Zero Emisiones

AREQUIPA - PERÚESPECIALIDAD : MECANICA AUTOMOTRIZCURSO : ZERO EMISIONESELABORADO POR : Adolfo Serrato Macedo

TECNOLOGÍA

ZERO EMISIONES

Células De Combustible

Células a combustible ("fuel cells") son mecanismos que transforman energía química directamente en energía eléctrica, sin existir combustión. Similares a las baterías, las células a combustible

ELABORADO POR: ADOLFO SERRATO MACEDO


están compuestas de dos electrodos (uno positivo, el cátodo, y otro negativo, el ánodo) con un conductor electrolítico entre ellos. Mientras tanto, difiere de la batería por no haber necesidad de recarga, produciendo energía desde que el combustible sea suministrado.

Teóricamente, se pueden utilizar varios tipos de combustibles. En la actual fase de las investigaciones, el hidrógeno es el que presenta un mejor rendimiento. El hidrogeno se puede generar del metanol, etanol, gas natural, propano y otros combustibles hidrocarbonatos.En ese mecanismo, en la medida que los electrodos tienen contacto con los gases reactivos (hidrogeno para el electrodo negativo y oxigeno o aire atmosférico para el electrodo positivo) existe una diferencia de potencial entre los mismos. Esta diferencia de potencial de la célula a circuito abierto es del orden de 1,0 V, lo que ya genera energía.Uno de los componentes específicos para la célula a combustible es la matriz, usualmente compuesta de carburo de silicio (SiC) y politetrafluoretileno (PTFE), que es lo que retiene el electrolito y se usa entre pares de electrodos difusores de gases (H2 y O2). Esas matrices deben ser lo suficientemente porosas para que el electrolito se quede


Configuración básica de una célula a combustible


permanentemente retenido, dejándolo apenas humedecido, y evitando de ese modo la mezcla de gas. Además, las matrices deben ser un aislante electrónico, tener una buena estabilidad química, tener buena conductividad iónica y poseer una espesura adecuada para minimizar la polarización ohmica entre los electrodos.La resistencia de la matriz es una característica importante por ser la principal responsable de la inclinación de la curva de control corriente vs. potencial. Se han realizado investigaciones sobre el desempeño de células a combustible utilizándose mezclas de carburo de silicio, carburo de niobio y silicato de circonio, con el objetivo de mejorar el potencial de la célula a altas densidades de corriente.Es importante observar que hay diferentes tipos de células a combustible que son generalmente catalogadas de acuerdo con el electrolito utilizado. De ese modo, tenemos las células de ácido fosfórico, de electrolito polimérico sólido, alcalina, de carbonatos fundidos y de óxido sólido.

Tabla 1- Tipos de Células a Combustible

Tipo de Célula Electrolito Temperatura de Operación Reactivos

ácido fosfórico H3PO4 180-200 H2 de reforma/O2/Aire

electrolito polimérico

sólidoNafionR 70-100 H2 de reforma/O2/Aire

alcalina KOH (25-50%) 25-100 H2/O2

carbonatos fundidos K2CO3/Li2CO3 657-700 Gas natural/Carbón

óxido sólido CrO2/Y2O3 900-1000 Gas natural/Carbón

Los diferentes tipos de células de combustible se caracterizan generalmente por el material de su electrolito. El electrolito es la sustancia que sirve como puente para el intercambio de iones entre el ánodo y el cátodo. Existen 5 tipos diferentes de células de combustible

Ácido fosfórico (PACFs) Estas Células de combustible utilizan ácido fosfórico como electrolito y generan electricidad a más del 40% - y cerca del 85% si el vapor que ésta produce es empleado en



cogeneración – comparado con el 30% de la más eficiente máquina de combustión interna. Las temperaturas de operación se encuentran en el rango de los 400F. Este es el tipo de Células de combustible más desarrollado a nivel comercial y ya se encuentra en uso en aplicaciones tan diversas como clínicas y hospitales, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas eléctricas y una terminal aeroportuaria. También pueden ser usadas en vehículos grandes tales como autobuses y locomotoras.

Carbonato fundido (MCFCs) El electrolito es una sal carbonatada, que funde a una temperatura de operación de aproximadamente 1200F (temperatura de trabajo). Se pueden obtener de ellas altas eficiencias combustible-electricidad y la capacidad para consumir combustibles base carbón.

Óxido sólido (SOFCs) Un sistema de óxido sólido normalmente utiliza un material duro cerámico en lugar de un electrolito líquido permitiendo que la temperatura de operación alcance los 1800F. Los rendimientos de generación de potencia pueden alcanzar una 60%. Podrían ser utilizadas en aplicaciones de alta potencia incluyendo estaciones de generación de energía eléctrica a gran escala e industrial. Junto con las MCFMs son las únicas que pueden utilizar monóxido de carbono como combustible.

Polímero sólido o Membrana de Intercambio Protónico (PEM) Contienen un polímero sólido como electrolito. Estas Células operan a relativamente bajas temperaturas (80ºC), tienen una densidad de potencia alta, pueden variar su salida rápidamente para satisfacer cambios en la demanda de potencia y son adecuadas para aplicaciones donde se requiere una demanda inicial rápida, tanto en equipos para la generación de energía eléctrica estacionarios como para automóviles.Alcalinas. Utilizadas desde hace mucho tiempo por la NASA en misiones espaciales, este tipo de celdas pueden alcanzar eficiencias de generación eléctrica de hasta 70%. Estas celdas utilizan hidróxido de potasio como electrólito. Hasta hace poco tiempo eran demasiado costosas para aplicaciones comerciales pero varias compañías están examinando formas de reducir estos costos y mejorar la flexibilidad en su operación.



Las células que se encuentran en la fase de investigación más desarrollada son las del ácido fosfórico. En este tipo de célula el electrolito usado es el ácido fosfórico (H3PO4) concentrado (95-98%), con una temperatura de operación entre 180 y 200o C., que no se ve afectado por el CO2, CO ( < 1%, pues en caso contrario el catalizador resulta envenenado) y otras impurezas. De ese modo, la célula puede utilizar como agente oxidante directamente el aire atmosférico, y puede operar con hidrógeno impuro producido a través de la transformación de otros combustibles. El CO2 formado como subproducto del proceso de transformación pasa a través de la célula sin comprometer su funcionamiento. Las reacciones de reducción de oxígeno y oxidación del hidrógeno se operan de forma más eficiente usando como catalizador el platino, disperso sobre polvo de carbono y conteniendo un adicionado de politetrafluoretileno (PTFE). Esas células se pueden disponibilizar en diferentes tamaños, que van desde pequeñas unidades portátiles de 250 wats a generadores capaces de suministrar 200 kilowatts de electricidad. De ese modo, células a combustible de ácido fosfórico están indicadas para edificios y vehículos pesados."Nuestra contribución principal fue hacer el corazón de la célula de combustible -- la lámina de electrolito que controla el flujo de iones cargados eléctricamente -- a partir de una fina lámina de solamente un micrón de espesor", dice Alex Ignatiev, director del proyecto TcSAM, patrocinado por la NASA.



Arriba: funcionamiento de una Célula de Combustible de Óxido Sólido (SOFC). [más información]En contraste, las células actuales de combustible de óxido semisólido poseen capas de electrolito de 100 micrones o más de espesor (un micrón es una milésima parte de un milímetro). Ignatiev explica que "Un menor espesor disminuye la resistencia interna a la corriente eléctrica, por lo cual podemos obtener una potencia de salida a temperaturas de operación mucho más bajas".Para fabricar esta lámina ultra-fina, Ignatiev y sus colegas del TcSAM no pueden simplemente reducir un pedazo de material desgastándolo hasta alcanzar el espesor necesario. En lugar de ello, hacen crecer el electrolito átomo a átomo, depositando capas de átomos, una por una, en un proceso llamado epitaxia. Las finas películas de las células de combustible del TcSAM tienen un espesor de alrededor de 1000 átomos.Al obtener la misma potencia al 50% de la temperatura se logra una reacción en cadena con respecto a ahorros en el costo. Por una parte, se pueden emplear materiales más baratos para construirlas, en comparación con las caras cerámicas tolerantes a altas temperaturas, y a los aceros de alta resistencia necesarios en las células de combustible que funcionan a 1000 grados. En los automóviles y aparatos de electrnica personal que podrían utilizar estas células de combustible, también se puede evitar el empleo de materiales exóticos y elaborados sistemas de disipación del calor, disminuyendo así los


http://www.seca.doe.gov/fuelcellani.html


costos de fabricación. Todo esto inclina la balanza de la viabilidad económica en la dirección deseada.

Las células de combustible de óxido sólido son sólo uno de los seis tipos que están siendo desarrollados en la actualidad. Cada uno utiliza un método diferente para combinar el combustible de hidrógeno con el oxígeno para producir electricidad. La industria del automóvil busca principalmente una membrana de extracción de protones (PEM) para las células de combustible de los coches y camiones del futuro, pero algunas compañías están también considerando las ventajas de varios tipos de células con base en óxido sólido

Ventajas y Limitaciones de las Células a Combustible

Las células a combustible presentan innumerables ventajas con relación a la tecnología convencional. Entre ellas se puede citar la alta eficiencia, modulación, operación limpia y silenciosa, rápida respuesta de carga, confiabilidad, manutención reducida y flexibilidad en cuanto al combustible utilizado.Se han desarrollado investigaciones en diversos países sobre la utilización de hidrógeno como combustible. Las investigaciones se han centrado sobretodo en la utilización de este combustible para transporte de masas en los grandes centros urbanos. Esto se debe al hecho de que dicho combustible presenta grandes beneficios ambientales, pudiéndose almacenar, transportar y convertir en otras formas de energía. Además, las células a combustible movidas a hidrógeno tienen emisión cero y los vehículos que usan esa tecnología propulsados a metanol u otro combustible alternativo producen pequeñas cantidades de contaminantes.

Tabla 2- Impacto Ambiental de las Células a Combustible

Patrón NorteamericanoCombustión Célula

a combustiblea gas * a óleo * a carbón *

Particulados 0,2 0,2 0,2 0,0000045

NOx 0,3 0,5 1,1 0,20-0,028

SOx - 1,2 1,9 0,00036



Humos Opacidad Opacidad Opacidad mínima

20% 20% 20%* valores en Kg de contaminantes/MWh.

Investigaciones desarrolladas en los Estados Unidos indican que si el 10% de los vehículos ligeros utilizasen células a combustible existiría una reducción anual de los contaminantes atmosféricos de 1 millón de toneladas y una reducción anual de emisión de dióxido de carbono del orden de 60 millones de toneladas.No obstante a las ventajas presentadas por estas células, existen limitaciones en cuanto al almacenamiento del combustible, en este caso el hidrógeno. La alternativa sería utilizar un procesador de combustible que a través de un proceso de transformación, suministre un gas rico en hidrógeno para el funcionamiento del sistema. De ese modo, el hidrógeno utilizado para alimentar la célula se puede producir in situ por medio de la transformación del combustible. El hidrógeno puede, de esta manera, producirse a partir de diversas fuentes: gas natural, metano, propano, nafta, metanol, etanol, incluso a partir de la energía hidroeléctrica.Otra limitación del uso de células a combustible, principalmente en su aplicación en los transportes, es el gran tamaño y el peso de las células, lo que torna impracticable su utilización en vehículos ligeros. Por lo tanto, se percibe que se debe mejorar la cantidad de energía por unidad de volumen y el peso de las células a combustible. Para que esto suceda es necesario perfeccionar su procesador de combustible de forma que quede más compacto y eficiente, más barato, que tenga partida rápida y que emita menos monóxido de carbono durante el trasiego. Además, el sistema de propulsión de la célula a combustible debe optimizarse con una mejor integración con los sistemas de propulsión del vehículo por ella alimentado..El mayor problema es el elevado precio de los vehículos propulsados con células a combustible. Actualmente, un autobús (ómnibus) propulsado a hidrógeno cuesta aproximadamente 2 millones de US$, mientras que un autobús propulsado a diesel cuesta 53.000 US$ y un autobús movido a gas cuesta 75.000 US$. Sin embargo, a pesar de que el costo inicial de un autobús propulsado con células a combustible sea mayor que el de un autobús propulsado a diesel, la manutención del vehículo y el precio de los combustibles son más reducidos



Receta para la electricidad: Construcción De la Célula De CombustibleLa electricidad no es nada más que electrones que fluyen. Eso significa que esa generación de energía no es nada más que descubriendo cómo liberar electrones. Las células de combustible confían en el hidrógeno para sus electrones. Hay muchas diversas células de combustible para cada clase de uso. Pero cada célula de combustible tiene el mismo esencial. Él todo hace un ánodo (electrodo negativo) abarcar del gas de hidrógeno, y de un cátodo (electrodo positivo) del oxígeno. En el centro está un electrólito que permite solamente que los protones pasen a través de él. Entre ambos electrodos y el electrólito están los catalizadores que facilitan las reacciones.

Dejado Haya Hidrógeno: La química detrás de las células de combustibleLa célula de combustible trabaja inyectando las moléculas moleculares del hidrógeno (H2) en el ánodo. Las moléculas del hidrógeno reaccionan con el catalizador. El catalizador es generalmente una capa fina del platino pulverizado en el papel carbón. Esto rompe para arriba el hidrógeno en un protón y un electrón. El protón va a través del electrolito, (recuerde, acepta solamente los protones) mientras que el electrón se alimenta a través del circuito y va a trabajar, si esté accionando su horno o esté proporcionando caballos de fuerza a su nuevo Mustang.

Sobre acabar su trabajo, los electrones vuelven a la célula a través del cátodo. Allí, el catalizador asiste a las moléculas del oxígeno, a los protones del hidrógeno y a los electrones del hidrógeno en la fabricación del agua. Las reacciones químicas son las siguientes:

Ánodo:2H2 = > 4H+ + 4e-

Cátodo: O2 + 4H+ + 4e- = > 2H2O

La reacción entera termina encima de parecer esto:

2H2 + O2 = > 2H2O



Esta reacción crea solamente cerca de 0.7 voltio. Debido a esto, hay varias células construidas en un apilado. Esto multiplica el voltaje hasta niveles usables.

La Familia De la Célula De Combustible: Diversas clases de células de combustible

Las células de combustible diferencian de dos maneras. La diferencia más importante es el electrolito. Diversos electrólitos proporcionan diversos voltajes y diversas características. La célula de combustible destinada aparecer debajo de las capillas del coche se llama una célula de combustible de la membrana del intercambio de protón. Los apilados que serán utilizados para aprovisionar de combustible el coche están sobre el tamaño de una impresora clasificada media.

Otras células de combustible son mucho más grandes (extendiéndose de tamaño de una unidad de aire acondicionado central grande a un coche compacto.) Estas células son inmóviles y pueden proporcionar electricidad a un complejo del apartamento, a un edificio de oficinas o a 60 hogares de la familia. Éstos incluyen el fosfo'rico-a'cido, el óxido sólido y las células de combustible fundidas del carbonato. Todas estas células de combustible son grandes y toman un tiempo relativamente largo para calentar encima de (o “preparar las bombas del hidrógeno”) cuál es porqué él no es conveniente para los automóviles. Estas células de combustible en grande funcionan en las altas temperaturas también, (se extienden alrededor de 1,000° F a 1,800° F) que no prohiba a ingenieros otra manera de producir energía. El calor de las células de combustible se puede utilizar para hervir el agua (quizás el agua que produce) y para dar vuelta a las turbinas de vapor para aún más electricidad.

La Revolución: Usos de las células de combustibleLas células de combustible tienen el potencial de deslizarse en cada clase de dispositivo electrónico. Algunos usos podían incluir:

← Los coches según lo indicado antes, las células de combustible el tamaño de una impresora podrían proporcionar bastante jugo a la energía también (si no mejor que) un motor de combustión. Unidades levemente más grandes están ya en lugar en varios sistemas del autobús a través de los Estados Unidos. El hidrógeno para ambas formas de transporte se puede proporcionar a través del propano, del metanol o del gas natural.



← Los dispositivos personales (las computadoras portátiles, célula telefonan, oyendo a ayudantes) - las células de combustible tienen el enorme potencial de conseguir en cada dispositivo electrónico que venimos en contacto con. Las células de combustible ofrecen la posibilidad de computadoras portátiles y de teléfonos de la célula con la vida de la energía medida en días o semanas, más bien que horas. La célula de combustible es escalable, que los medios él pueden ir bastante pequeños a accionar los dispositivos médicos que requieren normalmente el reemplazo de la batería.

← La producción de energía y de reserva inmóviles grande-escalan las células de combustible podrían permitir que cada ciudad tengan su propia central eléctrica, más bien que una rejilla centralizada de la energía. La generación de energía podría convertirse así que descentralizó que cada desarrollo de la cubierta o complejo del apartamento se podría uno mismo-sostener con su propia energía. Esto reduciría drástico en la contaminación y líneas de energía feas. Los hospitales y los aeropuertos podrían (algunos ya) tener fuentes de alimentación de reserva en las cuales golpee con el pie, en el acontecimiento de un apagón.

Preguntas Frecuentes sobre Celdas de Combustible

Celdas de Combustible

¿De dónde vinieron las Celdas de Combustible? La primera Celda de Combustible fue construida en 1839 por Sir William Grove, un juez galés y honorable científico. El verdadero interés en celdas de combustible, como un generador práctico, no vino sino hasta comienzos de los años 1960’s cuando el programa espacial de los Estados Unidos seleccionó las celdas de combustible en lugar del riesgoso generador nuclear y de la costosa energía solar. Fueron celdas de combustible las que proporcionaron electricidad y agua a las naves espaciales Gemini y Apollo ¿Cuál es la mejor Celda de Combustible?



De acuerdo a un reciente estudio realizado por Arthur D. Little Inc., no hay un sólo "ganador" que eclipse a otras celdas de combustible. Este resultado es esencialmente debido a que el mercado para celdas de combustible es muy variado yendo de estaciones generadoras de gran tamaño hasta automóviles. Cada segmento de este mercado puede ser satisfecho con una variada mezcla de tecnologías. ¿Qué tipo de combustibles pueden usarse en Celdas de Combustible? Las celdas de combustible permiten promover una diversidad de energía y una transición hacia fuentes de energía renovables. Así, una variedad de distintos combustibles pueden ser usados en éstas, combustibles tales como hidrógeno, metano, etano, gas natural así como gas licuado (LPG). La energía también podría ser provista a partir de biomasa, sistemas eólicos ó bien solar. ¿Cómo se compara un auto con motor de Celdas de Combustible con uno con baterías? Autos movidos a partir de celdas de combustibles se encuentran en una etapa temprana de desarrollo comparados con autos eléctricos movidos con baterías pero son considerados como una alternativa muy

atractiva. Los primeros ofrecen las ventajas de un auto eléctrico provisto de baterías, pero pueden ser reabastecidos de combustible muy rápidamente y su rango de alcance es mayor que aquellos con baterías. Adicionalmente, autos con celdas de combustible producirían menos emisiones de gases que producen efecto invernadero (considerando las emisiones asociadas con la recuperación de la fuente primaria). Daimler-Benz ha concluido que los problemas técnicos fundamentales asociados al uso de celdas de combustible en autos pueden ser resueltos. Un estudio reciente de General Motors hizo notar que motores de autos con celdas de combustible podrían ser construidos casi por mismo precio que los de combustión interna. ¿Qué está haciendo el gobierno de los Estados Unidos con respecto a esta tecnología?

El Departamento de Energía de los Estados Unidos (U.S. DOE) gasta unos $50 millones de U.S. dólares en investigación en celdas de combustible de carbonato fundido y del tipo de óxido sólido para



aplicaciones de tipo estacionario. También el DOE gasta cerca de $20 millones de US dólares en aplicaciones de celdas de combustible en transporte. El departamento de la Defensa de los E.U. esta gastando alrededor de $24 millones de US dólares para comprar una planta generadora a base de celdas de combustible para demostración, la cual proveerá calor y energía a algunas bases militares seleccionadas a lo largo de ese país. La primera de estas plantas fue instalada recientemente en la base de la Fuerza Aérea Vandenberg en California. Vehículos provistos de celdas de combustible podrían transportar tropas americanas en los campos de batalla en un futuro y podrían servir como fuente vital de energía auxiliar en combate. Esto se debe a que las celdas de combustible son silenciosas, flexibles y operan a bajas temperaturas haciéndolas ideales para su uso en vehículos no detectables. Las celdas de combustible están también siendo desarrolladas para submarinos, barcos y una gran variedad de otros usos militares. El Departamento del Transporte de los E.U. mantiene un pequeño programa de investigación en celdas de combustible gastando $5 millones de U.S.D. en 1996 para desarrollar autobuses con celdas de combustible.

¿Cuál es el costo de una celda de combustibles?

Algunas compañías ofrecen plantas de celdas de combustible por cerca de 3.000 dólares por kilowatt. A esos precios, dichas unidades son competitivas en nichos de mercado de alto valor o en áreas donde la electricidad es cara y el gas (GLP, natural) más barato.Un estudio de Arthur D. Little, Inc., predijo que cuando el costo de las celdas de combustible caiga a menos de 1.500 dólares por kilowatt se logrará una penetración de mercado a lo lsargo de Estados Unidos. Varias compañías están vendiendo pequeñas plantas orientadas a la investigación. Los precios varian.Las celdas de combustibles deberán ser mucho más baratas para hacerlas comercialmete atractivas a los fabricantes de vehículos. Los motores de automóviles convencionales cuesta fabricarlos alrededor de 3.000 dólares. Será necesaria una mayor investigación para lograr que el precio de las celdas baje a ese nivel, personeros de DaimlerChrysler han esbozado que tendrán disponible el 2004 una celda de combustible comercialmente viable.



¿Dónde puedo comprar una celda de combustible?

Las siguientes compañías ofrecen una variedad de productos relacionados a celdas de combustible incluyendo sistemas de prototipo para demostración, sistemas de bajo wattage, sistamas beta-testing, y productos movidos por celdas de combustible. Conviene chequear con cada una si sus productos se acercan a vuestra necesidades:

Avista Laboratories, http://www.avistalabs.com/ (PEM fuel cells for residential applications)

Ball Aerospace & Technologies Corp., http://www.ball.com/ (portable PEM fuel cell power systems)

BCS Technology, Inc., www2.cy-net.net/~bcstech (small PEM fuel cell systems)

DAIS-Analytic Corporation, http://www.daisanalytic.com/ (small PEM fuel cell systems)

DCH Technology, Inc, http://www.dch-technology.com/ (small PEM fuel cell systems)

EcoSoul, Inc., http://www.ecosoul.org/ (small, educational regenerative fuel cell kits)

ElectroChem, Inc., http://www.fuelcell.com/ (small PEM fuel cell systmes)

Electro-Chem-Technic, www.i-way.co.uk/~ectechnic/HOME.HTML (educational fuel cell kits)

Element 1 Power Systems, Inc., http://www.e1ps.com/ (fuel cell systems in a variety of sizes)


http://www.e1ps.com/

http://www.i-way.co.uk/~ectechnic/HOME.HTML

http://www.fuelcell.com/

http://www.ecosoul.org/

http://www.dch-technology.com/

http://www.daisanalytic.com/

http://www2.cy-net.net/~bcstech

http://www.ball.com/

http://www.avistalabs.com/

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