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Agradecimientos
Desde hace tiempo ya uno de nosotros habíamos pensado en el hidrogeno
como energía pero de manera muy vaga, cuando nos reunimos por primera vez
con nuestro equipo decidimos hacer “algo mas” en este proyecto, aunque los
primeros bocetos eran algo alocados y costosos. En las primera semanas
fueron muchos los problemas a afrontar hasta llego el dia en que
infortunadamente decidimos “dejar” nuestro proyecto en algo teorico por
razones de costos, cosa que en nuestro estado actual no era viable.
Fueron muchas las decisiones y las “jaladas de chuleta” que tuvimos para
hacer este humilde proyecto. Aunque en parte hemos copiado cosas de
algunas otras tesis y de libros hemos entendido que el futuro esta en esta
tecnología pero que infortunadamente por el momento es costosa.
Por todo ello y mucho mas queremos agradecer a todos y cada uno de los que
conformamos este equipo , por todos los días que nos quedamos “después de
la u” por esas veces que comíamos en la casa de alguien por “ahorrar comida y
pasaje”. Queremos también agradecer a nuestro profesores por alentarnos en
esos momentos difíciles de angustia y llevarnos por el camino correcto.
A nuestros compañeros que nos decían “pero si es barato” y nos alentaban a
seguir con este proyecto.
Por ultimo, aunque no menos importante, darle gracias a Dios por habernos
permitido llegar hasta aquí.
Muchas gracias a todos.
Proyecto Terodinamica IIDiseño y Construccion de un Go Kart Hibrido [Bateria – Celda de Combustible]
Resumen
La situación energética actual se basa en un modelo insostenible desde los
puntos de vista económico y medioambiental. La tecnología de las pilas de
combustible ofrece la posibilidad de disponer de energía de manera eficiente,
limpia y abundante, ya que el hidrogeno que utilizan para funcionar se puede
obtener de numerosas fuentes. Aunque existen numerosos tipos distintos de
pilas, las de hidrogeno son las que ofrecen mejores características para su
utilización en aplicaciones portátiles y de automoción.
En este proyecto se han estudiado los fundamentos de funcionamiento de una
pila de combustible de membrana de intercambio de protones. Se trata de un
sistema que consume hidrogeno y oxígenos para generar electricidad, calor y
agua.
La aplicación de esta celda de combustible con fin practico va dirigida hacia el
sector de la automoción por eso en este proyecto se diseña un prototipo de GO
KART, un hibrido de batería y celda de combustible.
Aunque infortunadamente no se pudo tener el proyecto en un prototipo real por
los costes que demanda importar los materiales necesarios y la escasez de los
mismo el presente proyecto se realiza en carácter teorico.
AbstractProyecto Terodinamica IIDiseño y Construccion de un Go Kart Hibrido [Bateria – Celda de Combustible]
The current energy situation is based on an unsustainable model from the point
of economically and environmentally. The technology of fuel cells offers the
possibility to have energy efficient, clean and abundant, since they use
hydrogen to run is available from numerous sources. Although there are many
different types of batteries, hydrogen are those that offer better features for use
in portable and automotive applications.
In this project we have studied the basics of operating a fuel cell proton
exchange membrane. It is a system that uses hydrogen and oxygen to generate
electricity, heat and water.
The application of this fuel cell so the practice is directed towards the
automotive sector in this project so designing a prototype of GO KART, a hybrid
battery and fuel cell.
Although unfortunately could not get the project in a real prototype for the costs
demanded by importing the necessary materials and the scarcity of this project
it is done in a theoretical one.
MOTIVACION Y OBJETIVOS
Proyecto Terodinamica IIDiseño y Construccion de un Go Kart Hibrido [Bateria – Celda de Combustible]
Este proyecto se centra en el estudio del diseño de una pila de combustible de
membrana de intercambio de protones, comúnmente conocida como pila PEM
(de sus siglas en ingles Proton Exchange Membrane)
Aunque existen numerosos tipos de pilas de combustible, cada una con sus
ventajas, inconvenientes y aplicaciones portátiles y de automoción. Este tipo de
dispositivo es capaz de generar electricidad a partir de hidrogeno proveniente
de diversas fuentes y de oxigeno de la atmosfera, produciendo como residuo
únicamente calor y agua.
Para estudiar el funcionamiento de la pila PEM, se ha partido de las ecuaciones
que regulan su comportamiento, valido para pilas que funcionan por debajo de
los 100 ºC.
Este modelo se centra en el funcionamiento de la pila de combustible
propiamente dicha, pero es necesario mencionar que el funcionamiento de este
tipo de dispositivos requieren el apoyo de una serie de sistemas auxiliares
(humidificación, ventiladores, compresores, bombas, reguladores e inversores),
cuya complejidad harian necesario un modelado aparte de cada uno de ellos y
cuyo modelado no se ha contemplado en este trabajo.
El diseño del go kart ha sido adaptado para un funcionamiento conjunto con la
pila de combustible tomando planos de dominio publico y aplicándolos a
nuestro modelo.
Proyecto Terodinamica IIDiseño y Construccion de un Go Kart Hibrido [Bateria – Celda de Combustible]
Debido a la gran extensión y complejidad que supone el diseño del go-kart para
un uso practico algunos características del vehiculo han sido afectadas en
menor o mayor medida y han sido modeladas de la mejor forma para no omitir
términos.
Los factores y parámetros que intervienen en la celda de combustible están
relacionados entre si de una manera mas “real” de acuerdo a nuestro criterio
por la dificultad de su diseño y la explicación del mismo.
Proyecto Terodinamica IIDiseño y Construccion de un Go Kart Hibrido [Bateria – Celda de Combustible]
PRIMERA PARTE
DESCRIPCION
Capitulo 1
Proyecto Terodinamica IIDiseño y Construccion de un Go Kart Hibrido [Bateria – Celda de Combustible]
INTRODUCCION
1.1 Interés del Hidrogeno como Vector Energético
No hará falta que transcurra muchos años para que nuestra generación y
las precedentes sean objeto de severas condenas por el colosal despilfarro
energético que han cometido en el último siglo, dedicando el petróleo a
combustible universal cuando de por si era materia propicia a convertirse
en centenares de productos más útiles y valiosos, que van desde los
plásticos hasta las parafinas, las esencias y tantas mas familias de
substancias provechosas. Huelga poner énfasis en el grandioso disparate
que es quemar petróleo cuando los resultados de hacerlo podrían
obtenerse de otras formas y procedimientos que no sean la mera
combustión de hidrocarburos.
Al hablar de desatinos no puede dejar de mencionarse otro similar y acaso
tan grave o mas que se esta cometiendo con el empleo abusivo de la
madera, devastando cada año miles y miles de kilómetros cuadrados de
bosques y selvas cuya significación para el equilibrio planetario no hace
falta subrayar. Se pudo ser tolerante con edades antiguas obligadas a talar
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arboles para procurarse leña y madera, pero cada dia podemos serlo
menos con el uso de estas para pasta de papel y para fabricar estructuras y
muebles que cabe obtener con otros materiales, algunos procedentes del
reciclado.
Se esta poniendo de manifiesto cada dia mas que los grandes beneficios
de ciertas empresas consisten a menudo en las sustracciones que
perpetran en el patrimonio común.
Sin duda, serán los contados países atrasados que disponen de grandes
pozos de petroleo y plutocráticas elites gobernantes quienes defenderán
que se siga usando este combustible hasta la ultima gota, formando coro a
veces con marcas automovilísticas y variadísimos intereses que se lucran
de que la economía actual del trasporte continue como ayer. La resistencia
de los restantes focos de contaminación ambiental, rebeldes a los acuerdos
de Kioto, testifica lo vigorosos y testarudos que son los sectores que
propugnan la continuidad empavida en los errores y abusos precedentes.
1.2 El hidrogeno como alternativa
Llegados a este punto y enfrentados a una situación energética que tocara
fondo dentro de no demasiado tiempo, se hace necesaria la búsqueda de
alternativas que permitan seguir disfrutando de la calidad de vida actual. El
sistema sostenible que cabria esperar se basara en las fuentes de energía
renovables, pero esta opción no se puede aplicar en todos los campos. En
automoción, por ejemplo, seria inviable utilizar paneles solares o
aerogeneradores como única fuente de energía de los vehículos.
Ante esta situación, el hidrogeno y las pilas de combustible se presentan
como una alternativa para la aplicación de transporte, hogares
autosuficientes, generación estacionaria de potencia y hasta misiones
espaciales.
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El hidrogeno se viene utilizando desde hace años en la industria química y
petroquímica; se utiliza para procesamiento y refinado de combustibles
fósiles, así como en la síntesis del amoniaco. También se utiliza en
aplicaciones tales como agente hidrogenante de alimentación, producción
de diversos ácidos, agente reductor de metales y como escudo de gas de
soldadura.
Desde el punto de vista de la ingeniería es interesante mencionar que se
utiliza como elemento refrigerante en generadores eléctricos (debido a su
elevada conductividad térmica), asi como investigación criogénica y
superconductividad; además, sus isotopos tienen un sinfín de aplicaciones.
1.3 Vector Energético
El atomo hidrogeno esta formado por un proton y un electron y en
condiciones normales se presenta como un gas estable en moléculas
diatómicas es incoloro, inodoro, insípido y no toxico.
Es el elemento mas abundante del universo y su capacidad de reaccionar
con el oxigeno liberando energía lo convierte en un excelente combustible.
Sin embargo, no se encuentra en estado puro en la tierra, y para obtenerlo
es necesario aplicar energía; por este motivo no se considera a este
elemento como una fuente de energía, sino que mas bien un vector
energético.
Entre las ventajas del hidrogeno cabe mencionar la nula producción de
emisiones de CO2 (solo se produce agua) y su elevada volatilidad, lo cual
lo convierte en un combustible muy seguro en espacios abiertos. Además
de su baja densidad, el hidrogeno tiene una baja energía de activación, es
decir: se necesita muy poca energía para que entre en combustión, lo que
en función de los objetivos que se persigan puede comenzar como ventaja:
si se quiere comenzar con una reacción de combustión; o como desventaja:
resulta mas fácil que se inicien combustiones no deseadas.
1.4 Generacion de Hidrogeno
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La producción de hidrógeno se realiza mediante diversos métodos que
requieren la separación del hidrógeno de otros elementos químicos como el
carbono (en los combustibles fósiles) y el oxígeno (del agua).
El hidrógeno se extrae tradicionalmente de los combustibles fósiles
(habitualmente hidrocarburos) - compuestos de carbono e hidrógeno- por
medio de procesos químicos.
El hidrógeno también puede ser obtenido del agua por medio de producción
biológica en un biorreactor de algas, o usando electricidad (por electrólisis-
electrolisis del agua)- químicos (por reducción química) o calor (por
termólisis); estos métodos están menos desarrollados en comparación con
la generación de hidrógeno a partir de hidrocarburos pero su crecimiento
aumenta ya que, por sus bajas emisiones en dióxido de carbono permiten
reducción la contaminación y el efecto invernadero. El descubrimiento y
desarrollo de métodos más baratos de producción masiva de hidrógeno
acelerara el establecimiento de la denominada economía de hidrógeno.
Capítulo 2
La pila de combustible de
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Membrana de intercambio de protones (PEM)
2.1. Introducción
Una pila de combustible o Fuel Cell es un dispositivo electroquímico de
conversión de energía. La pila de combustible convierte el hidrógeno y el
oxígeno en agua, en esa transformación se genera electricidad.
Mediante un proceso de combustión fría, convierte la energía química de un
combustible en energía eléctrica útil, además de calor y agua pura, todo ello sin
un proceso de combustión como paso intermedio. Estas pilas de combustible
están formadas por dos electrodos separados por un electrolito, y generan
electricidad siempre que se les provea de combustible y oxígeno. Pueden
utilizar hidrógeno puro de forma directa, o cualquier combustible (gasolina,
metanol, metano, hidrógeno, etanol, gas natural, gas licuado, etc.), que permita
obtener gas rico en hidrógeno mediante un proceso interno de reformado.
Otro dispositivo electroquímico con el que estamos más familiarizados es la
batería. Una batería contiene dentro de sí misma, todos los elementos que
necesita para producir la electricidad. Esto significa que cuando se agotan,
tienes que recargarla o reemplazarla por otra.
Con la pila de combustible, los elementos químicos fluyen constantemente
dentro de la misma, por lo que nunca se agota. Siempre que se produzca ese
flujo químico, se generará electricidad. El elemento principal es la célula de
combustible. Hay diferentes tipos de células de combustible, según el proceso
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químico (electrolito) que utilicen para producir electricidad. Unas son más
adecuadas para plantas generadoras, otras son más indicadas para
aplicaciones portables o para ser utilizadas en los coches.
La pila de combustible de membrana de intercambio de protones (proton
exchange membrane fuel cell o PEMFC) es una de las tecnologías más
prometedoras. Veamos cómo funciona…
Membrana de Intercambio de Protones
El ánodo, borne negativo de la célula, cumple varias funciones. Por un lado
conduce los electrones liberados por las moléculas de hidrógeno de forma que
ese flujo pueda ser aprovechado por un circuito externo. Está repleto de
pequeños canales que dispersan el gas de hidrógeno por toda la superficie del
catalizador.
El cátodo, borne positivo de la célula, también está repleto de pequeños
canales para distribuir uniformemente el oxígeno en la superficie del
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catalizador. Conduce los electrones del circuito externo al interior de la célula,
donde pueden recombinarse con los iones de hidrógeno y de oxígeno para
producir agua.
El electrolito es la membrana de intercambio de protones (PEM). Un material
especialmente tratado para conducir únicamente los iones cargados
positivamente. La membrana bloquea el paso de los electrones.
El catalizador es un material especial que facilita la reacción entre el oxígeno y
el hidrógeno. Suele consistir de un papel carbón o tela fina impregnada de
polvo de platino. El catalizador es áspero y poroso para ofrecer la máxima
superficie de platino a las moléculas de oxígeno e hidrógeno.
2.2 Funcionamiento
El hidrógeno en estado gaseoso (H2), se inyecta a presión en la pila de
combustible por la parte del ánodo. Cuando una molécula de H2 entra en
contacto con el catalizador (platino), se divide dando lugar a dos iones (H+) y
dos electrones (e-). Los electrones salen de la célula a través del ánodo,
recorriendo un circuito externo y produciendo algún trabajo útil, como el de
arrancar un motor. Finalmente regresan de nuevo a la célula atravesando el
cátodo.
Mientras tanto, en el lado del cátodo, se fuerza el paso del oxígeno al
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catalizador, lugar en el que se descompone en dos átomos. Cada uno de estos
átomos posee una fuerte carga negativa que atrae a los dos iones de
hidrógeno (H+) que atraviesan la membrana combinándose, cada uno de ellos,
con un átomo de oxígeno y con los dos electrones que provenían del circuito
externo, constituyendo una molécula de agua (H2O).
Esta reacción en una sóla célula produce una tensión de 0.7 voltios. Para
conseguir una tensión mayor, lo que se hace es combinar varias células
formando una pila de células (pila de combustible). Las constantes
innovaciones que se están realizando tanto en el diseño como en los
materiales, permiten que, hoy en día, una pila del tamaño de una maleta
pequeña pueda hacer funcionar un coche.
2.3 Problemas con la Pila de Combustible
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Hasta aquí todo parece muy bonito, sin embargo, no todo es perfecto.
Hemos visto que la célula de combustible necesita de un flujo constante de
oxígeno e hidógeno para funcionar. El oxígeno requerido proviene del aire. De
hecho, en una típica célula PEM, el aire exterior se inyecta directamente dentro
del cátodo. Lamentablemente, el hidrógeno no está disponible tan fácilmente y
se necesita consumir mucha energía para producirlo. El hidrógeno también
presenta importantes limitaciones de tipo práctico. Por ejemplo, no hay
surtidores de hidrógeno cerca de tu casa donde poder repostar.
El hidrógeno es difícil de almacenar y de distribuir. Sería interesante poder usar
un combustible en las pilas que fuera más fácil de conseguir. Esto es lo que
realizan unos dispositivos denominados reformadores. Un reformador,
convierte hidrocarburos o alcohol en hidrógeno que, a su vez, puede ser usado
en la pila de combustible. Lamentablemente, los reformadores no son tampoco
perfectos: producen calor y generan otros gases además del hidrógeno.
Además, el hidrógeno generado no es del todo puro, con lo que la eficiencia
desciende considerablemente.
Algunos de los combustibles más adecuados para obtener hidrógeno son el
gas natural y el metanol. Mucha gente dispone en sus casas de gas natural o
bombonas de propano que se podrían utilizar para alimentar pilas de
combustible en el hogar. El metanol, por otra parte, es un combustible líquido
similar a la gasolina y puede ser utilizado en pilas de combustibles para los
coches. Es fácil de transportar y de distribuir. Podría convertirse en el candidato
ideal para hacer funcionar a los coches con pila de combustible.
2.4 El primer automóvil a hidrógeno fabricado en serie
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El motor de este BMW de la Serie 7, con doce cilindros y propulsado con
hidrógeno tiene una potencia de 150 kW, una aceleración de 0 a 100 km/h en
9,6 segundos, y alcanza una velocidad máxima de 226 km/h. Gracias a su
tanque criogénico de 140 litros, tiene un alcance de 350 kilómetros. A ello se le
suma una alimentación convencional a nafta, que - en virtud de la aún muy
incompleta red de suministro con hidrógeno - permanece siempre a bordo. El
motor sólo tiene una diferencia sustancial respecto de los convencionales: tiene
válvulas inyectoras adicionales para el hidrógeno.
Ventajas
-Nula emisión de contaminantes.
-Prestaciones equiparables a las de un automóvil convencional.
-Consumo y mantenimiento inferior al de cualquier coche actual.
Desventajas
-Peso elevado de la pila de combustible, que se instala en los coches-prototipo.
-Carencia de infraestructuras para el suministro de hidrógeno, metanol o gas
natural.
-Fiabilidad todavía por demostrar de diversos elementos.
-Elevado costo, debido a la escasa producción de algunos componentes. Hoy,
un coche con pila de combustible cuesta aproximadamente un 30% más que
uno de gasolina o diesel con prestaciones similares.
-La tecnología de la pila de combustible ha obtenido significativos avances en
los últimos años, y algunos fabricantes de automóviles ya han comenzado a
ensayar esta tecnología en la propulsión de automóviles experimentales o
como fuente de energía alternativa. No obstante, estos prototipos todavía son
demasiado pesados y costosos, porque las pilas de combustible resultan
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voluminosas, pesadas y caras. En Estados Unidos, los tres mayores
fabricantes de automóviles desarrollan en cooperación con compañías
especializadas, sus propios automóviles con sistema de pila de combustible.
Capitulo 3
Membrana de Intercambio de Protones
La diferencia fundamental entre la pila PEM y el resto radica en el electrolito
empleado.
Se trata de una membrana polimerica de entre 75 y 150 micras que recibe el
nombre comercial de Nafion, fabricado por Dupont, que es un derivado del
Teflon cuya estructura se muestra en la Figura 1.
Desde los inicios de la pila de combustible, la funcion que desempenaba la
membrana era la de proporcionar una barrera a los gases reactantes, y al
mismo tiempo una buena conductividad ionica. En las primeras aplicaciones se
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utilizaron acidos fuertes para proporcionar contacto entre las membranas y las
superficies cataliticas, pero en posteriores desarrollos se demostro que las
celdas individuales funcionaban mejor sin la presencia de acidos, debido
fundamentalmente a problemas de corrosión.
Como resultado de las experiencias acumuladas, las actuales pilas PEM solo
utilizan como electrolito la propia membrana hidratada.
En general, un electrolito comun es una sustancia que se disocia en iones
cargados positiva y negativamente en presencia de agua, haciendo por ello que
la solucion acuosa sea conductora de la electricidad debido al propio
movimiento de los iones. Pero en el caso de las pilas PEM el electrolito usado
es un tipo de plastico similar en apariencia a las películas usadas en el ambito
domestico para envolver alimentos y, como se ha mencionado antes,
recibe el nombre comercial de Nafion. Las membranas de este material poseen
una extraordinaria estabilidad química y térmica, y soportan la acción de
numerosos agentes oxidantes o reductores, asi como temperaturas
relativamente elevadas. El electrolito de las pilas PEM es un tanto peculiar, ya
que para el correcto funcionamiento de todo el dispositivo esta debe
mantenerse humedecida en todo momento, de manera que el agua es
absorbida por la membrana para que, debido a la estructura quimica del Nafion,
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los iones negativos queden retenidos dentro de el, mientras que solo los iones
positivos contenidos en la membrana son moviles y libres para llevar
carga positiva desde el anodo hasta el catodo.
En las PEM estos iones positivos son iones hidrogeno o protones, de aqui la
designacion “Membrana de Intercambio de Protones”. Este movimiento de
cargas positivas en una sola dirección dentro de la pila de combustible es
esencial para su correcto funcionamiento, ya que sin este circuito formado por
la celda, la conexion entre electrodos y la carga permaneceria abierto y no
circularia corriente alguna.
Aunque por requerimientos del diseno de las pilas de combustible las
membranas de Nafion son muy delgadas, constituyen un medio muy efectivo
de separacion entre los gases reactantes; puede mantener separados el
hidrogeno (combustible) del oxigeno (oxidante), lo que representa una
caracteristica fundamental para el buen funcionamiento de la pila.
Como se ha comentado anteriormente, este tipo de membrana polimerica
constituye un buen conductor ionico, pero no asi de electrones, ya que su
naturaleza organica los convierte en buenos aislantes electricos. Debido a esta
propiedad aislante, los electrones producidos en el anodo del dispositivo deben
desplazarse a traves de un circuito externo para poder llegar al catodo y
alimentar asi a la carga con la que interesa trabajar.
La membrana de electrolito polimerico es un polimero organico solido
compuesto por acido poli – perfluorosulfonico, y en el caso del Nafion consta de
tres zonas bien diferenciadas :
_ Una cadena principal de fluorocorbonos (Teflon), repetida cientos de veces.
_ Cadenas laterales que conectan la cadena.
_ Grupos ionicos formados por grupos sulfonicos.
El Teflon (Politretrafluoroetileno, o PTFE), en un polímero resistente al ataque
químico y fuertemente hidrófobo, propiedad en la que se basa su utilización en
la construcción de electrolitos para pilas de combustible para eliminar el agua
obtenida en la oxidación del hidrogeno, evitando asi el encharcamiento del
mismo. Pero para obtener el electrolito como tal es necesario anadir otra fase
adicional. El polimero PTFE se sulfata, y en uno de los lados de la cadena se
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anade un grupo sulfonicos HSO3. Este grupo se enlaza ionicamente,
obteniendose al final de la cadena lateral un ion SO3.
Como consecuencia de la presencia de estos iones y de los H+, se produce
una fuerte atraccion entre los iones positivos y negativos de cada molecula, de
manera que se forman una serie de agrupaciones dentro del material. El acido
sulfonico es fuertemente hidrofilo, encontrandose en el interior de una
estructura hidrofoba. La region hidrofila localizada alrededor de los agregados
de cadenas laterales sulfonadas puede absorber grandes cantidades de agua,
de manera que dentro de estas regiones hidratadas los protones son
debilmente atraidos por los grupos SO3 y gracias a ellos son
capaces de desplazarse. Esta morfologia de microbases separadas esta
esquematizada en la Figura 1.
Por lo tanto, puede resumirse que el Nafion es un material con alta resistencia
mecánica y quimica, y que puede absorber grandes cantidades de agua, de
manera que permite a los protones moverse dentro de el con cierto grado de
libertad. Sin embargo, la conductividad ionica del Nafion aumenta a medida que
lo hace la humedad relativa, pero no asi con el incremento de la temperatura,
ya que este se ve incapaz de retener agua a temperaturas superiores a los
800 C. Este ultimo es un factor determinante en el diseno de las pilas de
combustible tipo PEM.
3.1 Catalizadores en las pilas PEM. Adsorcion del Hidrogeno
El catalizador que mejor trabaja en ambos electrodos de la pilas PEM es el
platino, un material extremadamente costoso y que encarece enormemente
estos dispositivos.
Una vez que el combustible (hidrogeno), atraviesa la capa de difusion de la pila
y llega al anodo, este se encuentra con una capa de electrolito basada en
platino, el cual cataliza la disociacion de la molecula de combustible en dos
atomos de hidrogeno enlazados con dos atomos de platino. En este momento,
cada atomo de hidrogeno libera un electron para formar un ion hidrogeno H+,
de acuerdo con las siguientes reacciones:
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Este proceso de entrada en contacto del hidrogeno con el platino recibe el
nombre de adsorcion, y esta representado de forma esquematica en la figura 1.
Una vez disociado el hidrogeno, los electrones son conducidos a traves de un
circuito externo para alimentar una carga, mientras que lo iones de hidrogeno
atraviesan la membrana polimerica de Nafion hasta llegar al catodo, donde
reaccionan con los electrones del circuito externo y el oxigeno para generar
vapor de agua.
3.2 Ensamblaje Membrana polimerica-Electrodos. Placas de
Difusion
Resulta habitual denominar Membrana Electrode Assembly al conjunto formado
por el ensamblaje Anodo/Electrolito/Catodo, mas conocido como MEA
(Ensamblaje de Membrana y Electrodos). Como se ha comentado en el
epigrafe anterior, la fabricacion de los conjuntos MEA ha evolucionado mucho
desde los programas de la NASA de los años 60, pero a dia de hoy se sigue
denominando a estos ensamblajes como MEA3, que incluyen dos electrodos y
membrana electrolitica; o MEA5, que incluyen los dos electrodos,
membrana electrolitica y placas de difusion de gases.
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En contra de lo que en un principio podria pensarse los electrodos de un
conjunto MEA no se fabrican como tales para las pilas PEM. Se trata en
realidad de un complicado proceso de union entre el material de los electrodos,
la membrana polimerica y el catalizador, y afirmar que estos componentes
existen por separado resulta admisible solo a nivel docente, ya que en realidad
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se encuentran “impregnados” unos sobre otros. El modo de construir un
conjunto MEA depende del fabricante, pero se puede decir que una de las
formas de fabricacion mas estandarizada se lleva a cabo en Los Alamos
National Laboratory .
Las Capas de Difusion de Gases, llamadas en ingles “Backing Layers”, estan
situadas una junto al anodo y otra junto al catodo. Habitualmente se fabrican en
un material poroso de tela de grafito con espesor determinado, de modo que
sean capaces de conducir los electrones en su desplazamiento a traves del
circuito externo. La Figura 3 representa la estructura porosa de estas capas y
como se situan en el esquema general de la pila.
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Figura 3: Esquema de las Capas de Difusion de Gases. Los gases reactantes penetran en el
apilamiento y se distribuyen uniformemente por la mayor parte de la superficie de los electrodos
catalizados.
Las capas de difusion de gases son fundamentales para el funcionamiento de
las pilas de combustible, y cumplen basicamente cuatro funciones:
Facilitar la difusion del gas hasta los electrodos.
Soportar mecanicamente el conjunto MEA3.
Ofrecer un camino de salida del anodo y entrada al catodo a los
electrones.
Extraer el agua producto de la reduccion en el catodo.
Estas capas de difusion estan situadas entre las placas bipolares (de las que
se hablara en el siguiente epigrafe), y los electrodos catalizados, de manera
que su naturaleza porosa asegure una difusion efectiva de cada gas reactivo
en el catalizador. La difusion se refiere al flujo de moleculas gaseosas desde la
zona de alta concentracion , en el lado exterior de la Backing Layer por donde
fluye el gas reactante, hacia la region de menor concentracion, el lado interior
de la capa de difusion pegada a la capa del catalizador donde el gas es
consumido en la reaccion.
Se trata, pues, de conseguir que los gases reactantes se distribuyan de tal
manera que consigan alcanzar la superficie completa del catalizador y, de este
modo, aprovechar al maximo su superficie.
Las capas de difusion tambien contribuyen en la gestion del agua de la pila.
Como se habia comentado, tanto un deficit como un exceso de agua pueden
hacer que el dispositivo deje de funcionar. De la eleccion de un buen material
depende que la cantidad de agua de la PEM sea la adecuada para lograr que
la membrana se mantenga hidratada, permitiendo tambien que el agua liquida
producida en el catodo sea expulsada de la celda sin llegar a inundarla.
Las capas de difusion estan a menudo impermeabilizadas con Teflon para
intentar asegurar que la mayoria de los poros del carbono del que estan hechas
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las Capas de Difusion no se inunden de agua, lo que impediria una correcta
velocidad de reaccion de los gases en los electrodos.
3.3 Placas bipolares
Prensados contra cada una de las dos capas de difusion de gases - tambien
llamadas capas de apoyo o soporte – se encuentra otro componente de la
celda elemental de un pila de combustible PEM.
Figura 3: Estructura basica de una placa bipolar (izda.), y ejemplo real de placa de material
compuesto carbono-carbono (dcha.), fabricada por el Oak Ridge Nacional Laboratory (U.S.
Department of Energy) .
Las placas bipolares son los componentes situados en los extremos de una
celula, y deben estar fabricadas de un material ligero, fuerte, conductor de
electrones e impermeable al gas. Entre los materiales mas comunes se
encuentra el grafito y algunos metales, pero a todos ellos se une la dificultad de
evitar las fugas de hidrogeno, ya que se trata de un gas extremadamente
volatil. Las labores de mecanizado suelen ser muy delicadas y complejas,
sobre todo con el empleo del grafito; y el uso de algunos aceros implica riesgos
de corrosion y fragilidad.
Basicamente, las placas bipolares desempeñan dos funciones:
Proporcionar un canal de flujo al gas reactante.
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Servir de colectores de corriente.
La cara de la placa bipolar situada junto a la capa de difusion de gas esta
dotada de unos canales situados sobre su superficie .Estos canales transportan
el gas reactante a lo largo y ancho de toda la superficie de la capa difusora
correspondiente.
Tanto el diseno de estos canales “estampados”, como su anchura y
profundidad tienen un efecto muy importante en la distribucion uniforme de los
gases sobre la superficie catalizada del MEA, asi como en el suministro y
evacuacion del agua en todo el dispositivo.
Esquema de una celda elemental completa.
Los electrones producidos en la etapa de oxidacion del hidrogeno deben ser
conducidos a traves del anodo, la capa de difusion de gases y la placa bipolar,
desplazarse a lo largo del circuito externo y reentrar de nuevo en la celula a
traves de la placa bipolar del catodo.
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3.4 Concepto de Apilamiento de Celdas Elementales
Tal y como se ha comentado a lo largo de este capitulo las celdas elementales
funcionan por debajo del 100% de eficiencia; la tension de salida de una celula
elemental ronda los 0.7V, y su eficiencia no es mucho mayor del 60%.
Ya que la inmensa mayoria de las aplicaciones necesitan tensiones mucho
mayores, la tension necesaria de obtiene conectando en serie las celdas
elementales y formar asi un apilamiento denominado Fuel Cell Stack; esto es lo
que finalmente se conoce como Pila de Combustible, propiamente dicha.
Para evitar en la medida de lo posible un aumento del precio y del peso del
dispositivo, las celdas elementales se unen entre si mediante las placas
bipolares, de manera que se utiliza una sola placa con doble canalizacion entre
cada una de las superficies activas según se indica en la Figura 25. Es
importante reiterar que estos elementos estan fabricados con materiales
impermeables al gas, ya que de otro modo los gases reactantes podrian
mezclarse y reaccionar antes de tiempo, por lo que los electrones obtenidos no
se podrían aprovechar.
Lo metodos de fabricacion de las placas bipolares son poco conocidos, ya que
en la mayoria de los casos suelen ser patentes protegidas. Sin embargo, son
procedimientos caros debido fundamentalmente a que tienen una cierta
“componente artesanal”. Sin embargo, se sabe de la existencia de metodos de
fabricacion que prometen menores costes y amplias posibilidades de
automatización.
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Union de celdas elementales mediante placas bipolares de doble
canalizacion.
En cualquier caso y a corto plazo, el area de una celda puede variar entre unos
pocos cm2 hasta superficies mayores; una pila puede tener unas pocas celdas
apiladas o cientos de ellas conectadas en serie mediante placas bipolares, y
para aplicaciones en las que se necesita gran potencia se pueden usar varios
stacks combinados en serie o en paralelo.
3.5 Diseño del apilamiento.
De acuerdo con todo lo que se ha visto hasta ahora, queda claro que son
numerosos los parametros que hay que tener en cuenta a la hora de disenar
una pila de combustible. Aunque existen varios tipos de configuraciones, la
mas comunmente utilizada en las Pilas de Membrana de Intercambio de
Protones es la de las placas bipolares. Y sin embargo, los materiales y
metodos de fabricacion usados difieren solo ligeramente unos de otros. En esta
configuracion, una sola placa bipolar conductora esta en contacto con el anodo
de una celda y el catodo de la adyacente, dejando de este modo ambas celdas
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conectadas en serie. Ademas, esta configuracion aporta perdidas electricas
minimas al total del sistema.
Interconexion vertical de celdas mediante el metodo de la placa bipolar.
Debido a la complejidad de un sistema electroquimico de generacion de
potencia, se tienen que tener en cuenta numerosos factores y limitaciones para
poder desarrollarlo correctamente. Estas limitaciones son las siguientes:
Tamano, peso y volumen
Costes
Temperatura de operacion
Gestion del agua y Humidificacion
Presiones parciales de combustible y oxidante
Tipo de pila y almacenamiento
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Principio de apilamiento de un “stack” de pilas de combustible
Capitulo 4
Diseño mecánico del go-kart
4. Introduccion
El interés de utilizar la pila de combustible para un fin practico nos llevo a
nuestro equipo hacernos la pregunta “¿y para que serviría la pila de
combustible?” una pregunta un poco vulgar pero bastante objetiva.
Como se mencionó en capítulos anteriores la concienciación
medioambiental y los regímenes de contaminación nos hicieron pensar
en un fin practico y utilitario para nuestra pila de combustible es por eso
que utilizamos una plataforma “go-kart” para darle practicidad y
funcionalidad.
Aunque en fase de prototipo nuestra idea original era crear una
plataforma móvil que pudiese al menos llevar a una persona promedio.
En el presente capitulo presentamos el diseño y el modelado de nuestro
go-kart.
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4.1. Diseño del go-kart
Los planos los hemos tomado de un servidor de dominio publico
“kartbuildings.com” y los hemos adecuado a nuestra pila de combustible
y al pequeño motor eléctrico de corriente continua que utilizaríamos para
dar movimiento a nuestro coche.
Un gokart común se presenta en la figura 4.0
Figura 4.0 go-kart monovolumen de 1 plaza
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Para nuestro go-kart hemos utilizado la siguiente estructura:
El problema con el que nos enfrentábamos ahora era: “¿el peso en seco aumentaría entonces tendríamos que utilizar una celda mas grande?”.
Decidimos entonces convertir nuestro go-kart en un hibrido.
Decidimos utilizar la misma disposición de compañeros nuestros para el modelado en la figura 4.1 se muestra la ilustración utilizada para tal fin.
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4.2. Sistema de controlEn el esquema se presenta un “sistema electrónico de control” este
no permite el flujo de corriente de las baterías a la pila de
combustible, esto es con el fin de proteger de daños por sobrecarga
a la pila de combustible. El sistema de baterías de respaldo utilizado
en este trabajo consiste de tres baterías comerciales, recargables
selladas de plomo/ácido de 6 V y 12 Ah conectadas en serie. Las
baterías de plomo ácido presentan la desventaja de ser de alto peso,
sin embargo fueron utilizadas debido a su disponibilidad comercial.
Para futuras aplicaciones se deberán integrar baterías recargables
de última generación (baterías recargables de litio) o
supercapacitores. Fundamentalmente se requiere que este sistema
de respaldo/ alimentación posea elevada densidad energética, alta
eficiencia y ciclos de carga rápidos.
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Capitulo 5
Conclusiones y trabajos futuros
5.1. Conclusiones
Con toda la información recopilada y el diseño hecho se puede sacar las
siguientes conclusiones:
Las variaciones de humedad en la pila de combustible pueden
afectar la eficiencia, el rendimiento y la vida útil de la misma.
La pila de combustible es una tecnología emergente debido a su
alto costo de producción.
La pila de combustible es una manera de obtener energía limpia
(emisión cero) es una de las tecnologías que tiene auge en estos
días.
La venta actual de pilas de combustible mediante fabricantes
homologados es escasa y cara bordeando los 2000$
norteamericanos.
5.2. Trabajo Futuros
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La tecnología de pilas de combustible es tan extensa que resulta
complicado hacer un estudio de la misma en un solo trabajo, como
puede ser este proyecto.
Para que un sistema completo basado en una pila de combustible
funcione correctamente, es necesario incluit una serie de subsistemas
que se fundamenten en muy diversas especialidades de ingeniería.
Como estudiantes de ingeniería mecánica después de haber
profundizado en este tema tan extenso de las pilas de combustible,
hemos de reconocer que seria necesario seguir trabajando en el
modelado de todos estos sistemas auxiliares que acompañan a este tipo
de dispositivos, pero un trabajo de este calibre bien merece un proyecto
aparte.
Los subsistemas que intervienen en el funcionamiento de las pilas de
combustible de membrana de intercambio de protones se componen de
un sistema de humidificación, ventiladores, compresores, reguladores,
convertidores e inversores. Todos ellos son externo al propio
apilamiento, y al mismo tiempo resultan fundamentales para su
funcionamiento.
Para el diseño del go-kart se hizo un coche un poco (debemos decirlo)
burdo y pobre debido a los costos que implicaría pero al ser un proyecto
netamente teorico (infortunadamente) se ha utilizado todos los planos y
diseños en su totalidad para la mejor apariencia y funcionalidad posibles
a nuestro conocimiento.
Los problemas que usualmente enfrentamos al principio fueron el
diseño y la forma de construirlo, este tipo de construcción requiere mas
conocimiento de otras áreas extensas de ingeniería como materiales,
resistencia, eléctrica , dinámica y un muy largo etc…
El diseño de un go-kart completamente funcional y eficiente habría sido
tema de otro proyecto, aunque no dejamos de dar énfasis en este tipo de
puntos.
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Bibliografía
El hidrogeno fundamento de un futuro equilibrado- Mario Arguer Hortal,
Angel L. Miranda Barreras.
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Tesis : descripción y modelado de una pila de combustible de
membrana de intercambio protónico- Antonio Mayandia Aguirre
La economía del hidrogeno – Jeremy Rifkin.
Tesis : la energía del futuro: la pila de hidrogeno – Carlos Garcia
Saura, Daniel Fernandez Louro
Monografías Enerxe: Volumen III : pila de combustible de membrana
de intercambio protónico.
Termodinámica – Cengel, Boylestad
El hidrogeno y la energía – Jose Ignacio Linares Hurtado, Beatriz
Yolanda Moratilla Soria
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