Potencia y Energía de las Celdas de Combustible

Potencia y Energía de las Celdas de Combustible
Mario Mendoza Zegarra
Ingeniero Mecánico
mmendozaz@minpetel.com
Las celdas de combustible (CDC) o también llamadas pilas de combustible o pilas de
hidrógeno (fuel cell) funcionan entregando energía y potencia por tiempo indeterminado
mientras se alimente el sistema con hidrógeno.
Sin embargo, esta energía eléctrica es afectada por no solamente elementos
constructivos sino que además por condiciones ambientales de trabajo.
Es ampliamente conocida la viabilidad de las celdas de combustible debido a la
consistente base teórica desarrollada por 1839. El alemán/suizo Christian Friedrich
Schönbein publicó un artículo sobre el hidrógeno-oxígeno en el "Philosophical
Magazine" en enero de 1839.
Alrededor de la misma fecha el inglés Sir William Grove (1811-1896) estaba trabajando
en conexión en serie y paralelo en su poderosa batería platino – zinc. En el artículo que
publicó también en el "Philosophical Magazine" en febrero de 1839, Sir Grove indicaba
la posibilidad de la reacción del hidrógeno – oxígeno para generar electricidad,
presentando en todos los detalles la celda de combustible.
A partir de ello las celdas de combustible han sido sometidos a muchos tipos de presión
(económica, tecnológica y política) que han afectado su desarrollo y que analizaremos
en próximos artículos; sin embargo por ahora nos ocuparemos de las características
técnicas de la energía eléctrica generada por las Celdas de Combustible y la
configuración básica del diseño para afrontar las limitación de tensión y evitar perdidas
en el proceso.
Como se sabe, el funcionamiento de las Celdas de Combustible es simple. El hidrógeno
que pasa por un medio electrolítico (membrana de intercambio de protones en el caso de
las Celdas de Combustible tipo PEM1), que permite el paso de los protones del
hidrógeno, rechazando los electrones que son obligados a pasar por el circuito y carga
eléctrica con la consecuente generación de corriente eléctrica. Ver la Figura N˚1.
1
Celdas de Combustible que operan a bajas temperaturas (entre 60 - 100 ºC), densidad de potencia alta.
De acuerdo con el Departamento de Energía de los Estados Unidos, "son las más adecuadas para
vehículos ligeros, edificios, y potencialmente para reemplazar baterías recargables en vídeo cámaras y
teléfonos celulares y laptops". Estas celdas usan un polímero conductor de protones como electrolito
(Nafion), catalizador de Platino.
Figura N˚1: Principios básicos de las Celdas de Combustible.
Este esquema que parece simple se complica por las variables que se introducen
respecto combustible (hidrógeno), fuente de origen, calidad, almacenamiento, etc. Estas
variables que afectan el funcionamiento y las características técnicas de la energía
generada, se tratarán en posteriores artículos. Por ahora nos centraremos en analizar las
características de la energía que es generada en las Celdas de Combustible.
¿Cuál es la Energía y Tensión que se general en las Celda de
Combustible?
La energía generada tiene características especiales que dependen de varios factores
tales como la presión del gas combustible, su concentración, temperatura y cómo estos
afectan la tensión de generación.
En muchos de los equipos utilizados para generación de energía eléctrica es muy clara
la idea de cómo se realiza el proceso de generación de electricidad. Un buen ejemplo es
un generador de electricidad impulsado por molinos de viento, donde la energía cinética
del aire nueve las hélices que producen la rotación del eje del generador, como se
muestra en la Figura N˚2.
Figure 2.
Una turbina simple la potencia o energía suministrada y la energía eléctrica generada
puede ser simple y fácilmente comprendida.
En las Celdas de Combustible, visualizar la transformación de le energía es mas
dificultoso. Las ecuaciones básicas del proceso se inician al considerar que el
combustible (hidrógeno) está siendo quemado a través de la simple reacción.
2H2 + O2 => 2H2O
En este caso, en lugar de liberar energía calórica, se produce la energía eléctrica. Para
entender cómo la reacción entre el hidrógeno y oxígeno producen corriente eléctrica, y
entender de donde vienen los electrones, se considera las reacciones que tienen lugar en
cada electrodo separadamente.
En el ánodo, el hidrógeno se ioniza, liberando los electrones (que circulan por el sistema
eléctrico produciendo electricidad) y creando iones de H+ (o protones)
2H2 => 4H+ + 4eAl lado del cátodo, el oxígeno reacciona con electrones tomados del electrodo, e iones
de H+ del electrolito, para formar el agua.
O2 + 4e- +4H+ => 2H2O
Los elementos de ingreso y salida al sistema se muestran en la Figura N˚3.
Figura 3. Flujo de ingreso y salida de la Celda de Combustible.
La potencia y la energía generada son fácilmente calculadas teniendo las fórmulas
conocidas:
Potencia = V × I
Energía = V × I × t
Sin embargo, la energía que ingresa y sale del sistema en un proceso químico no es fácil
definir. A un nivel simple y básico podríamos decir que la energía en cuestión es la
energía química que contienen tanto el hidrógeno (H2) como el oxígeno (O2), así como
el agua (H2O). El problema reside en que la definición de la energía química de estos
elementos no es fácilmente definida, por lo tanto será necesario utilizar los conceptos de
entalpía, función de Helmholtz y conceptos de la Energía Libre de Gibbs.
Por otro lado un concepto que ayuda mucho a comprender los procesos termodinámicos
es el de Exergía que es ampliamente utilizado sobre todo en las Celdas de Combustible
que trabajan a temperaturas altas. Sin embargo también se utilizan conceptos más
tradicionales y útiles como los del Poder Calorífico.
En el caso de las Celdas de Combustible juega un papel importante la teoría de Energía
Libre de Gibbs que puede ser definida como la energía disponible para realizar trabajo
externo. Ignorando el trabajo hecho por los cambios de presión o cambio de volumen,
en una Celda de Combustible el trabajo externo esta constituido por el realizado por los
electrones que fluyen en el circuito externo. Cualquier trabajo realizado por el cambio
de volumen entre los puntos de entrada y salida del sistema no es aprovechado por la
Celda de Combustible.
La Exergía incluye todo el trabajo que es posible extraer del sistema incluyendo el
producido por los cambios de volumen y presión; mientras la Entalpía, es la Energía
Libre, (según el concepto de Gibbs), más la energía relacionada con la Entropía del
sistema.
Todas estas formas de energía química si se quiere tiene una similitud con el concepto
de energía potencial mecánica definidas de dos maneras.
La primera es que el punto inicial o “cero” que puede ser definida cuando las reacciones
químicas se producen en condiciones normales de presión y temperatura (25 ºC, 0,1
MPa). El término “Energía Libre Gibbs de formación” (Gf) es utilizada para esta
convención. Similarmente, podemos utilizar el término de “Entalpía de Formación”, o
solamente Entalpía. Normalmente para simplificar el valor de Gf es cero en el punto de
entrada del sistema.
La segunda similitud con el sistema de energía potencial es el cambio de estado. En el
caso de las Celdas de Combustible, la energía libre de Gibbs (Gf producido) es igual a
la contenida en la materia producida menos la energía de los elementos que ingresan en
el volumen de control en la reacción, por lo tanto:
∆Gf = Gf (productos) – Gf (reactivos)
En nuestro caso tenemos que la reacción:
H2 + ½ O2 => H2O
Lo que quiere decir que un mol de agua es producido con un mol de hidrógeno y medio
mol de oxígeno2.
Aplicando el concepto de Gibbs tenemos:
_
_
∆-g f = g f (productos) - g f (reactivos)
O sea:
_
_
_
∆-g f = ( g f )H2O – ( g f)H2 - ½( g f) O2
Esta función que parece sencilla se complica ya que la Energía Libre de Gibbs no es
constante y varía con relación a la temperatura. La Figura N˚3 siguiente muestra la
variación del cambio de energía con la temperatura.
2
El mol es una medida de de la cantidad de sustancia que esta contenida en la masa moléculas. La masa
moléculas del H2 es 2 unidades de masa moléculas, entonces un gmole de H2 tiene 2 gr y un kmol es
2,0 kg. Similarmente, el peso molecular del agua (H2O) es 18 umm, entonces 18 gr es un gmol de H2O
o 18 kg un kilomol. Un mole de una sustancia siempre tiene el mismo número de moléculas – 6,022 x
1023 – llamado Número de Avogadro y se representa por N. Una molécula de electrones tendrá 6,022
x 1023 electrones. La carga eléctrica de una molécula de electrones tendrá por lo tanto N e, donde e es
la carga de un electrón es 1,602 x 10-19 C. Esta cantidad es llamada la constante de Faraday F = N e =
96485 C.
Energía Libre (∆gf) kJ/mol
-250
-200
-150
-100
1280
1240
1200
1160
1120
1080
1040
1000
960
920
880
840
800
760
720
680
640
600
560
520
480
440
400
360
320
298
-50
0
T (K)
Figura N˚3. Variación de la tensión de generación con relación a la temperatura de trabajo de las
Celdas de Combustible.
Por otro lado se sabe que en el proceso básico de la Celda de Combustible, por cada
molécula de hidrógeno pasan dos electrones por el circuito eléctrico externo (H2 + 2OH=> 2 H2O + 2e-). Esto quiere decir que por cada mol de hidrógeno utilizado, 2N
electrones pasan por el circuito externo (N es el número de Abogadro), luego, si se sabe
que – e es la carga de un electrón la carga que fluye es:
-2Ne = -2 × F columbus
F es la constante de Faraday o la carga de un mol de electrones.
Si decimos que E es el voltaje de la Celda de Combustible, el trabajo eléctrico
entregado a la carga es:
Trabajo eléctrico hecho = carga × voltaje = - 2 F × E (joules)
Si el sistema es reversible (esto quiere decir que no hay pérdidas), este trabajo eléctrico
realizado es igual a la Energía Libre de Gibbs. Luego:
∆-g f
= - 2F×E
Entonces,
E = -∆-g f / 2F
Esta ecuación nos permite calcular la fuerza electromotriz o la tensión del circuito
alimentado por la Celda de Combustible.
Como ejemplo podemos decir que una Celda de Combustible de hidrógeno que esta
operando a 80 ºC (273,15 + 80 = 353,15 ºK) tiene -226,12 kJ, luego la tensión que
genera es:
E = - (-226,12)/ (2 × 96485) = 1,14 V
Estos resultados nos explican porque es necesario armar los stacks con varias celdas
unitarias en serie hasta alcanzar los valores de tensión útiles (para 220 V será necesario
hasta 300 celdas).
En la realidad este voltaje es afectado por la irreversibilidad del proceso que reduce
significativamente la tensión de trabajo, entre estos están los sobrevoltajes y efectos de
polarización que se agrupan en tres clases:
ƒ
Resistencia o polarización ohmica.
ƒ
Activación o polarización química
ƒ
Polarización de concentración
¿Cuánta corriente puede producir las Celdas de Combustible?
En el lado del ánodo, (que es la sección de alimentación de la Celda de Combustible), el
hidrógeno reacciona, generando la energía. Sin embargo, este hecho, no significa que la
reacción se realizará en una manera ilimitada, continua y constante. La producción de la
energía como producto de esta reacción tiene la forma de se muestra en la Figura N˚43
Figura N˚4. Diagrama que muestra la emisión de energía en una reacción química exotérmica
Esta energía emitida en la etapa de activación se reduce en el estado de operación
posterior. La reducción de la energía es debida principalmente a la saturación de las
moléculas de hidrógeno en la superficie del ánodo.
3
James Larminie & Andrew Dicks, “Fuel Cell System Explained” 2da Edición.
Como se puede suponer este comportamiento se refleja en una reducción en el índice de
rendimiento del equipo. Las posibles acciones que se debe tener en cuenta para evitar
esta reducción y mantener un mejor rendimiento en la generación de energía es:
ƒ
Uso de catalizadores.
ƒ
Elevar la temperatura.
ƒ
Incremento del área de contacto en los electrodos.
Las dos primeras se pueden aplicar fácilmente a cualquier reacción química, mediante
métodos químicos y físicos. La tercera acción es especialmente especificada a las
Celdas de Combustible en la etapa del diseño y esto es muy importante.
Si tomamos la reacción que se produce en el lado del ánodo (que es la que produce por
reacción del combustible hidrógeno y la sustancia electrolítica):
2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eComo se ve en esta reacción el hidrógeno reacciona con la sustancia electrolítica
formándose agua y liberando los electrones que son los que recorren el circuito
eléctrico.
Se puede observar pues la importancia que tiene el gas combustible (hidrógeno) tanto
como los iones del OH- del electrolito, en la emisión de la energía de activación.
Además, estos “vienen juntos” tanto el combustible H2 y los iones del OH- se producen
en la superficie del electrodo, mientras que los electrones producidos son transferidos.
Por otro tenemos la reacción con participación del oxígeno (generalmente en estado
gaseoso tomado en muchos casos del aire) que se produce en el cátodo mediante la cual
se forman los iones OH-:
O2 + 4e- + 2H2O => 4OHEsta reacción es llevada a cabo en el cátodo, llamado a menudo zona de contacto de las
tres fases y es muy importante en el diseño de las Celdas de Combustible.
De esto claramente, se puede inferir que la tasa de generación de energía en la celda
será proporcional por el área de los electrodos, lo cual es muy importante. De hecho, el
área del electrodo es un tema tan vital en el diseño de las Celdas de Combustible que su
funcionamiento se expresa a menudo en términos de la corriente por cm². Sin embargo,
el área directa (ancho x longitud) no es la única cuestión a tener en cuenta; como se ha
mencionado ya, el electrodo deberá además presentar un buen grado de porosidad, con
ello se consigue que el área de contacto se incremente sustancialmente.
En la actualidad se puede lograr que los electrodos sean hechos de materiales con una
micro-estructura que les dé áreas superficiales que incrementan centenares o aún
millares el valor de “ancho x longitud”, los valores que actualmente se pueden obtener
están entre los 4 a 8 m2/gr de material (Figura N˚5).
Además, también es de cuidado la fabricación de materiales micro-estructurales que
incorporen catalizadores que además soporten eficientemente altas temperaturas en un
ambiente corrosivo como el que se tiene en las Celdas de Combustible.
Figura N˚5. Imagen de material utilizado en electrodos (Industrial Materials Institute Nacional Research
Cuncil Canada, Boletín informativo marzo 2002).
¿Por qué las Celdas de Combustible deben estar formadas por
celdas en serie?
Como se ha visto anteriormente y con las limitaciones analizadas en el acápite anterior
la tensión que se obtiene en una unidad básica de la Celda de Combustible4 es
sumamente pequeños (aproximadamente 0,7 V); esto por supuesto es insuficiente para
efectos útiles, es por ello estas unidades básicas de celdas deben ser apiladas en serie
formando un paquete denominado “Stack”, de esta manera se logra obtener en bornes
tensiones mayores para uso práctico.
La manera más sencilla de hacer eso es conectando el ánodo de cada celda básica con el
cátodo de la siguiente como se muestra en la Figura N˚6.
4
Una unidad básica es formada por un ánodo, un cátodo y su membrana electrolítica.
Figura N˚6: Conexión de tres celdas en serie
Esto que parece simple, no lo es si tenemos en cuenta que es necesario proveer de gas a
todos los electrodos de manera continua uniforme y suficiente. Para esto se utiliza
placas bipolares que permitirán que los ánodos de una celda este conectado con el
cátodo de la siguiente y que además permita la alimentación del gas hidrógeno en el
ánodo y con oxígeno en el lado del cátodo. Estas placas bipolares son además
acanaladas para permitir el paso de los gases (ver Figura N˚7).
Figura N˚7. Una unidad básica del stack.
Esta forma constructiva permite además de lograr el abastecimiento de gas, una mejor
conductividad que permita el transporte de los electrones que si bien es cierto tienen
voltajes muy reducidos son importantes para efectos de lograr potencia útil importante
para los fines de la generación.
También es importante notar que esta configuración permite una buena conexión entre
ánodo y cátodo, al mismo tiempo que el aislamiento adecuado de los gases (H2 y O2).
Para logra esto se cuenta con diseños de las placas bipolares protectoras acanaladas que
permiten distribuir el oxígeno e hidrogeno a los electrodos y sellar las celdas de la Celda
de Combustible herméticamente. Estas placas son fabricadas en base o grafito o acero
inoxidable.
Figura N˚8. Celda básica que muestra las placas terminales con los colectores de corriente y los canales
de alimentación de gases.
Las unidades de las celdas son conectadas en serie de manera que en un extremo se
tendrá el colector de positivo mientras que en el otro extremo el colector negativo. En
general las placas acanaladas tendrán la configuración que se muestra en la Figura N˚9.
Figura N˚9. Placas acanaladas para alimentar a los ánodos y cátodos de la Celda de Combustible.
Figura N˚10. Celda de combustible PME de 500 kW, puesta en operación en junio 2004 en Beijing por la
compañía GHW. (http://fuelcellworld.org)
Figura N˚11: Módulo compacto de una celda de combustible utilizado por la NASA
(http://www.sbg.ac.at/ipk/avstudio/pierofun/fuelcell/fuelcell.html)