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INDICE
Estas células generan electricidad directamente de un combustible sin emitir contaminantes.
Elevada eficacia , baja emision de contaminantes , operacion silenciosa e instalación rápida. Las células de combustible son un candidato ideal para utilizarlos como generadores donde no es posible utilizar generadores que perjudican el medio ambiente.
La célula de combustible convierte la energia química de un combustible en electricidad directamente , sin ningún ciclo de combustión intermedio
La célula de combustible fue inventada por Sir William Grove en 1893 , una des sus utilizaciones fue el suministro de energía a las naves espaciales Géminis y Apolo . Ahora las células de combustible están notablemente mejoradas y formando conjuntos pluricelulares pueden llegar a contribuir a las necesidades energèticas de un país.
Central de Energia basada en células de combustible , representada esquemáticamente .Un combustible , que podría ser carbón o gas o un destilado del petróleo , se convierte , a través de un tratamiento del combustible , en un gas rico en hidrógeno , que es el que entra en las células de combustible. La energía generada por una sección energética de células de combustible es corriente continua , que debe convertirse mediante un transformador de energía en corriente alterna para su distribución.
Una célula de combustible consta de dos electrodos - un electrodo positivo, el cátodo , y un electrodo negativo , el ánodo - separados por un electolito , que transmite iones pero no electrones. Un combustible , tipicamente el hidrógeno , se suministra al ánodo y el oxigeno del aire se suministra al cátodo.
Un catalizador en el ánodo poroso hace
que las moléculas de hidrógeno (H2) se disocien
en iones hidrógeno (H+) y electrones. Si el electrolito
es ácido , los iones hidrógeno emigran a través del
mismo hacia el cátodo , donde reaccionan con los electrones (suministrados
a través de la carga del circuito externo) y oxigeno para formar
agua (H2O). La naturaleza del ion emigrante depende del electrolito
. Los iones hidrógeno emigran del ánodo al cátodo
en un electrolito ácido ; los iones hidroxilo (OH-) emigran
del cátodo al ánodo en un electrolito alcalino ; los iones
carbonato (CO3-2) emigran del cátodo al ánodo
en un electrolito de sales de carbonatos y los iones oxigeno (O-2)
emigran del cátodo al ánodo en un electrolito de óxido
sólido.
En cada caso , las reacciones producen electrones que , si los electrodos
están conectados por un conductor , circulan de un electrodo al
otro a través del circuito externo .
Puesto que un flujo de electrones constituye una corriente eléctrica
, los electrones que se mueven en el circuito pueden utilizarse para alumbrar
una lámpara , accionar un motor eléctrico , etc.
El voltaje máximo de corrente continua
producido por una célula de compustible es una función termodinámica
del combustible y del oxidante.
Para una célula que trabaje con hidrógeno y oxígeno
, el voltaje teórico a presión y temperatura ordinarias es
1,23 volt.
El voltaje real será de 0,6 a 0,85 volt a causa de las pérdidas
producidas en el interior de la célula. La corriente producida está
controlada por la velocidad de las reacciones electroquímicas (
la oxidación del hidrógeno , que implica la separación
de elctrones de los átomos de hidrógeno , y la reducción
del oxigeno , que implica la adición de electrones a los átomos
de oxígeno) y también por el área superficial disponible
para las reaccionås.
Puede obtenerse una configuración práctoca
para una célula de combustible colocando el electrolito en una matriz
o papel secante delgado situado entre dos electrodos porosos. ( La porosidad
da a los electrodos una gran área superficial.)
Los catalizadores para las respectivas reacciones electroquímicas
se incorporan en los electrodos. Las distintas células de combustible
se combinan para formar un " conjunto" o paquete pluricelular
cuyo voltaje de salida equivale al producto del voltaje de una célula
por el número de las mismas. Una "seccion energética"
, reunión de células de combustible diseñanada para
obtener una cantidad importante de energía , puede constar de uno
o más conjuntos.
Por tanto una central energética de células de combustible tendrá que comprender no sólo células de combustible sino también un tratamiento del combustible y un acondicionador de la energía. El tratamiento del combustible convierte un combustible de suministro , el carbón por ejemplo, o el gas natural , en un gas rico en hidrógeno , y el acondicionador de energía convierte la corriente contínua en corriente alterna.
El funcionamiento de una célula de combustible
esta basado en las reacciones electroquímicas entre un combustible
, en este caso un gas rico en hidrógeno obtenido a partir de carbón
o petroleo , y un oxidante , en este caso el oxigeno del aire.En el ánodo
de la célula las moléculas de hidrógeno se oxidan
( se separa un electron de cada uno de los dos átomos de hidrógeno
de la molécula) para formar iónes hidrógeno .
Los iones se transportan a través del electrolito hasta el cátodo
, y los electrones circulan a través de un circuito esterno hasta
el cátodo , produciendo energía. En el cátodo los
iones hidrógeno , electrones y oxígeno forman agua. La célula
convierte , pues la energía química de un combustible en
electricidad directamente , sin recurrir a ningún ciclo de combustión
intermedio
En una estimación aproximada de
la eficacia global de una central energética , desde el combustible
hasta l energía en forma de corriente alterna , podemos recurrir
a la ecuación
Np = 59 Vc
Esta relación es precisa , con un 5 por ciento
de margen e ilustra sobre la importancia del voltaje de una sola célula
en el estableciemiento de la eficacia global de una planta.
Las células de combustible pueden clasificarse por el electrolito , por la temperatura de operación , por el oxidante y por el combustible.
Los electrolitos que están estudiándose en la actualidad son el ácido fosfórico y las sales carbonatadas fundidas.
El interés de la célula de combustible
como central energética de suministro procede de su eficacia, su
aceptabilidad respecto al medio ambiente y su configuración modular.
En lo que respecta a la eficacia el punto clave es que, al no tratarse
de una máquina térmica, la célula de combustible no
está limitada por el ciclo de Carnot , que describe los límites
de la eficacia de las máquinas térmicas.
Por tanto , la célula de combustible ofrece la posibilidad de lograr
eficacias de conversión mayores que las que pueden conseguir los
generadores térmicos.
La eficacia de la célula de combustible es aproximadamente constante
en el intervalo de 25 a 100 por ciento de su potencia energética
La última creación de Renault es un vehículo de investigación , denominado Fever , equipado con una pila de combustible que funciona con hidrógeno líquido. Desarrollado dentro del programa europeo para la racionalización de la energía, el Fever ha sido construido sobre la base de un Laguna Break y dispone de una autonomía de 500 kilómetros
También se ha visto en el salón de Tokyo el Toyota FCEV , un coche sobre la base del RAV4 , bajo una configuración 4x2, ha presentado una versión alimentada por pila de combustible. La electricidad es conseguida gracias a que el metanol se convierte en hidrógeno y CO2, tras ser mezclado con agua . El hidrógeno reacciona con el oxígeno del aire creando una energía eléctrica y formando nuevamente agua. No es un motor de "Cero emisiones", pero se le acerca bastante.
La célula de combustible produce energía
mediante un proceso electroqímico y no por combustión , las
únicas emisiones distintas de aire y agua serán las procedentes
del tratamiento del combustible
Las centrales energéticas de células de combustible que
operan con combustibles procedentes del petróleo o carbón
produciran emisiones de dióxido de azufre y oxido nitroso de menos
de 0,045 y 90 gramos por un millón de Btu
Las emisiones de azufre son bajas porque las centrales
energéticas de células de combustible no toleran bien los
compuestos de azufre ; y así, estos compuestos se separan mediante
un subsistema especial de la planta de tratamiento de combustible.
Las otras emisiones son bajas debido a la limpieza inherente de los procesos
electroquímicos. Una central de células de combustible opera
silenciosamente y no requiere aportación de agua a la temperatura
ambiente de 35 grados Celsius o más bajas para su refrigeración.
Debido a estas características se puede instalar una central de
células de combustible en la misma zona urbana a la que alimenta
distribuyendo las centrales de células de combustible , la compañia
de suministro puede evitar inversiones en nuevas líneas para la
transmisión y distribución de la energía pudiendose
así reducirse las pérdidas producidas por la resistencia
de los conductores de distribución
En un coche se puede introducir la célula de combustible para producir
energia capaz de propulsar a un motor electrico si se soluciona el problema
de almacenamiento de hidrógeno , pudiendo utilizarlo como
carburante.
El programa TARGET (acrónimo de Team to Advance Research for Gas Energy Transformation , Equipo para Fomentar la Investigación para la Transformación de la Energía de los Gases ) fue acometido por la industria de suministro de gas y el programa FCG (acrónimo de Fuel-Cell Generator , Generador de Células de Combustible ) por la industria de suministro eléctrico. Los proyectos denominados "Suministro" representan planes a lorgo plazo de la industria de suministro eléctrico. Las cifras indicadas en "Coste" son centenares de dólares por kilowatt de capacidad instalada. La eficacia se da en porcentaje ; donde se presentan cifras alternativas , las de la línea superior son plantas que operan sin recuperación del calor residual y las de la línea inferior son para plantas con recuperación del calor.
| PROYECTO | FUNCIÓN | FUNCIONAMIENTO | TAMAÑO | COMBUSTIBLE | COSTE | EFICACIA | DISPONIBILIDAD | ELECTROLITO |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TARGET | PLANTAS ENERGÉTICAS IN SITU | SIGUIENDO LA CARGA (CONTINUO) | 25 A 200 KILOWATT | GAS NATURAL | 500 | 35 A 40 Ó 100 | A PRINCIPIOS DE LA DECADA 1980 | ÁCIDO FOSFÓRICO |
| FCG-1 | PLANTAS ENERGÉTICAS DISPERSAS | SIGUIENDO LA CARGA (INTERMEDIO) | 10 A 25 MEGAWATT | NAFTA | 350 | 37 A 39 Ó 75 A 80 | A PRINCIPIOS DE LA DECADA 1980 | ÁCIDO FOSFÓRICO |
| SUMINISTRO | PLANTAS ENERGÉTICAS DISPERSAS | SIGUIENDO LA CARGA (INTERMEDIO) | 10 A 25 MEGAWATT | PETROLEO O LIQUIDOS DERIVADOS DEL CARBON | 350 | 45 A 47 Ó 75 A 80 | A FINALES DE LA DECADA 1980 | CARBONATO FUNDIDO O ÁCIDO FOSFÓRICO |
| SUMINISTRO | PLANTAS ENERGÉTICAS CENTRALES | CARGA BÁSICA | 150 A 600 MEGAWATT | CARBON | 800 | 45 A 47 | AÑOS 1990 | CARBONATO FUNDIDO O ÁCIDO FOSFÓRICO |
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