Efecto de los tratamientos térmicos en la circona utilizada como electrolito en las pilas de combustible de óxido sólido

La necessitat actual de trobar l’equilibri entre el màxim rendiment energètic i el menor impacte ambiental conjuntament amb els mínims costos de producció i manteniment, ha portat en els darrers anys a un fort desenvolupament de les piles de combustible. Entre elles, les piles de combustible d’òxid sòlid (Solid Oxide Fuel Cell- SOFC) han passat a ser una de les més considerades, degut principalment al fet de tenir la capacitat de poder utilitzar directament hidrocarburs sense la necessitat d’una etapa prèvia de conversió a hidrogen. En general, les piles consten d’un ànode on el combustible es oxidat, un càtode on el oxigen es reduït i un electròlit. L’electròlit separa els elèctrodes, els aïlla elèctricament i forma un pont iònic entre ells. Les altes temperatures de funcionament de les SOFC permeteixen obtenir un bon rendiment en el transport dels ions d’oxigen

De les màquines tèrmiques a les piles de combustible. Reptes actuals i futurs de la conversió d'energia

Les societats avançades necessiten cada vegada més energia d’alta qualitat per mantenir i augmentar el seu nivell de vida. Les màquines tèrmiques i la seva capacitat de convertir energia fòssil en energia més útil, com és, per exemple, l’electricitat, continuen sent unes valuoses eines, sense les quals difícilment s’haurien assolit ni es podrien mantenir les quotes de benestar actuals. A causa dels efectes mediambientals provocats, del baix rendiment de conversió i de la dependència que es té del petroli, hi ha la consciència cada vegada més estesa que s’ha arribat a una situació insostenible que obliga a buscar altres alternatives i altres maneres de fer. En aquest treball s’explica quin paper poden tenir les piles de combustible com a alternativa a les màquines tèrmiques i com el binomi hidrogen-piles de combustible, pot contribuir a assolir els objectius d’unes estratègies que passen per l’estalvi d’energia, la millora del rendiment de conversió, la diversifi cació dels recursos i utilitzar, tant com es pugui, les anomenades fonts d’energia renovables

Piles de combustible microfabricades com a font d'energia per a MEMS

La demanda actual de sistemes de generació d'energia reduïts per a dispositius electrònics portàtils, ha intensificat la recerca en aquest camp. Les piles de combustible d'electròlit polimèric (PEMFC) són particularment atractives per la seva capacitat de treballar a temperatura ambient fent servir hidrogen o combustibles líquids, fàcils d'emmagatzemar i manipular. En aquesta tesi es presenten els primers desenvolupaments i contribucions tecnològiques al camp de micro piles de combustible duts a terme en el IMB-CNM (CSIC).La demanda actual de sistemas de generación de energía reducidos para dispositivos electrónicos portátiles, ha intensificado la investigación en este campo. Las pilas de combustible de electrolito polimérico (PEMFC) son particularmente atractivas por su capacidad de trabajar a temperatura ambiente usando hidrógeno o combustibles líquidos, fáciles de almacenar y manipular. En esta tesis se presentan los primeros desarrollos y contribuciones tecnológicas en el campo de micro pilas de combustible llevados a cabo en el IMB-CNM (CSIC).The current demand for power generation systems of small portable electronic devices, has intensified research in this field. The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) are particularly attractive because of their ability to work at room temperature using hydrogen or liquid fuels, easy to store and manipulate. This thesis presents the first developments and technological contributions in the field of micro fuel cells carried out in the IMB-CNM (CSIC

Cogeneració amb piles de combustible: aplicació a edificis de la UPC

Les piles de combustible són dispositius electroquímics que transformen directament l’energia d’un combustible químic en energia elèctrica i calor. Entre els seus avantatges destaquen una eficiència energètica molt elevada, una menor emissió de gasos contaminants i la possibilitat de treballar en un rang de potències de mW a MW, cosa que les fa molt versàtils i amb un ampli espectre d’aplicació, des d’aplicacions estacionàries en edificis, fins a aplicacions en automoció i dispositius electrònics. A l’assignatura “Tecnologia Energètica” de l’ensenyament d’Enginyeria Industrial a l’Escola Tècnica Superior d’Enginyers Industrials de Barcelona (ETSEIB) els alumnes fan un treball aplicat (en grups de 3-4 persones) sobre algun dels aspectes tractats a l’assignatura, on s’inclouen les piles de combustible. Aquesta contribució al “II Congrés UPC Sostenible 2015” és el resultat d’un d’aquests treballs, on s’estudia l’aplicació d’una pila de combustible comercial d’àcid fosfòric (PAFC) alimentada amb gas natural i d’un acumulador de calor per a satisfer totalment el servei elèctric i sanitari al gimnàs de l’ETSEIB, en concepte de calefacció i aigua calenta sanitària. El treball inclou l’estudi de la instal•lació i consums de gas natural i electricitat del gimnàs, l’estudi i disseny del sistema de cogeneració amb la pila de combustible, la identificació de l’emplaçament adient i una aproximació a l’estudi de la viabilitat econòmica del projecte. El resultat de l’estudi és que amb una única pila de combustible PAFC de 200 kW es poden satisfer les demandes d’energia tèrmica per a la calefacció i l’obtenció d’aigua calenta sanitària del gimnàs i, a banda, també es pot cobrir part de l’energia elèctrica consumida per tot l’edifici de l’ETSEIB. L’estalvi energètic que suposa l’ús de la pila de combustible és considerable i la diversificació de vectors energètics a l’edifici és interessant per a garantir-ne el funcionament. Existeix un lloc idoni per a l’emplaçament de la pila de combustible i l’acumulador a on, a més de reunir-se les condicions tècniques que requereix la nova instal•lació, hi ha l’espai necessari per a la seva ubicació. En l’aspecte econòmic, tot i l’elevat cost d’inversió necessari per a dur a terme la instal•lació global, el període de retorn és d’uns catorze anys. Finalment, una instal•lació d’aquest tipus a la UPC representaria un exemple amb un gran impacte social cap a la sostenibilitat i eficiència energètica en edificis fent ús de les piles de combustible.Peer Reviewe

Control de la dinàmica en Piles de Combustible de tipus PEM

En el Projecte Final de Carrera que es presenta a continuació es desenvolupa la modelització i el control realitzat sobre una Pila de Combustible de Membrana Polimèrica (PEMFC – Proton Exchange Membrana Fuel Cell) emprada com a sistema de producció d’energia per al sector del transport. Les piles de combustible ofereixen un sistema de producció d’energia respectuós amb el medi ambient i de gran eficiència, adequat en el món de l’automoció. Actualment es troben sota un desenvolupament intensiu per part de diversos fabricants tant per aplicacions estacionàries com mòbils. Per realitzar l’estudi de control s’ha implementat un model no-lineal del sistema basat en principis físics, que captura diversos comportaments transitoris, a partir del paquet de software Matlab. La implementació d’aquest model, i la seva posterior linealització en diferents punts d’operació, permet l’ús de diverses tècniques d’anàlisi lineal utilitzades per establir quines són les estructures de control més adients segons les necessitats requerides. L’estudi s’ha basat en un model matemàtic per a la pila de combustible àmpliament utilitzat en la bibliografia existent i sobre el que s’han realitzat diverses modificacions, les quals han sigut analitzades en detall. El disseny dels controladors s’ha centrat en la utilització de controladors PID, solució àmpliament adoptada per la indústria i de fàcil implementació. Aquests controladors s’han dissenyat per tal de poder satisfer les necessitats considerades pel correcte funcionament del sistema estudiat, com són les oscil·lacions del sistema, la rapidesa en la seva resposta i el manteniment de l’estabilitat. S’han analitzat diversos possibles controladors per poder cobrir diferents escenaris sota els quals es pot veure afectat el sistema. Per últim es mostren les simulacions i resultats obtinguts, dels quals es conclou la viabilitat d’utilització de diverses estructures de control i la possibilitat de garantir les especificacions utilitzant un controlador PI descentralitzat

Estudi de la viabilitat econòmica d’un vehicle de transport basat en una pila de combustible polimèrica (PEMFC)

Treballs Finals del Màster d’Energies Renovables i Sostenibilitat Energètica, Facultat de Física, Universitat de Barcelona, Curs: 2013-2014, Tutor: Pere Lluís CabotDes de principis del S. XIX, la humanitat ha anat incrementant el consum de combustibles fòssils destinats al funcionament de la indústria en general i més concretament al transport, sector que consumeix aproximadament el 40% de l’energia primària generada (IDAE, 2014) (WWF, 2014). Aquest consum sempre ha estat estretament lligat a l’extracció i producció de manera exponencial de carbó, petroli i gas natural (BP, 2013) demostrant així que el model energètic actual té una dependència gairebé total de les fonts d’energia no renovables i va en augment amb una taxa mitjana de creixement d’un 2% (ICAEN, 2014). Aquesta dependència comporta certs problemes que es van agreujant amb el temps. Un dels problemes més tangibles és el fet que amb les tecnologies i sistemes d’obtenció de combustibles fòssils actuals, les reserves són finites i, a més a més, en la dècada actual s’ha arribat al pic màxim de producció fent que el preu del petroli s’hagi disparat a valors inesperats i segueixi incrementant any rere any (Peak Oil Association)..

Purificació catalítica d'hidrogen en microcanals

En aquest treball mostrem el funcionament d'un microdispositiu catalític dissenyat al nostre grup de recerca per purificar de manera catalítica i selectiva monòxid de carboni en presència d'hidrogen. Hem aconseguit desenvolupar un mètode per recobrir amb èxit els seus canals, d'entre 2 i 4 μm de diàmetre, amb una capa homogènia d'òxid de titani de només uns 100 nm de gruix. Sobre aquesta fina capa s'han ancorat unes nanopartícules d'or innovadores embolcallades amb lligands rics en silici que presenten una gran estabilitat i activitat per oxidar selectivament el monòxid de carboni (CO-PrOx) en un rang de temperatures comprès entre els 363 i els 473 K. El microreactor representa una intensificació del procés d'oxidació selectiva de CO i, gràcies a la reducció d'escala obtinguda en aquesta microestructura (en comparació amb reactors de parets catalítiques convencionals), s'han obtingut activitats específiques (quantitat de CO convertit per unitat de volum de reactor) cent vegades majors treballant a la mateixa temperatura i amb les mateixes mescles d'alimentació. Així, doncs, el microreactor desenvolupat resulta molt atractiu per realitzar la reacció de CO-PrOx a microescala i per ser combinat amb una etapa de reformació prèvia. L'acoblament d'ambdós processos per alimentar piles de combustible de baixa temperatura ofereix noves possibilitats dins del món de la tecnologia del vector hidrogen i, en concret, per a aplicacions de petita escala i portàtils.This paper describes the operation of a catalytic microdevice designed by our research group to catalytically and selectively purify carbon monoxide in the presence of hydrogen. We have developed a method of successfully coating channels of only 2-4 μm in diameter with a homogenous 100 nm-thick titanium oxide layer. Novel gold nanoparticles protected with a Si-rich shell have been anchored onto this thin layer. The gold nanoparticles show great stability and activity in preferentially oxidizing carbon monoxide (CO-PrOx) in a temperature range of 363 to 473 K. The microreactor intensifies the CO selective oxidation process. Due to the scale reduction achieved in this structure (compared to conventional catalytic wall reactors), specific activities (amount of converted CO per reactor volume) that are 100 times larger were obtained, operating at the same temperature level and with the same feed mixtures. Consequently, this microreactor is very interesting for performance of the CO-PrOx reaction at microscale and for combination with a preliminary reforming stage. The connection of both processes to feed low-temperature fuel cells offers new possibilities in hydrogen technology and, particularly, in small-scale and portable applications