Trabajo De Ingenieria De Metodo

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA

VICERECTORADO ACADÉMICO

ÁREA DE INGENIERÍA MENCIÓN INDUSTRIAL

TRABAJO PRÁCTICO

ASIGNATURA: PROCESOS QUIMICOS.

CÓDIGO: 240

NOMBRE DE LOS ESTUDIANTE:

CÉDULA DE IDENTIDAD:

CENTRO LOCAL: METROPOLITANO

CARRERA: INGENIERÍA INDUSTRIAL

CÓDIGO: 280

ASESOR:

FIRMA DEL ESTUDIANTE¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬:_________________________

SEMESTRE 2010-2

INDICE

Planteamiento del problema (3)

Introducción (4)

Contenido (5)

1.- Celdas de combustible (5)

1.1.- Características de la celda de combustible (6)

1.2.- Ventajas de las celdas de combustible (6)

2.- tipos de celdas de combustible (7)

2.1.- Celdas de combustible de membrana de polímero electrolito (MPE) (7)

2.1.1.- Estructura de una celda de combustible (MPE) (7)

2.1.2.- Funcionamiento de una celda de combustible( MPE).(9)

2.2.- Celdas de combustible capa de oxido solido (COS) (10)

2.2.1.- Estructura de una celda de combustible (COS) (11)

2.2.2.- Funcionamiento de una celda de oxido solido (COS) (12)

3.- Resumen comparativo de las principales características técnicas de las celdas de combustible tipo MPE y tipo COS (13)

4.- Análisis estequiométrico de las celdas de combustible (13)

5.- Termodinámica de las celdas de combustible: Ecuación de Nernst (15)

5.1.- Requerimiento de alimentación de hidrogeno en la celda de combustible tipo MPE (16)

5.2.- Requerimiento de alimentación de hidrogeno en la celda de combustible tipo COS (19)

6.- Comparación de los resultados de las celda tipo MPE con la celda de combustible COS (21)

Conclusiones (23)

Anexos (24)

Bibliografía (25)

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Se desea seleccionar un material de celda de combustible para uso en un generador de emergencia de 200 kW. Los materiales a ser evaluados son dos tipos de celdas de combustible:

Membrana de polímero electrolito (MPE)

Capa de óxido sólido (COS)

En la celda de combustible MPE, una membrana de polímero de intercambio iónico sire como electrolito. El único líquido presente es agua. La temperatura máxima de operación se limita a alrededor de 100 ºC. Las ventajas incluyen ausencia de líquido corrosivo, fabricación sencilla y prolongada vida de uso. Una desventaja importante es el elevado costo de la membrana de polímero. Debido a que la temperatura de operación se limita a menos de 110 ºC, el gas hidrogeno puede contener no más de algunos ppm de CO, para evitar daño a los electrodos de Pt.

En la celda de combustible (COS), un oxido metálico como el zirconio estabilizado con oxido de itrio sirve como electrolito solido depositado como una capa fina entre los electrodos sólidos. Estos materiales operan a temperaturas muy altas (1000 ºC), pero son de difícil fabricación.

En una celda común, alrededor del 90% del hidrogeno alimentado reacciona para producir agua; el resto sale de la celda de combustible sin transformación.

Suponga que:

El aire (79N2 – 21 O2) es la fuente de oxigeno y que el oxigeno es alimentado estequiometricamente. El aire y el hidrógeno se alimenta se alimentan a la celda de combustible a 25 ºC.

La corriente de escape se encuentra a la temperatura de operación de la celda de combustible.

Como las perdidas teóricas de calor están en función de la temperatura de operación de la celda de combustible, estime 0.0045 T kJ por mol gramo de H2 que reacciona, donde T es la temperatura de operación en K.

¿Cuál es el requisito de la alimentación de hidrógeno, para la generación de potencia, para la MPE comparado con la COS?

Además, el rendimiento real del trabajo es 65% del rendimiento teórico para MEP y 70% para COS.

Datos adicionales:

Hf, H2, O = -241,8 KJ/mol Cp, H2O = 33.6 J/mol ºC

Cp,O2= 29,3 J/mol ºC Cp,N = 29,1 J/mol ºC Cp,H2 = 29, 1 J/mol ºC

INTRODUCCION

Las celdas de combustible que utilizan hidrógeno convierten energía química en energía eléctrica, pues en el proceso de conversión electroquímico para producir electricidad, los únicos productos derivados de las celdas de combustible son agua y calor. Ya que la generación de energía eléctrica con celdas de combustible es obtenida directamente de la reacción química, la eficiencia que alcanza una celda de combustible puede ser muy elevada, además al no tener partes en movimiento son muy silenciosas.

Con las celdas de combustible se produce directamente electricidad con una alta eficiencia mediante el uso de químicos, que generalmente son hidrógeno y oxígeno sin existir combustión, donde el hidrógeno actúa como elemento combustible y el oxígeno como oxidante.

Las celdas de combustible funcionan bajo el principio de intercambio de carga electroquímica entre una placa positiva y una negativa. Cuando se utiliza hidrógeno como combustible se produce electrolisis inversa, dando agua y calor como subproductos sin producir contaminantes y convirtiendo directamente energía química en eléctrica.

La celda de combustible está compuesta por un ánodo, un cátodo y un electrolito. Sin embargo, siendo la oxidación del hidrógeno igual para todos los tipos de celdas de combustible, por su variedad de combustible, los materiales usados en las celdas de combustible son muy variados. En el siguiente trabajo se plantea la selección de un material de celda de combustible para su uso en u generador eléctrico de emergencia de 200 kW. En donde se evaluara los materiales de dos tipos de celdas de combustible como son la membrana de polímero electrolito (MPE) y la capa de óxido solido (COS), dependiendo del nivel de alimentación de hidrogeno entre ambas celdas para la generación de potencia se comparara cual de los dos tipos de celda es más eficaz para ser utilizada como el material principal en la elaboración del generador.

CONTENIDO

1.- CELDAS DE COMBUSTIBLES

La celda de combustible es un dispositivo que convierte directamente la energía química de un combustible en electricidad de corriente directa, de forma adicional, la celda de combustible genera calor y agua.

Figura Nº 1. Entradas y Salidas de una Celda de Combustible

E

Una celda de combustible tiene cierta similitud con una celda común, porque ambos dispositivos generan electricidad de corriente directa por medio de reacciones químicas. La celda común genera electricidad por la reacción electroquímica de los materiales que hay dentro de ella, por lo que deja de producir electricidad cuando dichos materiales se agotan. Las celdas catalogadas como recargables, se les suministra electricidad (proceso de recarga) para renovar las sustancias químicas dentro de ella. A diferencia de las celdas convencionales, los reactantes —combustible y oxidante— se encuentran en el exterior de la celda. Los reactantes pueden ser almacenados en tanques, al agotarse los reactantes, los tanques se vuelven a llenar con reactantes, tomando este proceso un menor tiempo comparado con el proceso de recarga de una celda convencional.

1.1.- CARACTERÍSTICAS DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE

En cuanto a las características de las celdas de combustible que destacan son:

Alta Eficiencia de conversión de energía. La celda de combustible tiene una mayor eficiencia para convertir la energía comparado con convertidores de energía tradicionales (maquina de combustión interna), aunado a esto, la eficiencia es mayor cuando la carga eléctrica disminuye. Esto resulta favorable para aplicaciones del sector automotriz, donde generalmente no se opera a plena carga.

Baja contaminación. El proceso de generación de energía eléctrica para una celda de combustible que emplea como combustible hidrogeno, no produce emisiones contaminantes. Para otros combustibles como el gas natural, las emisiones de CO2 son menores que las emitidas por una máquina de combustión interna.

Bajo nivel de ruido. Debido a que el proceso de conversión de energía se realiza mediante procesos químicos, no se requieren partes móviles dentro de la celda de combustible, la generación de ruido proviene de componentes auxiliares que acompañan a la celda de combustible.

Modular y escalable. Por su diseño, las celdas de combustible son generadores eléctricos modulares, por lo que pueden ser construidas para satisfacer demandas desde el rango de Watts a Mega Watts

Generalmente las celdas de combustible se clasifican por el electrolito que usan.

1.2.- VENTAJAS DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE

Los sistemas con celdas de combustible operan sin contaminación cuando trabajan con hidrógeno puro, los únicos productos derivados son agua pura y calor.

Los sistemas con celdas de combustible operan a mayor eficiencia termodinámica que las máquinas

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