Celda de hidrogeno

Introduccin1Objetivo2Marco terico3Hidrgeno3Oxgeno3Molcula del Agua4La electrlisis del agua4Caractersticas de los metales para hacer los electrodos4Caractersticas fsicas y qumicas de los materiales5MATERIALES PARA SU FABRICACIN6Tereftalato de polietileno (burbujeador de PET,botede plastico)6Propiedades7Poliuretano7Propiedades8Aplicaciones8Cobre8Hidrxido de sodio9JUSTIFICACIN9IMPACTO AMBIENTAL.9Desarrollo10Materiales10Procedimiento11Conclusin12

IntroduccinComment by Your User Name:

Una celda de hidrogeno es un dispositivo electroqumico de conversin de energa similar a una batera, pero con una gran diferencia que esta se disea para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos. En este trabajo mostraremos el proceso para hacer una celda de hidrogeno y su funcionamiento, las ventajas que se podran ganar al implementarse como una alternativa de energa limpia, buscando un sustituto al petrleo tambin sera una forma de reducir el consumo de combustible en los autos; pero principalmente en este proyecto ocuparemos el hidrogeno para hacer que un cohete se eleve.Otros usos:Plantas de potenciaVehculos ElctricosSistemas Auxiliares de EnergaSistemas de apoyo a la red elctricaEstas son muy atractivas para usos avanzados por su alta eficiencia y sobre todo porque tiene emisiones cero, es decir que son amigables con el medio ambiente.Su realizacin es sencilla hasta cierto punto y se puede hacer en casa, otra ventaja mas adems que aunque los materiales sean un poco altos en su precio se ve una rentabilidad en su funcionamiento.Las celdas generan electricidad de manera silenciosa, eficiente y sin polucin. Contrariamente a las fuentes de energa provenientes de combustibles fsiles, el nico producto resultante es el agua. De manera muy tcnica, se puede describir como un dispositivo conversor de energa electroqumica: convierte el oxgeno y el hidrgeno en agua generando energa elctrica.Por esta razn si analizamos el uso de celdas de hidrogeno sera un opcin muy viable en el tema de energas alternas, pues algunas empresas ya las consideran para sus diseos en autos, como el fabricante de automviles japons Honda, la nica firma que ha obtenido la homologacin para comercializar su vehculo impulsado por este sistema, el FCX Clarity, en Japn y Estados Unidos, ha desarrollado tambin la Home Energy Station, (HES), un sistema autnomo y domstico que permite obtener hidrgeno a partir de gas natural para repostar vehculos de pila de combustible y aprovechar el proceso para generar electricidad y agua caliente para el hogar.

ObjetivoRealizar una celda de hidrogeno con la cual podamos impulsar un cohete, basndonos en los conocimientos adquiridos en el semestre actual y en el pasado, ya que podemos mencionar que este proyecto fue retomado del semestre anterior.As como mostrar las ventajas que se tienen al ocupar la celda como una fuente de energa limpia, no solo para un cohete sino para otros artefactos como un automvil, y as mostrar ms opciones para la sustentabilidad y nuevas alternativas al petrleo que es un caso en el que se ha venido trabajando desde tiempo atrs.

JUSTIFICACINImpacto AmbientalEn la industria se emplean actualmente muchos combustibles, pero estos tienen un impacto ambiental muy severo, los combustibles utilizados por todo tipo de vehculos son muy nocivos ambientalmente y estn aportando enormemente al calentamiento global, la obtencin de combustible por medio de electrlisis es altamente ecolgica, ya que el Hidrgeno es un combustible que no contamina en absoluto, mientras que un vehculo que trabaja con gasolina enva gas carbnico a la atmsfera, uno que trabaje con hidrogeno solo despachara vapor de agua. Este combustible altamente ecolgico es una gran solucin para combatir al calentamiento Global que puede significar la futura extincin del hombre.Finalmente no se emplea este tipo de combustible en masa ya que la obtencin de hidrogeno es costosa por lo tanto el Hidrgeno es un combustible costoso comercialmente. La clave indispensable es innovar tecnolgicamente para lograr una relacin sustentable con el medio ambiente, as reducir nuestros costos y preocuparnos en otros problemas ambientales.Ilustracin 1: Aire limpio, consecuencia de mtodos innovadores de obtener energa

Ilustracin2: Aire contaminado a causa de residuos de combustibles usados en la actualidad

Marco tericoEl principio de funcionamiento de la clula de combustible fue descubierto por el cientfico Christian Friedrich Schnbein enSuizaen 1838. De acuerdo con este trabajo, la primera fue desarrollada en1843por Sir William Grove, un cientficogals, utilizando materiales similares a los usados hoy en da para la clula. No fue hasta 1959 cuando el ingeniero britnico Francis Thomas Bacon desarroll con xito una clula estacionaria de combustible de 5 kilovatios.En 1959, un equipo encabezado por Harry Ihrig construy un tractor basado en una clula de combustible de 15 kilovatios para Allis-Chalmers que fue expuesto en EE.UU. en las ferias del estado. Este sistema utiliz hidrxido de potasio como electrolito e hidrgeno y oxgeno comprimidos como reactivos.Ms adelante, en 1959, fabrico una unidad de 5 kW capaz de accionar una mquina de soldadura, que condujo, en los aos 60 a que las patentes de Bacon licenciadas porPratt y Whitneyen los Estados Unidos fuesen utilizadas en el programa espacial de Estados Unidos para proveer a los astronautas de electricidad y de agua potable a partir del hidrgeno y oxgeno disponibles en los tanques de la nave espacial.

HidrgenoComment by Your User Name: ESTO ES PARTE DEL MARCO TEORICO NO DE LA INTRODUCCIN Primer elemento de la tabla peridica. En condiciones normales es un gas incoloro, inodoro e inspido, compuesto de molculas diatmicas, H2. El tomo de hidrgeno, smbolo H, consta de un ncleo de unidad de carga positiva y un solo electrn. Tiene nmero atmico 1 y peso atmico de 1.00797. Es uno de los constituyentes principales del agua y de toda la materia orgnica, y est distribuido de manera amplia no slo en la Tierra sino en todo el universo. Existen 3 istopos del hidrgeno: el protio, de masa 1, que se encuentra en ms del 99.98% del elemento natural; el deuterio, de masa 2, que se encuentra en la naturaleza aproximadamente en un 0.02%, y el tritio, de masa 3, que aparece en pequeas cantidades en la naturaleza, pero que puede producirse artificialmente por medio de varias reacciones nucleares.OxgenoElemento qumico gaseoso, smbolo O, nmero atmico 8 y peso atmico 15.9994. Es de gran inters por ser el elemento esencial en los procesos de respiracin de la mayor parte de las clulas vivas y en los procesos de combustin. Es el elemento ms abundante en la corteza terrestre. Cerca de una quinta parte (en volumen) del aire es oxgeno.Molcula del AguaComment by Your User Name: NADA MAS COPIARON Y PEGARON Elagua(H2O) es uncompuesto qumicoinorgnicoformado pordostomosdehidrgeno(H) yunodeoxgeno(O). Esta molcula es esencial en la vida de los seres vivos, al servir de medio para elmetabolismode lasbiomolculasy se encuentra en la naturaleza en sus tres estados y fue clave para suformacin. Hay que distinguir entre elagua potabley el agua pura, pues la primera es unamezclaque tambin contiene sales en solucin; es por esto que en laboratorio y en otros mbitos se usaagua destilada.La electrlisis del agua Consiste en un proceso electroqumico en el cual el agua se divide en Hidrgeno y Oxgeno. La electrlisis consiste en pasar corriente elctrica por medio de dos electrodos, un ctodo que es el negativo y un nodo que es el positivo. Al someter a la sustancia a la corriente ambos electrodos presentaran desprendimiento de gases, por el ctodo se desprende el gas Hidrgeno, mientras que por el nodo se desprender el gas Oxgeno.

Ilustracin3: Molcula de agua

Para observar el proceso con claridad es recomendable que en el montaje de la electrlisis ambos gases se desprendan sin juntarse en la superficie del agua ya que no podramos apreciar los resultados, el cido sulfrico o cloruro sdico funcionan como catalizador de la reaccin, es decir, acelera el proceso de desprendimiento.

Ilustracin4: electrolisis del aguaCaractersticas de los metales para hacer los electrodos Capacidad electro cataltica Estabilidad qumica y mecnica Mnima resistencia elctricaIlustracin5: Arte conceptual de la electrolisis

Tabla 1: Composicin qumica % de los aceros inoxidables autnticos y aleaciones de nquelGrado304304L316316L317317L321400825625C-276DUPLEX 2205

Designacion UNSS30400S30403S31600S31603S31700S31703S32100NO4400NO6625NO6625N10276S31803

Carbono C max.0.080.035*0.080.035*0.080.035*0.080.30.050.10.020.03

Manganeso Mn max.2222222210.512

Fosforo P max.0.040.040.040.040.040.040.040.0150.040.03

Azufre S max.0.030.030.030.030.030.030.030.0240.030.0150.030.02

Silicio Si max.0.750.750.750.750.750.750.750.050.50.50.081

Cromo Cr max.18 a 2018 a 2016 a 18 16 a 18 18 a 2018 a 2017 a 20---19.5 a 23.520 a 2314.5 a 16.521 a 23

Niquel Ni8 a 118 a 1310 a 1410 a 1511 a 1411 a 159 a 1363 a 7038 a 46balancebalance4.5 a 6.5

Molibdeno Mo------2 a 3 2 a 33 a 43 a 4------2.5 a 3.5 8 a 1015 a 172.5 a 3.5

Otros elementos-----------------Ti = 5xC min. Y 0.70 max.Cu = Bal. Fe=2.5 max.Fe = Bal. Cu = 1.5 a 3 Al= 0.2 max Ti = 0.6 a 1.2Fe = 5 max. Al = 0.4 max Ti = 0.4 max Cb+Ta = 3.15 a 4.15 Co = 1 maxCo = 2.5 max W = 3 a 4.5 Fe=4 a 7 V = 0.35 max N = 0.08 a 2

MATERIALES PARA SU FABRICACINPara su elaboracin los compuestos frecuentemente utilizados son los elastmeros, cuyos nombres se definen por el polmero bsico: Nitrito (NBR) Cloropreno (CR) Silicona (Si) Etileno-propileno (EPDM) Fluoro elastmero (FKM) (Viton - marca registrada de Du Pont Co.)

Tereftalato de polietileno (burbujeador de PET,bote de plastico)Es un tipo de plstico muy usado en envases de bebidas y textiles. Algunas compaas manufacturan el PET y otros polisteres bajo diferentes marcas comerciales, por ejemplo, en los Estados Unidos y el Reino Unido usan los nombres de Mylar y Melinex.Qumicamente el PET es un polmero que se obtiene mediante una reaccin de policondensacin entre el cido tereftlico y el etilenglicol. Pertenece al grupo de materiales sintticos denominados polisteres.Es un polmero termoplstico lineal, con un alto grado de cristalinidad. Como todos los termoplsticos puede ser procesado mediante extrusin, inyeccin, inyeccin y soplado, soplado de preforma y termoconformado. Para evitar el crecimiento excesivo de las esferulitas y lamelas de cristales, este material debe ser rpidamente enfriado, con esto se logra una mayor transparencia, la razn de su transparencia al enfriarse rpido consiste en que los cristales no alcanzan a desarrollarse completamente y su tamao no interfiere (scattering en ingls) con la trayectoria de la longitud de onda de la luz visible, de acuerdo con la teora cuntica.Ilustracin 6: Estructura atmica

Propiedades Presenta como caractersticas ms relevantes: Alta transparencia, aunque admite cargas de colorantes. Alta resistencia al desgaste y corrosin. Muy buen coeficiente de deslizamiento. Buena resistencia qumica y trmica. Muy buena barrera a CO2, aceptable barrera a O2 y humedad. Compatible con otros materiales barrera que mejoran en su conjunto la calidad barrera de los envases y por lo tanto permiten su uso en mercados especficos. Reciclable, aunque tiende a disminuir su viscosidad con la historia trmica.

Aprobado para su uso en productos que deban estar en contacto con productos alimentarios.Las propiedades fsicas del PET y su capacidad para cumplir diversas especificaciones tcnicas han sido las razones por las que el material haya alcanzado un desarrollo relevante en la produccin de fibras textiles y en la produccin de una gran diversidad de envases, especialmente en la produccin de botellas, bandejas, flejes y lminas.

PoliuretanoTabla 2: Caractersticas de la espuma de PoliuretanoPropiedadDensidad de 30 Kg/m3 a 35 Kg/m3Densidad de 45 Kg/m3 a 50 Kg/m3Norma

Resistencia a la compresin(10% deformacin)170 kPaDe 250 kPa a 400 kPaUNE EN 1606

Absorcin de agua a largo plazo90 %ISO 4590

Estanqueidad al aguaSatisfactorioMuy satisfactorioUNE EN 1928

Factor de resistencia a la difusin del vapor de agua65 75 UNE EN 12086

Coef. Conductibilidad trmica (10C) (Valor inicial)0,0210,021UNE EN 12667

Coef. Conductibilidad trmica (10C) (Valor envejecido = Valor clculo)0,028 W/(mK)0,028 W/(mK)UNE EN 12667UNE 92120-1

Propiedades Rango de temperatura de trabajo -40C +90C. Alta resistencia mecnica. Alto poder amortiguador. Buena resistencia a los hidrocarburos Se puede fabricar en distintas durezas y colores Aplicaciones 1. Tacos de motor 2. Bujes 3. Arandelas 4. Ruedas 5. Repuestos para motores 6. Repuestos para bombas hidrulicas 7. Manchones de acopleCobreElemento qumico, de smbolo Cu, con nmero atmico 29; uno de los metales de transicin e importante metal no ferroso. Su utilidad se debe a la combinacin de sus propiedades qumicas, fsicas y mecnicas, as como a sus propiedades elctricas y su abundancia. El cobre fue uno de los primeros metales usados por los humanos.La mayor parte del cobre del mundo se obtiene de los sulfuros minerales como la calcocita, covelita, calcopirita, bornita y enargita. Los minerales oxidados son la cuprita, tenorita, malaquita, azurita, crisocola y brocantita. El cobre natural, antes abundante en Estados Unidos, se extrae ahora slo en Michigan. El grado del mineral empleado en la produccin de cobre ha ido disminuyendo regularmente, conforme se han agotado los minerales ms ricos y ha crecido la demanda de cobre. Hay grandes cantidades de cobre en la Tierra para uso futuro si se utilizan los minerales de los grados ms bajos, y no hay probabilidad de que se agoten durante un largo periodo.Ilustracin7: Cobre en la tabla peridica

El cobre es el primer elemento del subgrupo Ib de la tabla peridica y tambin incluye los otros metales de acuacin, plata y oro. Su tomo tiene la estructura electrnica 1s22s22p63s23p63d104s1. El bajo potencial de ionizacin del electrn 4s1da por resultado una remocin fcil del mismo para obtener cobre(I), o ion cuproso, Cu+, y el cobre(II), o ion cprico, Cu2+, se forma sin dificultad por remocin de un electrn de la capa 3d. El peso atmico del cobre es 63.546. tiene dos istopos naturales estables63Cu y65Cu. Tambin se conocen nueve istopos inestables (radiactivos). El cobre se caracteriza por su baja actividad qumica. Se combina qumicamente en alguno de sus posibles estados de valencia. La valencia ms comn es la de 2+ (cprico), pero 1+ (cuproso) es tambin frecuente; la valencia 3+ ocurre slo en unos cuantos compuestos inestables.Ilustracin8: Estructura del cobre

Hidrxido de sodioEl hidrxido de sodio (NaOH) o hidrxido sdico, tambin conocido como soda custica o sosa custica, es un hidrxido custico usado en la industria (principalmente como unabase qumica) en la fabricacin de papel, tejidos, y detergentes. Adems, se usa en la industria petrolera en la elaboracin de lodos de perforacin base agua. En el hogar se usa para desbloquear tuberas de desages de cocinas y baos, entre otros.A temperatura ambiente, el hidrxido de sodio es un slido blanco cristalino sin olor que absorbe la humedad del aire (higroscpico). Es una sustancia manufacturada. Cuando se disuelve en agua o se neutraliza con un cido libera una gran cantidad de calor que puede ser suficiente como para encender materiales combustibles. El hidrxido de sodio es muy corrosivo. Generalmente se usa en forma slida o como una solucin de 50%.

Desarrollo/Experimentacin Comment by Your User Name: RECOMEINDO PONER FOTOS DEL COMO SE FUE ELABORANDO EL PROYECTO Y PONER Y DIAGRAMA DE FLUJO PASO POR PASO Materiales

Placas de acero inoxidable Tuercas de acero inoxidable Tornillos de acero inoxidable de 1/4" rondana de acero inoxidable de 1/4" Orings Bote de plstico (pet) Burbujeador Manguera de poliuretano Arestallamas con: Fibra metlica Arena Vidrio Niple galvanizado Tetones de Tubos de cobre reductores Sosa caustica Cargador de bateras (12v a 10V)

Procedimiento 1. Inicialmente se cort una placa de acero inoxidable para para as obtener 10 placas de acero inoxidable, se continu con crear agujeros en los cuales se iban a ubicar los tornillos haciendo el mismo procedimiento en cada una de las 10 una vez terminado eso fueron unidas junto con las rondanas y la fuente de poder para as formar el circuito en el que se llevara a cabo el intercambio para formar hidrogeno2. A continuacin se perforo la tapa de plstico para as poder ubicar las placas ya unidas, cuando todo fue unido tanto la placa y la tapa del bote se procedi a introducir agua en el bote y la sosa caustica para formar as el electrolito posteriormente se introdujeron las placas para as iniciar con el procedimiento de separacin de hidrogeno en el agua.3. Una vez iniciado el hidrogeno avanza hacia el burbujeador por medio de las mangueras una vez llegando pasa a l arresta llamas para as evitar un accidente y se forma la flama, de esta forma se separa el hidrogeno del agua.

Diagrama de flujo del procesoColocar las placas juntas mediante los tornillos y las rondanas, 6 sern neutras, 1 positiva y 2 negativasSumergir las lminas en una solucin de agua e hidrxido de sodio al 4%Pasamos una corriente de 9 a 10 VLa solucin se descompone en Hidrogeno y OxigenoEl gas producido se va al burbujeador y luego al coheteEl cohete se llena de gas y con una chispa se impulsaCortar 9 placas de acero inoxidable rectangulares con dos orificios para poder unirlas

ResultadosPara las primeras pruebas nuestro burbujeador tuvo algunos problemas puesto que exploto, por lo cual decidimos cambiarlo por uno de un material ms resistente con esta modificacin logramos que no tuviramos el mismo problema y pudimos probar la celda sin ningn problema.Al probarla con el cohete se logr que este se elevara bien con el impulso dado por el hidrogeno.

La energa necesaria para extraer el hidrgeno de un litro de agua se obtiene a partir de la energa de formacin del agua lquida a partir del hidrgeno y oxgeno moleculares que es de 285,8 KJ/mol. 18 gramos de agua forman un mol; luego en un litro hay 1000/18 = 55,56 moles de agua. Por tanto la energa necesaria para disociar un litro de agua (por electrlisis por ejemplo) en sus componentes Oxgeno e Hidrgeno es:

Esta cantidad expresada en Kw.h resulta ser: (1 Kw.h = 3600 KJ)(Si aplicramos una potencia de 4,39 Kw al proceso de electrolisis durante una hora, disociaramos completamente un litro de agua)

Tras la disociacin, moles de hidrgeno y un mol de oxgeno por cada dos moles de agua, por tanto de un litro de agua se obtienen:

Esto es, habremos obtenido 0,1111 Kg de hidrgeno.

Podemos recuperar energa del hidrgeno por combustin; puesto que el calor de combustin del hidrgeno es de 284,5 KJ/mol, de la cantidad de hidrgeno obtenida anteriormente podramos extraer por combustin:

ConclusinComment by Your User Name: NO TIENE FORMATO EL TRABAJO, NO TIENE REFERENCIAS Podemos llegar a la conclusin de que podemos generar formas de energas ms limpias que las convencionalmente ocupadas en el mundo, puede que sean un poco complicadas y costosas pero creemos que a largo plazo sera una muy buena opcin el ocupar celdas de hidrogeno, tambin como con el proceso electroltico podemos separar hidrogeno de oxgeno, adems una ventaja muy importante de la celda es que tiene un ms alto rendimiento ya que no sigue ningn ciclo termodinmico por lo que su eficiencia es mucho ms alta que estos.El ocupar materiales adecuados al realizar el proyecto reduce mucho el tener errores o poder tener algn percance al probarlo.

ReferenciasGregor Hoogers, Hoogers Hoogers - Fuel Cell Technology Handbook - Edita:CRC Press enero de 2003 - ISBN 0-8493-0877-1 Venkatachalapathy, R., G. P. Davila, et al. (1999). "Catalytic decomposition of hydrogen peroxide in alkaline solutions." Electrochemistry Communications 1: 614-617.http://html.rincondelvago.com/000547271.pnghttp://www.unrobotica.com/hidrogeno/hidrogeno.htmhttp://www.lanacion.com.ar/1155526-celdas-de-hidrogeno-un-avance-en-energia-portatil

Anexos