Celdas de Combustión

Gutiérrez Arévalo Fernando

Moreno Cadena Fernando

IntroducciónLas celdas de combustión son aparatos que convierten la energía química de los combustibles en energía eléctrica directamente, generando poder con relativa alta eficiencia y bajo impacto ambiental.

A diferencia de las baterías, el reductor y el oxidante en las celdas de combustión debe ser constantemente suministrado para que nos permita la operación contínua.

Las celdas de combustión opera como un electrolizador invertido que es usado para la generación de energía eléctrica directa.

Pueden procesar gran variedad de combustibles y oxidantes.

Los más recurrentes son los que usan combustibles comunes (o derivados) O HIDROGENO como reductor y el oxígeno del aire en el ambiente como oxidante.

• La mayoría de los sistemas de celdas de combustión comprenden:

• unidades de celda en donde las reacciones electroquímicas toman lugar  

• Arreglos, en los cuales las celdas son acomodadas y combinadas con conexiones eléctricas para la capacidad de salida deseada.

• balance de planta que comprende los componentes que proveen el flujo de alimentación, manejo termal, y acondicionamiento de poder eléctrico entre otros auxiliares y funciones

Características• Las eficiencias de las celdas de combustible actuales

están en el rango de 30% a 55%, pero un ciclo híbrido de una celda de combustible con una turbina de gas ofrece eficiencias del orden del 70% aproximadamente.

• La imagen ilustra las mínimas emisiones de una celda de combustible de ácido fosfórico (PAFC) comparada con los límites permitidos de emisiones en la cuenca de Los Ángeles en la generación de energía.

Ventajas y Desventajas• A la fecha los principales impedimentos para

la comercialización de las celdas de combustible son su corta longevidad, poca confiabilidad, además de costos inaceptablemente altos dada la inexistencia de la infraestructura para el abastecimiento de los combustibles especiales que necesitan y la falta de familiaridad del mercado con esta tecnología.

Principales Ventajas-Obtención de energía sin combustión-No hay partes móviles en los convertidores.

• -Son dispositivos silenciosos-Resisten y funcionan en ambientes donde hay bajísimas temperaturas.-Flexibilidad en combustibles.-Buen rendimiento en la operación fuera de los estándares de diseño.-La operación puede ser remota o sin supervisión.-Flexibilidad en dimensiones.

 

Principales Desventajas• -La entrada al mercado representaría lidiar

con altos costos.• -La resistencia y la durabilidad en lugares en

donde hay altas temperaturas no está demostrada.-No existe la infraestructura para surtir los combustibles necesarios.

Estructura Básica• Las unidades de celdas los cuales

convierten la energía química en eléctrica forman el núcleo de una celda de combustión. La estructura básica física de la celda consiste en una capa electrolítica en contacto con un ánodo y un cátodo del otro lado.

Funciones Críticas de los componentes de Celdas.

• En las celdas de combustión de electrolitos, los gases reactantes se difunden a través de una delgada película que humedece las porciones de los poros del electrodo y reaccionan en su superficie.

• Si el electrodo poroso contiene una excesiva cantidad de electrolitos, el electrodo podría inundar y restringir el transporte de especies gaseosas en la fase electrolítica a los sitios de reacción. La consecuencia es una reducción en el desempeño de los poros del electrodo.

Arreglo de Celdas de Combustión

Las unidades de celdas deben ser combinadas en un apilamiento de celdas para poder conseguir el voltaje y el poder de salida requerido para la aplicación. Generalmente el apilamiento conlleva conectar múltiples unidades de celdas en serie con interconexiones eléctricas.

• Arreglo planar-bipolar:Para la mayoría de los arreglos de celda de combustión es el llamado planar-bipolar

• Debido a la configuración de una placa plana, la interconexión seria una placa separadora con dos funciones:

• 1)Proveer conexión en serie entre las celdas adyacentes, especialmente para celdas planas

• 2) Proveer una barrera de gas que separa el combustible del oxidante entre las celdas adyacentes.

Los arreglos planar bipolar pueden ser caracterizados de acuerdo al flujo de gas:

• •Cross-flow. El aire y el combustible fluyen perpendiculares entre sí.

• •Co-flow. El aire y el combustible fluyen paralelamente en la misma dirección. En el caso de tener celdas radiales, esto significa que los gases fluyen radialmente hacia afuera. •Counter-flow. El aire y el combustible fluyen paralelamente pero en direcciones opuestas. Otra vez, en el caso de tener celdas circulares esto significa flujo radial.

• •Serpentine flow. El aire o combustible siguen un camino zigzag

• •Spiral flow. Aplica a celdas circulares, la elección del acomodo del flujo de gas depende del tipo de celdas de combustión, la aplicación y otras consideraciones

Arreglo de Celdas TubularesEspecialmente para celdas de combustión de alta temperatura. Las celdas tubulares tienen ventajas significantes en sellamiento y la estructura integra de las células. Sin embargo, representan un reto geométrico al diseñador del arreglo cuando se trata de la obtención de alta de energía y cortos canales de corriente.

Sistemas de Celdas de Combustión

• En adición al apilamiento de celdas, un sistema practico de celdas requiere otros subsistemas y componentes; el tan llamado balance de planta (BoP). Juntos con el apilamiento, el BoP forma el sistema de celdas de combustión. La forma del BoP depende del tipo de celda de combustión, el combustible, la aplicación.

• Los sistemas de combustión conllevan:• •Preparación del Combustible, excepto cuando son

combustibles puros (como el hidrogeno), se debe remover las impurezas en el combustible y acondicionamiento térmico.

• •Suministro de aire. En la mayoría de los sistemas, esto incluye compresores de aire o sopladores también como filtros de aire.

• •Manejo térmico. Todo sistema de celdas de combustión requiere manejo térmico en el apilamiento de estos.

• •Manejo de agua. EL agua es necesitada en otras partes de la celda, mientras que en general el agua es un producto de reacción.

• •Equipo Eléctrico. Ya que el arreglo de celdas proveen una variable cantidad de voltaje directo se debe tener un acondicionamiento eléctrico, para poder manejar ese voltaje DC.

Figure 1-1 Schematic of an Individual Fuel Cell En una celda típica de combustión, el combustible es alimentado a un ánodo (negativo) y un oxidante (casi siempre oxigeno del aire) es alimentando con el cátodo (positivo). Las reacciones electroquímicas toman lugar en los electrodos, mientras que estos electrodos llevan la corriente que se convertirá en trabajo

• En las celdas de combustión de electrolitos, los gases reactantes se difunden a través de una delgada película que humedece las porciones de los poros del electrodo y reacciona en su superficie.

• Si el electrodo poroso contiene una excesiva cantidad de electrolitos, el electrodo podría inundar y restringir el transporte de especies gaseosas en la fase electrolítica a los sitios de reacción. La consecuencia es una reducción en el desempeño de los poros del electrodo.

Tipos de Celdas de combustion

• Celdas de Combustión de Polímero Electrolítico

• Celdas de Combustión Alcalinas• Celdas de Combustión Ácido Fosfórico• Celdas de Combustión de Carbonato

Fundido• Celdas de Combustión de Óxido Sólido

Celdas de Combustión de Polímero Electrolítico

Los componentes de las celdas PEFC (Polymere Electrolyte Fuel Cell)>Membrana de Intercambio de Iones> Una capa de soporte porosa que permite la conductividad> Un electro-catalizador que está entre la membrane de intercambio y la capa de soporte porosa> Interconexiones electricas y canales de flujo entre las celdas, en las que envian el combustible y el oxidante a los sitios de reacción.Las celdas PEFC casi siempre son bipolar planar.

• El catalizador es hecho a base platino para el anodo y el catodo, aunque puede que este también sea platino con carbón o grafito una alimentación pura de hidrógeno. Para promover la oxidación del hidrogeno. Y para otros combustibles que contienen H2, CO2 y N2, el catalizador es una aleación de platino con rutenio. La membrana puede ser de fibra de carbón y se encuentra tan delgada como una tela

Celdas de Combustión Alcalinas

• Las Celdas de Combustion Alcalinas (AFC) fueron unas de las primeras celdas de combustión en ser inventadas. Su aplicación en ese momento fue para proveer electricidad abordo en la nave espacial APOLLOla configuración de funcionamiento de la célula de combustible alcalina H2/O2 y un H2/celda de aire. En tanto, las reacciones medio de células son:

• H2 + 2OH ¯ → 2H2O + 2e ¯ (ánodo) • ½ O2 + H2O + 2e → 2OH ¯ ¯ (cátodo)

• Los Iones hidroxilo, OH ¯, son las conductores en el electrolito. El total de la celda equivalentereacción es:

• H2 + ½ O2 → H2O + energía eléctrica + calor

Como la cinética de Oxigeno e Hidrogeno ( KOH) tiene la más alta conductancia entre los hidróxidos alcalinos, Este electrolito es el mas adecuado.

Celdas de Combustión Ácido Fosfórico

• La célula de combustible de ácido fosfórico (PAFC) fue la primera tecnología de células de combustible para ser comercializados. La número de unidades construidas supera cualquier otra tecnología de pila de combustible, con más de 85 MW.

• El rango de capacidad de 50 a 200 kW, pero las grandes plantas de 1 MW y 5 MW se han construido. El más grande

Celdas de Combustión de Carbonato Fundido

Calcularemos la cantidad de combustible necesario por unidad de tiempo necesario para que el sistema entregue la potencia deseada.El siguiente ejemplo se realizó considerando que la unidad de operación es un bloque individual.

Cálculos en las Celdas de Combustibles

Ejemplo 1

¿Cuál será la cantidad de hidrógeno que se necesita para que una celda de combustible genere 1.0 ampere?

Solución:Para cada molécula de hidrógeno (H2) que reacciona con una celda de combustible, dos electrones son liberados al ánodo de la celda; este fenómeno es más fácilmente observable la PAFC y en la PEFC por la simplicidad da le reacción en el ánodo (combustible).

H2 2H+ + 2e-

• Los moles y la masa total de hidrogeno necesario para generar 1.0 Amper pueden ser calculados directamente:

Ejemplo 2• Una celda es operada a 1.0MWDC con 700mV

con hidrógeno puro como combustible siendo la eficiencia de éste del 80%.a)¿Cuando hidrógeno será consumido en lbm/hr?b)¿Cuál es el gasto de combustible necesario?c)¿Cuál es el gasto de aire necesario por una utilización oxidante UOX del 25%?

Solución:

a) Llamamos poder (P) al producto del voltaje(V) y la corriente (I).P=I x VEl flujo de combustible y la cantidad de hidrógeno

consumido se calculan:

• b) La utilización (eficiencia) de combustible en la celda se define por:Uf= H2 consumido/H2 introducidoSi el resultado del problema anterior es el combustible necesario para generar 1MWDC, entonces el combustible necesario se calcula:

• c) Para determinar el requerimiento de aire, primero debe observarse que el radio estequiométrico del hidrógeno al oxígeno es de 2 a 1 para el agua (H2O).El número de moles de oxígeno se determinan:

• Dado que el aire seco contiene 21% de oxígeno (O2) en volumen, el flujo másico de aire seco es: