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

¿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).

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

Móviles

Estacionarias

Pilas de combustible: aplicaciones

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.

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.

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.

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.

CARACTERÍSTICAS DE LAS AFCS

ESTRUCTURA

1.-Hidrógeno.2.-Flujo de electrones.

3.-Carga.

4.-Oxígeno.

5.-Cátodo.

6.-Electrolíto.

7.-Ánodo.

8.-Agua.

9.-Iones hidróxido.

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.

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.

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.

• 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.

• 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.

• 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-

• 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.

VENTAJASY

DESVENTAJAS

•Tensión de activación menor.

•Electrolito económico.

•No utiliza placas bipolares.

•Menos complejidad.

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

• 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.

FUNCIONAMIENTO

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.

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.

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

CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO

TIPOS

•Electrolito móvil

•Electrólito estático

•AFC con combustible disuelto.

TIPOS•Electrolito móvil

•Electrólito estático

•AFC con combustible disuelto.

TIPOS

•Electrolito móvil

•Electrólito estático

•AFC con combustible

disuelto.