Capitulo 2.4: Celdas de Combustible - Sistemas de Generacion Distribuida

8082139
Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 2 4TEMA 2.4
Celdas de CombustibleCeldas de Combustible
Prof. Francisco M. Gonzalez-Longatt
fglongatt@ieee.org
Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org
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TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
http://www.giaelec.org/fglongatt/SistGD.html

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-Concepto-Concepto
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Introducción
• Son dispositivos electro químicos que convierten la
energía química de reacciones directamente enenergía química de reacciones directamente en
energía eléctrica
• Sir William Grove en 1842 produjo la primera celdap j p
de combustible operativa.
OHO
1
H 222
→+ OHO
2
H 222
→+
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Introducción
Esquema General de una Celda de Combustible
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Introducción
• Salto gigantesco en 1960, cuando General Electric
produjo la primera aplicación practica de la celda deprodujo la primera aplicación practica de la celda de
combustible, cuando esta proveyó de energía
eléctrica a las cápsulas espaciales Gemini y Apollo.
Celda de Combustible
del Gemini
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Celda de Combustible
del 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 j
energía.
(anodo)22HH2 +→ −+
e
(catodo)OH2H2O
2
1
( )
22
2
→++ −+
e
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Introducción
• La energía máxima disponible es determinada por la
cantidad de reactante químico almacenado dentro decantidad de reactante químico almacenado dentro de
la batería se misma.
• La batería dejará de producir la energía eléctricaj p g
cuando los reactantes químicos sean consumidos
(esto es, descargados).
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• En vez de recargarse usando electricidad, una célula
de combustible usa el hidrógeno y el oxígeno.de combustible usa el hidrógeno y el oxígeno.
(catodo)OH2H2O
2
1
(anodo)22HH
22
2
→++
+→
−+
−+
e
e
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( )
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.
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Introducción
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Estructura de la Pila
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Estructura de una Planta
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Estructura de una Planta
HHCO 222 +→+ COO
OHO
2
1
H 222 →+
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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).
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PEMFC: Polymer Electrolyte
Membrane 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, es
hecho de una membrana de Teflón, material que es un
excelente conductor de protones y un aislador dep y
electrones
• Su temperatura de operación oscila alrededor de 50 –
100°C.
• Emplean catalizadores (principalmente platino) para
aumentar la proporción de reacción
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PEMFC: Polymer Electrolyte
Membrane 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 periodos
continuos de funcionamiento
OHO
1
H

1
OHO
2
H 222 →+
OH2e2HO
2
1
22 →++ −+
−++→ 2e2H2H
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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 de
oxigeno.g
• Pueden usar anhídrido carbónico o hidrógeno como
combustible directo.
• Debido a las altas temperaturas de funcionamiento la
reacción se logra sin necesidad de utilizar
catalizadores de alto costo.
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• Otra ventaja que pueden alimentase con otros tipos de
combustibles.combustibles.
• Les permite prescindir de un reformador de
combustible, reduciendo sus costos operativos., p
OHO
2
1
H 222 →+

−−
→+ 2
2 O2eO
2
1
−+→−+ 2eOH2OH
2
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+→+ 2eO
2
HO
2
HEstructura 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°C
OHO
2
1
H 222 →+
( )−−
→++ OH22eOHO
2
1
22
( ) −−
+→+ 2eO2HOH2H 22
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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 muchas
compañías están examinando diversas vías para
reducir costos y mejorar su flexibilidad de operación.
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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
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p f y p
temperaturas entre 60 – 100ºC.

DMFC: Direct Metanol Fuel Cells
Esquema de una Celda de
Combustible DMFC.

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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 de
cerámica, como electrolito.,
• A altas temperatura de funcionamiento los carbonatos
alcalinos forman una sal fundida muy conductiva,
con iones del carbonato que proporcionan la
conducción iónica.
• Las altas temperaturas de operación son adecuadas
para promover las reacciones, los catalizadores de
t l bl id
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metales nobles no son requeridos

• Requieren de dióxido de carbono (CO2) en el cátodo
para un funcionamiento eficaz
22222 COOHCOO
2
1
H +→++
para un funcionamiento eficaz

−−
→++ 2
CO2eCOO
1
→++ 322 CO2eCOO
2
−++→−+ 2e2COO2H2
3CO2H
Generación de potencia de gran tamaño, hasta
Esquema de una Celda de Combustible
MCFC
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Ge e c ó de po e c de g o, s
ahora 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 a
aproximadamente 210°C
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• El catalizador empleado es platino, son tolerantes al
CO2.CO2.
2COO2H2CO2O
2
1
2H +→++
Potencia Eléctrica
Ánodo de
Carbón Poroso
2e-
Cátodo de
Carbón Poroso
2e-
−−
→++ 2
322 CO2eCOO
2
1
2H-
Gas Reformado
H3PO4
Concentrado
Carbón Poroso
Ai (O )
Carbón Poroso
−++→−+ 2e2COO2H2
3CO2H
Gas Reformado
(H2 + CO2)
Catalizador
de Platino
Reacción del Ánodo Reacción del Cátodo
Aire (O2
)
H2O + Calor
Reacción del Ánodo Reacción del Cátodo
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PAFC

• Una de las ventajas es que son muy tolerantes a las
impurezas presentes en los combustibles deimpurezas presentes en los combustibles de
hidrocarburos reformados.
• Son tomadas en cuenta en el desarrollo de
aplicaciones.
• La capacidad de usar combustibles con impurezas, las
hacen más económicas porque reduce los costo del
reformador de combustible
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8082139
-Diferencias-Diferencias
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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.
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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, K
600–1000ºC 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 l
Nafion 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.
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-Comparación-Comparación
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Reacciones Químicas
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Reacciones -Ecuaciones de Nernst
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Comparación
Potencia, Combustible, Eficiencia
PAFC SOFC MCFC PEMFC
Rango de
Capacidad
100-200 kW 1 kW - 10 MW 250 kW - 10 MW 3-250 kW
Gas natural, Gas natural,
G t l
Combustible
,
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
Otras
características
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)
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presión) presión)

Comparación
Eficiencia, 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 1-4
MCFC ~160 43-55 10+
SOFC (tubular) 150-200 43-55 5-10
SOFC (plana) 200-500 43-55 desconocido
PEMFC ~700 32-40 <0.1
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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 energía
útil producida debido al cambio en la energía
química almacenada (normalmente llamada energía
térmica), que se obtiene cuando un combustible
reacciona con un oxidante
H
UtilizadaEnergia
Δ
=η
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Eficiencia Ideal
• En condiciones normales de 25°C (298°K) y 1
atmósfera, la energía térmica (AH) conatmósfera, la energía térmica (AH) con
hidrógeno/oxígeno la reacción es 285,8 kJ/mol, y la
energía Gibbs disponible para el trabajo útil es de
237,1 kJ/mol.
• La eficacia térmica de una celda de combustible ideal
que opera reversiblemente con hidrógeno y oxígeno
puro en condiciones normales sería:
83,0
8,285
1,237
ideal ==η
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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 de
operación entre el voltaje ideal de la celda.
• El voltaje ideal de una celda que operaj q p
reversiblemente con hidrógeno y oxígeno a 1 atm de
presión y una temperatura de 25ºC es 1,229 V.
• Entonces la eficacia térmica real de una celda de
combustible que opera a un voltaje Vcelda, basado en
l l l ífi d l hid óel valor calorífico del hidrógeno, es
celda
celdacelda
ideal V675,0
2291
V83,0
V
V83,0
⋅=
⋅
=
⋅
=η
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celda
idela
ideal
229,1V

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 dej
producción.
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Plug Power, 7KW PEMFC
Fuel Cell Residencial
Fuel Cell 250 kW, PEMFC
Ballard

Fortalezas-Debilidades
Fortalezas Debilidades
2MW, Santa Clara California
MCFC
Silencioso Altos Costos
Bajas emisiones
Alta eficienciaAlta eficiencia
Probada confiabilidad
Silencioso SOFC planas aun se
mantienen en investigación y
desarrollo, recientes
desarrollos en operación a
baja temperaturas son una
promesa
Bajas
emisiones
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promesa
Alta eficiencia Alto costos
SOFC, Tubular, Siemens Westinghouse
Back

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
Cells
Silenciosos
Limitada experiencia en
campo
Bajas emisiones La baja temperatura del
calor de desecho puede
limitar su potencial enAlta eficiencia
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limitar su potencial en
cogeneración.
Alta eficiencia
200kW UTC, Central Park, New York

Desarrollos Futuros
• PEMFC: Teledyne, Plug Power, General Motors
• Amplio rango de aplicaciones (portátiles• Amplio rango de aplicaciones (portátiles,
automóviles, residencial, comercial, iluminación
industrial))
• Bajas temperaturas ► rápido arranque
• Madurez de la tecnología: ¿2010?Madurez de la tecnología: ¿2010?
– PAFC: UTC Fuel Cells
– MCFC: Fuel Cell Energy
Copyright © 2008
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?
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www.ztekcorporation.com/

Capitulo 2.4: Celdas de Combustible - Sistemas de Generacion Distribuida

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