Capitulo 2.4: Celdas de Combustible - Sistemas de Generacion Distribuida
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Mar 19, 2016
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About This Presentation
Capitulo 2.4: Celdas de Combustible - Sistemas de Generacion Distribuida
Slide Content
8082139
Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 2.4
Celdas de Combustible
Prof. Francisco M. Gonzalez-Longatt
felongatt @ieee.org
http://www.giaelec.org/felongatt/SistGD.html
Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 2.4
Celdas de Combustible
Prof. Francisco M. Gonzalez-Longatt
felongatt @ieee.org
http://www.giaelec.org/felongatt/SistGD.html
Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
8082139
Sistemas de Generación Distribuida
Celdas de Combustible
-Concepto-
Sistemas de Generación Distribuida
Celdas de Combustible
-Concepto-
Introducción
+ Son dispositivos electro químicos que convierten la
energía química de reacciones directamente en
energía eléctrica
+ Sir William Grove en 1842 produjo la primera celda
de combustible operativa.
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected]
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyright © 2008
+ Son dispositivos electro químicos que convierten la
energía química de reacciones directamente en
energía eléctrica
+ Sir William Grove en 1842 produjo la primera celda
de combustible operativa.
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected]
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyright © 2008
Introducción
Esquema General de una Celda de Combustible
Carga Eléctrica
Entrada de 7
Combustible } Ss
— Positivos
——
Jones
— , Negativos ——
Combustible Agotado ) 2 o Y | Oxidante Agotado
y Gases Producto | y Gases Producto
Anodo<— Electrolito > Cätodo
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fgloi
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyr
Esquema General de una Celda de Combustible
Carga Eléctrica
Entrada de 7
Combustible } Ss
— Positivos
——
Jones
— , Negativos ——
Combustible Agotado ) 2 o Y | Oxidante Agotado
y Gases Producto | y Gases Producto
Anodo<— Electrolito > Cätodo
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fgloi
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyr
Introducción
Salto gigantesco en 1960, cuando General Electric
produjo 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
Celda de Combustible
del Apolo
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fe
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copy
Salto gigantesco en 1960, cuando General Electric
produjo 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
Celda de Combustible
del Apolo
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fe
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copy
Introducción
+ Una celda de combustible, posee componentes y
características similares a los que una batería típica,
y se diferencia en varios respetos.
+ La batería es un dispositivo de almacenaje de
energía.
H, > 2H’ +2e (anodo) Carga Eléctrica
1 a
50, +2H’ +2e >H,O (catodo) Entrada de 7 7 Enivada de
2 Combustible \ | a : {_Oxidante
j u —
Tones: 711.0)
— Negativos. A | ————
Combustible Agotado «Y Oxidante Agotado
y Gases Producto j Y y Gases Producto
W
Anodo<t — Elcctrolito Le Cétodo
Sistemas de Gene Distribuida
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
+ Una celda de combustible, posee componentes y
características similares a los que una batería típica,
y se diferencia en varios respetos.
+ La batería es un dispositivo de almacenaje de
energía.
H, > 2H’ +2e (anodo) Carga Eléctrica
1 a
50, +2H’ +2e >H,O (catodo) Entrada de 7 7 Enivada de
2 Combustible \ | a : {_Oxidante
j u —
Tones: 711.0)
— Negativos. A | ————
Combustible Agotado «Y Oxidante Agotado
y Gases Producto j Y y Gases Producto
W
Anodo<t — Elcctrolito Le Cétodo
Sistemas de Gene Distribuida
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Introducción
La energía máxima disponible es determinada por la
cantidad de reactante químico almacenado dentro de
la batería se misma.
La batería dejará de producir la energía eléctrica
cuando los reactantes químicos sean consumidos
(esto es, descargados).
Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
La energía máxima disponible es determinada por la
cantidad de reactante químico almacenado dentro de
la batería se misma.
La batería dejará de producir la energía eléctrica
cuando los reactantes químicos sean consumidos
(esto es, descargados).
Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
+ En vez de recargarse usando electricidad, una célula
de combustible usa el hidrógeno y el oxígeno.
Car
GF
Elect
H, —2H°+2e (anodo)
50: +2H* +2e —H,0 (catodo)
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglo
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyn
de combustible usa el hidrógeno y el oxígeno.
Car
GF
Elect
H, —2H°+2e (anodo)
50: +2H* +2e —H,0 (catodo)
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglo
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyn
Introducción
+ Una célula de combustible consiste en dos electrodos,
un ánodo y un cátodo, separado por un electrolito.
Carga Eléctrica
Entrada de Y Entrada de
; Jones =
Combustible y y Oxidante
—== 7 Positivos 7 >
Fy
D
ones
1% Negativos ——Á
Combustible Agotado ) a | Oxidante Agotado
y Gases Producto Y 7 y Gases Producto
Anodo<— Electrolito —> Catodo
Sistemas de Gene Distribuida
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
+ Una célula de combustible consiste en dos electrodos,
un ánodo y un cátodo, separado por un electrolito.
Carga Eléctrica
Entrada de Y Entrada de
; Jones =
Combustible y y Oxidante
—== 7 Positivos 7 >
Fy
D
ones
1% Negativos ——Á
Combustible Agotado ) a | Oxidante Agotado
y Gases Producto Y 7 y Gases Producto
Anodo<— Electrolito —> Catodo
Sistemas de Gene Distribuida
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Introducción
7
Js JE JE Combustible
2CO + 20° — 2C0,+ de
2H, + 20, — 2H,0 + 4e
e
w+} i pe) ©
O=
Electrolito
Solido
Electrodo
faite O
O, + 4er" >207
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fg
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
7
Js JE JE Combustible
2CO + 20° — 2C0,+ de
2H, + 20, — 2H,0 + 4e
e
w+} i pe) ©
O=
Electrolito
Solido
Electrodo
faite O
O, + 4er" >207
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fg
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Estructura de la Pila
Plato Separador
i Reservorio Poroso de Acido+
Capa Catalizadora+
ZA Matriz Electrolitica
N Substrato Compuesto del
Catodo
Oxidante
Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Plato Separador
i Reservorio Poroso de Acido+
Capa Catalizadora+
ZA Matriz Electrolitica
N Substrato Compuesto del
Catodo
Oxidante
Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Estructura de una Planta
Calor y Agua
Escape Limpio
Procesador Seccion Interfaz
E de Gas rico de de 5)
Combustible A (+ Potencia //_DC Potencia. fill
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Calor y Agua
Escape Limpio
Procesador Seccion Interfaz
E de Gas rico de de 5)
Combustible A (+ Potencia //_DC Potencia. fill
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Estructura de una Planta
CO+H,0 > CO
23
Eh
del Anode ;
_reservcrio poroso de acidos
¿apa catalizadora+
matiz electroltica
Ez \Eubetrato Compuesto
x del Catodo
Plato Separador
de Generación Distribui 1. Gonzalez-Longatt, felon E
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyright © 2008
CO+H,0 > CO
23
Eh
del Anode ;
_reservcrio poroso de acidos
¿apa catalizadora+
matiz electroltica
Ez \Eubetrato Compuesto
x del Catodo
Plato Separador
de Generación Distribui 1. Gonzalez-Longatt, felon E
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyright © 2008
Clasificación
+ La clasificación de las celdas de combustible según el
electrolito:
— Celdas de Combustible Alcalinas (AFC).
— Celdas de Combustible de Metanol Directo (DMFC).
— Celdas de Combustible de Carbonato Fundido (MCFC).
— Celdas de Combustible de Acido Fosfórico (PAFC).
— Celdas de Combustible de Oxido Sólido (SOFC).
— Celda de Combustible de Membrana de Intercambio de
Protón (PEMFC).
+ La clasificación de las celdas de combustible según el
electrolito:
— Celdas de Combustible Alcalinas (AFC).
— Celdas de Combustible de Metanol Directo (DMFC).
— Celdas de Combustible de Carbonato Fundido (MCFC).
— Celdas de Combustible de Acido Fosfórico (PAFC).
— Celdas de Combustible de Oxido Sólido (SOFC).
— Celda de Combustible de Membrana de Intercambio de
Protón (PEMFC).
PEMFC: Polymer Electrolyte
Membrane Fuel Cel]
+ Ha ganado mucha atención en los últimos años.
« 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 de
electrones
Su temperatura de operación oscila alrededor de 50 —
100*C.
Emplean catalizadores (principalmente platino) para
aumentar la proporción de reacción
Membrane Fuel Cel]
+ Ha ganado mucha atención en los últimos años.
« 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 de
electrones
Su temperatura de operación oscila alrededor de 50 —
100*C.
Emplean catalizadores (principalmente platino) para
aumentar la proporción de reacción
PEMFC: Polymer Electrolyte
Membrane Fuel Cel]
+ Larga vida útil, en los últimos años han sido probadas
en laboratorios bajo condiciones de largos periodos
continuos de funcionamiento
Potencia Eléctrica
H, +20, >H,0
Anodo de 2 Cátodo de
Carbón Poroso Carbón Poroso
PTFE 1 Er =
—O,+2H"+2e —H,0
H, Puro Aire (O,) 2 =
Pt Catalizador Eu =
Reucción del Änodo H 2> 2H* +2e”
H,O + Calor
Estructura de una Celda de Combustible PEMFC
Sistemas de Generacion Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fgloi
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyr
Membrane Fuel Cel]
+ Larga vida útil, en los últimos años han sido probadas
en laboratorios bajo condiciones de largos periodos
continuos de funcionamiento
Potencia Eléctrica
H, +20, >H,0
Anodo de 2 Cátodo de
Carbón Poroso Carbón Poroso
PTFE 1 Er =
—O,+2H"+2e —H,0
H, Puro Aire (O,) 2 =
Pt Catalizador Eu =
Reucción del Änodo H 2> 2H* +2e”
H,O + Calor
Estructura de una Celda de Combustible PEMFC
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TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyr
SOFC: Solid Oxide Fuel Cells
» Operan en un rango de 500 — 1000°C.
+ Utilizan un electrolito sólido, oxido de metal no
poroso los portadores de carga son los iones de
Oxigeno.
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.
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglons
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyright O
» Operan en un rango de 500 — 1000°C.
+ Utilizan un electrolito sólido, oxido de metal no
poroso los portadores de carga son los iones de
Oxigeno.
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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TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyright O
SOFC: Solid Oxide Fuel Cells
Otra ventaja que pueden alimentase con otros tipos de
combustibles.
Les permite prescindir de un reformador de
combustible, reduciendo sus costos operativos.
Potencia Eléctrica
La Magnetita
Ánodode 2e Cätodo de Sr Dopado H, + 502 > H,O
ss.
502 +2e > O07
nal ~ >H,O+2e—
Estructura de una Celda de Combustible 2
SOFC
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fgloi
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyr
Otra ventaja que pueden alimentase con otros tipos de
combustibles.
Les permite prescindir de un reformador de
combustible, reduciendo sus costos operativos.
Potencia Eléctrica
La Magnetita
Ánodode 2e Cätodo de Sr Dopado H, + 502 > H,O
ss.
502 +2e > O07
nal ~ >H,O+2e—
Estructura de una Celda de Combustible 2
SOFC
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TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyr
AFC: Alkaline Fuel Cells
Emplea una solución líquida de hidróxido de potasio
(KOH) como electrolito.
Su temperatura de operación se encuentra alrededor
de 90 - 100°C
Potencia Eléctrica
H, +40, — H,0
Anodo de a) 2e Cätodo de
Carbón Poroso Carbón Poroso u
35-50 KOH
502 +H,0+2e >2(0H)
Reacción del Anodo 7 ReneciéndelCitodo FY + 20H) > 2H,0+2e7
H,0 + Calor
H, Puro
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TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyr
Emplea una solución líquida de hidróxido de potasio
(KOH) como electrolito.
Su temperatura de operación se encuentra alrededor
de 90 - 100°C
Potencia Eléctrica
H, +40, — H,0
Anodo de a) 2e Cätodo de
Carbón Poroso Carbón Poroso u
35-50 KOH
502 +H,0+2e >2(0H)
Reacción del Anodo 7 ReneciéndelCitodo FY + 20H) > 2H,0+2e7
H,0 + Calor
H, Puro
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TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyr
AFC: Alkaline Fuel Cells
« Este tipo de celda de combustible está siendo usada
desde hace ya bastantes años por la NASA.
+ Se obtiene con ellas una eficiencia del 70%.
+ Hasta 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.
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglons
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyright O
« Este tipo de celda de combustible está siendo usada
desde hace ya bastantes años por la NASA.
+ Se obtiene con ellas una eficiencia del 70%.
+ Hasta 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.
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglons
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyright O
DMFC: Direct Metanol Fuel Cells
Las DMFC son un hibrido de las PEMFC.
Usan la misma membrana del polimero que son
usadas en las PEMFC,
Usan metanol liquido como combustible en lugar del
hidrógeno reformado.
El catalizador del ánodo obtiene el hidrógeno
directamente del metanol líquido.
Es relativamente nueva comparada con los otros tipos
de celdas de combustible.
Se esperan eficiencias del 40% y operan a unas
temperaturas entre 60 — 100°C.
Sistemas Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt
TEMA 2 mpleadas enla Generación Distribuida
Las DMFC son un hibrido de las PEMFC.
Usan la misma membrana del polimero que son
usadas en las PEMFC,
Usan metanol liquido como combustible en lugar del
hidrógeno reformado.
El catalizador del ánodo obtiene el hidrógeno
directamente del metanol líquido.
Es relativamente nueva comparada con los otros tipos
de celdas de combustible.
Se esperan eficiencias del 40% y operan a unas
temperaturas entre 60 — 100°C.
Sistemas Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt
TEMA 2 mpleadas enla Generación Distribuida
DMFC: Direct Metanol Fuel Cells
Esquema de una Celda de
Combustible DMFC.
Potencia Eléctrica
Anodo de 3 2 Cätodo de
Carbón Poroso Carbón Poroso
Membrana PTFE
Metanol (CH,OH) — Aire (O,)
Pt - Ru Catalizador
Reacción del Ánodo acción del Cátodo
H,0 + Calor + CO,
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt,
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Esquema de una Celda de
Combustible DMFC.
Potencia Eléctrica
Anodo de 3 2 Cätodo de
Carbón Poroso Carbón Poroso
Membrana PTFE
Metanol (CH,OH) — Aire (O,)
Pt - Ru Catalizador
Reacción del Ánodo acción del Cátodo
H,0 + Calor + CO,
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt,
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
MCFC: Molten Carbonate Fuel Cells
+ Las MCFC operan a 600 — 1000°C.
« 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
metales nobles no son requeridos
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected].
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyright © 2008
+ Las MCFC operan a 600 — 1000°C.
« 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
metales nobles no son requeridos
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TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyright © 2008
MCFC: Molten Carbonate Fuel Cells
+ Requieren de dióxido de carbono (CO,) en el cátodo
para un funcionamiento eficaz
Potencia Eléctrica
Anodo de NiO 2e
Cätodo de NiO
Poroso
Poroso
Fundido ~
1 Aire (0,)+ CO, 1
302 +CO, +2e > CO3”
H, +20, +CO, > H,0+CO,
Pt- Ru Catalizador —
Reacción del Anodo |! 2 Reacción del Cátodo m 7
H,O + Calor + CO, H,
Esquema de una Celda de Combustible
MCFC
+C037 >H,0+C0, +2e”
Generación de potencia de gran tamaño, hasta
ahora se han probado celdas de 250kW a 2MW
Sistemas de Gene Distribuida
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
+ Requieren de dióxido de carbono (CO,) en el cátodo
para un funcionamiento eficaz
Potencia Eléctrica
Anodo de NiO 2e
Cätodo de NiO
Poroso
Poroso
Fundido ~
1 Aire (0,)+ CO, 1
302 +CO, +2e > CO3”
H, +20, +CO, > H,0+CO,
Pt- Ru Catalizador —
Reacción del Anodo |! 2 Reacción del Cátodo m 7
H,O + Calor + CO, H,
Esquema de una Celda de Combustible
MCFC
+C037 >H,0+C0, +2e”
Generación de potencia de gran tamaño, hasta
ahora se han probado celdas de 250kW a 2MW
Sistemas de Gene Distribuida
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells
+ Utilizan un ácido fosfórico líquido como electrolito,
« El ácido se contiene en una matriz del Teflon que
mantiene el ácido en su lugar durante las reacciones.
+ La temperatura de funcionamiento están entre 175 —
200*C.
+ No puede ser demasiado alta debido a que el ácido
fosfórico comienza a descomponerse a
aproximadamente 210°C
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglons
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyright O
+ Utilizan un ácido fosfórico líquido como electrolito,
« El ácido se contiene en una matriz del Teflon que
mantiene el ácido en su lugar durante las reacciones.
+ La temperatura de funcionamiento están entre 175 —
200*C.
+ No puede ser demasiado alta debido a que el ácido
fosfórico comienza a descomponerse a
aproximadamente 210°C
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TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyright O
PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells
« El catalizador empleado es platino, son tolerantes al
CO,.
Potencia Elé
1
Hy +509 +CO, > H,0+CO,
Anodo de oma À Cátodo de
ırbön Poroso | Carbón Poroso
Concentrado
1
es | 302 +CO, +2e COS
Gas Reformado
(H, + CO) : +.
atalizador
de Platino H, +C037 >H,0+C0, +2e7
Reacción del Ánodo E Reacción del Cátodo
H,0 + Calor
Esquema de una Celda de Combustible
PAFC
Distribuida
Empleadas en la Generación Distribuida
« El catalizador empleado es platino, son tolerantes al
CO,.
Potencia Elé
1
Hy +509 +CO, > H,0+CO,
Anodo de oma À Cátodo de
ırbön Poroso | Carbón Poroso
Concentrado
1
es | 302 +CO, +2e COS
Gas Reformado
(H, + CO) : +.
atalizador
de Platino H, +C037 >H,0+C0, +2e7
Reacción del Ánodo E Reacción del Cátodo
H,0 + Calor
Esquema de una Celda de Combustible
PAFC
Distribuida
Empleadas en la Generación Distribuida
PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells
+ Una de las ventajas es que son muy tolerantes a las
impurezas 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
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglons
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyright O
+ Una de las ventajas es que son muy tolerantes a las
impurezas 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
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglons
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyright O
8082139
Sistemas de Generación Distribuida
Celdas de Combustible
-Diferencias-
Sistemas de Generación Distribuida
Celdas de Combustible
-Diferencias-
Diferencias entre los Tipos de Celda de
Combustible
Tipo y
Siglas en | Electrolito | Temperatura | Combustible | — Aplicación Ventajas Desventajas
Ingles
Transporte Baja temperatura,
La baja temp. requiere
Poliméricas -Equipos Arranque Rápido,
Nafion 60-100°C catalizadores costosos
(PEMFC) -Portátiles Electrolito Sólido (Reduce
(Pb) y H puro.
-Electricidad corrosión, fugas, etc.)
Mejores prestaciones de | Requiere eliminar
Alcalinas -Militares
KOH (Ag) | 90-100°C corriente debido a su el CO, de aire y
(AFC) «Especiales
rápida reacción catédica. | combustible
Eficiencia de hasta un 85%
Catalizadores de
De Acido (con cogeneración calor y
Platino. Corriente y
Fosférico electricidad). Posibilidad
Potencia bajas. Peso y
(PAFC) de usar H, impuro como
tamaño elevados.
combustible.
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected].
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida Copyright © 2008
Combustible
Tipo y
Siglas en | Electrolito | Temperatura | Combustible | — Aplicación Ventajas Desventajas
Ingles
Transporte Baja temperatura,
La baja temp. requiere
Poliméricas -Equipos Arranque Rápido,
Nafion 60-100°C catalizadores costosos
(PEMFC) -Portátiles Electrolito Sólido (Reduce
(Pb) y H puro.
-Electricidad corrosión, fugas, etc.)
Mejores prestaciones de | Requiere eliminar
Alcalinas -Militares
KOH (Ag) | 90-100°C corriente debido a su el CO, de aire y
(AFC) «Especiales
rápida reacción catédica. | combustible
Eficiencia de hasta un 85%
Catalizadores de
De Acido (con cogeneración calor y
Platino. Corriente y
Fosférico electricidad). Posibilidad
Potencia bajas. Peso y
(PAFC) de usar H, impuro como
tamaño elevados.
combustible.
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Diferencias entre los Tipos de Celda de
Combustible
Tipo y
Siglas en
Ingles
Electrolito
Temperatura
Combustible
Aplicación
Ventajas
Desventajas
De Carbonatos
Fundidos
(MCFC)
Carbonato
Li, Na, K
600-1000°C
Ventajas diversas de las
altas temperaturas.
Altas temperaturas
aumentan la corrección
y ruptura de
componentes.
De Oxido
Sólido
(SOFC)
(Zt, YO,
800-1000°C
Ventajas diversas de las
altas temperaturas. El
electrolito sólido reduce
corrección, fugas, ete
Altas temperaturas
facilitan la ruptura de
componentes (sellos).
Conve
Directa
de Metanol
(DMFC)
Nafion
60-100°C
CH,OH
ransporte
-Equipos
-Pórtateles
-Electricidad
Combustible líquido, más
cercano a la tecnología
actual, más las ventajas de
las PEM.
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ongatt, felongatt@ieee org
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Combustible
Tipo y
Siglas en
Ingles
Electrolito
Temperatura
Combustible
Aplicación
Ventajas
Desventajas
De Carbonatos
Fundidos
(MCFC)
Carbonato
Li, Na, K
600-1000°C
Ventajas diversas de las
altas temperaturas.
Altas temperaturas
aumentan la corrección
y ruptura de
componentes.
De Oxido
Sólido
(SOFC)
(Zt, YO,
800-1000°C
Ventajas diversas de las
altas temperaturas. El
electrolito sólido reduce
corrección, fugas, ete
Altas temperaturas
facilitan la ruptura de
componentes (sellos).
Conve
Directa
de Metanol
(DMFC)
Nafion
60-100°C
CH,OH
ransporte
-Equipos
-Pórtateles
-Electricidad
Combustible líquido, más
cercano a la tecnología
actual, más las ventajas de
las PEM.
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Sistemas de Generación Distribuida
Celdas de Combustible
-Comparación-
Sistemas de Generación Distribuida
Celdas de Combustible
-Comparación-
Reacciones Quimicas
Tipo Reacción de Anodo
Reacción del Câtodo
PEMFC y PAFC >2H* +2e7
02 42H 42e —H20
Ha +2(OH) > 2H20+2e7
103 +H20+20 +2(0H)
H3 +COj >H20+C0) +20"
CO+CO5 >2C0)+2e"
40, + CO) +267 > COZ
Hy +07 >H30+2e"
CO+07 + CO; +20"
CH¿+407 >2H30+CO) +8e7
MDF)" CH¿OH+H20 > CO) +6H* +68
O2 +4H* +467 > 2H20
CO : Monóxido de Carbono e” :Electrón
CO» : Dióxido de Carbono H*:IonHidrogeno
: Ion Carbonato H2 : Hidrógeno
H20 : Agua
0» : Oxigeno
OH” : Ion Hidroxilo
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Tipo Reacción de Anodo
Reacción del Câtodo
PEMFC y PAFC >2H* +2e7
02 42H 42e —H20
Ha +2(OH) > 2H20+2e7
103 +H20+20 +2(0H)
H3 +COj >H20+C0) +20"
CO+CO5 >2C0)+2e"
40, + CO) +267 > COZ
Hy +07 >H30+2e"
CO+07 + CO; +20"
CH¿+407 >2H30+CO) +8e7
MDF)" CH¿OH+H20 > CO) +6H* +68
O2 +4H* +467 > 2H20
CO : Monóxido de Carbono e” :Electrón
CO» : Dióxido de Carbono H*:IonHidrogeno
: Ion Carbonato H2 : Hidrógeno
H20 : Agua
0» : Oxigeno
OH” : Ion Hidroxilo
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Reacciones -Ecuaciones de Nernst
Reacciones(? Ecuaciones de Ni
1
Hz +702 +CO2(¢) > H20 + COr(a)
co+ +0, — CO
CH, +202 > 2H20 +CO
(a): Anodo P: Presión del Gas
(e): Cätodo R: Constante Universal de los Gases
E: Tensión de Equilibrio T: Temperatura (absoluta)
F: Constante de Faraday
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Reacciones(? Ecuaciones de Ni
1
Hz +702 +CO2(¢) > H20 + COr(a)
co+ +0, — CO
CH, +202 > 2H20 +CO
(a): Anodo P: Presión del Gas
(e): Cätodo R: Constante Universal de los Gases
E: Tensión de Equilibrio T: Temperatura (absoluta)
F: Constante de Faraday
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Comp
aración
Potencia, Combustible, Eficiencia
PAFC
SOFC
MCFC
PEMFC
Rango
Capacidad
100-200 kW
1 kW - 10 MW
250 kW - 10 MW
3-250 kW
Combustible
Gas natural,
landfill gas,
digester gas,
propano
Gas natural,
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)
¡ción Distribuida
Empleadas en la Generación Distribuida
Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fe ieee. org
t © 2008
aración
Potencia, Combustible, Eficiencia
PAFC
SOFC
MCFC
PEMFC
Rango
Capacidad
100-200 kW
1 kW - 10 MW
250 kW - 10 MW
3-250 kW
Combustible
Gas natural,
landfill gas,
digester gas,
propano
Gas natural,
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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Comparación
Eficiencia, Energía y Tiempo de Arranque
Tecnología de
la Celda de
Combustible
Densidad de
potencia pico
(mW/cm?)
Eficiencia del
Sistema
(% HHV)
Tiempo de
Arranque
(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
32-40
<0.1
Eficiencia, Energía y Tiempo de Arranque
Tecnología de
la Celda de
Combustible
Densidad de
potencia pico
(mW/cm?)
Eficiencia del
Sistema
(% HHV)
Tiempo de
Arranque
(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
32-40
<0.1
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Sistemas de Generación Distribuida
Celdas de Combustible
-Eficiencia-
Sistemas de Generación Distribuida
Celdas de Combustible
-Eficiencia-
Eficiencia
La eficacia térmica de un dispositivo de conversión
de 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
_ Energia Utilizada
AH
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected].
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La eficacia térmica de un dispositivo de conversión
de 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
_ Energia Utilizada
AH
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Eficiencia Ideal
+ En condiciones normales de 25°C (298°K) y 1
atmósfera, 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:
237,1 _
—— = 0,83
285,8
Nideal =
Distribuida
mpleadas en la Generación Distribuida
+ En condiciones normales de 25°C (298°K) y 1
atmósfera, 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:
237,1 _
—— = 0,83
285,8
Nideal =
Distribuida
mpleadas en la Generación Distribuida
Eficiencia Real
» La eficiencia de una celda de combustible real puede
expresarse en términos de la relación del voltaje de
operación entre el voltaje ideal de la celda.
El voltaje ideal de una celda que opera
reversiblemente con hidrógeno y oxígeno a 1 atm de
presión y una temperatura de 25°C es 1,229 V.
Entonces la eficacia térmica real de una celda de
combustible que opera a un voltaje V,,,, basado en
el valor calorífico del hidrógeno, es
_ 0,83+ Veciaa _ 9,83: V,
Nideal = 1 ao = 0,675- Veelda
» La eficiencia de una celda de combustible real puede
expresarse en términos de la relación del voltaje de
operación entre el voltaje ideal de la celda.
El voltaje ideal de una celda que opera
reversiblemente con hidrógeno y oxígeno a 1 atm de
presión y una temperatura de 25°C es 1,229 V.
Entonces la eficacia térmica real de una celda de
combustible que opera a un voltaje V,,,, basado en
el valor calorífico del hidrógeno, es
_ 0,83+ Veciaa _ 9,83: V,
Nideal = 1 ao = 0,675- Veelda
Eficiencia Real
Caracteristicas Voltaje/Corriente Ideal y Real de
una Celda de Combustible
Voltaje Ideal —~
Región de Polarización Activa
(Perdidas por Rata de Reacción)
Perdidas Totales
Región de
Polarización de Concentración
(Perdidas por Transporte de Gas)
3
2
©
oO
2
>
2
=
E
>
Región de Polarización Ohmica
(Perdidas Resistivas)
Curva Voltaje de Operación (V)
Densidad de Corriente (mA/cm?)
Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt
Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Caracteristicas Voltaje/Corriente Ideal y Real de
una Celda de Combustible
Voltaje Ideal —~
Región de Polarización Activa
(Perdidas por Rata de Reacción)
Perdidas Totales
Región de
Polarización de Concentración
(Perdidas por Transporte de Gas)
3
2
©
oO
2
>
2
=
E
>
Región de Polarización Ohmica
(Perdidas Resistivas)
Curva Voltaje de Operación (V)
Densidad de Corriente (mA/cm?)
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Eficiencia
=
>
3
2
S
3
[=
°
=
El
©
2
ü
10 kw 100 kW
decentrelized
cogeneration
1mw 10 Mw
Power
100 Mw
Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 2: Tecnol
Empleadas en la Generación Distribuida
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ight © 2008
=
>
3
2
S
3
[=
°
=
El
©
2
ü
10 kw 100 kW
decentrelized
cogeneration
1mw 10 Mw
Power
100 Mw
Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 2: Tecnol
Empleadas en la Generación Distribuida
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Eficiencia
FC efficiency
35
>
€
£
©
2
w
40% 60% 80%
Load rate (P/Pnom) in %
Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected]
Copyright © 2008
Sistemas de Generacion Distribuida
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
FC efficiency
35
>
€
£
©
2
w
40% 60% 80%
Load rate (P/Pnom) in %
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Sistemas de Generacion Distribuida
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Sistemas de Generación Distribuida
Celdas de Combustible
-Costos-
Sistemas de Generación Distribuida
Celdas de Combustible
-Costos-
Costos
« El costo inicial es muy alto comparado con las otras
tecnologías FGD.
« En el 2001 el costo de la unidad era de
aproximadamente 4000 US$/kW.
« El costo inicial es muy alto comparado con las otras
tecnologías FGD.
« En el 2001 el costo de la unidad era de
aproximadamente 4000 US$/kW.
Costos
+ El costo de instalación de la unidad es
aproximadamente 1.000.000 US$.
+ La mayoría de los fabricantes apuntan en costos por
debajo de 1500 US$/kW basados en el volumen de
producción.
+ El costo de instalación de la unidad es
aproximadamente 1.000.000 US$.
+ La mayoría de los fabricantes apuntan en costos por
debajo de 1500 US$/kW basados en el volumen de
producción.
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Sistemas de Generación Distribuida
Celdas de Combustible
-Fortalezas-Debilidades-
Sistemas de Generación Distribuida
Celdas de Combustible
-Fortalezas-Debilidades-
Fortalezas-Debilidades
PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells
Fortalezas Debilidades
Silencioso Altos Costos
Bajas emisiones
Alta eficiencia
robada confiabilidad
SOFC: Solid Oxide Fuel Cells
Fortalezas Debilidades
Silencioso SOFC planas aun se
mantienen en investigación y
desarrollo, recientes
desarrollos en operación a
baja temperaturas son una
Back promesa
emisiones
¡ens Westinghouse
Alta eficiencia Alto costos
Sistemas de Generación Distribuida Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt,
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells
Fortalezas Debilidades
Silencioso Altos Costos
Bajas emisiones
Alta eficiencia
robada confiabilidad
SOFC: Solid Oxide Fuel Cells
Fortalezas Debilidades
Silencioso SOFC planas aun se
mantienen en investigación y
desarrollo, recientes
desarrollos en operación a
baja temperaturas son una
Back promesa
emisiones
¡ens Westinghouse
Alta eficiencia Alto costos
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TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Fortalezas-Debilidades
MCFC: Molten Carbonate Fuel Cells
Fortalezas Debilidades
Silencioso Necesita demostrar a
largo termino la
Bajas emisiones seriedad
Alta eficiencia Alto costo
Celda de Combustible 250kW
PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel
Cells
Fortalezas Debilidades
A 2 Limitada experiencia en
Silenciosos
campo
Bajas emisiones La baja temperatura del
calor de desecho puede
Alta eficiencia limitar su potencial en
cogeneración.
200kW UTC, Central Park, New York
Sistemas de Generación Distribuida
3 1. Gonzalez-Longatt, f (aie.
TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
MCFC: Molten Carbonate Fuel Cells
Fortalezas Debilidades
Silencioso Necesita demostrar a
largo termino la
Bajas emisiones seriedad
Alta eficiencia Alto costo
Celda de Combustible 250kW
PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel
Cells
Fortalezas Debilidades
A 2 Limitada experiencia en
Silenciosos
campo
Bajas emisiones La baja temperatura del
calor de desecho puede
Alta eficiencia limitar su potencial en
cogeneración.
200kW UTC, Central Park, New York
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Sistemas de Generación Distribuida
Celdas de Combustible
-Desarrollos Futuros-
Sistemas de Generación Distribuida
Celdas de Combustible
-Desarrollos Futuros-
Desarrollos Futuros
PEMFC: Teledyne, Plug Power, General Motors
Amplio rango de aplicaciones (portátiles,
automóviles, residencial, comercial, iluminación
industrial)
Bajas temperaturas ® rápido arranque
Madurez de la tecnología: ¿2010?
— PAFC: UTC Fuel Cells
— MCFC: Fuel Cell Energy
PEMFC: Teledyne, Plug Power, General Motors
Amplio rango de aplicaciones (portátiles,
automóviles, residencial, comercial, iluminación
industrial)
Bajas temperaturas ® rápido arranque
Madurez de la tecnología: ¿2010?
— PAFC: UTC Fuel Cells
— MCFC: Fuel Cell Energy
Desarrollos Futuros
+ Algunas comercialmente disponibles
— AFC: Apollo Energy Systems
— SOFC: Ceramic Fuel Cells, ZTEK Corporation
Amplio rango: residencial, comercial e instalaciones
industriales (5-250kW)
Altas temperaturas (1000C) $ arranque lento (5-10h
en algunos momentos)
Madurez de la tecnología: 2015? ug
+ Algunas comercialmente disponibles
— AFC: Apollo Energy Systems
— SOFC: Ceramic Fuel Cells, ZTEK Corporation
Amplio rango: residencial, comercial e instalaciones
industriales (5-250kW)
Altas temperaturas (1000C) $ arranque lento (5-10h
en algunos momentos)
Madurez de la tecnología: 2015? ug
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