Pilas de Combustible
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Pilas de Combustible “Pilas de Combustible” Pilas de Combustible Evolución histórica de las baterías Pilas de Combustible Esquema de electrolizador Fuente de corriente e- e- Reacción global: ∆G= +237 KJ/mol H2 H2O Eeq=- ∆G/nF=237 103/(2*96500)=1.23V cátodo ánodo Electrolito H2O 2H+ + 1/2 O2- H2 Pt Solución acuosa conductora H2O H2 + ½ O2 ½O2 Pt Pilas de Combustible ¿Qué es una Pila de Combustible? Dispositivo electroquímico que convierte la energía química de las reacciones de oxidación de un combustible y de reducción de un oxidante en energía eléctrica (corriente contínua) y calor. Elementos básicos: -Anodo -Cátodo -Electrolito Reacción anódica: H2 2 H+ + 2 e- Reacción catódica: ½ O2 + 2 e- + 2 H+ H2O Reacción global: H2 + ½ O2 H2O ∆G=-237 KJ/mol H2 Eeq=- ∆G/nF=237 103/(2*96500)=1.23V Pilas de Combustible Electrolisis Pila de combustible Pilas de Combustible Características de Pilas de Combustible •Altas eficiacias energéticas: - no existen limitaciones termodinámicas del ciclo de Carnot, Ofrecen eficacias de conversión mayores que las que puedan conseguir otros generadores térmicos. Poco contaminante: Bajas emisiones y Silenciosas, (proceso electroquímico y no por combustión) , •Configuración nodular. Se pueden apilar células para suministrar el voltage deseado Pilas de Combustible Características de Pilas de Combustible •Altas eficacias energéticas: - no existen limitaciones termodinámicas del ciclo de Carnot, Ofrecen eficacias de conversión mayores que las que puedan conseguir otros generadores térmicos. Poco contaminante: Bajas emisiones y Silenciosas, (proceso electroquímico y no por combustión) , •Configuración nodular. Se pueden apilar células para suministrar el voltage deseado •Empleo metales catalíticos costosos y escasos: -Pd, Pt y Ag en cantidades imptes. (3-4 g Pt/kW en H2/O2) • Dificultad almacenamiento H2 Pilas de Combustible Reseñas históricas Sir William Grove (1811-1896) Pilas de Combustible Reseñas históricas Sir William Grove (1811-1896) Utilización práctica: Años 60: Proporcionaron electricidad y agua en naves espaciales Gemini y Apolo Pilas de Combustible ¿Cómo funciona una pila de combustible? Electrolyte Pilas de Combustible Principio básico Vol O2 <> 1/2 Vol H2 H 2 + ½ O2 H2O (+ i ) Pilas de Combustible Problemas Pequeña superficie de contacto Elevada distancia entre electrodos H 2 + ½ O2 H2O (+ i ) Pilas de Combustible Solución e- e- Gran superficie de contacto Electrolito delgado: conductor iónico y aislante electrónico Comburente (O2) Combustible (H2) Anodo Cátodo Electrolito Pilas de Combustible Monopila de combustible Anodo Electrolito Cátodo Combustible: H2 Polo negativo conectado al ánodo Comburente: O2 Polo positivo conectado al cátodo Pilas de Combustible Placas bipolares Hidrógeno a los ánodos Oxígeno a los cátodos Placas bipolares acanaladas para suministro de combustible y comburente en una pila de combustible Grafito, acero inoxidable… Pilas de Combustible Batería de pilas de combustible Hidrógeno a los ánodos Conexión negativa Célula electroquímica Conexión positiva Oxígeno a los cátodos Batería de tres pilas mostrando las conexiones a través de placas bipolares del ánodo de una al cátodo de otra Pilas de Combustible Montaje de células estancas Pilas de Combustible Cierre final del dispositivo Combustible: H2 Polo negativo conectado a los ánodos Comburente: O2 Polo positivo conectado a los cátodos Batería con tapas, contactos eléctricos y conexiones para los gases Pilas de Combustible Cierre final del dispositivo Batería con tapas, contactos eléctricos y conexiones para los gases Pilas de Combustible Tipos de pilas de combustible Tipo Ión Móbil Temperatura de operación Comentarios Alcalina (AFC) OH- 5050-200 ºC Vehículos espaciales: Apolo,Lanzadera,… Membrana de intercambio protónico (PEMFC) H+ 3030-100 Vehículos y aplicaciones móviles Metanol Directo (DMFC) H+ 2020-90 Sistemas portátiles de baja potencia: ordenadores, teléfonos (larga duración) Ácido Fosfórico (PAFC) H+ ≈220 Existen muchos de hasta 200 kW en funcionamiento Carbonato fundido CO32- ≈ 650 Adecuados para centrales de ciclo combinado (CHP: combined heath and power) power) de tamaño medio (≈ (≈ 1 MW) Óxido sólido (SOFC) O2- ≈ 500500-1000 Válido para ciclo combinado en diferentes tamañ tamaños Pilas de Combustible Pilas alcalinas (AFC) Ánodo: H2+ 2 OH- 2H2O + 2 e 2 OH- Cátodo: ½ O 2 + H2O+2e Global: H2+ ½ O 2 H2O 90-100 ºC Electrolito: KOH (aq.) embebida en una matriz Rdto.: 47% Desarrollo <100 kW Pilas de Combustible Pilas alcalinas (AFC) •• Ventajas: Ventajas: •• Desventajas: Desventajas: -Materiales -Materialeseconómicos económicos -Tolerante -TolerantealalCO CO -Elevada -Elevadaprestación prestaciónde decorriente corriente(rápida (rápidareacción reacción catódica) catódica) -Electrolito -Electrolitocorrosivo corrosivo -Intolerante (Sedebe debeeliminar eliminardel delaire aireyy -IntolerantealalCO CO22(Se combustible) combustible) Pilas de Combustible Pilas alcalinas (AFC): Aplicaciones Ánodo: H2+ 2 OHCátodo: ½ O 2 + H2O+2e Célula: H2+ ½ O 2 Submarinos 2H2O + 2 e 2 OHH2O Naves Espaciales Pilas de Combustible Pilas de membrana polimérica (PEM) Ánodo: H2 2H+ + 2 e- Cátodo: ½ O 2 +2e- + 2H+ Global: H2+ ½ O 2 H2O H2O 30-100 ºC Electrolito: Membrana polimérica “Nafion” Rdto.: 50-60 % Desarrollo: 0.1-50 kW Pilas de Combustible Pilas de membrana polimérica (PEM) •• Ventajas: Ventajas: •• Larga Largaduración duraciónde deoperación operación •• Alta Altadensidad densidadde decorriente corrienteyypotencia potenciaaabajas bajasTT •• Rapido Rapidoarranque arranqueyyenfriamiento enfriamientopor porlas lasbajas bajasTTde deoperación. operación. •• Sistema Sistemano nocorrosivo corrosivo •• Desventajas: Desventajas: •• Intolerante IntolerantealalCO CO(envenenamiento (envenenamientode decatalizadores catalizadores))yyen enmenor menor grado al CO . grado al CO22. •• Materiales Materialesnobles nobles •• Membranas Membranascostosas costosas Pilas de Combustible Esquema célula electroquímica PEM Pilas de Combustible Electrodos en PEM: Pt(C) ∆E* H2+ ½ O2 ∆G H2O TEM del catalizador /anodo/cátodo Catalizador de Platino para disociar H2 y O2 Pt + 2H2 2 Pt-H 2 Pt-H 2 Pt + 2H+ +2e Pt Pt Carbón Carbón Pt Pt Carbón Carbón Pt Carbón Pilas de Combustible Pilas poliméricas (PEM): Aplicaciones Potencia estacionaria residencial Automoción Pilas de Combustible Pilas poliméricas (PEM): Aplicaciones Equipos portatiles Pilas de Combustible Pilas Metanol Directo (DMFC) 60-100 ºC Rdto.: 40% Desarrollo: 5 kW Ánodo: CH3OH + H2O 3H2 CO2+ 3H2 6H + + 6e Cátodo: Cátodo ½ O2 + 2H+ + 2 e 2 H2O Pilas de Combustible Pilas Metanol Directo (DMFC) •• Ventajas: Ventajas: •• Combustible Combustiblelíquido líquidomás máscercano cercanoaala latecnología tecnologíaactual actual •• Baja Bajatemperatura temperatura •• arranque arranquerápido rápido •• Electrolito Electrolitosólido, sólido,reduce reducecorrosión corrosiónfugas, fugas,etc etc •• Desventajas: Desventajas: •• Complejo Complejo •• Materiales Materialesnobles nobles(costosos (costososyyescasos) escasos) •• En Endesarrollo desarrollo Pilas de Combustible Pilas Metanol Directo (DMFC): Aplicaciones Equipos portátiles Motorola + Los Alamos NL Recargables en 2 - 3 segundos. La carga dura aproximadamenta un mes. Son más ligeras, la mitad que las baterías actuales. Son más ecológicas, no hay residuos contaminantes. Tensión eléctrica constante independiente del estado de la carga. Pilas de Combustible Pilas Ácido Fosfórico (PAFC) Ánodo: H2 2H + + 2 e Cátodo: ½ O 2 + 2H++2e Célula: H2+ ½ O 2 H2O H2O 175-200 ºC Rdto.: 40% Desarrollo: 200-11000 kW Primeras comercializadas (Más de 200 instaladas en el mundo) Pilas de Combustible Pilas Ácido Fosfórico (PAFC) •• Ventajas: Ventajas: •• Eficiencia Eficienciade dehasta hastaun un85% 85%(con (concogeneración cogeneraciónde decalor caloryy electricidad). electricidad).Posibilidad Posibilidadde deusar usarHH22impuro impurocomo comocombustible combustible •• Tecnología Tecnologíabien biendesarrollada desarrollada •• Excelente Excelenteestabilidad estabilidadquímica, química,electroquímica electroquímicayytérmica térmica •• Fabricación Fabricaciónrelativamente relativamentesencilla sencilla •• Desventajas: Desventajas: •• Bajo Bajorendimiento rendimiento •• Duración Duraciónlimitada limitada •• Catalizadores CatalizadoresPt: Pt:costosos costososyyescasos escasos •• Peso Pesoyytamaño tamañoelevado elevado Pilas de Combustible Aplicaciones •Central de Energía C, gas, der. petroleo Pilas de Combustible Pilas Ácido Fosfórico (PAFC): Aplicaciones Calefacción y electricidad de un bloque de apartamentos Pilas de Combustible Pilas Carbonato fundido (MCFC) Ánodo: H2+ CO3= H2O+CO2 + 2e Cátodo: ½ O 2 + CO2+2e CO3= Célula: H2+ ½ O 2 +CO2 H2O +CO2 600-1000 ºC Electrolito:Li2CO3/ Na2CO3 embebidos en una matriz Rdto.: 54% Desarrollo: 200-2000 kW Pilas de Combustible Pilas Carbonato fundido (MCFC) •• Ventajas: Ventajas: •• Alta Altaeficacia eficacia •• Aprovechamiento Aprovechamientocalor caloren enturbinas turbinasde degas gasyyvapor vaporpara paraaumentar aumentar las eficiencias. las eficiencias. •• No Nohay hayenvenenamiento envenenamientode deánodos ánodospor porCO CO •• Posibilidad Posibilidadde deemplear emplearotros otroscombustibles combustibles(Gas (Gasnatural, natural, gas gasde de síntesis, síntesis,biogas, biogas,...) ...) •• Desventajas: Desventajas: •• Electrolito Electrolitoinestable inestableyycorrosivo. corrosivo. •• Electrodo Electrodoinestable inestableyyfrágiles frágiles •• Altas Altastemperaturas temperaturasde deoperación operación •• Elevado ElevadoCosto Costo Pilas de Combustible Carbonato fundido (MCFC) : Aplicaciones Potencia estacionaría comercial e industrial (combinación de calor y potencia) Pilas de Combustible Pilas Óxido Sólido (SOFC) Ánodo: H2 +O= Cátodo: ½ O 2 + 2e Célula: H2+ ½ O 2 H2O + 2 e O= H2O 800-1000 ºC Electrolito: YSZ Rdto.: 55% Desarrollo: 100 kW Pilas de Combustible Pilas Óxido Sólido (SOFC) Electrolito: YSZ (10-20 µm de espesor) Tiene elevada R y se reduce disminuyendo espesor Ánodo: Ni/YSZ cerment (1,5 mm de espesor) Ni proporciona ↑σeléctrica Estructura porosa: Capa funcional ánodo: interfase ánodo electrolito (pocas µm de espesor) Cátodo: Perovskitas de baja reactividad α similar a los del electrolito ↑R degradación térmica Pilas de Combustible Pilas Óxido Sólido (SOFC) •• Ventajas: Ventajas: •• Alta Altaeficiencia eficiencia •• Aprovechamiento Aprovechamientocalor caloren enturbinas turbinasde degas gasyyvapor vaporpara paraaumentar aumentar las eficiencias. las eficiencias. •• Larga Largaduración duración •• Elimina Eliminamanejo manejoelectrolitos electrolitoslíquidos líquidos •• Rápida Rápidacinética cinéticaelectroquímica electroquímicaeliminando eliminandoeleluso usode demetales metales nobles noblesen enelectrodos electrodos •• Desventajas: Desventajas: •• Altas Altastemperaturas temperaturasde deoperación operación •• Altos AltosCostos Costos •• Baja Bajapotencia potencia Pilas de Combustible Pilas Óxido Sólido (SOFC) : Aplicaciones Potencia estacionaría residencial, comercial e industrial (combinación de calor y potencia) 100 kW 1 kW Pilas de Combustible Aplicaciones y Proyectos en marcha •Automoción •Chrysler •Ford Motor •General Motors •Daimler Benz •Toyota
