Web Analytics Made Easy - Statcounter

[HOME PAGE] [STORES] [CLASSICISTRANIERI.COM] [FOTO] [YOUTUBE CHANNEL]

Pila de combustible - Viquip??dia

Pila de combustible

De Viquip??dia

Pila d'hidrogen. La cel??la ??s ella mateixa l'estructura c??bica del centre de la imatge
Pila d'hidrogen. La cel??la ??s ella mateixa l'estructura c??bica del centre de la imatge

Formalment es considera que una pila o cel??la de combustible ??s un generador electroqu??mic d'energia on el treball el??ctric s'obt?? a partir d'una reacci?? qu??mica que nom??s es produeix en un determinat sentit i a la qual els reactius (combustible i oxidant) es troben a l'exterior de la pila pr??piament dita. El treball es produeix mentre hi hagi flux dels reactius.

El fet de que es necessiti un flux continu de reactius ??s una de les principals difer??ncies amb les bateries convencionals.

Els reactius t??pics utilitzats en una cel??la de combustible s??n hidrogen en el costat de l'??node i oxigen en el costat del c??tode (si es tracta d'una cel??la d'hidrogen). Per altra banda les bateries convencionals consumeixen reactius s??lids i, una vegada que s'han esgotat, ha d'??sser eliminada o recarregada amb electricitat. Generalment, els reactius "flueixen cap a dintre" i els productes de la reacci?? "flueixen cap a fora". L'operaci?? a llarg termini virtualment cont??nua ??s factible mentre es mantinguin aquests fluxos.


Taula de continguts

[edita] Tecnologia

Esquema de funcionament d'una pila de combustible.
Esquema de funcionament d'una pila de combustible.

A l'exemple t??pic d'una membrana intercanviadora de protons (o electr??lit polim??ric) hidrogen/oxigen d'una cel??la de combustible (PEMFC, en angl??s: proton exchange membrane fuel cell), una membrana polim??rica conductora de protons, l'electr??lit, separa el costat de l'??node del costat del c??tode. En el costat de l'??node, l'hidrogen espargit a l'??node catalitzador es dissocia en protons i electrons. Els protons s??n condu??ts a trav??s de la membrana al c??tode, per?? els electrons s??n for??ats a viatjar per un circuit extern (produint energia) ja que la membrana est?? a??llada el??ctricament.

En el catalitzador del c??tode, les mol??cules de l'oxigen reaccionen amb els electrons (condu??ts a trav??s del circuit extern) i protons per a formar l'aigua. En aquest exemple, l'??nic residu ??s vapor d'aigua o aigua l??quida. A m??s d'hidrogen pur, tamb?? es t?? l'hidrogen contingut en altres mol??cules de combustibles incloent el di??sel, metanol i els hidrurs qu??mics, el residu produ??t per aquest tipus de combustibles, a m??s d'aigua, ??s di??xid de carboni, entre uns altres.

[edita] Voltatge

Una cel??la de combustible t??pica produeix aproximadament 0,8 volts. Per crear m??s voltatge les cel??les s'agrupen combinant-les en s??rie o en paral??lel en un sistema que es diu Fuel Cell Stack en angl??s: apilat de cel??les de combustible. El nombre de cel??les usades ??s generalment superior a 45 i varia segons el disseny.

[edita] Materials

Els materials usats en cel??les de combustible varien segons el tipus. (Vegeu cel??la de combustible#Tipus de cel??les de combustible). Les plaques de l'el??ctrode bipolar es fan generalment de metall, de n??quel o amb nanotubs de carboni i s??n cobertes per un catalitzador (que pot ser el Plat?? o Pal??ladi) per a aconseguir una efic??cia m??s alta.

L'electr??lit pot ser de cer??mica o b?? una membrana.


[edita] Consideracions de disseny a les cel??les de combustible

  • Costs. En 2002, les cel??les t??piques tenien un cost alt a causa del catalitzador de 850 ??? (aproximadament 1000 USD) per KW d'energia el??ctrica ??til, no obstant aix?? s'espera que abans de 2007, sigui redu??da a uns 25 ??? (aproximadament 30 USD) per KW %[1]. Ballard ha aconseguit, gr??cies a un catalitzador, millorat amb seda de carboni (carbon silk) una reducci?? del 30% (1 mg/cm?? a 0,7 mg/cm??) de la quantitat de plat?? sense una reducci?? en rendiment (informaci?? de 2005)%[2]
Els costs del MEA (Membrane Electrode Assembly, en angl??s: muntatge de l'el??ctrode de la membrana) del PEM (membrana intercambiadora de protons) varien segons el fabricant. Aix??, la membrana de Nafion??, aproximadament 400 ???/m??, utilitzada en la membrana PEM de Toyota i 3M est?? sent substitu??da per la membrana de la ITM Power, amb un preu al voltant de 4???/m?? (2004). Aquesta membrana nova ??s un pol??mer d'hidrocarbur. Una companyia holandesa que ha realitzat grans inversions en aquest terreny est?? utilitzant Solupor?? (un film de polietil?? por??s)%[3].


  • Gesti?? de l'aigua en les PEMFC. En aquest tipus de cel??les de combustible, la membrana ha d'hidratar-se, requerint evaporar l'aigua exactament en la mateixa mesura que aquesta es produ??da. Si l'aigua s'evapora massa r??pid, la membrana s'asseca, la resist??ncia a trav??s d'ella augmenta, i s'esquerdar??, creant un "curt circuit" de gas on l'hidrogen i l'oxigen es combinen directament, generant calor que danyar?? la cel??la de combustible. Si l'aigua s'evapora massa lentament, els el??ctrodes s'inundaran, evitant que els reactius puguin arribar al catalitzador i es detindr?? la reacci??. Els m??todes per a disposar d'exc??s de l'aigua estan sent desenvolupats per les companyies que investiguen les cel??les de combustible.
  • Gesti?? de la temperatura. S'ha de mantenir la mateixa temperatura en tota la cel??la per tal d'evitar la destrucci?? de la cel??la per fatiga t??rmica.
  • Control de flux. Igual que a un motor de combusti??, cal mantenir un quocient constant entre el reactiu i l'oxigen perqu?? la cel??la funcioni eficientment.
  • Durabilitat, vida, i requisits especials per a certs tipus de cel??les. Les utilitzacions imm??bils requereixen normalment m??s de 40.000 hores operatives fiables a una temperatura de -35??C a 40??C, mentre que les cel??les automotrius de combustible requereixen una esperan??a de vida de 5.000 hores (l'equivalent de 150.000 milles) sota temperatures extremes. (Vegeu: Vehicle d'hidrogen). Les utilitzacions automotrius, a m??s de poder arrencar amb fiabilitat a -30??C, han de tenir un alt poder energ??tic per unitat de volum (t??picament 2.5 KW per litre).


[edita] Tipus de cel??les de combustible

Nom Electr??lit Rang Temperatura
de treball		 Efici??ncia
el??ctrica		 Estat
Pila de combustible reversible
 Kit per l'ensenyament
Blue Energy membrana de polietil?? Superior a 250 kW Investigaci??
Pila de combustible biol??gica (MFC)
Pila de combustible de zinc
Bateria de fluxe Investigaci??
Pila de combustible alcalina (AFC) soluci?? alcalina de 10 a 100 kW inferior a 80??C Cel??la: 60???70% Sistema: 62% Comercialitzant-se/
Investigaci??
Pila de combustible de membrana d'intercanvi de protons (PEM FC) membrana polim??rica(ion??mer) de 0,1 a 500 kW 70???200 ??C, Cel??la: 50???70 % Sistema: 30???50 % Comercialitzant-se/
Investigaci??
Pila de combustible directa de borhidrur (DBFC) soluci?? alcalina NaOH 70 ??C Investigaci??
Pila de combustible d'??cid f??rmic (FAFC) ??cid f??rmic 90???120 ??C Investigaci??
Pila de combustible directe de metanol (DMFC) membrana polim??rica de pocos mW a 100 kw 90???120 ??C Cel??la: 20???30 % Comercialitzant-se/
Investigaci??
Pila de combustible directe d'etanol (DEFC) Investigaci??
Pila de combustible d'??cid fosf??ric (PAFC) ??cid fosf??ric Superior a 10 MW 200 ??C Cel??la: 55 % Sistema: 40 % Comercialitzant-se/
Investigaci??
Pila de combustible de carbonat fos (MCFC) Carbonat-Alcal?? Fos 100 MW 650 ??C Cel??la: 55 % Sistema: 47 % Comercialitzant-se/
Investigaci??
Pila de combustible de cer??mica prot??nica (PCFC) cer??mica 700 ??C Investigaci??
Pila de combustible d'??xid s??lid (SOFC) Electr??lit de cer??mica oxidada Superior a 100 MW 800???1000 ??C Cel??la: 60???65 % Sistema: 55???60 % Comercialitzant-se/
Investigaci??

[edita] Efici??ncia

L'efici??ncia de les cel??les de combustible, a difer??ncia dels motors de combusti?? (interna i externa) no est?? limitada pel cicle de Carnot ja que no segueixen un cicle termodin??mic. Per tant, la seva efici??ncia ??s molt alta en convertir directament energia qu??mica en energia el??ctrica. L'efic??cia d'una cel??la de combustible \eta\,\!, sota condicions est??ndards est?? limitada pel quocient de la variaci?? de l'energia lliure (est??ndard) de Gibbs\Delta\mathrm{G}^\circ, per la variaci?? de l'entalpia est??ndard de la reacci?? qu??mica completa \Delta\mathrm{H}^\circ. L'efici??ncia real ??s igual o inferior a aix?? (normalment inferior).

\eta\,=\frac{\Delta\mathrm{G}^\circ}{\Delta\mathrm{H}^\circ}


Una cel??la de combustible converteix normalment l'energia qu??mica del combustible en electricitat amb una efic??cia aproximadament del 50%. L'efic??cia, no obstant aix??, depen en gran mesura del corrent que circula a trav??s de la cel??la de combustible: com m??s gran ??s el corrent, m??s baixa ??s l'efic??cia. Per a una cel??la d'hidrogen l'efici??ncia (energia real/energia te??rica) ??s igual al voltatge de la cel??la dividit per 1,23 volts, a una temperatura de 25??C. Aquest voltatge depen del combustible usat, de la qualitat i de la temperatura de la cel??la. Una cel??la que funciona a 0,6V t?? una efic??cia propera al 50%, cosa que significa que el 50% de l'energia continguda en l'hidrogen es transforma en energia el??ctrica.

Una cel??la de combustible i un electr??lit retorna menys del 50 per cent de l'energia d'entrada (aix?? es coneix com efic??cia anada-tornada), mentre que una bateria de plom i ??cid molt m??s barata pot retornar prop de 90 per cent.

Cal considerar tamb?? les p??rdues degudes a la producci??, al transport i l'emmagatzematge. Els vehicles amb cel??la de combustible que funcionen amb hidrogen comprimit tenen una efici??ncia del 22% si l'hidrogen s'emmagatzema com a gas d'alta pressi??, i del 17% si s'emmagatzema com a hidrogen l??quid.

Les cel??les de combustible no poden emmagatzemar energia com una bateria, sin?? que en algunes utilitzacions, com a les centrals el??ctriques independents basades en fonts "discont??nues" (solars, energia del vent), es combinen amb electr??lits i sistemes de l'emmagatzematge per a formar un sistema que guarda aquesta energia. L'efic??cia anada-tornada (d'electricitat a l'hidrogen i de nou a electricitat) d'aquestes plantes es troba entre el 30 i el 40%.

En "utilitzacions combinades de la calor i de l'energia" (una millora dels processos de cogeneraci??, la cel??la de combustible es posa en un lloc on tamb?? es requereixi calor, es tolera una efic??cia m??s baixa de la conversi?? de combustible a electricitat (t??picament 15-20%), perqu?? la majoria de l'energia no convertida en electricitat s'utilitza com a calor. Una mica de calor es perd amb el gas que escapa m??s o menys com en un forn normal, amb aquesta combinaci?? d'energia t??rmica i d'energia el??ctrica l'efic??cia segueix sent m??s baixa de 100%, normalment al voltant del 80%. No obstant aix??, en termes d'exergia el proc??s ??s inefica??, i s'obtindria millor resultat maximitzant l'electricitat generada i despr??s usant l'electricitat per a fer funcionar una bomba de calor.

[edita] Aplicacions de les cel??les de combustible

Les cel??les de combustible s??n molt ??tils com a fonts d'energia en llocs remots, com per exemple una nau espacial, estacions meteorol??giques allunyades, parcs grans, localitzacions rurals i en certes utilitzacions militars. Un sistema amb cel??la de combustible que funciona amb hidrogen pot ser compacte, de pes lleuger i no t?? cap pe??a m??bil important.

Una nova forma de donar-li ??s ??s combinant calor i l'electricitat (CHP, Combined Heat and Power) per a habitatges familiars, els edificis d'oficines i les f??briques. Aquest tipus de sistema genera energia el??ctrica de manera constant (venent l'exc??s d'energia a la xarxa quan no es consumeix), i al mateix temps produeix aire i aigua calenta gr??cies a la calor que despr??n. Les cel??les de combustible d'??cid fosf??ric (PAFC Phosphoric-Acid Fuel Cells) abasten el segment m??s gran dels productes existents de CHP en tot el m??n i poden proporcionar efic??cies combinades properes al 80% (45-50% el??ctric + la resta com a t??rmic). El fabricant m??s gran de les cel??les de combustible de PAFC ??s UTC Power, una divisi?? de United Technologies Corporation. Tamb?? s'han instal??lat cel??les de combustible de carbonat fos (MCFC Molten Carbonate Fuel Cell) amb els mateixos objectius, i existeixen prototips de cel??les d'??xid s??lid (SOFC Solid-Oxide Fuel Cell).

No obstant aix??, ja que els sistemes electrol??tic no emmagatzemen el combustible en si mateixos, sin?? en unitats externes d'emmagatzematge, poden utilitzar-se en emmagatzematge a gran escala d'energia, a les ??rees rurals per exemple. En aquest cas, les bateries haurien de ser de gran grand??ria per a satisfer la demanda de l'emmagatzematge, per?? les cel??les de combustible nom??s necessiten una unitat (m??s gran que les unitats normals) d'emmagatzematge que normalment ??s m??s barata que un dispositiu electroqu??mic.


Existeix un programa experimental a Stuart Island a l'[[Estat de Washington ]]. All?? la Stuart Island Energy Initiative ha constru??t un sistema complet en el qual els panells solars generen el corrent per fer funcionar diversos sistemes electrol??tics que produeixen hidrogen que s'emmagatzema en un tanc de 500 galons (uns 1900 litres o 1,9 metres c??bics) a 150-200 PSI (10,34-13,79 bar.). L'hidrogen s'utilitza per a fer funcionar una cel??la de combustible d'hidrogen de 48V ReliOn que proporciona una reserva completa per a la xarxa el??ctrica dels barris residencials de la illa (vegeu l'enlla?? extern a SIEI.ORG).

Protium, una banda de rock formada a la Ponaganset High School, a Glocester Rhode Island), va ser la primera banda del m??n a utilitzar cel??les de combustible d'hidrogen per a proveir-se d'energia. La banda utilitzava un Airgen Fuelcell de 1kw de Ballard Power systems. La banda ha tocat a nombrosos esdeveniments relacionats amb les cel??les de combustible incloent el CEP de Connecticut, i el Fuel Cell Seminar del a Miami Beach.


Plug Power Inc. ??s un participant important en el disseny, desenvolupament i fabricaci?? de cel??les de combustible PEM per a les utilitzacions no m??bils, incloent els productes dirigits a les telecomunicacions, energia b??sica, i utilitzacions combinades de calor i energia (CHP).

[edita] Altres possibles utilitzacions

  • Plantes generadores base (aquelles que mantenen una producci?? constant d'electricitat, i no s'apaguen mai excepte en casos de manteniment o avaria)
  • Vehicles El??ctrics
  • Sistemes Auxiliars d'Energia
  • Sistemes de suport de la xarxa el??ctrica


[edita] Vehicles d'hidrogen, vaixells, avions i estacions de servei

El Toyota FCHV PEM FC fuel cell. Un vehicle dissenyat per Toyota impulsat per hidrogen
El Toyota FCHV PEM FC fuel cell. Un vehicle dissenyat per Toyota impulsat per hidrogen

La primera estaci?? d'abastiment d'hidrogen com a combustible fou oberta a Reykjav??k, Isl??ndia, a l'abril del 2003. Aquesta estaci?? abasteix a tres autobusos constru??ts per DaimlerChrysler i que presten servei en la xarxa de transport p??blic de la ciutat. La pr??pia estaci?? produeix l'hidrogen que necessita, gr??cies a una unitat electrol??tica (fabricada per Norsk Hydro), i no necessita ser emplenada: les seves ??niques entrades s??n electricitat i aigua. Shell tamb?? participa en el projecte. L'estaci?? no t?? sostre, per tal de permetre que l'hidrogen que pugui escapar surti cap a l'atmosfera.

Hi ha nombrosos prototips i models de cotxes i autobusos basats en la tecnologia de cel??les de combustible en els quals es segueix investigant i fins i tot fabricant alguns models. La investigaci?? segueix en curs en companyies com DaimlerChrysler, Ballard Power Systems, Ford, Volvo, Mazda, General Motors, Honda, la BMW, Hyundai i Nissan, entre d'altres. Un autom??bil comercial pr??ctic basat amb cel??la de combustible no s'espera fins a almenys 2010 segons la ind??stria.


Submar?? Type 212 al port
Submar?? Type 212 al port

Els submarins Type 212A, un avan??at disseny alemany per a desenvolupar submarins no nuclears, utilitza cel??les de combustible (desenvolupades per Siemens) per a impulsar nou propulsors i pot mantenir-se submergit durant setmanes sense haver de pujar a la superf??cie.

De manera semblant Airbus est?? desenvolupant un prototip d'avi?? que utilitzi aquesta tecnologia.


Actualment, un equip dels estudiants universitaris anomenats Energy-Quest est?? planejant portar un vaixell accionat per cel??la de combustible d'hidrogen al voltant del m??n (aix?? com altres projectes usant els combustibles eficients o renovables). La seva empresa es diu Trit??.


[edita] Economia i Medi ambient

Les cel??les de combustible solen ser considerades molt atractives per a utilitzacions modernes per la seva efic??cia alta i idealment (vegeu energies renovables) lliures d'emissions, en contrast amb combustibles actualment m??s comuns, com poden ser el met?? o gas natural, que generen di??xid de carboni. Gaireb?? el 50% de tota l'electricitat produ??da als Estats Units ve del carb??. El problema ??s que el carb?? ??s una font d'energia relativament bruta (segons el tipus de carb??). Si l'electr??lisi (un proc??s que necessita electricitat) s'utilitza per a crear l'hidrogen usant energia de les centrals el??ctriques, en realitat s'est?? creant el combustible hidrogen a partir carb??. Tot i que la cel??la de combustible emet solament calor i aigua com residus, el problema de la contaminaci?? encara estar?? present en les centrals el??ctriques.


Un acostament integral ha de considerar els impactes d'un escenari ampli de l'hidrogen. Aix?? fa refer??ncia a la producci??, a l'??s i a la disposici?? de la infraestructura i dels convertidors de l'energia. Els apilats de les cel??les de combustible avui dia tenen una gran quantitat de catalitzadors. Aix?? ??s a causa de la corrosi?? que sofreix el catalitzador i per tal de que no redueixi la seva activitat aquest ha de ser sobredimensionat [4]. Les reserves limitades de plat?? acceleren la s??ntesi d'un complex inorg??nic molt similar a la base catal??tica del sulfur de ferro dels bacteris hidrogenasa [5] per a comen??ar a prendre mesures. Les reserves del m??n del plat?? s??n insuficients per poder donar suport a una conversi?? total de tots els vehicles a cel??les de combustible: una introducci?? significativa de vehicles amb l'actual tecnologia, per tant, nom??s aconseguiria que el valor comercial de plat?? s'elev??s i les seves reserves descendissin.


[edita] Hist??ria

El principi de la cel??la de combustible fou descobert pel cient??fic Christian Friedrich Sch??nbein a Su??ssa a l'any 1838 i publicat en l'edici?? de gener de 1839 del Philosophical Magazine. D'acord amb aquest treball, la primera cel??la de combustible va ser desenvolupada per Sir William Robert Grove un cient??fic gal??l??s. Un primer esb??s va ser publicat en 1843. Per a fabricar la cel??la de combustible va utilitzar materials similars als usats avui dia per a la cel??la de combustible d'??cid fosf??ric. No va anar fins el 1959 quan l'enginyer brit??nic Francis Thomas Bacon va desenvolupar amb ??xit una cel??la imm??bil de combustible de 5 quilowatt. El 1959, un equip encap??alat per Harry Ihrig va construir un tractor basat en una cel??la de combustible de 15 kW per a Allis-Chalmers que va ser exposat a diferents fires arreu de l'estat. Aquest sistema va utilitzar l'hidr??xid de potassi com a electr??lit i l'hidrogen i l'oxigen comprimits com a reactius. M??s endavant, el 1959, Bacon i els seus col??legues van mostrar una unitat de 5 kW capa?? d'accionar una m??quina de soldadura que va conduir, els anys 60, a que les patents de Bacon llicenciades per Pratt i Whitney als Estats Units (almenys els seus conceptes) fossin utilitzades al programa espacial dels Estats Units per tal de proveir d'electricitat i d'aigua potable (hidrogen i oxigen que est?? f??cilment disponible dels tancs de la nau espacial) als astronautes.


Paral??lelament a Pratt & Whitney Aircraft, General Electric va desenvolupar la primera cel??la de combustible que utilitzava una membrana intercanviadora de protons (PEMFCs) per a les missions espacials Gemini. La primera missi?? que va utilitzar PEFCs va ser bessons V. No obstant aix??, les missions espacials Apol??lo i les missions seg??ents Apol??lo-Soiuz, de Skylab, i Space-Shuttle utilitzaven cel??les de combustible basades en el disseny de Bacon, desenvolupat per Pratt & Whitney Aircraft.


UTC Power (mitjan??ant UTX) va ser la primera companyia a fabricar i comercialitzar un sistema a gran escala de cel??les de combustible imm??bils, per al seu ??s com a central el??ctrica de cogeneraci?? a hospitals, universitats, i grans edificis d'oficines. UTC Power continua comercialitzant aquesta cel??la de combustible com el PureCell 200, un sistema de 200 kW i segueix sent l'??nic prove??dor de cel??les de combustible a la NASA per al seu ??s en vehicles espacials, proveint les missions Apol??lo i actualment el transbordador espacial, i est?? desenvolupant cel??les de combustible per a autom??bils, autobusos, i les antenes de telefonia m??bil. En el mercat dels autom??bils basats en cel??les de combustible, UTC Power va exposar la primera cel??la de combustible capa?? de comen??ar a funcionar a temperatures baixes amb la seva cel??la automotora de combustible de membrana de la intercanviadora de protons (PEM). Nota: L'energia del UTC tamb?? utilitza el nom de les cel??les de combustible del UTC al referir a productes de la cel??la de combustible.


Els materials utilitzats eren massa cars i les cel??les de combustible requerien hidrogen i oxigen molt purs. Les primeres cel??les de combustible solien requerir temperatures molt elevades que eren un problema per a moltes utilitzacions. Tot i aix??, les cel??les de combustible seguien sent investigades a causa de les grans quantitats de combustible disponibles (hidrogen i oxigen).


Tot i el seu ??xit en programes de l'espai, els sistemes amb cel??les de combustible eren limitats a les missions de l'espai, on l'alt cost es podia tolerar. No va arribar fins al final dels 80 i principis dels 90 que les cel??les de combustible es convertiren en una opci?? veritable d'??s m??s ampli. Diverses innovacions, catalitzador amb menys plat?? i el??ctrodes de pel??l??cula fina van baixar el cost de les cel??les de combustible, fent que el desenvolupament de sistemes PEMFC (com per exemple autom??bils) fos m??s o menys realista.

[edita] Bibliografia

  • Gregor Hoogers, Hoogers Hoogers - Fuel Cell Technology Handbook - Edita:CRC Press Gener de 2003 - ISBN 0849308771


[edita] Enlla??os externs

[edita] Vegeu tamb??

 A Wikimedia Commons hi ha contingut multim??dia relatiu a:
Pila de combustible