|
| ||||||
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 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 del momento. Fueron celdas de combustible las que proporcionaron electricidad y agua a las naves espaciales Gemini y Apollo. 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, metanol, etanol, gas natural así como gas licuado (LPG). La energía también podría ser provista a partir de biomasa, sistemas eólicos ó bien solar. En principio, una celda de combustible opera como una batería. Genera electricidad combinando hidrógeno y oxígeno electroquímicamente sin ninguna combustión. A diferencia de las baterías, una celda de combustible no se agota ni requiere recarga. Producirá energía en forma de electricidad y calor mientras se le provéa de combustible. El único subproducto que se genera es agua 100% pura.
Una celda de combustible consiste en dos electrodos separados por un electrólito. Oxígeno pasa sobre un electrodo e hidrógeno sobre el otro. Cuando el hidrógeno es ionizado pierde un electrón y al ocurrir ésto ambos (hidrógeno y electrón) toman diferentes caminos hacia el segundo electrodo. El hidrógeno migra hacia el otro electrodo a través del electrólito mientras que el electrón lo hace a través de un material conductor. Este proceso producirá agua, corriente eléctrica y calor útil. Para generar cantidades utilizables de corriente las celdas de combustibles son "amontonadas" en un emparedado de varias capas. Uno de los inconvenientes de las pilas de combustible es que sólo pueden suministrar una tensión pequeña, de aproximadamente 1 V por cm, y una corriente cuya ntensidad depende del tamaño de los electrodos y de la calidad de los catalizadores. Sin embargo, actualmente ya se alcanzan densidades de corriente de 250 a 400 mA por cm, con electrodos no aglomerados obtenidos por sedimentación. Para alcanzar una tensión elevada deben conectarse las pilas en serie y a fin de aumentar la intensidad de la corriente han de conectarse en paralelo. Para generar 2 MW de potencia se requiere de una superficie de 520 metros cuadrados que compactados en finas películas apiladas podría tener un volumen muy reducido.
Hoy se cuenta con gran variedad de formas para generar hidrógeno y oxigeno, por ejemplo con la energía solar o radiación ultravioleta sobre agua destilada con cuprato, la extracción de hidrógeno de sustancias orgánicas y la más utilizada y actualmente muy eficiente es la disociación electroquímica del agua de bajo consumo.
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 baterás. 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 concluído que los problemas técnicos fundamentales asociados al uso de celdas de combustible en autos pueden ser resueltos. Un estudio reciente de General Motors hizó notar que motores de autos con celdas de combustible podrían ser construídos casi por mismo precio que los de combustión interna. Las Celdas de Combustible podrían reemplazar a los motores de combustión interna en automóviles, autobuses, camiones y aún embarcaciones y locomotoras. Autobuses y autos trabajando con celdas de combustibles se encuentran ya funcionando y más aún están en camino de hacer lo mismo. Cientos de compañías en todo el mundo estan trabajando en celdas de combustible. Las bases son fuertes. El país que desarrolle tecnología para Celdas de Combustible tendrá la llave para la siguiente generación de producción de energía. Fuel Cells 2000 es una organización educativa privada no lucrativa que provee información dirigida a aquellos responsables de tomar decisiones, al público y a los medios de comunicación, además de apoyar el pronto uso de celdas de combustible a través de proyectos piloto e inversiones gubernamentales. Fuell Cells no realiza investigaciones ni desarrollan celdas de combustible pero tienen muchos contactos con compañías que si lo hacen y lo pueden ayudar si entra en el tema. ------------------------------------------------------- Celda Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC = Phosphoric Acid Fuell Celd): Este tipo de célula de combustible ya está comercialmente disponible. Más de 200 celdas combustibles se han instalado por todo el mundo, en los hospitales, casas residencias, hoteles, edificios de oficina, escuelas, plantas de poder en pueblos, un aeropuerto, basurales y plantas de tratamiento de agua de desechos. Las PAFCs generan electricidad a más del 40% de eficacia y casi 85% del vapor de estas celdas de combustible se usa para la cogeneración, esto se compara aproximadamente el 35% del poder de utilidad en los Estados Unidos. Las temperaturas que opera están en el rango de los 300 a 400 grados F° (150 - 200 grados C°). En las más bajo temperaturas, el ácido fosfórico es un conductor iónico pobre, y el monóxido de carbono (CO) envenena el Platino (Pt) y el electro-catalizador en el ánodo se pone critico. El electrolito es ácido fosfórico líquido empapado en una matriz. Una de las ventajas principales de este tipo de célula de combustible, además del casi 85% eficacia de la cogeneración, es que puede usarse el hidrógeno impuro como combustible. Las PAFCs puede tolerar una concentración de monóxido de carbono (CO) de aproximadamente 1.5 por ciento de combustible que pueden usar. Si se usa la gasolina, el azufre debe quitarse. Las desventajas de las PAFCs incluyen: usa el platino muy caro como catalizador, genera baja corriente y es comparablemente a otros tipos de células de combustible, generalmente es de gran tamaño y pesado. Las PAFCs, sin embargo, son el combustible más maduro de la tecnología celular. A través de las uniones orgánicas con el Instituto de Investigación de Gas (GRI), utilidades electrónicas, las compañías de servicio de energía, y el usuario se agrupa, el Departamento de Energía (la GAMA) ayudó provocar la comercialización de un PAFC, produjo por ONSI (ahora las UTC Combustible Células). PAFCs Existentes tienen los rendimientos a a 200 kW, y se han probado 1 unidades del MW. ------------------------------------------------------- Membrana de Intercambio de protón (PEM = Proton Exchange Membrane): Estas células operan a las temperaturas relativamente bajas (aproximadamente 175 grados F o 80 C de los grados), tenga la densidad de poder alta, puede variar su rendimiento rápidamente para encontrarse los cambios en la demanda de poder, y está preparado para las aplicaciones,--como en los automóviles--donde el startup rápido se requiere. Según la GAMA, "ellos son los candidatos primarios para los vehículos del luz-deber, para los edificios, y potencialmente para las aplicaciones muy más pequeñas como los reemplazos para las baterías" recargables. La membrana de intercambio de protón es una hoja plástica delgada que permite los iones de hidrógeno para atravesarlo. La membrana es cuché en ambos lados con las partículas de aleación de metal favorablemente dispersadas (principalmente platino) ése es los catalizadores activos. El electrólito usado es un ácido de poly-perflourosulfonic de polímero orgánico sólido. El electrólito sólido es una ventaja porque reduce corrosión y problemas de dirección. Se da el hidrógeno al lado del ánodo de la célula de combustible dónde el catalizador anima los átomos de hidrógeno para soltar los electrones y volverse los iones de hidrógeno (los protones). Los electrones viajan en el formulario de una corriente eléctrica que puede utilizarse antes de que devuelva al cátodo esté al lado de de la célula de combustible dónde oxígeno se ha alimentado. Al mismo tiempo, los protones difunden a través de la membrana (el electrólito) al cátodo dónde el átomo de hidrógeno es el recombined y reaccionó con oxígeno producir el agua, completando el proceso global así. Este tipo de célula de combustible es, sin embargo, sensible para alimentar las impurezas. Los rendimientos celulares generalmente van de 50 a 250 kW. ------------------------------------------------------- Estas células de combustible usan una solución líquida de lithium, sodio y/o el potasio carbonata, empapó en una matriz para un electrólito. Ellos prometen las eficacias de combustible-a-electricidades altas, aproximadamente 60% normalmente o 85% con la cogeneración, y opera a aproximadamente 1,200 grados F o 650 grados C. que La temperatura que opera alta se necesita lograr conductibilidad suficiente del electrólito. Debido a esta temperatura alta, no se requieren los catalizadores de metal nobles para la oxidación electroquímica de la célula y procesos de la reducción. Para fechar, se han operado MCFCs en el hidrógeno, monóxido de carbono, gas natural, propano, gas del basural, diesel marino, y los productos de la gasificación de carbones simulados. 10 kW a 2 MW se han probado MCFCs en una variedad de combustibles y se han sido principalmente los targeted a las aplicaciones de utilidad eléctricas. Se han demostrado células de combustible de carbonato para las aplicaciones estacionarias con éxito en Japón e Italia. Los saques de temperatura que opera altos como una ventaja grande porque esto implica eficacia más alta y la flexibilidad para usar más tipos de combustibles y los catalizadores baratos como las reacciones que involucran ruptura de ataduras del carbono en los combustibles del hidrocarburo más grandes ocurra muy más rápido como la temperatura se aumenta. Una desventaja a esto, sin embargo, es que ese temperaturas altas refuerzan la corrosión y la avería de componentes celulares. (algunos utilizan: Li2CO3 – K2CO3 – Na2CO3) ------------------------------------------------------- Celda Combustible de Óxido Sólido (SOFC = Solid Oxide): Otro la célula de combustible muy prometedora, este tipo podría usarse en aplicaciones grandes, de gran potencia que incluyen las estaciones generadoras de electricidades centrales industriales y de gran potencia. Algunos diseñadores también ven a SOFC usar en los vehículos de motor y son el combustible en vías de desarrollo las unidades de poder auxiliares celulares (APUs) con SOFCs. Un sistema del óxido sólido normalmente usa un material cerámico duro de óxido de circonio sólido y una cantidad pequeña de ytrria, en lugar de un electrólito líquido, permitiendo las temperaturas que opera para alcanzar 1,800 grados F o 1000 grados C. Power las eficacias generadoras podrían alcanzar 60% y 85% con la cogeneración y el rendimiento de la célula depende de 100 kW. Un tipo de usos de SOFC una serie de tubos metro-largos, y otras variaciones incluyen un disco comprimido que se parece la cima de una lata de sopa. Los planes de SOFC tubulares son más íntimos a la comercialización y están produciéndose por varias compañías alrededor del mundo. Las demostraciones de tecnología de SOFC tubular han producido tanto como 220 kW. Japón tiene dos 25 unidades del kW en línea y un 100 ser de planta de kW que prueba en Europa. ------------------------------------------------------- Celda Combustible Alcalina (AKFC = Alkaline Fuell Celd): Largo usó por NASA en las misiones espaciales, estas células pueden lograr el poder las eficacias generadoras de a a 70 por ciento. Ellos se usaron en el Apolo la nave espacial para proporcionar ambos electricidad y bebiendo el agua. Su temperatura que opera es 150 a 200 C de los grados (aproximadamente 300 a 400 grados F). Ellos usan una solución ácuea de hydroxide de potasio alcalino empapada en una matriz como el electrólito. Esto es ventajoso porque la reacción del cátodo es más rápida en el electrólito alcalino que significa la actuación más alta. Hasta recientemente ellos era demasiado costoso para las aplicaciones comerciales, pero varias compañías son las maneras examinadoras para reducir los costos y mejorar la flexibilidad que opera. Ellos tienen un rendimiento celular típicamente de 300 vatios a 5 kW. ------------------------------------------------------- Células de Combustible de Metanol Directo (DMFC = Direct Methanol Fuel Cells): Estas células son similares a las células de PEM en eso ellos los dos el uso una membrana del polímero como el electrólito. Sin embargo, en el DMFC, el propio catalizador del ánodo deduce el hidrógeno del metanol líquido, mientras eliminando la necesidad por un reformador de combustible. Se esperan eficacias de aproximadamente 40% con este tipo de célula de combustible que operaría típicamente a una temperatura entre 120-190 grados F o 50 -100 grados C. Esto es un rango relativamente bajo, mientras constituyendo esta célula de combustible atractivo diminuto a las aplicaciones medio-clasificadas según tamaño, impulsar teléfonos celulares y computadoras portátiles. Superior se logran las eficacias a las temperaturas más altas. Un problema mayor, sin embargo, ha terminado el cruce de combustible del ánodo al cátodo sin electricidad productor. Muchas compañías han dicho que ellos resolvieron este problema, sin embargo. Ellos están trabajando en prototipos de DMFC usados por el ejército por impulsar el equipo electrónico en el campo. ------------------------------------------------------- Todavía es un miembro muy joven del combustible las células de combustible familiares, regenerador celulares serían atractivas como un formulario del cerrado-vuelta de generación de poder. El agua está separada en el hidrógeno y oxígeno por un electrolyser solar-impulsado. El hidrógeno y oxígeno se alimenta en la célula de combustible que genera electricidad, calor y agua. El agua se recircula entonces atrás al electrolyser solar-impulsado y el proceso empieza de nuevo. Estos tipos de células de combustible son investigando actualmente por NASA y otros mundial. ------------------------------------------------------- En una célula de combustible de zinc/air típica, hay un electrodo de difusión de gas (GDE), un ánodo de cinc separado por el electrólito, y algún formulario de separadores mecánicos. El GDE es una membrana permeable que permite oxígeno atmosférico para atravesar. Después de que el oxígeno ha convertido en los iones del hydroxyl y ha regado, los iones del hydroxyl viajarán a través de un electrólito, y alcances el ánodo de cinc. Aquí, reacciona con el cinc, y óxido de cinc de formularios. Este proceso crea un potencial eléctrico; cuando un juego de células de ZAFC se conecta, puede usarse el potencial eléctrico combinado de estas células como una fuente de poder eléctrico. Este proceso electroquímico es muy similar a eso de una PEM combustible célula, pero el repostar es muy diferente y comparte las características con las baterías. Power metálico está trabajando en ZAFCs que contiene un tanque" de combustible de cinc y un refrigerador de cinc que automáticamente y silenciosamente regeneran el combustible. En este sistema del cerrado-vuelta, electricidad se crea como cinc y oxígeno es mixto en la presencia de un electrólito (como un PEMFC), creando el óxido de cinc. Una vez el combustible se agota, el sistema se conecta a la reja y el proceso se invierte, mientras dejando las puras pelotillas de combustible de cinc una vez más. La llave es que este proceso invirtiendo toma sólo aproximadamente 5 minutos para completar, para que la batería que recarga la caída de tiempo a no es un problema. La tecnología de cinc-aire de ventaja principal tiene encima de otras tecnologías de la batería es su energía específica alta que es un factor importante que determina la duración corriente de un pariente de la batería a su peso. Cuando se usan ZAFCs para impulsar EVs, ellos han demostrado entregar las distancias del impulso más mucho tiempo entre reposta que cualquier otra batería de EV de peso similar. Es más, debido a la abundancia de cinc en la tierra, los costes materiales para ZAFCs y baterías de cinc-aire son bajos. De, la tecnología de cinc-aire tiene una gama amplia potencial de aplicaciones, mientras yendo de EVs, la electrónica del consumidor al ejército. Powerzinc en California del sur está mercantilizando su tecnología del zinc/air actualmente para varios aplicaciones diferentes. ------------------------------------------------------- Celda Combustible Cerámica Protónica (PCFC = Protonic Ceramic Fuel Cell): Este nuevo tipo de célula de combustible es basado en un material del electrólito cerámico que exhibe la conductibilidad del protonic alta a las temperaturas elevadas. PCFCs comparten las ventajas termales y cinéticas de funcionamiento de temperatura alto a 700 grados Celsius con el carbonato fundido y las células de combustible de óxido sólidas, mientras exhibiendo todo los beneficios intrínsecos de conducción del protón en el electrólito del polímero y las células de combustible de ácido fosfóricas (PAFCs). La temperatura que opera alta es necesaria lograr la eficacia de combustible eléctrica muy alta con los combustibles del hidrocarburo. PCFCs puede operar a las temperaturas altas y electrochemically oxide los combustibles fósiles directamente al ánodo. Esto elimina el paso del intermedio de hidrógeno productor a través del proceso reformando costoso. Las moléculas gaseosas del combustible del hidrocarburo están absortas en la superficie del ánodo en la presencia de vapor de agua, y los átomos de hidrógeno se despojan eficazmente fuera de ser absorbido en el electrólito, con el anhídrido carbónico como el producto de la reacción primario. Adicionalmente, PCFCs tienen un electrólito sólido para que la membrana no puede secar fuera como con PEM alimente las células, o el líquido no puede gotear fuera como con PAFCs. Protonetics Inc Internacional. está investigando este tipo de célula de combustible principalmente. |  | ||||||
 | |||||||
