Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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CAPÍTULO 15
micas, la irreversibilidad se debe al intercambio incontrolado de electrones
entre los componentes reactivos. El intercambio de electrones puede controlarse
al sustituir la cámara de combustión por celdas electrolíticas, como las
baterías de automóvil. (Esto es análogo a reemplazar la expansión libre de un
gas en sistemas mecánicos por expansión controlada.) En las celdas electrolíticas,
los electrones se intercambian mediante alambres conductores conectados
a una carga, y la energía química se convierte directamente en energía eléctrica.
Los dispositivos de conversión de energía que trabajan con base en este
principio se llaman celdas de combustible. Las celdas de combustible no son
máquinas térmicas y, por lo tanto, sus eficiencias no están limitadas por la eficiencia
de Carnot. Las celdas convierten energía química en energía eléctrica,
esencialmente en una forma isotérmica.
Una celda de combustible funciona como una batería, excepto que produce
su propia electricidad al combinar electroquímicamente, sin combustión, un
combustible con oxígeno en una celda y desecha el calor residual. Una celda
de combustible consta de dos electrodos separados por un electrólito como un
óxido sólido, ácido fosfórico o carbonato fundido. La potencia eléctrica generada
por una sola celda de combustible generalmente es demasiado pequeña
para tener algún uso práctico. En consecuencia, las celdas de combustible por
lo general son apiladas en aplicaciones prácticas. Este agrupamiento modular
brinda a las celdas de combustible considerable flexibilidad en aplicaciones: el
mismo diseño puede emplearse para generar una pequeña cantidad de potencia
para una estación de interrupción remota o una gran cantidad de potencia para
suministrar electricidad a toda una ciudad. Por ende, las celdas de combustible
se denominan los “microchips de la industria energética”.
La operación de una celda de combustible de hidrógeno-oxígeno se ilustra en
la figura 15-36. El hidrógeno se ioniza en la superficie del ánodo, y los iones
de hidrógeno fluyen a través del electrólito hacia el cátodo. Hay una diferencia de
potencial entre el ánodo y el cátodo, y los electrones libres fluyen del ánodo al
cátodo por un circuito externo (como un generador o un motor). Los iones de
hidrógeno se combinan con oxígeno y con los electrones libres en la superficie
del cátodo y forman agua. Por ende, las celdas de combustible operan como
un sistema de electrólisis que trabaja en reversa. En operación estacionaria, el
hidrógeno y el oxígeno entran continuamente en la celda de combustible como
reactivos, y el agua sale como el producto. Así, el escape de la celda de combustible
tiene la calidad del agua potable.
La celda de combustible fue inventada por William Groves en 1839, mas no
recibió atención seria hasta 1960, cuando se la utilizó para producir electricidad
y agua para las misiones espaciales Géminis y Apolo durante sus viajes a
la Luna. En la actualidad se emplean para el mismo propósito en las misiones
de los transbordadores espaciales. A pesar de efectos irreversibles, como la
resistencia interna al flujo de electrones, las celdas de combustible tienen un
gran potencial para eficiencias de conversión más altas. Hoy día las celdas de
combustible están disponibles comercialmente, pero sólo son competitivas en
algunos mercados debido a su elevado costo. Las celdas de combustible producen
eficiente y silenciosamente potencial eléctrico de gran calidad, mientras
que generan bajas emisiones mediante el uso de diversos combustibles como
el hidrógeno, el gas natural, el propano y el biogas. Recientemente se han
instalado muchas celdas de combustible para generar electricidad. Por ejemplo,
una estación de policía remota en el Parque Central de Nueva York es
alimentada por una celda de combustible de ácido fosfórico de 200 kW, con
una eficiencia de 40 por ciento, con emisiones insignificantes (emite 1 ppm de
NO x y 5 ppm de CO).
25 °C
Reactivos
(CH 4 , aire)
Exergía = 818 MJ
(100%)
Cámara de
combustión
adiabática
1 789 K
Productos
Exergía = 530 MJ
(65%)
FIGURA 15-35
La disponibilidad del metano disminuye
35 por ciento como resultado de un
proceso de combustión irreversible.
2e –
Carga
H 2 O
2e – 2e –
2
H 2 O 2
2H +
Ánodo
poroso
H 2 O
Cátodo
poroso
FIGURA 15-36
La operación de una celda de
combustible de hidrógeno-oxígeno.