Instituto Politécnico Nacional ESIQIE Laboratorio de Electroquímica y Corrosión Práctica 5 Pilas de Combustible Alumnos Arias Alarcón !iola "# $eredia %odoy &a'ier "an(ano !era Ismael !arela )l'are( *aniel %ru+o ,I!-.
Pilas de Combustible 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 ! o "!#, aunque en teoría podrían ser bastante superiores). $e presentan como unos dispositivos con enorme potencial de aplicación. %undamentalmente una pila de combustible es un apilamiento (con cone&iones internas en serie) de células o celdas individuales. Estas celdas están formadas por dos electrodos (ánodo ' cátodo) donde se producen respectivamente la o&idación del idrógeno ' la reducción del o&ígeno, ' por un electrolito (que puede ser un medio tanto ácido como básico) que permite el intercambio de los iones que generan ambas reacciones. niendo cada dos celdas e&iste un elemento de unión, denominado normalmente placa bipolar (que además facilita la canali*ación de los gases) que permite la circulación de los electrones, que pasando por el circuito e&terno, completan las reacciones. Entre las venta+as generales de las pilas de combustible, cabe destacar • •
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$u buen rendimiento, en torno al ! o "!# ' con posibilidades de me+ora. Este rendimiento, a diferencia de otros sistemas, es relativamente alto para distintas potencias en un mismo sistema (es decir funcionando tanto a plena potencia como a cargas parciales), lo que permite a+ustar la producción a la demanda sin sacrificar la eficiencia. -simismo, el rendimiento es bueno independientemente del tamao del sistema (a diferencia de los sistemas térmicos, en los que el rendimiento me+ora con el aumento de escala). $on sistemas con mu' poca inercia, que pueden seguir casi al instante la curva de demanda. /ienen un carácter modular, lo que significa por un lado un aumento de la fiabilidad a la ve* que una reducción de costes, ' por otro que las plantas se pueden construir en poco tiempo ' pueden aumentar o disminuir la potencia sin cambiar su diseo. -demás se puede conseguir una mu' alta disponibilidad, 'a que la parada de un módulo no supondría la parada del sistema completo. -l carecer de partes móviles, las pilas de combustible son silenciosas, no producen vibraciones (estas afirmaciones no son válidas para algunos de los componentes au&iliares), ' por ello, en teoría, requieren poco mantenimiento. Las pilas de combustible se clasifican normalmente atendiendo al electrolito que utili*an. Entre las de ba+a temperatura están las alcalinas ' las de polímeros (también conocidas como de membrana intercambiadora de protones, o por las siglas en inglés 0E1). Las de metanol directo son un tipo particular de pilas 0E1 que consumen directamente metanol. Las pilas de combustible de media temperatura son las de ácido fosfórico, ' las de alta temperatura son las de carbonatos fundidos ' las de ó&idos sólidos. - día de o' las pilas que levantan más e&pectativas son las de polímeros para aplicaciones móviles o de poca
potencia (transporte, aplicaciones residenciales ' aplicaciones portátiles) ' las de ó&idos sólidos para generación centrali*ada o distribuida de electricidad. En la siguiente imagen esta la clasificación de los diferentes tipos de pilas de combustible
Cálculos a) Elabore una gráfica de volumen generado (2) de idrogeno ' o&igeno contra tiempo de electrolisis (t)
Volumen vs Tiempo volumen de oxigeno
Volumen de hidroge no
400 300
Tiempo (s) 200 100 0
0
2
4
6
8
Volumen (ml)
10
12
14
b) 3etermine la ra*ón de formación de los gases generados
Oxigeno Hidrogeno
1 =
2
=
0.5
c) Calcule la potencia (0456) de la electrolisis ' del funcionamiento en 0C 0c7 8 & E 983:;.?@ 2 & !.>A> -7!.B!B Datts 0c7>.?A 2 & !.> - 7!.B> Datts 0c7>.?A 2 & !.>AA - 7!.B>"A Datts 0c7>.?A 2 & !.>A? - 7!.B>A Datts 983:;
!.!B - 7!.! Datts !.!@ - 7!.!>!A Datts !.! - 7!.!!?? Datts !.!! - 7!.!!? Datts
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!.!B - 7!.! Datts !.!B! - 7!.!>B" Datts !.!B - 7!.!!@> Datts !.!! - 7!.!!A Datts
d) Calcule, en base al inciso c, la eficiencia del proceso E%8C8E=C8-$ 9 7 0dG0c & >!! 9 7 (!.!!GB!B) & >!! 7 A.!!"B # 9 7 (!.!>!A!G!.B>) & >!! 7 B.BAB" # 9 7 (!.!!??G!.B>"A) & >!! 7 .!A # 9 7 (!.!!?G!.B>A) & >!! 7>.@ #
; 7 0dG0c & >!! ; 7 (!.!G!.B>"A) & >!! 7 @.??B># ; 7 (!.!>B"G!.B>) & >!! 7 .B# ; 7 (!.!!@>G!.B!) & >!! 7 .B@# ; 7 (!.!!AG!.B!>) & >!! 7 >.""A#
e) Cuál es la reacción en el ánodo ' la reacción global del proceso si la alimentación es 1E/-=;L en lugar de idrogeno. Hnodo C9B;9 I 9;JJJJJKC; I ? 9I I ? e Cátodo >," ; I ? 9I I ? eJ JJJJJKB 9; :eacción global C9B;9 I >," ;JJJJJKC; I 9;
Conclusiones: Arias Alarcón Viola Montserrat
El dispositivo electroquímico de conversión de energía que se utili*ó es una pila o celda el cual está diseada para permitir el revestimiento continuo de los reactivos, es decir, producen electricidad de una fuente e&terna de combustible ' o&ígeno en contraposición a la capacidad limitada en una pila convencional. En el lado del cátodo se tiene el o&ígeno en forma de aire ' en el lado de ánodo se tiene el idrogeno el cual es una celda de idrogeno, esta funciona cuando se empie*a alimentar idrogeno se o&ida en el catali*ador produciendo protones ' perdiendo electrones los protones son conducidos por la membrana (electrolito) acia el cátodo que son aceptados por el o&ígeno, +unto con los electrones que sierran el circuito por lo tanto el nico residuo en la reacción es el agua. ;btuvimos más cantidad de idrogeno, que de o&ígeno, se tuvo que evitar burbu+as en las líneas de admisión de agua, en esta etapa se obtuvo idrogeno ' o&igeno gracias a la electricidad del panel solar.
Conclusiones: Heredia Godoy Javier
La pila de combustible es una pila que produce electricidad de una fuente e&terna de combustible como es el idrogeno ' o&ígeno. En esta pila, al igual que en otros tipos de pila, tenemos reacciones de ó&idoJreducción, tanto en el ánodo como en el cátodo, en el ánodo se produce la o&idación del idrogeno generando protones en el catali*ador de la pila ' en el cátodo la reducción del o&ígeno. La relación obtenida en la pila de combustible para la generación de idrogeno ' o&igeno es de > ( ml de idrogeno por >ml de o&igeno), esta relación es constante para todo el sistema durante la e&perimentación. $in embargo, la potencia eléctrica generada por la pila no es constante, ' de eco, como se puede observar en los cálculos desarrollados, varia la potencia eléctrica que genera la pila, además las eficiencias determinadas de la pila en cada intervalo de tiempo va disminu'endo, esto debido a las variaciones en los potenciales eléctricos de descarga de ambos electrodos.
