INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESIQIEIngeniera Qumica Petrolera

Laboratorio de Electroqumica y Corrosin

Practica 4: Pilas de Combustible

Profesor: Ing. Roberto Casillas Muoz

Integrantes: Mancilla Espndola Patricia Gabriela Onofre Meraz Omar Ordoez Galindo Jaime Rodrguez Valencia Agustn Francisco Vsquez Gmez Alfredo Enrique

Grupo: 2PM51 Equipo: 1

Ciclo Escolar: Agosto-Diciembre 2014

Jueves 12 de Febrero del 2015PRCTICA 4: PILAS DE COMBUSTIBLE

OBJETIVOS General Conocer el funcionamiento y caractersticas principales de una Pila de Combustible (FUEL CELL) como dispositivo electroqumico para la generacin de energa elctrica.

Especficos

a) Montar un sistema de pila de combustible (PC) a escala laboratorio.

b) Identificar los componentes de un pila de combustible.

c) Producir Hidrogeno y Oxigeno por medio de un panel solar (PS).

d) Determinar parmetros de operacin

e) Diferenciar un electrolizador convencional y un electrolizador tipo

INTRODUCCION

Desde mediados del siglo XIX ya se conocen los principios del funcionamiento de las pilas de combustible, mucho antes de que pudiesen intuirse sus aplicaciones. Sir William Robert Grove, jurista de profesin y fsico de vocacin, hizo pblico un experimento en 1839 que demostraba la posibilidad de generar corriente elctrica a partir de una reaccin electroqumica entre hidrgeno.El experimento consista en unir una serie de cuatro celdas electroqumicas, cada una de las cuales estaba compuesta por un electrodo con hidrgeno y otro con oxgeno, separados por un electrolito. Grove comprob que la reaccin del hidrgeno en el electrodo negativo combinada con la del oxgeno en el positivo generaba una corriente elctrica.

Fuentes de Energa ms LimpiasEl aumento de la poblacin, el uso masivo de vehculos de transporte y el incremento de la actividad industrial han hecho que en el siglo XX hayamos prcticamente agotado las reservas de combustible fsiles, emitido cantidades ingentes de CO2 a la atmsfera produciendo el temido calentamiento global, y que finalmente, nos hayamos dado de cuenta de la insostenibilidad de esta situacin. Hemos por tanto de buscar alternativas al consumo masivo de combustibles fsiles, y entre estas se encuentran como una buena opcin de futuro el uso de pilas de combustible.

Pilas de Combustible

Unapila de combustible, tambin llamadaclula o celda de combustiblees un dispositivoelectroqumicode conversin de energa similar a una batera, pero se diferencia de esta ltima en que est diseada para permitir el reabastecimiento continuo de losreactivosconsumidos; es decir, produceelectricidadde una fuente externa decombustibley deoxgenoen contraposicin a la capacidad limitada de almacenamiento deenergaque posee una batera. Adems, loselectrodosen una batera reaccionan y cambian segn cmo est cargada o descargada; en cambio, en una celda de combustible los electrodos soncatalticosy relativamente estables.Los reactivos tpicos utilizados en una celda de combustible sonhidrgenoen el lado delnodoyoxgenoen el lado delctodo(si se trata de unacelda de hidrgeno).

Tipos de Pilas de Combustible

xido slido (SOFC) Las SOFC usan como electrolito un componente cermico duro y no poroso. Este tipo de pilas pueden operar a temperaturas muy altas, hasta unos 1.000C, lo que las hace apropiadas para su uso en sistemas estticos tales como centrales de generacin de energa.

Otros tipos de pilas: cido fosfrico (PAFC) Conversin directa de metanol (DMFC) Alcalina (AFC) Carbonato fundido (MFCF) Reversible (Regenerativa)

Nos basaremos en la Pila de Combustible de Membrana Polimrica

Membrana polimrica (PEM) Tambin se llaman pilas de combustible de membrana de intercambio de protones. Las PEM usan como electrolito un polmero slido y electrodos porosos de carbono que contienen platino como catalizador. Necesitan hidrgeno y oxgeno, trabajan a bajas temperaturas y son ligeras, por ello su uso principal se presenta en el sector del transporte.Las pilas de combustible de tipo PEM se denominan as porque el electrolito est constituido por una membrana polimrica que separa la parte andica y catdica de una celda. Se trata de un conductor protnico, que permite el paso a travs de l de los iones H+ , pero con la particularidad de ser impermeable al resto de sustancias. Un esquema simplificado del funcionamiento de un pila tipo PEM puede verse en la figura 5. Bsicamente, una celda est compuesta por tres zonas: un electrodo cargado negativamente (ctodo), un electrodo cargado positivamente (nodo), y en medio la membrana electroltica que separa fsicamente los gases a ambos lados. El combustible, en este caso hidrgeno, es introducido por los canales mecanizados en la placa bipolar por el lado del nodo y guiado a travs de una capa difusora de material carbonoso hasta la capa cataltica, donde tiene lugar la reaccin de oxidacin del hidrgeno (Ec. 1). La capa difusora debe ser un material altamente poroso, de modo que facilite la difusin del hidrgeno para alcanzar ms eficientemente las partculas de catalizador.

Los protones generados atraviesan la membrana polimrica de intercambio protnico, pero los electrones no pueden cruzarla, debido a que no es conductora electrnica y buscan la salida a travs de un circuito alternativo: el formado por las capas difusoras (que al ser de un material carbonoso conducen la electricidad) y las placas, creando una corriente elctrica disponible para la realizacin de un trabajo. Por la otra cara, el aire entra a travs de los canales del ctodo, atraviesa la capa difusora y el oxgeno se combina en la capa cataltica con los protones que pasan a travs de la membrana y los electrones del circuito exterior, generando agua y calor. Estos dos subproductos son evacuados a travs del flujo de gases en el ctodo y, en el caso del calor, adems por conveccin (natural o forzada) con el medio que rodea a la pila. En el caso de una configuracin de varias monoceldas apiladas (lo que constituye realmente una pila), la circulacin electrnica vara, ya que los electrones generados en el nodo de una celda no se recombinan en la reaccin catdica de la misma celda, sino en el ctodo de la celda adyacente. Es el proceso continuo de generacin y recombinacin en celdas consecutivas lo que provoca una circulacin electrnica global a travs del sistema. Las reacciones electroqumicas descritas anteriormente pueden formularse como:

nodo: Ctodo: Global:

APLICACIONES EnergaLas pilas de combustible son muy tiles como fuentes de energa en lugares remotos, como por ejemplo naves espaciales, estaciones meteorolgicas alejadas, parques grandes, localizaciones rurales, y en ciertos usos militares. Un sistema con pila de combustible que funciona con hidrgeno puede ser compacto, ligero y no tiene piezas mviles importantes. Debido a que las pilas de combustible no tienen partes mviles y no implican combustin, en condiciones ideales que pueden alcanzar hasta fiabilidad 99,9999%.Esto equivale a menos de un minuto de tiempo muerto en un perodo de seis aos. CogeneracinLos sistemas combinados de pilas de combustible para producir calor y energa (CHP), incluyendo los microsistemas combinados de calor y energa (MicroCHP), son utilizados para proporcionar calor y energa a hogares, edificios de oficinas y fbricas. Estos sistemas generan energa elctrica constantemente (vendiendo el exceso a la red cuando no se consume) y, al mismo tiempo, produce aire y agua calientes con el calor residual. Como resultado los sistemas CHP tienen el potencial de ahorrar energa primaria ya que pueden hacer uso del calor residual, el cual es normalmente rechazado por los sistemas de conversin de energa trmica.El rango de potencia tpico de una clula de combustible domstica es 13 kWel / 48 kWth.Los sistemas CHP conectados a refrigeradores de absorcin usan el calor residual para la refrigeracin. El calor residual de las pilas de combustible puede ser desviado en verano directamente hacia el suelo consiguiendo enfriamiento adicional mientras que en invierno el calor residual puede ser bombeado directamente al edificio. La Universidad de Minesota posee los derechos de patente de este tipo de sistemas. Vehculos de pila de combustible

El Toyota FCHV PEM FC, un vehculo diseado por Toyota impulsado por hidrgenoAunque actualmente no existen vehculos equipados con pilas de combustibles disponibles para la venta a gran escala, se han lanzado ms de 20 prototipos de vehculos con pilas de combustible (FECV) y coches de demostracin desde el 2009.Algunos expertos creen, sin embargo, que los coches de pilas de combustible nunca llegarn a ser econmicamente competitivos con otras tecnologaso que se tardarn dcadas hasta que sean rentables.En julio de 2011 el presidente y director ejecutivo de General Motors, Daniel Akerson, dijo lo siguiente: El coche todava es demasiado caro y no probablemente no ser prctico hasta ms tarde del 2020, no lo s aunque los precios del coche de pila de combustible de hidrgeno estaban disminuyendo. Motocicletas y bicicletasEn 2005, un fabricante ingls de pilas de combustible alimentadas con hidrgeno,Intelligent Energy(IE), produjo la primera motocicleta propulsada con hidrgeno, llamada laENV(Vehculo de Emisin Neutra). La motocicleta almacena suficiente combustible como para funcionar durante 4 horas y recorrer 160 km en un rea urbana, a una velocidad mxima de 80 km/h.En 2004,Hondadesarroll una motocicleta basada en pila de combustible que utilizaba un apilamiento de pilas de combustible de Honda. Otros ejemplos de motocicletasy bicicletasque usan pilas de combustible de hidrgeno son la scooter de la compaa taiwanesaAPFCTque usa el sistema de combustible de la italianaActa Spay la scooter Burgman deSuzukicon una pila de combustibleIEque recibi elEU Whole Vehicle Type Approvalen 2011.103Suzuki Motor Corpe IE han anunciado una aventura empresarial conjunta para acelerar la comercializacin de vehculos de emisin cero. AvionesEn 2003, el primer avin (no tripulado) enteramente propulsado mediante pilas de combustible hizo su primer vuelo. La pla de combustible era un nico diseo de apilamiento FlatstackTM, que le permita estar integrado en las superficies aerodinmicas del avin. Ha habido varios vehculos areos con pilas de combustible no tripulados (UAV). Un UAVHorizonFuel Cell estableci el record de distancia de vuelo para un UAV pequeo en 2007. BarcosEl primer barco de pila de combustible HYDRA us un sistema AFC con una potencia de salida neta de 6.5 kW. Islandia se ha comprometido a convertir su vasta flota de barcos de pesca en barcos que usen pilas de combustible para proporcionar potencia auxiliar para el 2015 y, finalmente, para proporcionar la potencia primaria.Amsterdamrecientemente ha intruducido el primer ferry de pasajeros que hace un recorrido por los famosos canales de la ciudad alimentado con pilas de combustible. Submarinos

Submarino Type 212 en el puertoLos submarinosType 212A, un avanzado diseo alemn no nucleares, utiliza pilas de combustible (desarrolladas porSiemens) para alimentar nueve propulsores y puede mantenerse sumergido durante semanas sin tener que subir a la superficie.El sistema consiste en 9 pilas de combustible PEM, que proporcionan entre 30 kW y 50 kW cada una. Es silencioso lo que le da ventaja en la detencin de otros submarinos. Un sistema propulsor parecido de pilas de hidrgeno, aunque mejorado tienen los submarinos espaolesS-80desarrollado por Abengoa. Estaciones de servicioLa primera estacin de abastecimiento de hidrgeno como combustible fue abierta enReykjavk,Islandiaen abril de 2003. Esta estacin abastece a tres autobuses construidos porDaimlerChryslery que prestan servicio en la red de transporte pblico de Reykjavk. La propia estacin produce el hidrgeno que necesita, gracias a una unidad electrolizadora (fabricada por Norsk Hydro), y no necesita ser abastecida externamente: los nicos suministros necesarios son electricidad y agua.Shelltambin participa en el proyecto. La estacin no tiene cubierta, para que en caso de peligro el hidrgeno pueda escapar libremente a la atmsfera. Sistemas de energa porttilesLos sistemas de energa porttiles basados en pilas de combustible se pueden utilizar en el sector del ocio (p. ej. carabanas, cabaas, lanchas), el sector indurstrial (p. ej. para alimentar pozos de gas o petrleo situados en lugares remotos, torres de comunicacin, seguridad, estaciones metereolgicas, etc..) y el el sector militar. Otros posibles usos Plantas de potencia base Sistemas Auxiliares de Energa Sistemas decentralizacin de energa Equipo de telecomunicaciones y modernos equipamientos navales. Pilas de combustible de hidrgeno solares para el calentamiento de agua. Vehculos hbridos, utilizando, por ejemplo una pila de combustible y una batera. Sistemas de apoyo a la red elctrica Puertos porttiles para instrumentos electrnicos pequeos (p. ej., una pinza para el cinturn que carga tu mvil oPDA) Smartphones, porttiles y tablets. Conservacin de comida, conseguida eliminando el oxgeno y automticamente manteniendo la ausencia de oxgeno en un contenedor que contenga por ejemplo pescado fresco.Material y Equipo

1. Pila de Combustible (PC) del tipo PEM2. Celda solar o panel solar (PS)3. Fuente de luz artificial (Foco)4. Multmetros 5. Cables tipo caimn 6. Motor de corriente directa con aspas 7. Vasos graduados para el almacenamiento de H2 y O28. Agua destilada

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Desarrollo experimental 1) Utilizando pila de combustible como celda electroltica.

Se identificaron las partes de la pila de combustible. Se coloc la pila de combustible. Utilizo solucin de agua destilada. Se aplic una corriente a la pila para disociar el agua en H2 y O2. Se midi voltaje y corriente de la celda o pila.

2) Utilizando la pila de combustible como celda galvnica. Se invirti el funcionamiento de la pila. La disociacin que se dio en el paso anterior, se utiliz como soluciones de la pila. El combustible fue el hidrgeno y este se oxida en el nodo. El que se redujo fue el oxgeno en el ctodo. Se midi voltaje y corriente de la celda o pila.

Clculos Datos experimentales:CARGA:V=1.6 VI=0.0433 A

DESCARGAV=0.3 VI=0.0312 A Clculo de las potencias elctricas

CARGA: DESCARGA EFICIENCIA

ConclusionesPuedo concluir que las pilas de combustible son una realidad actual, la cual nos brinda gran eficiencia y rendimiento al transformar la energa qumica en elctrica la cual puede ser aprovechada en muchas formas y procesos, desde hacer funcionar un pequeo motor, hasta hacer funcionar una avin completa. Tambin puedo concluir que la eficiencia de la pila va a depender principalmente de las condiciones a las que se est operando, del catalizador que utilice, as como la membrana que se utilice como electrolito.Por ltimo concluyo que el gran rendimiento de ests pilas se debe a que producen su propio combustible (H2), es decir no estn tan limitadas como las dems pilas ya que trabajan en un ciclo de pasar de agua a combustibles y de combustibles a energa ms agua.Jaime Ordez Galindo

Las pilas de combustible actualmente son una alternativa a energas ms limpias que las comunes, la parte importante e interesante de estos dispositivos es que pueden re-alimentarse esto quiere decir que pueden producir hidrgeno a partir de la descomposicin del agua, y as mismo utilizar este hidrogeno para poder realizar trabajos, es una muy buena alternativa ya que a partir de la energa qumica podemos realizar energa elctrica. Puedo decir que estos dispositivos de generacin de energa elctrica sern utilizados masivamente en todos los campos de la industria y ser tan habitual verlos como lo es hoy en da ver una batera corriente. Una de las principales aplicaciones actualmente en las que inciden este tipo de pilas son en los vehculos y estos dispositivos son an mayores en cuanto a rendimiento en comparacin con los motores de combustin. Otra de las principales ventajas que presentan las Pilas de Combustible es que mientras que la quema decombustibles fsilesproduce distintas sustancias txicas, el nico subproducto de las pilas de combustible es agua. Sin embargo como es tecnologa nueva su costo puede ser muy elevado.Por ltimo concluyo que el hidrgeno, es el combustible utilizado por el tipo de pila realizada en la prctica, y puedo concluir que ser uno de los combustibles del futuro y que las tecnologas aplicadas a su produccin, almacenamiento y distribucin tienen una importancia capital para que las pilas de combustible sigan desarrollndose e implantndose en nuestra sociedad.

Rodrguez Valencia Agustn FranciscoRespecto a la experimentacin y los clculos realizados se puede concluir que una pila de combustible de sumamente til, pues al inicio se comporta como una celda electroltica, pues se necesita electricidad y se genera as una reaccin con el fin de producir hidrgeno, as entonces puede convertirse en una celda galvnica y se convierte esa electricidad en trabajo, esto resulta sumamente til, pues es ambientalmente sustentable y proporciona una fuente de energa limpia y til.

Vzquez Gmez Alfredo Enrique

A raz de la experimentacin y el clculo realizado se concluye que las pilas de combustible son una nueva tecnologa muy til en lo que se refiere a la generacin de energa debido a que no tiene limitante ya que esta trabaja en un ciclo de agua a combustible y despus de combustible a una Fem y agua; as tambin cabe sealar que este tipo de pilas son amigables con el medio ambiente. Y est teniendo un gran impacto en todos los sectores por su eficiencia, utilidad y su amabilidad con el medio en diversos procesos; pero al ser una tecnologa nueva su costo es elevado.

Onofre Meraz Omar

Referencias

http://www.energia2012.es/sites/default/files/Hidr%C3%B3geno.%20Pilas%20de%20combustible%20de%20tipo%20PEM.pdf

http://www.unizar.es/icma/divulgacion/pdf/pdfceldascomb.pdf