Estudio Y Comprobación Experimental De Diversas Transformaciones Energéticas En La Pila De Combustible

Introducción

Las pilas de combustible pueden lograr diversas transformaciones energéticas. El principio de las pilas de combustible fue descubierto en el año 1839 por el juez galés y científico Sir William Grove y desarrollado en el año 1894 por el químico alemán Wilhelm Ostwald. En una combustión normal, la energía resultante de la oxidación del combustible se libera en forma de calor. En las pilas de combustible, los reactivos (combustible y agente oxidante) se conducen a los electrodos de forma continua. La pila de combustible puede suministrar energía mientras se alimenta con combustible y oxígeno. La tensión de salida de la pila es relativamente pequeña, pero la intensidad de la corriente y el rendimiento son favorables.

Problema

¿Cuál es la reacción energética en las pilas de combustible?

Objetivos

• Establecer los diferentes tipos de pilas de combustibles.

• Identificar las diferentes reacciones en las pilas de combustible.

• Determinar cuál es la mejor pila de combustible.

Justificación de la Investigación

Las pilas de combustible son conocidas hoy en día, pero no sabemos las diferentes pilas que hay en el mundo y como se desarrolla. Por lo cual, se hace esta investigación con intención de dar a conocer los diferentes tipos y como se desarrollan. También investigaremos cuales son las reacciones en los diferentes tipos de pila. Al pasar el tiempo la tecnología sea desarrollado más y esto ha ayudado a los científicos a desarrollar los diferentes tipos de pilas de combustible. El conocimiento de las pilas de combustible puede beneficiar a muchas personas como también a profesionales y científicos.

Marco Teórico

Transformación de la energía

Cuando un combustible se quema en la atmósfera de aire, la fuerza que impulsa esta reacción química es la afinidad, es decir, la tendencia que presenta el combustible a reaccionar con el oxígeno. En una combustión normal, la energía resultante de la oxidación del combustible se libera en forma de calor.

COMBUSTIBLE + OXÍGENO Þ PRODUCTOS DE OXIDACIÓN + CALOR

Este proceso se emplea también para la "generación de energía" en las centrales térmicas en las que, a través de la producción de vapor, se obtiene energía mecánica que luego se transforma en energía eléctrica. Sin embargo, es también posible conseguir que esta reacción siga un camino directo de forma que, como consecuencia de la transformación de la energía, se libere inmediatamente energía eléctrica. El dispositivo que permite llevar a cabo este proceso se denomina "pila de combustible". Por pila de combustible se entiende un dispositivo electroquímico que permite transformar directamente la energía química resultante de una reacción de oxidación de un combustible en energía eléctrica sin tener que convertirla primero en energía térmica. En las pilas de combustible, los reactivos (combustible y agente oxidante) se conducen a los electrodos de forma continua. En una pila de combustible se produce un proceso electroquímico directo. La pila de combustible puede suministrar energía mientras se alimenta con combustible y oxígeno. La tensión de salida de la pila es relativamente pequeña, pero la intensidad de la corriente y el rendimiento son favorables. En las pilas primarias esto no resulta posible, ya que los procesos químicos que se desarrollan durante la generación de energía eléctrica son, en gran medida, irreversibles. En los acumuladores los productos generados durante la descarga pueden convertirse de nuevo en las sustancias iniciales mediante una electrólisis posterior. Se diferencian de las pilas de combustible en que los reactivos vienen prescriptos por lo electrodos elegidos, por lo que su cantidad y su potencial quedan limitadas. Desde el punto de vista físico, una pila de combustible consta de dos electrodos separados por un electrolito. El combustible, por ejemplo, el hidrógeno, es conducido de forma continua a uno de estos electrodos -el ánodo-. Como electrolito sólo pueden emplearse conductores iónicos tales como bases, ácidos y sales. El rendimiento termodinámico de una pila de combustible es mayor o menor que el 100%, dependiendo de si la tensión de salida U de la pila aumenta o disminuye con la temperatura. ΔG puede determinarse a partir de datos calorimétricos para una temperatura determinada. Incluso bajo condiciones de reacción isotérmica y reversible no puede convertirse la totalidad de la energía térmica en energía eléctrica, pues siempre se produce una pequeña pérdida de calor. Por ello conviene operar con las pilas de combustible hidrógeno-oxígeno a una temperatura reducida para obtener una tensión elevada y un alto rendimiento.

Sin embargo, para alcanzar densidades de corriente favorables hay que operar con pilas de combustible a una temperatura elevada, pues la velocidad de las reacciones que se producen en los electrodos aumenta con la temperatura. Se trata de problemas de cinética de reacciones que determinan la densidad de corriente y, con ella, el rendimiento efectivo. Además, el agua obtenida como producto de reacción en las pilas de combustible H2-O2 puede evacuarse de ellas más fácilmente a temperaturas elevadas, por ejemplo, por evaporación.

Electrodo De Hidrógeno

Las tensiones de salida de las pilas calculadas a partir de los valores de ΔG no coinciden, a menudo, con los valores determinados experimentalmente. La causa de ello radica en el desarrollo incompleto de la reacción principal o en las reacciones secundarias que no pueden tenerse en cuenta al calcular dicha tensión de salida. En el electrodo de hidrógeno se establece con facilidad el potencial reversible del hidrógeno. Uno de los requisitos esenciales que debe cumplir el material de dicho electrodo es su capacidad de disociar la molécula de hidrógeno, es decir, de dividirla en dos átomos H. Para ello se emplean catalizadores. Las reacciones que se desarrollan en los "puntos catalíticamente activos" del electrodo

pueden representarse de la forma siguiente:

H2 Þ 2H (adsorbido) 2H (adsorbido) + 2OH- Þ 2H2O + 2 e-

Con electrólitos alcalinos se han acreditado, como catalizadores para el electrodo de hidrógeno, los metales nobles finamente divididos (negro de platino) y catalizadores de Raney correspondientes al grupo del hierro y del platino. Con electrólitos ácidos se han empleado últimamente como catalizadores además de los metales nobles de alto precio, el carburo de volframio, el fosfuro de cobalto (CoP3) o el disulfuro de molibdeno. Como ya se ha indicado, el electrodo de oxígeno no trabaja de forma totalmente reversible. Por ello, una pila de combustible hidrógeno-oxígeno suministra una tensión en vacío o reposo U0 que difiere de la tensión Ut, calculada termodinámicamente. La divergencia, tanto respecto a la tensión teórica Ut, como a la de reposo U0 que se observa al aplicar una carga a la pila se designa como sobretensión o polarización.

El rendimiento electroquímico o rendimiento de tensión h u se deriva de la tensión de servicio Una que depende de la carga de la pila y de la tensión teórica Ut o ΔG. Si, por ejemplo, la tensión de servicio de una pila de combustible hidrógeno-oxígeno es Ua= 1,15 V y su tensión teórica Ut = 1,23 V, se tiene h u = 93,5%. Uno de los problemas principales que resultan al diseñar pilas de combustible es precisamente reducir al mínimo esta sobretensión, lo que puede conseguirse, en parte, empleando catalizadores adecuados. La sobretensión o polarización está representada en la que se ha indicado la tensión en función de la corriente.

Tipos de pilas

Pila De Acido Fosfórico (Pafc)

Este es el tipo de pila más desarrollado a nivel comercial. Estas pilas de ácido fosfórico (H3PO4), generan electricidad a más del 40% de eficiencia y cerca del 85 % si el vapor producido es empleado en cogeneración, comparado con el 30% de la más eficiente máquina de combustión interna este es un rendimiento más que óptimo.Las temperaturas de operación se encuentran entre los 180 a 210 °C. Su uso es muy apropiado para generación estacionaria o móvil de gran dimensión como camiones, embarcaciones o trenes.Existen en producción comercial unidades de alrededor de 200 kW. Cuenta con las desventajas de requerir metales nobles en el catalizador. Utiliza H2 como combustible y tolera el CO2.

Pila De Polímero Solido (Pem)

Estas celdas operan a relativamente bajas temperaturas, alrededor de los 95 °C, tienen una densidad de potencia alta, pueden variar su potencia de salida rápidamente para satisfacer cambios en la demanda de potencia y son adecuadas para aplicaciones donde se requiere una demanda inicial rápida, tal como el caso de los automóviles. De acuerdo con el Departamento de Energía de EE.UU., son las principales candidatas para vehículos ligeros, edificios y potencialmente para otras aplicaciones mucho más pequeñas como las baterías recargables de las videocámaras.

Pila de carbonato fundido (mcfcs).Las pilas de combustible de carbonato fundido (Li2CO3 – K2CO3 – Na2CO3) prometen altas eficiencias combustible-electricidad y la habilidad para consumir combustibles base carbono (CO Y H2). Esta celda opera a temperaturas del orden de los 600 a 700°C, lo que hace que sea aprovechado altamente el calor.

Estas pilas pueden operar desde el 25% al 125% de la capacidad nominal de la planta. Según los datos del plan preliminares (EPRI, 1992), una planta de 2MW de potencia de carbonato fundido tendrá una superficie de 511 m² (5,500 ft²) y puede instalarse al aire libre o interior. Las pilas de combustible de carbonato fundido necesitan más de 16 horas para alcanzar el rendimiento óptimo desde su estando en frío. Si se mantuvo en estado de espera, tomará aproximadamente un minuto alcanzar el pleno rendimiento. Otra de las ventajas es que no requiere metales nobles y utiliza el CO como combustible.

Pilas Alcalinas (Afc)

Estas pilas son utilizadas desde hace mucho tiempo por la NASA en misiones espaciales, este tipo de pilas puede alcanzar eficiencias de generación eléctrica de hasta el 70%. Los electrolitos más usados son el hidróxido de potasio (KOH) y el hidróxido de sodio (NaOH). Hasta hace no mucho tiempo eran muy costosas para aplicaciones comerciales, pero el desarrollo que han tenido por parte de varias compañías, tienden a reducir costos y mejorar la flexibilidad de su operación.

Hipótesis

Las reacciones energéticas son los electrolito que predominan en las pilas de combustibles.

Metodología y Materiales

El dispositivo experimental consta de:

• Célula Solar

• Electrolizador

• Pila de combustión

• Cuadro de medidas compuesto de voltímetro, amperímetro, resistencia, lámpara y motor

• Cables de conexión

• 4 tubos de goma

• Lámpara de 100-150 Watt.

Procedimiento

1. Montar el sistema tal y como aparece en la Figura 10, asegurándose de que todas las conexiones están conectadas según la polaridad correcta.

2. Comprobar que todos los tubos de gases entre el electrolizador y la pila de

Combustión se encuentran correctamente conectados. Ajustar el interruptor rotatorio a la posición OPEN.

3. Asegurarse de que los cilindros de almacenamiento de gases del electrolizador están llenos con agua destilada hasta la marca de 0 mL. Ajustar el módulo solar de forma que se establezca una corriente constante al electrolizador de 200 a 300 MA. La célula solar y la fuente de luz deberán ser posicionados de forma que se aprecie una producción de gas constante en el electrolizador.

4. Purgar el sistema consistente en el electrolizador, la pila de combustión y los tubos durante 5 minutos con los gases que se desprenden del electrolizador. Mover el interruptor rotatorio a la posición de 3 Ω durante tres minutos. El amperímetro debería entonces medir una corriente cercana a los 400 mA y el voltímetro un voltaje de aproximadamente 0.75 Volts. Purgar de nuevo el sistema durante 3 minutos llevando el interruptor a la posición OPEN.

5. Variar la resistencia con el interruptor rotatorio. Comenzar en la posición OPEN

disminuyendo la resistencia poco a poco girando el interruptor rotatorio hacia la

derecha. Para cada resistencia esperar 30 segundos y anotar en la tabla de resultados de los valores de voltaje y corriente generados. Las últimas medidas serán realizadas en la posición “LAMP” y “MOTOR”.

6. Medir también la corriente y el voltaje suministrados desde la placa solar al

electrolizador.

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