Bienvenida
En el área de las energías renovables existen sistemas para i) generar, ii) almacenar y iii) convertir un tipo energía a otro: los sistemas fotovoltaicos convierten la energía de la radiación solar directamente en energía eléctrica, los aerogeneradores convierten la energía mecánica del viento directamente en energía eléctrica, las baterías se utilizan para almacenar energía mediante reacciones electroquímicas, las celdas de combustible se ubican dentro de los sistemas de conversión de energía y sirven para convertir energía química directamente en energía eléctrica.
Las celdas de combustible no son precisamente un sistema de generación de energía eléctrica que pueda compararse con las celdas fotovoltaicas o los aerogeneradores, sino que utilizan, como su nombre lo indica, un combustible, ya sea hidrógeno, gas metano o alcoholes, de manera análoga a los motores de combustión interna cuyo combustible es la gasolina.
Para ahondar en el proceso de conversión de energía química en energía eléctrica, se conforma la asignatura Celdas de combustible, la cual consta de tres unidades para las que es necesario tener habilidades esenciales y conocimientos de termodinámica, tecnología del hidrógeno, electricidad e instalación de equipos y sistemas energéticos, temas que han sido explicados en semestres previos de la carrera de Energías Renovables. Esta asignatura complementará tu conocimiento acerca de las energías renovables al introducirte a los sistemas de conversión de energía química de un combustible directamente en energía eléctrica a través de dispositivos electroquímicos denominados celdas de combustible.
Fernando. (2010). Kart eléctrico con pila de combustible. [Imagen] Flickr. https://flic.kr/p/8ncLVY
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Competencias
Competencia general
Determina los aspectos electroquímicos y termodinámicos del combustible y del catalizador para diseñar una celda de combustible mediante cálculos numéricos y gráficas, obtenidos por computadora.
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Temario
El contenido que estudiarás en cada unidad de esta asignatura se presenta a continuación.
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Unidad 1. Introducción a las celdas de combustible
1.1. Clasificación de las celdas de combustible
1.1.1. Celdas de combustible de baja potencia: AFC, PEMFC
1.1.2. Celdas de combustible de mediana potencia: PAFC
1.1.3. Celdas de alta potencia: MCFC, SOFC
1.2. Componentes de las celdas de combustible
1.2.1. Electrolitos
1.2.2. Catalizadores
1.2.3. Placas mono y bipolares
1.2.4. Tipos de campos de flujo
1.3. Aplicaciones, ventajas y desventajas de las celdas de combustible
1.3.1. Principales ventajas y desventajas
1.3.2. Aplicaciones de las celdas de combustible
Unidad 2. Termodinámica y electroquímica de las celdas de combustible
2.1. Conceptos fundamentales
2.1.1. Definición de potencial y diferencia de potencial eléctrico
2.1.2. Reacciones de óxido-reducción
2.2. Cálculo de los principales parámetros de una celda de combustible
2.2.1. Potencial eléctrico teórico y eficiencia máxima teórica
2.2.2. Potencial eléctrico y eficiencia reales
2.3. Figuras de mérito: curvas de polarización
2.3.1. Curva de potencial eléctrico en función de la densidad de corriente
2.3.2. Curva de potencia eléctrica en función de la densidad de corriente
2.4. Irreversibilidades de las celdas de combustible
2.4.1. Irreversibilidad por activación
2.4.2. Irreversibilidad por resistencia óhmica
2.4.3. Irreversibilidad por concentración
Unidad 3. Diseño de una celda de combustible
3.1. Aspectos generales de diseño
3.1.1. Criterios de diseño
3.1.2. Interconexión en serie de celdas de combustible: pila o stack
3.2. Obtención de las curvas de polarización
3.2.1. Curva de polarización teórica
3.2.2. Determinación de las irreversibilidades
3.2.3. Curva de polarización real
3.3. Simulación por computadora
3.3.1. Simulación del flujo de combustible a través de los canales
3.3.2. Influencia de los parámetros de diseño sobre el rendimiento de una celda de combustible
Metodología
Se espera que tengas conocimientos básicos de termodinámica, así como claridad en los conceptos de electricidad básica, los cuales engloban el concepto de corriente eléctrica y fuerza electromotriz o potencial eléctrico, así como diferencia de potencial eléctrico (en ocasiones nombrado “voltaje”). El conjunto de estos conceptos es útil para el correcto entendimiento de los fenómenos físicos en una celda de combustible.
El desarrollo de esta asignatura comienza con la definición de diferentes conceptos necesarios para comprender el funcionamiento de una celda de combustible. Una vez definidos, se presenta un panorama general de la tecnología en cuanto a ventajas, desventajas y aplicaciones. La asignatura se basa en la lectura de textos especializados de reconocimiento a nivel internacional en el tema. La computadora se utiliza como herramienta para realizar el cálculo numérico de parámetros teóricos y la predicción de parámetros reales, con el objetivo de diseñar una celda de combustible para una aplicación específica.
Evaluación
Para acreditar la asignatura se espera la participación responsable y activa del estudiante, contando con el acompañamiento y comunicación estrecha con su docente en línea, quien, a través de la retroalimentación permanente, podrá evaluar de manera objetiva su desempeño.
En este contexto, la retroalimentación permanente es fundamental para promover el aprendizaje significativo y reconocer el esfuerzo. Es requisito indispensable la entrega oportuna de cada una de las tareas, actividades y evidencias, así como la participación en foros y demás actividades programadas en cada una de las unidades y conforme a las indicaciones dadas. Los instrumentos de evaluación establecidos para cada actividad contienen los criterios y lineamientos para realizarlas, por lo que es importante que el (la) estudiante los revise antes de elaborar sus actividades.
A continuación, se presenta el esquema general de evaluación correspondiente a esta asignatura:
| Esquema de evaluación | |||
| Evaluación continua | Actividades colaborativas | 10% | |
| Actividades individuales | 30% | ||
| E-portafolio | Evidencia de aprendizaje | 40% | |
| Autorreflexiones | 10% | ||
| Asignación a cargo del docente | Instrumentos y técnicas de evaluación propuestas por el docente en línea | 10% | |
| Calificación final | 100% | ||
Cabe señalar que para aprobar la asignatura, se debe de obtener la calificación mínima indicada por la UnADM
Fuentes de consulta
- Auger M., & Miranda A. (2007). El hidrógeno: Fundamento de un futuro equilibrado. España: Díaz de Santos.
- Comisión Europea. (1999). La energía del hidrógeno y las pilas de combustible: una visión para nuestro futuro. Bélgica: Publicaciones Oficiales de las Comunidades Europeas. ISBN 92-894-6282-5.
- Gottesfeld, S., Springer, T. E., & Sawodzinzki T.A. (1991). Polymer electrolyte fuel cell model. Journal of the Electrochemical Society. 138-8:2334-2342.
- Hooger G., (Ed.). (2003). Fuel cell technology handbook. Boca Raton: CRC Press. Pp. Capítulo 4 y 5. ISBN 0-8493-0877-1.
- Jiao, K., & Li, X. (2011). Water transport in polymer electrolyte membrane fuel cells. Progress in Energy and Combustion Science, 37(3), 221–291.