Materiales y dispositivos autónomos y sostenibles para .... Navales/GENERAL... · Seminario PILCONAER 8 de febrero de 2018. PROGRAMA CIÊNCIA SEM FRONTEIRAS – ... En las membranas

Materiales y dispositivos autónomos y sostenibles para regiones de difícil acceso.

Papel de las pilas de combustible

1

JOSÉ RAMÓN JURADO

ICV, IPNA, CSIC

MADRID. FEBRERO 2018.

8 de febrero de 2018Seminario PILCONAER

PROGRAMA CIÊNCIA SEM FRONTEIRAS –MEC/MCTI/CAPES/CNPq/FAPs Nº 71/2013

Projeto Ciências sem fronteiras/Pesquisa Científica

Obtenção e avaliação de materiais e dispositivos autônomos sustentáveis tendo em vista seu desempenho energético renovável

em regiões de difícil acesso e carentes

Coordenador(a): Prof. Dra. Vânia Caldas de Sousa Instituição: UFRGS/DEMAT/PPGE3M/LABIOMAT

PVE: José Jurado EgeaInstituição: Conselho Superior de Investigações Cientificas no Instituto de Cerâmica e Vidro no Laboratório do Departamento de Vidros (CSIC/ICV)

8 de febrero de 2018Seminario PILCONAER 2

Escasas infraestructuras Grandes distancias, Periferia. Alto coste en las comunicaciones Dificultad para enviar información Problemas de coordinación Personal con formación insuficiente Sensación de aislamiento y alta rotación

GROUP


Se apuesta por la construcción de sistemas autónomos:1.Grupos electrógenos. Convencional. 2. Sistemas basados en energías renovables:

• micro-centrales hidráulicas• sistemas eólicos• sistemas con biogas• Sistemas fotovoltaicos. DSSC y ISSC. Alimentan al

electrolizador • Electrolizadores: Producción de H2 .

Lleva hidrógeno y oxígeno a la Pila de Combustible, ésta funciona mientras le llegue hidrógeno.

• El papel de las Pilas de Combustible es mantener la demanda de energía eléctrica en todo momento.

GROUP


Final de la extractividad. Derivados del Petroleo

Revolución de los ÓxidosCarburos y Nitruros a partir de Óxidos

Residuos- RecicladoConexión Ciencia -Artesanía

GROUP


ÁnodoPoroso

ElectrolitodensoCátodoPorosoTitanio

Cierre

Cierre

CARBÓN O GRAFITOPOROSO

sol

Celda foto eletroquímica

Celda de hidrógeno

Coche H2

Casa: Eletrolizador

Fuel CellSolar dye Cell

H2

O2

GROUP

Eletrolizador

H2O

PROJETO CIÊNCIAS SEM FRONTEIRAS. LABIOMAT


GROUP


Integración en residencial Electrocromismo. CelulasFototovoltaicas Nanocristalinas. Baterias de Ion Litio.


ÁnodoPoroso


Cierre

Cierre


sol


Celda de hidrógeno

Coche H2

Casa: Eletrolizador


H2

O2

GROUP

Eletrolizador

H2O

PROJETO CIÊNCIAS SEM FRONTEIRAS


Electrolisis del Carbono. Electrolisis delagua asistida por polisacaridos y urea

• La electrolisis de carbono fue propuesta en primer lugar por Coughlin y Farooque en los años setenta. El proceso implica la oxidación del carbón en el ánodo de una celda electroquímica

C + 2H2O → CO2 + 4H+ + 4e-

y la reducción en el cátodo para producir hidrógeno

4H+ + 4e- → 2H2

•El potencial estándar teórico para este proceso es de 0.21 V, que es significativamente más bajo que el potencial estándar de la electrolisis del agua (1.23 V). Ellos obtuvieron 0.80 voltios

GROUP


ÁnodoPoroso


Cierre

Cierre


sol


Celda de hidrógeno

Coche H2

Casa: Eletrolizador


H2

O2

GROUP

Eletrolizador

H2O

PROJETO CIÊNCIAS SEM FRONTEIRAS


Matriz PolimericaMatriz Oxidica

GROUP

PILAS PEMFC


Conductores Protónicos para Pilas de Combustible de IntercambioProtónico (PEMFCs)

+

+ ++

+ ProtónH2O

-SO3-

++

+

Representación Esquemáticade la Microestructura deNafion

1 nm

++

Nafion----Polímero PerfluorinadoAcido sulfónico

-Canales anchos --- ∼ 7 nm-Pequeñas Distancias -SO3

- /-SO3-

Nafion, Fórmula [CF2CF(CF2CF2)n]m

OCF2CFCF3

OCF2CF2SO3H


Pilas PEMFC – Caucho – SiO2


Pilas PEMFC - Caucho: Funcionamiento microestructural

Platino

Carbono

Hidrógeno, H2

H2O

H+

electrón

C6H5-SO3-

Matriz polimérica


En las membranas dopadas las nanopartículas de la carga ocupan los poros ycanales dejados entre las micropartículas de látex, aumentando de formaexponencial la conductividad protónica

Membrana dopada al 33% con K2SiF6

Partículas de látexPartículas de K2SiF6

e- e-O2H2

Microestructura de las membranas dopadas


Diferentes membranas dopadas al 33% con K2SiF6

-3,0

-2,5

-2,0

-1,5

20 30 40 50 60 70 80 90

Temperatura / ºC

Log

(Con

duct

ivid

ad)/

Scm

-1 Nafion 117

Con peróxidorecubierto1,75% NaSS

Con peróxidorecubierto0,9% NaSS

Con peroxidosin recubrir

Prevulcanizadocon azufre

e- e-O2H2

Conductividad. Influencia del tipo de membrana


Caracterización electroquímica de las membranas preparadas: EICDiseño del portamuestras y del protocolo de medida hecho en el grupo ELAMAT

Condiciones de Medida:

-Humedades relativas: 81%

-Temperaturas: 80 ºC

Muestra σmS/cm

SiO2-P2O5 1.30*10-2

TiO2-P2O5 4.50*10-5

TiO2 (80 ºC, 58%) 0.94*10-3

TiO2-P2O5 / Nafion

1.16*10-3

Nafion 7.72*10-2

81 +- 2 % HR

y = -0.7478x + 1.385R2 = 0.9668

9

14

19

24

29

2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.31000/T (K-1)

R (O

hm)

-1.1

-1

-0.9

-0.8

-0.7

-0.6

-0.5

Log

( � /(

S/cm

))

R Cond.

40 ºC

Nafion = 0.20 eV GROTHUS

TiO2–P2O5/Nafion = 0.14 eV

σ/S


Alternativas al Nafion en LABIOMAT. BRASILNuevas membranas basadas en PVFNuevas membranas con hidroxiapatitaElectrolitos sólidos. Óxidos (Nogami),

GROUP


Reacción global: H2 + 1/2 O2 → H2O

CÁTODO ELECTROLITO ÁNODO

Ánodo: H2 → 2H+ + 2e-

(oxidación, polo negativo)

Cátodo: ½ O2 + 2e- → O2-

(reducción, polo positivo)

GROUP


Pilas SOFC Basadas en Zircona

Pilas SOFC Basadas en Aluminato de Calcio

GROUP


Pilas SOFC de varias generaciones .

GROUP


GROUP


1, Energía fotovoltaica. Celdas Fotovoltaicas sensitivizadas con o sin dye. Electrocromismo. Baterías de ion Litio. Integración.

2. Electrolizadores productores de H2.Almacenamiento H2. Electrolizadores asistidos con cáscara de arroz, polisacáridos y urea.

3. Pilas de combustible. SOFC-RESIDENCIAL. PEM- TRANSPORTE

GROUP



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