TEMA 24 2.4 Celdas de Combustible - fglongatt.orgfglongatt.org/.../SistGD/PPT-Tema2.4.CeldasComb.pdf · – Celdas de Combustible de Metanol Directo (DMFC). – Celdas de Combustible

8082139Sistemas de Generación Distribuida

TEMA 2 4 TEMA 2.4 Celdas de CombustibleCeldas de Combustible

Prof. Francisco M. [email protected]

Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected] © 2008

Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida

http://www.giaelec.org/fglongatt/SistGD.html


Celdas de CombustibleCeldas de Combustible-Concepto-Concepto



Introducción• Son dispositivos electro químicos que convierten la

energía química de reacciones directamente enenergía química de reacciones directamente enenergía eléctrica

• Sir William Grove en 1842 produjo la primera celdap j pde combustible operativa.

OHO1H 222 →+ OHO2

H 222 →+



IntroducciónEsquema General de una Celda de Combustible



Introducción• Salto gigantesco en 1960, cuando General Electric

produjo la primera aplicación practica de la celda deprodujo la primera aplicación practica de la celda decombustible, cuando esta proveyó de energíaeléctrica a las cápsulas espaciales Gemini y Apollo.

Celda de Combustibledel Gemini



Celda de Combustibledel Apolo

Introducción• Una celda de combustible, posee componentes y

características similares a los que una batería típica,características similares a los que una batería típica,y se diferencia en varios respetos.

• La batería es un dispositivo de almacenaje dep jenergía.

(anodo) 22HH2 +→ −+ e

(catodo) OH2H2O21

( )

22

2

→++ −+ e



Introducción• La energía máxima disponible es determinada por la

cantidad de reactante químico almacenado dentro decantidad de reactante químico almacenado dentro dela batería se misma.

• La batería dejará de producir la energía eléctricaj p gcuando los reactantes químicos sean consumidos(esto es, descargados).



• En vez de recargarse usando electricidad, una célulade combustible usa el hidrógeno y el oxígeno.de combustible usa el hidrógeno y el oxígeno.

(catodo) OH2H2O21

(anodo) 22HH

22

2

→++

+→

−+

−+

e

e



( )2 22

Introducción• Una célula de combustible consiste en dos electrodos,

un ánodo y un cátodo, separado por un electrolito.un ánodo y un cátodo, separado por un electrolito.



Introducción



Estructura de la Pila



Estructura de una Planta



Estructura de una Planta

HHCO 222 +→+ COO

OHO21H 222 →+



Clasificación• La clasificación de las celdas de combustible según el

electrolito:electrolito:– Celdas de Combustible Alcalinas (AFC).– Celdas de Combustible de Metanol Directo (DMFC).– Celdas de Combustible de Carbonato Fundido (MCFC).– Celdas de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC).– Celdas de Combustible de Oxido Sólido (SOFC).– Celda de Combustible de Membrana de Intercambio de

Protón (PEMFC)Protón (PEMFC).



PEMFC: Polymer ElectrolyteMembrane Fuel Cell• Ha ganado mucha atención en los últimos años.• Emplea un polímero sólido como el electrolito es

Membrane Fuel Cell

• Emplea un polímero sólido como el electrolito, eshecho de una membrana de Teflón, material que es unexcelente conductor de protones y un aislador dep yelectrones

• Su temperatura de operación oscila alrededor de 50 –100°C.

• Emplean catalizadores (principalmente platino) paraaumentar la proporción de reacción



PEMFC: Polymer ElectrolyteMembrane Fuel CellMembrane Fuel Cell• Larga vida útil, en los últimos años han sido probadas

en laboratorios bajo condiciones de largos periodosen laboratorios bajo condiciones de largos periodoscontinuos de funcionamiento

OHO1H

1

OHO2

H 222 →+

OH2e2HO21

22 →++ −+

−++→ 2e2H2H



Estructura de una Celda de Combustible PEMFC

SOFC: Solid Oxide Fuel Cells• Operan en un rango de 500 – 1000°C.• Utilizan un electrolito sólido oxido de metal no• Utilizan un electrolito sólido, oxido de metal no

poroso los portadores de carga son los iones deoxigeno.g

• Pueden usar anhídrido carbónico o hidrógeno comocombustible directo.

• Debido a las altas temperaturas de funcionamiento lareacción se logra sin necesidad de utilizarcatalizadores de alto costo.



SOFC: Solid Oxide Fuel Cells• Otra ventaja que pueden alimentase con otros tipos de

combustibles.combustibles.• Les permite prescindir de un reformador de

combustible, reduciendo sus costos operativos., p

OHO21H 222 →+

−− →+ 22 O2eO

21

−+→−+ 2eOH2OH

2



+→+ 2eO2HO2HEstructura de una Celda de Combustible SOFC

AFC: Alkaline Fuel Cells• Emplea una solución líquida de hidróxido de potasio

(KOH) como electrolito.(KOH) como electrolito.• Su temperatura de operación se encuentra alrededor

de 90 – 100°COHO

21H 222 →+

( )−− →++ OH22eOHO21

22

( ) −− +→+ 2eO2HOH2H 22



AFC: Alkaline Fuel Cells• Este tipo de celda de combustible está siendo usada

desde hace ya bastantes años por la NASA.desde hace ya bastantes años por la NASA.• Se obtiene con ellas una eficiencia del 70%.• Hasta hace poco tiempo eran demasiado costosasHasta hace poco tiempo eran demasiado costosas

para aplicaciones comerciales, pero muchascompañías están examinando diversas vías parareducir costos y mejorar su flexibilidad de operación.



DMFC: Direct Metanol Fuel Cells• Las DMFC son un hibrido de las PEMFC.• Usan la misma membrana del polímero que son• Usan la misma membrana del polímero que son

usadas en las PEMFC,• Usan metanol líquido como combustible en lugar delUsan metanol líquido como combustible en lugar del

hidrógeno reformado.• El catalizador del ánodo obtiene el hidrógenoEl catalizador del ánodo obtiene el hidrógeno

directamente del metanol líquido.• Es relativamente nueva comparada con los otros tiposp p

de celdas de combustible.• Se esperan eficiencias del 40% y operan a unas



p f y ptemperaturas entre 60 – 100ºC.

DMFC: Direct Metanol Fuel CellsEsquema de una Celda de

Combustible DMFC.



MCFC: Molten Carbonate Fuel Cells• Las MCFC operan a 600 – 1000°C.• Normalmente utilizan una combinación de• Normalmente utilizan una combinación de

carbonatos alcalinos retenido en una matriz decerámica, como electrolito.,

• A altas temperatura de funcionamiento los carbonatosalcalinos forman una sal fundida muy conductiva,con iones del carbonato que proporcionan laconducción iónica.

• Las altas temperaturas de operación son adecuadaspara promover las reacciones, los catalizadores de

t l bl idDr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected]

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metales nobles no son requeridos

MCFC: Molten Carbonate Fuel Cells• Requieren de dióxido de carbono (CO2) en el cátodo

para un funcionamiento eficaz

22222 COOHCOO21H +→++

para un funcionamiento eficaz

−− →++ 2CO2eCOO1

→++ 322 CO2eCOO2

−++→−+ 2e2COO2H23CO2H

Generación de potencia de gran tamaño, hasta

Esquema de una Celda de Combustible MCFC



Ge e c ó de po e c de g o, sahora se han probado celdas de 250kW a 2MW

PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells• Utilizan un ácido fosfórico líquido como electrolito,• El ácido se contiene en una matriz del Teflón que• El ácido se contiene en una matriz del Teflón que

mantiene el ácido en su lugar durante las reacciones.• La temperatura de funcionamiento están entre 175 –La temperatura de funcionamiento están entre 175

200°C.• No puede ser demasiado alta debido a que el ácidoNo puede ser demasiado alta debido a que el ácido

fosfórico comienza a descomponerse aaproximadamente 210°C



PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells• El catalizador empleado es platino, son tolerantes al

CO2.CO2.

2COO2H2CO2O21

2H +→++ Potencia Eléctrica

Ánodo deCarbón Poroso

2e- Cátodo deCarbón Poroso

2e-

−− →++ 2322 CO2eCOO

21

2H-Gas Reformado

H3PO4Concentrado

Carbón Poroso

Ai (O )

Carbón Poroso

−++→−+ 2e2COO2H23CO2H

Gas Reformado(H2 + CO2)

Catalizadorde Platino

Reacción del Ánodo Reacción del Cátodo

Aire (O2)

H2O + Calor

Reacción del Ánodo Reacción del Cátodo

Esquema de una Celda de Combustible



Esquema de una Celda de Combustible PAFC

PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells• Una de las ventajas es que son muy tolerantes a las

impurezas presentes en los combustibles deimpurezas presentes en los combustibles dehidrocarburos reformados.

• Son tomadas en cuenta en el desarrollo deaplicaciones.

• La capacidad de usar combustibles con impurezas, lashacen más económicas porque reduce los costo delreformador de combustible




Celdas de CombustibleCeldas de Combustible-Diferencias-Diferencias



Diferencias entre los Tipos de Celda de Combustible

Tipo y

Siglas en

Ingles

Electrolito Temperatura Combustible Aplicación Ventajas Desventajas

Combustible

Ingles

Poliméricas

(PEMFC)Nafion 60–100ºC H2

-Transporte

-Equipos

-Portátiles

Baja temperatura,

Arranque Rápido,

Electrolito Sólido (Reduce

La baja temp. requiere

catalizadores costosos

(Pt) y H2 puro-Electricidad corrosión, fugas, etc.).

(Pt) y H2 puro.

Alcalinas

(AFC)KOH (Aq.) 90–100ºC H2

-Militares

-Especiales

Mejores prestaciones de

corriente debido a su

rápida reacción catódica.

Requiere eliminar

el CO2 de aire y

combustiblerápida reacción catódica. combustible

De Acido

Fosfórico H3PO4 175–200ºC H2 -Electricidad

Eficiencia de hasta un 85%

(con cogeneración calor y

electricidad). Posibilidad

Catalizadores de

Platino. Corriente y

Potencia bajas. Peso y (PAFC) de usar H2 impuro como

combustible.

j y

tamaño elevados.



Diferencias entre los Tipos de Celda de CombustibleCombustible

Tipo y

Siglas en

Ingles

Electrolito Temperatura Combustible Aplicación Ventajas Desventajas

Ingles

De Carbonatos

Fundidos

(MCFC)

Carbonato

Li, Na, K600–1000ºC H2 -Electricidad

Ventajas diversas de las

altas temperaturas.

Altas temperaturas

aumentan la corrección

y ruptura de ( )

componentes.

De Oxido

Sólido (Zr, Y)O2 800–1000ºC H2 -Electricidad

Ventajas diversas de las

altas temperaturas. El

electrolito sólido reduce

Altas temperaturas

facilitan la ruptura de

(SOFC)corrección, fugas, etc.

componentes (sellos).

Conversión

Directa

d M t lNafion 60–100ºC C H3OH

-Transporte

-Equipos

Pó t t l

Combustible líquido, más

cercano a la tecnología

t l á l t j dde Metanol

(DMFC)

-Pórtateles

-Electricidad

actual, más las ventajas de

las PEM.




Celdas de CombustibleCeldas de Combustible-Comparación-Comparación



Reacciones Químicas



Reacciones -Ecuaciones de Nernst



ComparaciónPotencia, Combustible, Eficiencia

PAFC SOFC MCFC PEMFCRango deCapacidad 100-200 kW 1 kW - 10 MW 250 kW - 10 MW 3-250 kW

Gas natural, Gas natural, G t lCombustible

,landfill gas, digester gas,

propano

,hidrogeno, landfill gas,

fuel oil

Gas natural, hidrógeno

Gas natural, hidrogeno, propano,

diesel

Eficiencia 36-42% 45-60% 45-55% 30-40%

Contaminación Cercano a cero Cercano a cero Cercano a cero Cercano a cero

Otrascaracterísticas

Cogen (agua caliente)

Cogen agua caliente, vapor de alta y baja

presión)

Cogen agua caliente, vapor de

alta y baja presión)

Cogen (agua 80 C)



presión) presión)

ComparaciónEficiencia, Energía y Tiempo de Arranque

Tecnología de la Celda de Combustible

Densidad de potencia pico

(mW/cm2)

Eficiencia del Sistema

(% HHV)

Tiempo de Arranque (horas)Combustible (mW/cm ) (% HHV) (horas)

PAFC ~200 36-45 1-4MCFC ~160 43-55 10+

SOFC (tubular) 150-200 43-55 5-10SOFC (plana) 200-500 43-55 desconocido

PEMFC ~700 32-40 <0.1




Celdas de CombustibleCeldas de Combustible-Eficiencia-Eficiencia



Eficiencia• La eficacia térmica de un dispositivo de conversión

de energía está definida como la cantidad de energíade energía está definida como la cantidad de energíaútil producida debido al cambio en la energíaquímica almacenada (normalmente llamada energíatérmica), que se obtiene cuando un combustiblereacciona con un oxidante

HUtilizadaEnergiaΔ

=η



Eficiencia Ideal• En condiciones normales de 25°C (298°K) y 1

atmósfera, la energía térmica (AH) conatmósfera, la energía térmica (AH) conhidrógeno/oxígeno la reacción es 285,8 kJ/mol, y laenergía Gibbs disponible para el trabajo útil es de237,1 kJ/mol.

• La eficacia térmica de una celda de combustible idealque opera reversiblemente con hidrógeno y oxígenopuro en condiciones normales sería:

83,08,2851,237

ideal ==η



Eficiencia Real• La eficiencia de una celda de combustible real puede

expresarse en términos de la relación del voltaje deexpresarse en términos de la relación del voltaje deoperación entre el voltaje ideal de la celda.

• El voltaje ideal de una celda que operaj q preversiblemente con hidrógeno y oxígeno a 1 atm depresión y una temperatura de 25ºC es 1,229 V.

• Entonces la eficacia térmica real de una celda decombustible que opera a un voltaje Vcelda, basado enl l l ífi d l hid óel valor calorífico del hidrógeno, es

celdaceldacelda

ideal V675,02291V83,0

VV83,0

⋅=⋅

=⋅

=η



celdaidela

ideal 229,1V

Eficiencia RealCaracterísticas Voltaje/Corriente Ideal y Real de

una Celda de Combustible



Eficiencia



Eficiencia




Celdas de CombustibleCeldas de Combustible-Costos-Costos



Costos• El costo inicial es muy alto comparado con las otras

tecnologías FGD.tecnologías FGD.• En el 2001 el costo de la unidad era de

aproximadamente 4000 US$/kW.p



Costos• El costo de instalación de la unidad es

aproximadamente 1.000.000 US$.aproximadamente 1.000.000 US$.• La mayoría de los fabricantes apuntan en costos por

debajo de 1500 US$/kW basados en el volumen dejproducción.



Plug Power, 7KW PEMFCFuel Cell Residencial

Fuel Cell 250 kW, PEMFCBallard


Celdas de CombustibleCeldas de Combustible-Fortalezas-Debilidades-Fortalezas Debilidades



Fortalezas-DebilidadesPAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells

Fortalezas Debilidades

2MW, Santa Clara CaliforniaMCFC

Silencioso Altos CostosBajas emisionesAlta eficienciaAlta eficiencia

Probada confiabilidad

SOFC: Solid Oxide Fuel CellsFortalezas DebilidadesSilencioso SOFC planas aun se

mantienen en investigación ydesarrollo, recientesdesarrollos en operación abaja temperaturas son unapromesa

Bajas emisionesBack



promesaAlta eficiencia Alto costos

SOFC, Tubular, Siemens Westinghouse

Back

Fortalezas-DebilidadesMCFC: Molten Carbonate Fuel Cells

Fortalezas Debilidades

Silencioso Necesita demostrar a largo termino la

seriedadBajas emisiones

Alta eficiencia Alto costo

PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Celda de Combustible 250kW

CellsFortalezas Debilidades

Silenciosos Limitada experiencia en campo

Bajas emisiones La baja temperatura del calor de desecho puede limitar su potencial enAlta eficiencia



limitar su potencial en cogeneración.

Alta eficiencia200kW UTC, Central Park, New York


Celdas de CombustibleCeldas de Combustible-Desarrollos Futuros-Desarrollos Futuros



Desarrollos Futuros• PEMFC: Teledyne, Plug Power, General Motors• Amplio rango de aplicaciones (portátiles• Amplio rango de aplicaciones (portátiles,

automóviles, residencial, comercial, iluminaciónindustrial))

• Bajas temperaturas ► rápido arranque• Madurez de la tecnología: ¿2010?Madurez de la tecnología: ¿2010?

– PAFC: UTC Fuel Cells– MCFC: Fuel Cell Energy



www.utcfuelcells.com

Desarrollos Futuros• Algunas comercialmente disponibles

– AFC: Apollo Energy SystemsAFC: Apollo Energy Systems– SOFC: Ceramic Fuel Cells, ZTEK Corporation

• Amplio rango: residencial, comercial e instalacionesp g ,industriales (5-250kW)

• Altas temperaturas (1000C) ► arranque lento (5-10hp ( ) q (en algunos momentos)

• Madurez de la tecnología: ¿2015?



www.ztekcorporation.com/

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