INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA INDUSTRIAL LAB ORA TOR TOR IO DE E LE CTR OQU OQUÍMICA ÍMICA
PRÁCTICA No. 5 “PILAS DE COMBUSTIBLE (FUEL CELLS)” CELLS)”
EQUIPO: 1
GRUPO: 3IM74
Integrantes:
De Jesús Anastasio Magdalena Georgina De La Rosa Guerrero Mariana Martínez Medina Luis Fernando
__________________ __________________ __________________
Profesores: Luis Alberto Estudillo Wong Laura Verónica Castro Sotelo Fecha de Entrega: 16 de Octubre del 2017
OBJETIVO: Conocer el funcionamiento y características principales de una Pila de Combustible (FUEL CELL) como dispositivo electroquímico para la generación de energía eléctrica.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS: a) Montar un sistema de pila de combustible (PC) a escala laboratorio. b) Identificar los componentes de una pila de combustible. c) Producir hidrógeno y oxígeno por medio de un panel solar (PS). d) Determinar parámetros de operación. e) Diferenciar un electrolizador convencional y un electrolizador tipo PEM.
INTRODUCCIÓN: Las pilas de combustible o celdas de combustible son unos dispositivos electroquímicos, capaces de convertir directamente la energía química contenida en un combustible en energía eléctrica. Esta transformación electroquímica (sin combustión) no está limitada por el rendimiento de Carnot, lo que permite conseguir rendimientos relativamente altos (en la práctica en el entorno del 40 o 50%, aunque en teoría podrían ser bastante superiores). Se presentan como unos dispositivos con enorme potencial de aplicación. Fundamentalmente una pila de combustible es un apilamiento (con conexiones internas en serie) de células o celdas individuales. Estas celdas están formadas por dos electrodos (ánodo y cátodo) donde se producen respectivamente la oxidación del hidrógeno y la reducción del oxígeno, y por un electrolito (que puede ser un medio tanto ácido como básico) que permite el intercambio de los iones que generan ambas reacciones. Uniendo cada dos celdas existe un elemento de unión, denominado normalmente placa bipolar (que además facilita la canalización de los gases) que permite la circulación de los electrones, que pasando por el circuito externo, completan las reacciones.
Tipos de pilas de combustibles Aunque los principios básicos del funcionamiento de las pilas de combustible son los mismos, se han desarrollado numerosas variedades para aprovechar distintos electrolitos y así, las pilas se logran adaptar mejor a distintas aplicaciones o usos. Por ello hay distintos tipos de celdas de combustible que veremos a continuación:
Pilas de Membrana de Intercambio Protónico: Las pilas de membrana de intercambio protónico (PEM por las siglas en inglés de Polymer Electrolyte Membrane) o pilas de membrana de electrolito polimérico, usan precisamente un polímero de membrana como electrolito. Estas pilas funcionan a una temperatura relativamente baja y pueden variar rápidamente su producción para satisfacer la demanda de energía demandada. Las pilas PEM son las más
adecuadas para alimentar vehículos. También pueden emplearse en estaciones de producción de energía.
Pilas de Metanol Directo: Las pilas o celdas de metanol directo (o DMFC por Direct-Methanol Fuel Cells) son similares a las pilas PEM en cuanto a que usan un polímero de membrana como electrolito. Sin embargo, las pilas de metanol directo usan metanol sobre el ánodo, lo que elimina la necesidad de que el combustible pase por un reformador. Las pilas de metanol directo son interesantes para alimentar dispositivos electrónicos portátiles, como ordenadores portátiles o cargadores de baterías.
Pilas de combustible Alcalinas: Las pilas alcalinas usan como su nombre indica, un electrolito alcalino como hidróxido de potasio o una membrana alcalina. La NASA las utilizó por primera vez para sus misiones espaciales ya que tienen un mayor rendimiento, pero ahora tienen nuevos usos como el ser fuentes de energía portátil.
Pilas de combustible de Ácido Fosfórico: Las pilas o celdas de ácido fosfórico usan como electrolito ácido fosfórico contenido en el interior de una matriz porosa. Funcionan en torno a los 200ºC. Se usan normalmente en módulos, para producir 400kW o incluso más, y se emplean en estaciones de producción de energía para hoteles, hospitales, establecimientos que tengan cámaras frigoríficas que consumen mucha energía, y edificios de oficinas, donde el calor residual se puede aprovechar también para calefacción (cogeneración). El ácido fosfórico puede también inmovilizarse en membranas poliméricas.
Pilas de combustible de carbonato fundido: Las pilas de carbonato fundido (MCFC por Molten Carbonate Fuel Cells) usan como electrolito una sal de carbonato fundido inmovilizada en una matriz porosa. Se vienen usando en instalaciones de producción de energía medianas o de gran tamaño, donde su alta eficiencia contribuye a ahorrar gran de cantidad de energía de la red. Su alta temperatura de funcionamiento (aproximadamente 600ºC) les permite reformar internamente combustibles tales como el gas natural o el biogás.
Pilas de combustibles de Óxido Sólido: Las pilas de óxido sólido usan una capa cerámica delgada como electrolito sólido. Se han desarrollado con el fin de proporcionar energía en múltiples instalaciones así como para ser dispositivos de energía auxiliar en camiones de gran tonelaje. Funcionan a temperaturas de entre 700ºC a 1000ºC con electrolitos a base de óxido de circonio, y a temperaturas de 500ºC cuando el electrolito es óxido de cerio. Estas pilas pueden reformar interiormente gas natural y biogás, y pueden combinarse con motores a gas para producir electricidad con eficiencias del 75%.
DESARROLLO EXPERIMENTAL: Material y equipo.
a) Pila de Combustible (PC) del tipo PEM b) Celda solar o panel solar (PS) c) Fuente de luz artificial (foco) d) Multímetros e) Cronómetro f) Cables tipo caimán g) Agua destilada.
Protocolo experimental.
La Figura 1 muestra las conexiones a realizar para que el panel solar (PS) genere el oxígeno y el hidrógeno (Figura 1a, donde n=cable negro, r=cable rojo). Por otro lado, la Figura 1b indica cómo llenar de agua la pila de combustible (PC) para dicho proceso de generación. Es importante evitar burbujas en las líneas de admisión de agua.
Figura 1. Montaje de la pila como electrolizador a través del panel solar, PS (a) y suministro de agua a la pila de combustible, PC (b).
Para verificar la producción de H 2 y O2, conecte el panel solar a la PC como se observa en la Figura 2a e introduzca las líneas (tubos) a un recipiente con agua. Una vez verificada la producción, monte el dispositivo como se muestra en la Figura 2b. Note que la zona A corresponde a los recipientes de almacenamiento para los gases. La PC se ha acoplada a dichos recipientes, que previamente deben estar llenos de agua y sin burbujas. Reflexionar y anotar todas las observaciones-comentarios durante este proceso.
Figura 2. Verificar la producción de los gases (a) y montaje para el almacenamiento de los mismos (b). La zona A indica los recipientes de almacenamiento.
En esta etapa, el H 2 y el O2 son generados gracias a la electricidad producida en el PS por la excitación del semiconductor con luz artificial. La producción de estos gases desplazará
el volumen de líquido en los recipientes de almacenamiento (Figura 2b, zona A, y Figura 3). Por otro lado, es posible obtener la corriente (i) y el voltaje (E) generados durante la electrólisis. Para tal fin, conecte los multímetros como se muestra en las Figuras 3 y 4 (para medir el potencial, en a y en b) y para medir la corriente con (A). Conecte el foco a la fuente de alimentación y dirija los rayos de luz hacia el PS. Una vez que todo está conectado correctamente es necesario tomar el tiempo (t) de la electrólisis. Durante este proceso no mueva el foco ni el PS.
Fig 3. Electrólisis con el Panel Solar (PS). Medición de la corriente en serie Y del potencial en paralelo.
Figura 4. Electrólisis con el Panel Solar (PS). Medición de la corriente en (A) en serie y del potencial (en a y b) en paralelo.
Finalmente, una vez que los gases han desplazado suficiente volumen de líquido, conecte el dispositivo mostrado en las Figuras 5 y 6, donde M es el motor. En esta parte experimental, el oxígeno - hidrógeno generados durante la electrólisis (Figuras 3 y 4) son ahora alimentados a la PC (debido al diferencial de presión) para producir electricidad, según el esquema de la Figura 1. Mida la corriente y el potencial de acuerdo a los esquemas de la Figuras 3 y 4. En estas Figuras, el PS ha sido reemplazado por el motor M. Compare E-i del funcionamiento en PC con respecto a E-i generados durante la electrólisis con el PS .
Figura 5. Funcionamiento en Pila de Combustible. En a y en b se mide el potencial. en paralelo. En Amperímetro se mide la cor riente en serie. M es el m otor.
Fig 6. Funcionamiento con la Pila de Combustible.
TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES Tiempo (min)
Intensidad (µA)
Volumen H 2 (ml)
Volumen O2 (ml)
0
11.7
0
0
1
12
4
1
2
11.9
6
2
3
11.8
8
3
4
11.6
10
4
5
11.9
12
5
6
11.8
14
6
7
11.9
14
7
8
12.1
16
8
9
11.8
18
9
10
11.9
20
10
11
11.8
22
11
12
11.6
24
12
13
11.5
24
13
14
11.3
26
14
15
11.3
28
15
16
11.4
28
16
17
11.4
28
17
18
11.3
30
18
Tabla No. 1 Datos experimentales de generación H 2 y O 2
Ii= 11.6 µA
Vi= 2.254 V
If = 11.3 µA
Vf = 2.149 V
Tiempo (min)
Intensidad (µA)
Volumen de H 2 (ml)
17
6.5
12
18
4.2
11
19
4.2
10
20
4.3
8
21
5.1
8
22
4.2
6
23
4.2
6
24
5.1
4
25
4.2
2
Tabla No.2 Funcionamiento de la pila con ventilador
Ii= 7.2 µA
Vi= 0.32 V
If = 4.3 µA
Vf = 0.446 V
Nota: En esta parte del experimento se conectó la pila a un motor, pero el consumo de energía era muy lento, por ello se conectó a un ventilador, que son los datos que se muestran en la tabla, como se puede observar el consumo fue más rápido y esa es la razón por la cual el tiempo comienza en el minuto 17. Se reportan solamente datos de VOLUMEN de hidrogeno, porque se desconectó el cátodo, donde se reduce el oxígeno.
GRÁFICAS. -
Gráfica No. 1. Generación de H 2 y O2.
Generación de H2 y O2. 32 30 28 26 24 22 20 ) l 18 m ( n e 16 m u l o V14
12 10 8 6 4 2 0 0
2
4
6
8
10
12
14
Tiempo (min.) Volumen H2
Volumen O2
16
18
20
-
Gráfica No. 2. Funcionamiento de la pila.
14
12
10 ) l m 8 ( e n m u l o 6 V
4
2
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
Tiempo (min.) Volumen de H2
Nota: Para realizar ambas gráficas se descartaron algunos puntos para mantener la linealidad de la reacción. CÁLCULOS b) Razón de formación de los gases generados
22 = 2 2
2H2 + O2
2H2O
La razón es 2 a 1, por cada 2 mol de H 2 se producen 1 de O 2 en la experimentación sucedió algo muy similar, por ejemplo para el minuto 10 se producen 20 ml de H 2 por 10 ml de O 2, la relación sigue siendo 2 a 1.
c) Calcule la potencia (P [W]) de la electrólisis y del funcionamiento en pila de C.
=∗
11.3 )∗2.149 = 2.42810− = ( 110 11.6 )∗2.254 = 2.61510− = (110 7.2 )∗0.32 = 2.310− = (110 4.3 )∗0.446 = 1.9210− = (110 = ∗ − 2. 4 2810 = 2.61510−∗=.% − 1. 9 210 = 2.310− ∗=.%
d) Eficiencia del proceso
e) Ánodo: CH3OH + H2O 3H2
6H + + 6e
Cátodo: ½ O2 + 2H+ + 2e
f)
CO2+ 3H2
2H2O
Discuta las diferencias entre una electrolisis convencional y una electrolisis tipo PEM Convencional
Tipo PEM
Simple y no demanda mucho material.
Muchas aplicaciones. Amigable con el medio ambiente.
OBSERVACIONES -En el experimento se observó que la generación del O 2 y del H2 era proporcional con razón de 2:1. . -En la parte final del experimento se conectó la pila a un motor, pero el consumo de energía era muy lento, por ello se conectó a un ventilador, que son los datos que se muestran en la tabla, como se puede observar el consumo fue más rápido y esa es la razón por la cual el tiempo comienza en el minuto 17. Se reportan solamente datos de VOLUMEN de hidrogeno, porque se desconectó el cátodo, donde se reduce el oxígeno.
CONCLUSIONES -
La energía cargada del panel solar a la pila mediante la producción de hidrogeno y oxígeno, la vimos aprovecharse al utilizar un foco led y un ventilador, al ver esto y analizar los resultados del experimento concluimos que:
-
El hidrogeno es un recurso enérgico limpio, y constituye una alternativa prometedora al panorama enérgico actual.
-
Las pilas de combustible de hidrogeno ofrecen una amplia variedad de ventajas con respecto a otras fuentes de energía, principalmente por su alta eficiencia sin emisión de contaminantes, recordando que las pilas electroquímicas convencionales en la actualidad son de los principales contaminantes en el mundo.
-
Las pilas de combustible tienen un amplio rango de aplicación; desde pequeños aparatos portátiles, hasta grandes equipos industriales.
-
La producción de hidrogeno a partir de estas celdas será fundamental en un futuro no muy lejano gracias a su sustentabilidad.
BIBLIOGRAFIA:
ARIEMA Energía y medio ambiente. Pilas de combustible. Recuperado de: http://www.pilasde.com/tecnologia-del-hidrogeno/pilas-de-combustible
Energías
renovables.(2014)
Pilas
combustibles:
tipos.
Recuperado
http://www.energiasrenovablesinfo.com/hidrogeno/pilas-combustibles-tipo
de
