PilasCombustible Cuestionario

Enero / 2015 Cristian Cuji

Universidad Complutense de Madrid

Master en Energía

Almacenamiento y Pilas de Combustible Cuestionario # 1

Cristian Cuji [email protected]

PRIMERA PARTE

Elija la opción correcta:

1. Una pila de combustible es: a) Un dispositivo que almacena combustible. b) Un dispositivo que convierte combustible en electricidad. c) Un dispositivo que genera combustible.

2. El catalizador de una pila de combustible sirve para: a) Hacer buen contacto eléctrico. b) Hacer que se produzcan las reacciones electroquímicas. c) Generar corriente eléctrica interna.

3. El catalizador de la pila de combustible debe ser: a) Conductor eléctrico. b) Aislante eléctrico. c) Cualquiera de las dos opciones anteriores.

4. El electrodo en la pila de combustible es poroso: a) Para que la pila pese poco. b) Para que permita la transferencia de electrones y gases. c) No tiene que ser poroso.

5. La pila de combustible debe apilarse para: a) Generar una corriente mayor que una monocelda con la misma área activa. b) Generar la misma corriente que una monocelda con la misma área activa pero

a mayor voltaje. c) Generar mayor corriente y mayor voltaje que una monocelda con la misma área

activa.

6. El poder calorífico del combustible es: a) Una medida de la cantidad de calor que se puede generase en una pila de

combustible. b) Una medida de la cantidad de electricidad que puede generare en una pila de

combustible.

mailto:[email protected]


c) Una medida de la cantidad de calor que puede ser generado en la combustión de un combustible (no necesariamente en una pila de combustible).

7. La pila de combustible: a) Siempre es más eficiente que un ciclo de Carnot. b) Tiene aproximadamente la misma eficiencia que un ciclo de Carnot. c) La eficiencia ideal puede ser comparada con la de un ciclo de Carnot y puede

ser mayor o menor que la eficiencia de Carnot, dependiendo de la temperatura.

8. El potencial teórico de una pila de combustible: a) Es mayor para mayores presiones del hidrógeno y el oxígeno. b) Es menor para mayores presiones del hidrógeno. c) No depende de la presión.

9. El potencial teórico de una pila de combustible: a) Es mayor a mayor temperatura. b) Es menor a mayor temperatura. c) Es independiente de la temperatura.

10. La eficiencia de una pila de combustible es : a) Proporcional a su voltaje. b) Inversamente proporcional a su voltaje. c) Proporcional al cuadrado del voltaje divido por la velocidad de generación de calor.

11. Las mayores pérdidas de voltaje en una pila de combustible que opera en

condiciones normales son debidas a: a) Activación. b) Concentración/transporte de masa. c) Resistencia.

12. Mayor densidad de corriente de intercambio: a) Implica más pérdidas de voltaje. b) Implica menos pérdidas de voltaje. c) No tiene nada que ver con pérdidas de voltaje.

13. La polarización por concentración significa: a) Que la concentración de reactantes en las zonas catalíticas es demasiado grande. b) Que los reactantes alcanzan las zonas catalíticas a velocidad insuficiente. c) Que el flujo de reactantes es mayor que lo que debería ser.

14. La resistencia de una pila de combustible se debe a: a) Resistencia iónica. b) Resistencia eléctrica a través de las partes eléctricamente conductivas. c) Ambas, resistencia iónica y eléctrica.

15. El cruce de hidrógeno a través de la membrana: a) Reduciría el voltaje de la célula, particularmente en ausencia o a bajas

corrientes. b) Aumentaría el voltaje de la célula. c) Aumentaría la corriente de la célula.


16. Un aumento de presión en la pila de combustible da lugar, normalmente: a) A una ganancia de voltaje. b) A una pérdida de voltaje. c) A una menor eficiencia.

17. Normalmente, una mayor carga de platino: a) No cambia el voltaje de la pila. b) Produce una pérdida de voltaje. c) Produce una ganancia de voltaje.

18. La potencia de salida de una pila de combustible: a) Depende sólo de los reactantes suministrados a la pila. b) Depende sólo de los parámetros operativos de la pila. c) Depende de las dos opciones anteriores.

19. Una pila de combustible de H2/Aire genera 10W. Si se reemplaza el aire por oxígeno

puro, y la corriente y el voltaje se ajustan de manera que la pila de combustible continua generando 20 W de potencia, la pila de combustible:

a) Operaría a mayor corriente que antes de introducir oxígeno. b) Operaría a menor corriente que antes de introducir oxígeno. c) Inicialmente muestra un aumento del potencial de célula, pero después vuele a la

corriente y el voltaje original, de manera que la potencia no cambie.

20. Las membranas Nafion se utilizan en las pilas de combustible porque: a) Es muy delgada. b) Está llena de agua. c) Conduce protones.

21. Un mayor contenido en agua en Nafion resulta en: a) Una mayor conductividad iónica. b) Menor conductancia iónica porque la membrana es más gruesa. c) Mayor resistencia iónica.

22. El espesor de la membrana afecta a: a) La conductancia iónica. b) La permeación de gas. c) Ambos, conductancia iónica y permeación de gas.

23. Partículas catalíticas de menor tamaño resultan en: a) Mayor área superficial, y por tanto, mayor densidad de corriente de

intercambio. b) Una capa catalítica más gruesa. c) Mayor carga catalítica.

24. La resistencia de la placa bipolar es una: a) Función de su espesor. b) Función de la conductividad del material. c) Función de ambos, espesor y conductividad.

25. La ventaja de las placas bipolares basadas en grafito sobre las metálicas está en:


a) su mejor conductividad. b) su mejor resistencia a la corrosión. c) su peso más ligero.

26. La carga catalítica es: a) Un proceso de carga de catalizador en las partículas que lo soportan. b) Cantidad de catalizador por unidad de área geométrica de electrodo. c) Cantidad de catalizador por célula.

27. El transporte electroosmótico: a) Mueve agua desde el ánodo al cátodo. b) Mueve agua del cátodo al ánodo. c) Mueve agua en ambos sentidos como una función de la diferencia de presión.

28. La presión de contacto afecta a: a) La resistencia de la placa bipolar. b) La resistencia en la membrana. c) La resistencia interfacial.

29. El factor estequiométrico es: a) El cociente entre el hidrógeno y el oxígeno a la entrada de la pila. b) El cociente entre el hidrógeno y el oxígeno consumidos en la pila. c) El cociente entre la velocidad de flujo real de un reactante a la entrada de la

pila y la velocidad de consume de ese mismo reactante.

30. Si la difusión de vuelta del agua es igual al transporte electroosmótico, y ambos gases están saturados en la entrada:

a) No hay transporte de agua a través de la membrana. b) La célula se “inunda” en el lado catódico. c) La célula se seca en el lado catódico.


SEGUNDA PARTE

1. Relacione cada una de las siguientes frases con una de las hipotéticas curvas (i-E) indicadas en las figura, e indique el porqué.

1) Una SOFC limitada por una resistencia electrolítica extremadamente alta. 2) Una PEMFC con grandes pérdidas parásitas debidas a fuga de corriente. 3) Una PEMFC muy limitada por una pobre cinética de reacción. 4) Una PEMFC con muy poca resistencia óhmica. 5) Una SOFC con agotamiento de reactantes.

a) Opción 4. PEMFC con muy poca resistencia ohmica: Casi no existe pendiente la funcion que sigue la descarga de la bateria. La pendiente o valor (k) en la zona lineal de descarga representa la resistencia en este caso muy poco apreciable.

b) Opción 2. PEMFC con grandes pérdidas parásitas debidas a fuga de corriente: una pendiente muy pronunciada seguido de un punto de corte, significa descarga rápida producto de corrientes de fuga.

c) Opción 5. SOFC con agotamiento de reactantes: La batería no es capaz de abastecer la carga es señal de una batería descargada o agotada.

d) Opción 1. SOFC limitada por una resistencia electrolítica extremadamente alta. La función de descarga muestra una gran pendiente una función lineal es decir una descarga inmediata de la batería. Esto ocurre por conectar una resistencia alta.


e) Opción 3. PEMFC muy limitada por una pobre cinética de reacción. La batería presenta alguna anomalía no reacciona, presenta un voltaje pero al conectar la carga sencillamente no reacciona.

2. Compare las curvas de polarización típicas de una PEMFC y una SOFC desde el punto de vista de las pérdidas de voltaje. Desde el punto de vista de la eficiencia, ¿cuál de las dos pilas indicadas en la figura sería la mejor, la PEMFC o la SOFC? Razone la respuesta.

SOFT tipica es la mejor opcion.

La eficiencia esta dada por la relacion ŋ = 𝑊𝑒𝑙

𝑊𝐻2, y la potencia electrica esta relacionada con

Wel=I*V , y la potencia hidrogeno es WH2 =1.482*V*I. Por lo que la eficiencia esta relaciona con potencia y a su vez con el voltaje por corriente. La bateria de PEMFC demuestra una perdida de potencial por corrientes de fuga , mientras que a SOFC mantiene un funcionamiento adecuado y una descarga con una pendiente (K) mas lineal.

3. Suponga que determina experimentalmente los valores del voltaje en función de la densidad de corriente para una pila de combustible de H2/Aire, operando a 60ºC y presión atmosférica con una utilización del combustible del 80%. Los valores obtenidos se muestran en la siguiente tabla:

a) Represente la curva de polarización.


b) ¿Cuál es el voltaje en circuito abierto, OCV, de la pila? OCV (Open Circuit Voltage) = 0.95 V

c) ¿Cuál sería, aproximadamente, el valor de la densidad de corriente límite iL?

ILimite ≈ 1600 mAcm-2

d) Estime la densidad de potencia máxima de la pila.

𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙 = 𝐸𝑜 − 𝑘𝑖

𝑦 = 0.838 − 0.0003𝑥

𝑊𝑚𝑎𝑥 = 𝐸𝑜

2

4𝑘=

0.8382

4 ∗ 0.0003= 585.2033 𝑚𝑊𝑐𝑚2

e) Determine el voltaje teórico de la pila. T = 60 º C = 333.15 ºK

𝐸𝑟(𝑃,𝑇) = 1.482 − 0.000845 𝑇 + 0.0000431 𝑇 ln(𝑃𝐻2𝑃𝑂2) ; 𝑃𝐻2 = 1, 𝑃𝑂2 = 0.21

𝐸𝑟𝑃,𝑇 = 1.20048825 + 0.0000431(333.15)𝐿𝑛(0.210.5)

𝐸𝑟(𝑃,𝑇) = 1.1893 𝑉

f) A la vista de los datos, ¿podrían ser cero las pérdidas por corrientes interna y de

cruce, iloss? Estime su valor.

y = -0,0003x + 0,838R² = 0,9961

y = -0,002x + 0,95R² = 1

y = -0,0018x + 2,98R² = 1

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Curva de Polarización


ŋ = 𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙

1.482∗

𝑖

𝑖 + 𝑖𝑙𝑜𝑠𝑠 ; ŋ =

𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙

1.482=

0.8376

1.482= 0.5652

𝑖𝑙𝑜𝑠𝑠 = (𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙

1.482∗

𝑖

ŋ) − 𝑖

𝑖𝑙𝑜𝑠𝑠 = (0.8376

1.482∗

1.4

0.5652) − 1.4 = −4.412 ∗ 10−5 𝐴𝑐𝑚−2 ≈ −0.04 𝑚𝐴𝑐𝑚−2

Se estima la corriente de perdida 𝑖𝑙𝑜𝑠𝑠 ≈ −0.04 𝑚𝐴𝑐𝑚−2

g) Suponiendo que las pérdidas por corrientes interna y de cruce son muy pequeñas frente a la corriente de la pila, estime la densidad de corriente de intercambio, i0, y

el coeficiente de transferencia, α .

y = −0,04784 x − 0,1539 = Ecell − Er = (RT

αF) lni0 − (

RT

αF) lni

−0,04784 = − RT

αF ⇔ α =

RT

0,04784 × F

α = 0,5604 ~ 0.6

(RT

αF) lni0 = −0.1539 ⟹ i0 = exp (−0.1539 ×

αF

RT )

i0 = 0,033 mA 𝑐𝑚−2 ~ 0.04 mA 𝑐𝑚−2

h) Estime la resistencia óhmica de la pila. Corriente proporcionada por la batería

𝑖 =𝐸𝑜 − 𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙

𝑘=

0.838 − 0.419

0.0003= 1396.6667 𝑚𝐴𝑐𝑚−2 ≈ 1.4 𝐴𝑐𝑚−2

Estimado del potencial de Célula en la zona óhmica o resistiva.

𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙 = 𝐸𝑜 − 𝑘𝑖

𝑦 = 0.838 − 0.0003𝑥

𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙 = 0.838 − 0.0003(1.4) = 0.8376 𝑉 Estimado del voltaje de activación en la zona lineal.

𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙 = 𝐸𝑟 − ∆𝑉𝑎𝑐𝑡,𝑏 − ∆𝑉𝑎𝑐𝑡,𝑎

0.8376 = 1.1893 − ∆𝑉𝑎𝑐𝑡


∆𝑉𝐴𝑐𝑡 = 0.35172 𝑉 Según ley de ohm,

∆𝑉𝑜ℎ𝑚 = 𝑖 ∗ 𝑅𝑖

𝑅𝑖 =∆𝑉𝑎𝑐𝑡

𝑖=

0.35172

1.4= 0.251 𝛺 𝑐𝑚2

La resistencia óhmica es 0.25 𝛺 𝑐𝑚2

i) Represente, junto con la curva de polarización, las pérdidas por activación, resistivas y de concentración, en función de la densidad de corriente.

y = -0,0003x + 0,838R² = 0,9961

y = -0,002x + 0,95R² = 1

y = -0,0018x + 2,98R² = 1

0

100

200

300

400

500

600

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 500 1000 1500 2000

Curva de Polarización Descarga deBateria

Zona LinealResistiva

Activación

Concentración-Pde corte

Potencia

Lineal (ZonaLineal Resistiva)

Lineal(Activación)


j) Determine la eficiencia teórica de la pila y la eficiencia real cuando la pila opera a potencia máxima.

𝑊𝑚𝑎𝑥 = 585.2033 𝑚𝑊 𝑐𝑚2 Considerando solo el valor de potencia teórico se obtiene una eficiencia del 80.2%

𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙 𝑊𝑚𝑎𝑥 = 𝐸𝑟(𝑃,𝑇) = 1.1893 𝑉


1.482 = 0.8024 ≈ 80.2%

Y con valores reales durante potencia máxima.

𝐸𝐶𝑒𝑙𝑙 𝑚𝑎𝑥 = 𝐸𝑜

2=

0.838

2= 0.419 𝑉


1.482=

0.419

1.482= 0.2827 ≈ 28.27%

k) Estime el calor generado por unidad de tiempo por la pila de combustible cuando opera en las mismas condiciones anteriores.

4. Suponga que se dispone de una pila de combustible similar a la del ejercicio anterior,

pero con una resistencia óhmica de 0.15 cm2. Dibuje la correspondiente curva de polarización y compárela con la obtenida en el ejercicio 4.

Con la influencia de una resistencia de 0.15 Ωcm2 el funcionamiento de la batería se acerca

más al funcionamiento ideal donde no existe perdidas óhmicas, mientras que con la influencia de una resistencia de 0.25 Ωcm2, claramente se observa una pendiente mayor

que se aleja mucho de la corriente limite reduciendo la eficiencia de la batería.


5. Los parámetros de la curva de polarización de una pila de combustible de H2/O2, que opera a 65 ºC y 1 bar, son los siguientes: i0 = 0.003 A/cm2 , α= 0.5, Ri = 0.15

Ωcm2. Suponga que no hay pérdidas por concentración.

a) Determine el voltaje de célula a 1Acm2.

T = 65 ºC → 338.15 ºK ; P = 1 bar → 1atm

𝐼𝑜 = 0.003𝐴𝑐𝑚−2

𝛼 = 0.5

𝑅1 = 0.15𝛺𝑐𝑚2 𝐼 = 1𝐴𝑐𝑚−2 Para determinar el potencial teórico

𝐸𝑟(𝑃,𝑇) = 1.482 − 0.000845 𝑇 + 0.0000431 𝑇 ln(𝑃𝐻2𝑃𝑂2) ; 𝑃𝐻2 = 1, 𝑃𝑂2 = 0.21

𝐸𝑟(𝑃,𝑇) = 1.482 + 0.0000431 ∗ (338.15) ln(0.210.5)

𝐸𝑟(𝑃,𝑇) = 1.207 𝑉

Pérdidas de Activación

𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙 = 𝐸𝑟 − 𝑅𝑇

𝛼𝐹 𝐿𝑛 (

𝑖

𝑖𝑜) = 0.86906 𝑉

Perdidas Resistivas

∆𝑉𝑜ℎ𝑚 = 𝑖 ∗ 𝑅𝑖 = 0.15𝑉 Potencial de la celula

𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙 = 𝐸𝑟 − ∆𝑉𝑎𝑐𝑡 − ∆𝑉𝑜ℎ𝑚 = 0.1885 𝑉

b) Determine la ganancia en voltaje si la pila operase a 6 bar. Téngase en cuenta tanto la ganancia en el voltaje teórico, como la influencia en la densidad de corriente de intercambio. Suponga un coeficiente de presión igual a la unidad.

𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙 = 𝐸𝑟 + 𝑅𝑇

𝑛𝐹𝐿𝑛(6 ∗ 60.5) = 1.246 𝑉

6. Una PEMFC, que utiliza una membrana Nafion como electrólito, opera a 60 ºC. El área efectiva de la membrana es de 200 cm2 y el hidrógeno es suministrado a la célula a una presión de 300 kPa. Sabiendo que la pérdida de corriente equivalente


debida al “crossover” de hidrógeno a través de la membrana es de 4.17 mAcm-2, estime el espesor de la membrana.

𝑇 = 333.15 𝐾 𝐴 = 200𝑐𝑚2 𝑃 = 300𝑘𝑃𝑎 = 3𝑥105𝑃𝑎 𝐼 = 4.17 𝑚𝐴𝑐𝑚2

𝑛 = 2 𝐷 = 𝐷𝑜 exp (−𝐵

𝑇) = 1.6627𝑥10−6 𝑐𝑚2𝑠−1

𝑆𝐻2 = 2.2𝑥10−10𝑚𝑜𝑙 𝑐𝑚−3𝑃𝑎−1

𝑃𝑚 = 𝐷𝑆 = 3.6579𝑥10−16𝑚𝑜𝑙 𝑐𝑚−1𝑠−1𝑃𝑎−1

𝑁𝐻2 = 𝐼

𝑛𝐹= 2.161𝑥10−7 𝑚𝑜𝑙 𝑠−1

𝑑 =𝑃𝑚𝐴𝑃

𝑁𝐻2= 0.1015 𝑐𝑚

7. Suponga un sistema MCFC presurizado a 3 atm del que se dispone de la siguiente información:

-Cada monodelda del stack tiene unas dimensiones de 120 cm x 81.4 cm x 0.65 cm, con un área activa de 6000 cm2, y produce 625 W. -El stack se compone de 40 monoceldas y genera una potencia total de 25 kW. a) Determine la densidad de potencia generada por cada monocelda individual.

𝑊 = 𝐸 ∗ 𝑖 = 625 𝑊 ∗ 6000 𝑐𝑚2 = 3.75 𝑊𝑐𝑚2 b) Estime la densidad de potencia volumétrica (potencia por unidad de volume) del Sistema.

𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 25000𝑊

𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 6349.2 𝑐𝑚2

𝑊𝑣 = 3.93𝑊𝑐𝑚−3

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