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8082139Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 2 4 TEMA 2.4 Celdas de CombustibleCeldas de Combustible
Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
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.
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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
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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
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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 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.
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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 muchascompañías están examinando diversas vías parareducir 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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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
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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
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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 energíaútil producida debido al cambio en la energíaquímica almacenada (normalmente llamada energíatérmica), que se obtiene cuando un combustiblereacciona con un oxidante
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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) 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:
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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 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