Equipping the child

“Comúnmente se dice que una celda de combustible es más eficiente que un motor de combustión interna porque no esta sujeta a limitaciones del Ciclo de Carnot, o que una celda de combustible es más eficiente porque no esta bajo influencia de la segunda ley de la termodinámica. Estas declaraciones engañan. Una posición más conveniente para el entendimiento de las diferencias entre la eficiencia teórica de una celda de combustible y el motor de combustión interna, recordando que la eficiencia real de los motores de combustión y celdas de combustible son considerablemente más bajas que sus valores teóricos. Si una celda de combustible es comparada con la eficiencia térmica de un motor, la celda no estará limitada por la temperatura como sí lo está el motor de combustión. La libertad de los límites de las temperaturas en una celda de combustible proporciona una gran ventaja relacionada con problemas térmicos en los materiales.”

3.2.1 Peso

El tema del peso en las celdas de combustible es otro punto importante en el análisis puesto que usa materiales densos como el níquel (8.9 g/cm3) y platino (21.45 g/cm3). El armazón, es decir el cuerpo de la celda usa en el caso de las celdas tipo MCFC acero material igualmente denso. Por ejemplo una celda de combustible implementada en New York tipo PAFC, específicamente en el edificio Durst, provee 200 kW eléctricos y es capas de abastecer a más de 200 hogares,

su peso es de 17.230 Kg (38.000 lb)29. Es decir aproximadamente 86 kg/kW. El peso aproximado de un motor de combustión interna esta por el orden de 300 kg a 500 kg y es capas de generar alrededor de 100 hp (74.5 kW) es decir de 4 kg/kW a 6.7 kg/kW. La relación sería aproximadamente de 1:13, por lo tanto las relación potencia/peso sería una desventaja más para la celda de combustible. Los motores actuales cada vez son más livianos y son capaces de lograr rendimientos superiores a los 150 hp.

3.2.2 Ventajas

En la literatura encontramos en abundancia aspectos positivos de las celdas de combustibles, pocas son las deficiencias que refieren los autores, pero en realidad son mas de las que pensamos. A continuación algunas ventajas.

• “Carácter modular: La disponibilidad de las pilas de combustible como módulos independientes supone una ventaja adicional, ya que un cambio de escala en la potencia requerida se consigue fácilmente mediante la interconexión de módulos.

• Flexibilidad de operación: Una pila de combustible puede funcionar a alto rendimiento y sin interrupción en un amplio rango de potencias suministradas. Además, pueden realizarse variaciones rápidas de potencia; por ejemplo, es posible aumentar la potencia de una pila de combustible en un 10% en tan sólo un segundo. En contraste, los sistemas convencionales son muy inflexibles, debiéndose mantener la carga de combustible siempre por encima del 80% para garantizar una correcta operación.

• Admisión de diversos combustibles: Cualquier combustible es apto para ser reformado, con tal de que incluya hidrógeno en su composición. Han sido

29

empleados con éxito combustibles tan dispares como el gas natural, el gasóleo, el carbón gasificado o el metanol.

• Funcionamiento silencioso: se ha estimado que el nivel de ruido a 30 metros de una pila de combustible de tamaño medio es de tan sólo 55 decibelios. Ello sugiere el uso de estos dispositivos para la generación de energía en recintos urbanos.

• Bajo impacto estético: Al no existir tubos de emisión de gases ni torres de refrigeración, el impacto visual de una planta de producción de energía basada en pilas de combustible es mínimo. Se ha llegado incluso a proponer su integración en edificios residenciales.

• Fiabilidad: Los sistemas informáticos de control permiten automatizar el funcionamiento de una pila de combustible, siendo mínima la intervención manual requerida.

• Sencillez de instalación: Las obras de infraestructura son prácticamente innecesarias.”30

• “Capaces de utilizar varios combustibles.

• Son co-generadores natos.

• Silenciosas en su operación.

• Carecen de partes móviles.”31

30

Tomado de: http://usuarios.tiscali.es/casteasu/pilas.htm

31

3.1.3 Desventajas

En realidad la literatura no argumenta la real dimensión y la verdadera dificultad para la aplicación de la tecnología basada en la celda de combustible. A continuación las principales desventajas.

• Si buscamos reducción de costos inevitablemente debemos sacrificar el rendimiento. Además una cuestión que nunca se menciona es el hecho que las pilas también poseen un ciclo de tiempo de trabajo, es decir que son dispositivos que requieren cambio parcial o total del ensamblado al cabo de cierto tiempo puesto que su funcionamiento esta sujeto a reacciones químicas continuas y altas temperaturas que inevitablemente degradan los materiales. Este aspecto reduce el desempeño de una pila frente a un motor de combustión interna. Por lo tanto no es tan cierto que una celda de combustible sea tan eficiente.

• Desde el punto de vista ambiental la celda de combustible por si solo no es un aparato contaminador, pero si la miramos desde el proceso de extracción del hidrógeno de combustibles fósiles (proceso hasta ahora mas viable económicamente), vamos a encontrar emisiones contaminantes similares al de un motor de combustión interna. Por lo que es natural pensar que las celdas efectivamente producen emisiones; según una instalación realizada de 200 kW para uso residencial y provista de gas natural se estimo que las emisiones son de 1.860.000 (lb CO2/año)32 y las

emisiones de la correspondiente cantidad de automóviles para la misma cantidad de potencia es aproximadamente el triple de esa cifra. Por lo tanto la relación de contaminación es de aproximadamente 3:1.

32

• Sumado al elevado costo de una celda combustible, se debe además tener en cuenta el hecho que se requiere energía adicional para la extracción del combustible, es decir que para producir energía se requiere un gasto de energía cosa que aumenta el costo y disminuye la eficiencia. Una situación similar sucede con la energía nuclear puesto que al ser de difícil extracción requiere infraestructura y procesos muy costosos. Aunque se utilice la energía solar o eólica para la extracción del hidrogeno continuaría siendo un proceso costoso por que son tecnologías que requieren equipos medianamente o sumamente sofisticados para aprovechar al máximo la energía. Cosa que no sucede con los actuales combustibles que necesitan pocos procesos (además económicos) de refinamiento para generar alta cantidad de energía.

• A diferencia de los actuales combustibles que son de fácil almacenamiento por su condición liquida, el hidrogeno al encontrarse como gas en su estado natural necesita de tanques especiales para su almacenamiento. La tecnología detrás de estos tanques tiene considerable costo, además no garantiza que el combustible perdure durante vasta cantidad de tiempo por cuestiones de fugas y pérdidas. (evaporación gasolina y fuga de hidrogeno)

• El níquel y el platino los principales catalizadores utilizados en la celda de combustible ocupan el lugar 22 y 72 respectivamente en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. Son evidentemente materiales escasos, en el caso del níquel en la actualidad hay una crisis generada por la disminución en las reservas y se ha dicho que la fuente mas viable y económica de explotación del metal son los mismos desechos generados en las pasadas explotaciones del mineral como la garnierita, milerita, niquelita, pentlandita y pirrotina, estos dos últimos como los principales. Entonces es difícil pensar que haya suficiente materia prima para suplir los actuales motores de combustión interna en su totalidad.

• La infraestructura alrededor del hidrogeno es nula, por lo que se debe hacer una inversión para cambiar el actual sistema de alimentación de combustible.

• “Tecnología emergente: Determinados problemas aún no resueltos afectan al funcionamiento de las pilas de combustible, especialmente en lo que respecta a su vida útil, lo que repercute en su comercialización.

• Alto costo: Al tratarse de una tecnología en desarrollo y al existir todavía una baja demanda de unidades, su precio no puede, hoy en día, competir con el de las tecnologías convencionales.

• Sensibilidad hacia los venenos catalíticos: Los electrodos empleados incorporan catalizadores para favorecer el desarrollo de las reacciones electroquímicas. El contacto de estas sustancias con los llamados venenos catalíticos, tales como el monóxido de azufre o los compuestos de azufre, provoca su inactivación irreversible. En la actualidad se trabaja en la sustitución de estos catalizadores por materiales más resistentes.”33

4 Aspectos teóricos

La salida de trabajo eléctrico de una celda de combustible se puede establecer a partir de un análisis termodinámico de un sistema cerrado o de un sistema abierto. Considere la celda que se ve en la figura 2.1

33

Figura 2.1 Sistema Celda de Combustible

Supondremos que la transferencia de calor hacia o desde la celda es el resultado de un proceso isotérmico. Además del trabajo eléctrico, podría haber también trabajo de expansión en la cantidad PdV, ya que el sistema se mantiene a presión constante. El balance de energía para el volumen de control que rodea a la celda de combustible indica que:

o bien

donde

dq : Transferencia de calor. du : Energía interna

Además, para una masa unitaria que pase a través del volumen de control (donde T es la temperatura y ds es la Entropía), sustituyendo dq en el

balance de energía por esta última expresión, se encuentra que:

En condiciones isotérmicas, dg = dh – Tds (dg: Función de Gibbs). Por tanto,

Así, la producción de trabajo eléctrico de una celda en condiciones isotérmicas e internamente reversibles se mide por el cambio de la función de Gibbs.

La eficiencia de conversión ideal o efectiva de una celda de combustible se puede definir mediante:

Donde dg es la producción máxima de trabajo útil, y la energía que entra es la entalpía de reacción dh liberada por la reacción química, ambas cantidades normalmente tienen valores negativos.

Para un sistema de reactivo de gases ideales el valor para dh es:

(

)

_∑

(

)

∑

∆ + _Τ− − ∆ + _Τ − tes reac i f i productos i f i h h h v h h h v tan 298 º 298 , 298 º 298 ,

y el valor para ds es:

(

)

_∑

(

)

∑

∆ _Τ − − ∆ _Τ − tes reac f i productos f i S R pi v S R pi v tan º , º , ln ln

Donde el subíndice " T " representa en este caso la misma temperatura para

reactivos y productos, ya que el proceso es isotérmico, corresponde a la entalpía de formación, y "vi" corresponde al coeficiente estequiométrico de la

reacción total, corresponde a la entropía absoluta. Para las reacciones que ocurren a la temperatura de referencia estándar de 298º Kelvin, la ecuación para la entalpía de reacción se reduce a:34

(

)

_∑(

)

∑

∆ − ∆

= vi hf i _productos vi hf i _{reac tes}

dh , , _tan

Donde el índice " " de la sumatoria, corresponde a los diferentes productos y reactantes de la reacción total. Una ecuación similar es válida para la función de Gibbs:

(

)

_∑(

)

∑

∆ − ∆ = i tes reac i f i i productos i f i g v g v dg tan , ,

Además de la eficiencia ideal de una celda de combustible, otra cantidad importante es el voltaje ideal en circuito abierto que genera la celda.

El trabajo eléctrico es el producto de la cantidad de carga ( ) que pasa por la celda por mol de combustible, y el potencial electrostático ideal Vi que desarrolla la

celda de combustible.

Cuando se conecta una carga a los dos polos o terminales se produce una corriente que puede calcularse mediante la ley de Ohm. Los voltajes teóricos que

34

producen las reacciones de estas celdas normalmente se hallan entre 1,0 y 1,3 volts (de corriente directa, CD) con 1 a 2 kW por metro cuadrado de electrodo. Por tanto, tenemos que:35

El signo negativo indica que el trabajo eléctrico lo hace el sistema sobre los alrededores.

La cantidad de carga es igual al número de moles de electrones ( ) producidos por la reacción de la celda de combustible, por mol de combustible, multiplicado por el número de coulombios por mol de electrones, F ( F: constante de Faraday).

Por tanto,

Donde queda,

o bien

La cantidad dg es negativa en las reacciones de las celdas de combustible, por lo que el voltaje ideal Vi tiene un valor positivo.

El valor de la constante de Faraday es:

35

Si este valor se multiplica por la identidad, , entonces F es igual a:

.

Así, la ecuación se convierte en:

Donde dg se expresa en kilojoules por kilogramos-mol y Vi se expresa en Volt.

El valor de se puede determinar si se conocen las reacciones que ocurren en cada uno de los electrodos.

El número de moles de electrones que se producen durante la reacción de la celda de combustible por mol de combustible se puede determinar como sigue. En las celdas de combustible que funcionan con cualquier hidrocarburo CxHy y

oxígeno O2, se deben considerar las semirreacciones. En el ánodo los reactivos

son CxHy y el agua del electrolito, y los productos son dióxido de carbono

gaseosos, iones hidrógeno y electrones.36

36

Ánodo:

CxHy + (2x)H20 Æ xCO2 + (4x + y)H+ + (4x + y)e-

En el cátodo, los electrones y los iones hidrógeno reaccionan con el oxígeno que se introduce en la celda para formar agua.

Cátodo:

(x +

4y )O2 + (4x + y)H

+ _{+ (4x + y)e}- _{Æ(2x +}

2y )H20

La reacción química total se puede escribir como:

CxHy + ( x +

2y )O2 Æ xCO2 + (2y )H2O

Esto es simplemente la suma de las reacciones en el ánodo y en el cátodo. En cualquier hidrocarburo que no contenga oxígeno en su fórmula, el número de electrones liberados por moléculas de combustible CxHy es:

= (4x + y)

Una consideración importante en el análisis de cualquier celda de combustible es el efecto de la temperatura en su funcionamiento. En primer lugar, la eficiencia ideal se puede ver afectada por la temperatura. Esto depende de la variación de dh y dg con la temperatura. Estas propiedades son muy sensibles a la temperatura en la celda de hidrógeno y oxígeno. En segundo lugar, la influencia de la temperatura en la velocidad de la reacción también es importante. Las celdas que emplean carbono o hidrocarburos como combustible a menudo tienen que

operarse a temperaturas elevadas a fin de obtener velocidades suficientemente grandes.

Por último, es necesario considerar los factores que influyen en el funcionamiento de las celdas de combustible reales. En la operación real, existen varios efectos irreversibles dentro de la celda de combustible que reducen grandemente su voltaje terminal. Al hablar de las pérdidas dentro de una celda generalmente se dice que hay sobrevoltajes o efectos de polarización. Por lo general, se agrupan en tres clases: resistencia o polarización óhmica, activación o polarización química y polarización de concentración. La magnitud de cada uno de estos efectos es función de la densidad de corriente (Ji). El primero de éstos lo causa la resistencia

interna de la celda, e incluye pérdidas en el electrolito, así como en los electrodos.

La activación de polarización surge de los cambios químicos que ocurren en la superficie de los electrodos así como de los efectos de adsorción y deserción sobre la superficie. La concentración de polarización es causada por los gradientes de concentración que se establecen en el electrolito y en las corrientes de gas en la vecindad de los electrodos.

Fuente: Handbook Fuel Cell

La potencia P proporcionada por una celda de combustible es I⋅ε, por tanto: f F z T R I R I I P e s ln 2 2 _⎟⋅ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ − ⋅ = ε

Donde el primer término de la derecha sería la potencia producida por la celda si la celda retuviese su fem de equilibrio al producir corriente. El segundo término es la potencia generada normalmente en forma de calor por la resistencia del electrolito. El tercer término es el descenso de la diferencial de potencial en los electrodos debido a la producción de corriente.37

Como la temperatura es una variable termodinámica de real importancia para el estudio de las celdas, se presentan a continuación dos figuras importantes.

Fuente: Handbook Fuel Cell

Figura 4.2 El potencial ideal v/s temperatura

37

Fuente: Handbook Fuel Cell

Figura 4.3 Dependencia del Voltaje inicial de operación c/r a la T

En el caso de una celda tipo MCFC, celda en la que basare mi diseño preliminar, encontramos que las reacciones son:

Oxidación anódica del hidrógeno:

H2 + (CO3)2- Æ H2O + CO2 + 2e-

Reducción catódica del oxígeno:

CO2 + ½O2 + 2e- Æ (CO3)2-

Reacción total en la MCFC:

H2 + ½O2 Æ H2O

Para un funcionamiento económico deberá por tanto reciclarse el CO2 desde el

ánodo al cátodo. Esto puede conseguirse mediante combustión catalítica del efluente anódico a CO2 y H2O (más el N2 de la combustión del aire), seguido de

mezcla con el aire para producir la alimentación catódica.

5 Análisis de níquel y platino (catalizadores)

In document Lesbian mothers' lived psychological experience of planned motherhood in three South African cities : an exploratory study (Page 147-151)