no necesita a un reformador externo
o ' la mini-refinería ' para hacer hidrógeno. Debido a la alta temperatura de operación,
se produce directamente hidrógeno a través de un proceso catalizador cualquiera
dentro de la célula, o externo a la célula en la zona caliente. Monóxido de carbono, un
contaminante en los sistemas de PEM es un combustible para las celdas de
combustible de oxido sólido.
agf
Celda de combustible tubular de óxido de sólidos
Alcalina:
Esta celda utiliza electrodos de níquel de doble porosidad para obtener un
menisco estable del electrolito, hidróxido de potasio concentrado, dentro del
electrodo. La celda funciona en un alto rango de temperatura y presión, aunque a los
fines prácticos opera a 200 – 240 ºC y a altas presiones.
Una celda de este tipo, modificada para trabajar a bajas presiones, se utilizó en
el proyecto espacial Apolo.
En los últimos años se han alcanzado importantes progresos en el diseño y
desarrollo de este tipo de celdas. Así, se han construido módulos compactos con
electrolitos circulantes y una potencia del orden de varios kW. En uno de estos
sistemas, el electrolito es hidróxido de potasio al 30% y la reacción transcurre con
formación de agua y liberación de calor con la consiguiente dilución del electrolito y
elevación de la temperatura.
El dispositivo tiene una resistencia interna característica que depende del
diseño, pero que es algo mayor que la de sistemas que operan con matrices. Para dar
una idea de estas celdas podemos describir una unidad compacta de 7 kW que consta
de 70 celdas en serie con un peso de 85 Kg, involucrando en ello el conjunto total de
elementos: el generador de electrolito, la unidad de control electromecánico, el
sistema de abastecimiento y el dispositivo de control electrónico.
Esquema de una celda de combustible de hidrógeno – oxigeno
que emplea electrolito alcalino.
Usos
Las celdas de combustible tal vez serán el recurso energético del futuro, pero eso
no significa que no existan hoy. Se han creado e instalado varios sistemas de celdas
de combustible que están actualmente en uso. Aquí presentamos unos ejemplos:
Telecomunicaciones remotas:
Las celdas de combustible pueden proveer energía confiable para operaciones
delicadas. Se ha construido un sistema de celda de combustible que provee energía
confiable durante todo el año para una estación de telecomunicaciones en un sitio
aislado. Esta estación provee servicio telefónico para la tribu Yurok en el norte del
Estado de California, E.U.A.
Fuentes de potencia auxiliar en naves espaciales
La alta eficiencia de conversión de celdas de combustible permite un
aprovechamiento máximo de la energía química del combustible y,
consiguientemente, se minimiza el peso del combustible que se debe transportar. Se
han empleado celdas de combustible de Hidrógeno – Oxigeno como fuentes de
potencia auxiliar en proyectos espaciales como Apolo y Géminis por nombrar
algunos.
PC3A-2, esta celda de
Combustible de 1.4 kW
fue utilizada en las
misiones Apollo.
Se instalaron tres
PC3A-2 como fuentes
de energía en el modulo
de servicio del Apollo.
Instalación de la celda
PC15 de 30kW en el
Lockheed Deep Quest
Submersible.
La celdas de combustible
proveen de energía eléctrica
y agua para beber durante
los viajes espaciales.
PC17C, esta celda de
combustible de 12 kW ha
brindado energía eléctrica al
Space Shuttle Orbiter Vehicle.
Vehículos impulsados por celdas de combustibles:
En este campo, los sistemas electroquímicos de producción de electricidad (celdas
de combustible y baterías) han alcanzado gran desarrollo. Se han fabricado vehículos
accionados por baterías de celdas alimentadas con hidrógeno y oxigeno de depósitos
criogénicos, alcanzando potencias de 30 a 50 kW y velocidades máximas del orden
de 100 km/h, con una autonomía de 250 km.
Forty Foot Transit Bus Impulsado por celdas de combustible de 100 kW IFC.
Fuentes convencionales de energía:
Se han desarrollado sistemas que utilizan hidrogeno proveniente del reformado
del gas natural o de cortes livianos de petróleo que es enviado a través de redes de
distribución a viviendas, establecimientos comerciales y pequeñas industrias, dotadas
de celdas de combustibles del tipo hidrógeno – aire, para la producción local de
electricidad. La reducción de los costos que resultaría en un mayor aprovechamiento
de combustible y de la utilización de la red de distribución de gas natural hace
sumamente atractivo este enfoque, limitado, si embargo, por el alto costo inicial de
las celdas.
Instalación de una planta
de celdas PC25™ para
una estación de policia
en Central Park, New York.
Planta de celdas PC25
instaladas en una central
de datos del First National
Bank of Omaha, Nebraska.
Instalación de una planta
de celdas PC25 en el
St. Vincent's Hospital
en New York.
Planta de celdas PC25
instaladas en un centro
de datos en Hamilton
Sundstrand, CT.
Complejo de edificios
en 4 Times Square.
Se requirieron dos
plantas de celdas PC25.
Instalación de cinco plantas
de celdas PC25 en el centro
de correo regional en
Anchorage, Alaska.
Instalación de una planta
de celdas PC25 en el
Hospital Kaiser en
Sacramento, California.
Planta de celdas PC25
en el Yankee Gas Services
Office en Meriden, CT.
Primer planta de celdas de
combustible PC25 instalda
en BOCES, New York
Instalación de una planta
de celdas de combustible
PC25 en South County
Hospital, Wakefield, RI.
Fuentes para generación de potencia en gran escala:
En los Estados Unidos se han desarrollado sistemas para generación de
potencias en gran escala, en el orden de los 25 MW que utilizan ácido fosfórico y
carbonatos fundido como electrolito.
Fuentes de almacenaje y producción de electricidad:
Algunos tipos de celdas de combustible, tales como las del hidrógeno –
oxígeno, pueden utilizarse en combinación con reactores nucleares. Durante los
periodos de menor consumo, parte de la energía producida en la reacción nuclear se
utiliza para electrolizar soluciones acuosas produciendo hidrógeno y oxigeno que
pueden alimentar a celdas de combustible durante los periodos de mayor consumo.
Ventajas y desventajas
Las celdas de combustible tienen el potencial de ser muy eficientes por las
siguientes razones:
 Las celdas de combustible tienen muy pocas partes móviles (bombas de
reactivos y válvulas) que producen muy poca fricción.
 Ninguna energía del combustible es perdida por calentamiento durante el
proceso de conversión. El combustible es oxidado a baja temperatura en lugar
de ser “quemado” a muy altas temperaturas como ocurre en la maquina de
combustión interna.
 Los rangos de eficiencia eléctrica son elevados, en comparación a los motores
de combustión, que se ven limitados por el ciclo de Karnot, las celdas tienen
una eficiencia de entre un 40 y un 60 por ciento dependiendo del tipo y diseño.
 Si además de la electricidad también es aprovechado el calor producido la
eficiencia puede alcanzar valores de entre 70 y 90 por ciento.
 Las bajas emisiones son el resultado de la baja temperatura de oxidación y de
la selección del combustible cuando se usa un reformador con hidrocarburos.
En el caso del hidrógeno (el combustible ideal), el único subproducto es el
agua.
 Las celdas de combustible son silenciosas, apenas emiten 60 decibeles.
 Tienen gran flexibilidad de combustible: gas natural, gas de carbón, metanol y
otros combustibles que contengan hidrocarbonos. Esto permite el poder
utilizarlas inclusive cuando las reservas de combustible primario se agoten.
Las celdas de combustible necesitan ser mejoradas en los siguientes puntos para
hacerlas mas practicas para su producción en gran escala:
 Reducir el tamaño y el peso de las celdas de combustible. La potencia
especifica de las celdas de combustible es aproximadamente 1/3 de los
motores convencionales de gasolina. Esto significa que las celdas de
combustible son aun relativamente grandes y pesadas comparadas con las
maquinas convencionales.
 Reducir los costos de fabricación de las celdas de combustible. El costo es
actualmente muy alto, principalmente porque las celdas de combustible son
construidas a partir de materiales caros y porque además son producidas en
bajos volúmenes. En la medida que los problemas de manufactura sean
solucionados, bajen los costos de los materiales y también las tolerancias de
precisión, se deberá esperar una baja muy considerable en los costos.
 La infraestructura de distribución de combustible necesita ser expandida. La
infraestructura de distribución para el hidrógeno es hoy día muy limitada.
Como otras celdas de combustible para hidrocarburos, alcoholes o amoniaco
también son producidas, se espera que esto sea un problema menor.
 A alta potencia, la eficiencia de las celdas de combustible decrece. Las celdas
de combustible se vuelven menos eficientes a medida que son requeridas
mayores potencias especificas de salida. Para mantener altas eficiencias, una
celda de combustible de mayores dimensiones deberá ser utilizada lo cual
conduce a problemas de peso y tamaño.
Qué esta pasando en Argentina?
Tuvimos la oportunidad de presenciar una charla brindada en el INIFTA
(Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas), con la cual nos
pusimos al tanto del desarrollo de celdas de combustible en la Argentina. Este es el
único lugar de la Argentina, al menos del único que nosotros hemos tenido noticias,
en donde se experimenta con este tipo de tecnología. Las celdas que tomaron parte de
las investigaciones fueron las de ácido fosfórico y electrolito polimérico sólido.
Actualmente se esta trabajando sobre la última de manera que la describiremos
brevemente y sin entrar en detalle. Se construyó un electrodo mediante procesos de
mezclado, filtrado y prensado de los materiales. El electrodo fue varias veces
optimizado hasta alcanzar la configuración deseada. Las celdas se armaron pegando
cada uno de los electrodos a través de sus matrices. Entre en ánodo y el cátodo se
encuentra la membrana de electrolito polimerico sólido, que tiene el aspecto de una
filmina. Por afuera hay unas placas de grafito que tienen la función de colectoras de
energía y a la vez de distribuidor de gas. Existen, entre las placas de grafito y el resto
de la celda, unos sellos para evitar las perdidas de gas por los laterales.
Los resultados logrados en las experiencias no fueron los ideales ya que se
comprobó que la eficiencia de la celda construida es levemente inferior a la de una
celda de combustible comercial, esto se debe a que las presiones con las que se
trabajaba en el laboratorio no eran lo suficientemente altas debido a que los
materiales utilizados no las soportarían.
Celda de combustible de polimero sólido desarrollada en los laboratorios del INIFTA
Conclusión
Como podemos observar las celdas de combustible serán (o son) una
interesante y muy viable fuente de energía, fuente renovable, no contaminante y más
barata que las actuales. Estas ventajas hacen que esta nueva tecnología este creciendo
a pasos agigantados y que muchas empresas privadas y guvernamentales de
diferentes países destinen fondos a su investigación y desarrollo.
Las celdas de combustible son indudablemente un futuro muy próximo, y
vimos que afortunadamente Argentina no se esta quedando “demasiado” afuera de
este emprendimiento. Si bien la investigación que se lleva a cabo en la materia es
muy importante, creemos que no es suficiente, y no por una decisión de los
investigadores sino por el bajo presupuesto que se destina a esta importante
tecnología. Esperamos que en un futuro no muy lejano haya mayor cantidad de
grupos de investigación nacionales que permitan al país la integración científica al
tema de una manera más relevante. Debemos elogiar, asimismo, lo logrado hasta el
momento en el INIFTA y recalcar lo importante que es que al menos alguien nos
permita, como país, estar a la vanguardia en este tema.
Bibliografía
Paginas webs de:
 Hidrogenics Corporation: www.hidrogenics.com
 Asociación Argentina de Energías Renovables y Ambientes:
www.asades.org.ar
 Hpower Corporation: www.hpower.com
 Fuel Cells Technologies Corporation: www.fuelcell.kosone.com
 Scientific American: www.sciam.com
 National Fuel Cells Research Center: www.nfcrc.uci.edu
 The Hydrogen & Fuel Cells Investor: www.h2fc.com
 Fuel Cells Commercialization Group: www.ttcorp.com
 Conversion electroquímica de energia; por W. E. Triaca y C. E.
Mayer.
 Fuel Cells Program; por Dr. M. C. Williams; de la FETC
(Federal Energy Technology Center), diciembre de 1998.
 Boletín oficial de la Asociación Argentina del Hidrógeno, Año1
N° 2, octubre de 1998.
 Charla brindada en el INIFTA (Instituto de Investigaciones
Fisicoquímicas, Teóricas y Aplicadas) por investigadores a cargo
del desarrollo de celdas de combustible.