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Materiales y dispositivos autónomos y sostenibles para regiones de difícil acceso.
Papel de las pilas de combustible
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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)
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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
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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.
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Final de la extractividad. Derivados del Petroleo
Revolución de los ÓxidosCarburos y Nitruros a partir de Óxidos
Residuos- RecicladoConexión Ciencia -Artesanía
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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
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Integración en residencial Electrocromismo. CelulasFototovoltaicas Nanocristalinas. Baterias de Ion Litio.
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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
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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
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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
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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
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Pilas PEMFC - Caucho: Funcionamiento microestructural
Platino
Carbono
Hidrógeno, H2
H2O
H+
electrón
C6H5-SO3-
Matriz polimérica
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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
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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
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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
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Alternativas al Nafion en LABIOMAT. BRASILNuevas membranas basadas en PVFNuevas membranas con hidroxiapatitaElectrolitos sólidos. Óxidos (Nogami),
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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)
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Pilas SOFC Basadas en Zircona
Pilas SOFC Basadas en Aluminato de Calcio
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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
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